luận văn: phân tích đánh giá hiệu quả của một số thuật toán phát hiện ảnh giấu tin trong miền không gian

luận văn: phân tích đánh giá hiệu quả của một số thuật toán phát hiện ảnh giấu tin trong miền không gian luận văn: phân tích đánh giá hiệu quả của một số thuật toán phát hiện ảnh giấu tin trong miền không gian luận văn: phân tích đánh giá hiệu quả của một số thuật toán phát hiện ảnh giấu tin trong miền không gian

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÝ NGỌC HÙNG

PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA MỘT SỐ THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN TRONG

MIỀN KHÔNG GIAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÝ NGỌC HÙNG

PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA MỘT SỐ THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN TRONG

MIỀN KHÔNG GIAN

Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết quả tìm hiểu, nghiên cứu trong luận văn là của cá nhân tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác Các trích dẫn số liệu và kết quả tham khảo đều có xuất xứ

rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp

Hà Nội, tháng 10 năm 2014

Tác giả luận văn

Lý Ngọc Hùng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7

MỞ ĐẦU 9

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH 11

1.1 Sơ lược về lịch sử giấu tin 11

1.2 Khái niệm giấu tin 11

1.3 Phân loại các kỹ thuật giấu tin 13

1.4 Những tính chất của giấu tin trong ảnh 14

1.5 Các hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh 15

1.5.1 Hướng tiếp cận dựa trên miền không gian ảnh 15

1.5.2 Hướng tiếp cận dựa trên miền tần số của ảnh 16

1.6 Một số ứng dụng của kỹ thuật giấu tin 16

1.7 Một số kỹ thuật giấu tin 17

1.7.1 Kỹ thuật giấu tin mật trong khối bít sử dụng tính chẵn lẻ của tổng bit 1 17

1.7.1.1 Ý tưởng 17

1.7.1.2 Thuật toán giấu tin 17

1.7.1.3 Quy trình tách tin 18

1.7.2 Kỹ thuật giấu tin Wu-Lee 19

1.7.2.1 Một số định nghĩa 19

1.7.2.2 Thuật toán giấu tin 20

1.7.2.3 Quá trình tách tin 23

1.7.3 Thuật toán giấu tin Yuan – Pan - Tseng 24

1.7.3.1 Ý tưởng 24

1.7.3.2 Thuật toán giấu tin 24

1.7.3.3 Quá trình tách tin 29

1.7.4 Kỹ thuật trải phổ trong watermarking 29

1.7.4.1 Mô tả thuật toán 30

1.7.4.2 Quá trình thủy vân ảnh 30

1.7.4.3 Quá trình tách lấy lại thông tin 32

Chương 2 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN TRONG MIỀN KHÔNG GIAN 34

2.1 Tổng quan về phát hiện ảnh giấu tin 34

2.2 Các phương pháp phân tích ảnh có giấu tin 34

2.2.1 Phân tích trực quan 34

2.2.2 Phân tích theo định dạng ảnh 35

2.2.3 Phân tích theo thống kê 35

2.3 Cơ sở toán học 35

2.4 Một số thuật toán phát hiện ảnh có giấu tin trong miền không gian 39

2.4.1 Kỹ thuật phân tích cặp giá trị điểm ảnh 39

2.4.1.1 Khái niệm cặp giá trị điểm ảnh 39

2.4.1.2 Thuật toán PoV3 39

2.4.1.3 Phân tích thuật toán 40

2.4.2 Kỹ thuật phân tích đối ngẫu 41

2.4.2.1 Khái niệm cơ bản trong kỹ thuật đối ngẫu 41

2.4.2.2 Thuật toán RS 43

2.4.2.3 Phân tích thuật toán RS 45

2.4.3 Kỹ thuật phân tích cặp mẫu SPA 48

2.4.3.1 Các khái niệm 48

2.4.3.2 Phát hiện giấu tin mật LSB nhờ kỹ thuật SPA 51

2.4.3.3 Phân tích kỹ thuật SPA 52

2.4.3.4 Ước lượng độ chính xác của chiều dài thông điệp dấu theo SPA 56

Chương 3 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN TRONG MIỀN KHÔNG GIAN 60

3.1 Đặt vấn đề 60

3.2 Xây dựng thuật toán 60

3.2.1 Thuật toán A 61

3.2.2 Thuật toán B 62

3.3 Kết quả thử nghiệm 64

3.3.1 Đối với thuật toán A 64

3.3.2 Đối với thuật toán B 65

3.4 Chương trình thử nghiệm 66

KẾT LUẬN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DCT Discrete Cosine Transform

DFT Discrete Fourier Transform

GIF Graphics Interchange Format

HAS Human Auditory System

JPEG Joint Photographic Experts Group

LSB Least Significant Bit

PNG Portable Network Graphics

PoV Pairs of Values

RGB Red – Green - Blue

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Quá trình giấu tin 12

Hình 1 2 Quá trình giải mã tin giấu 13

Hình 1 3 Sơ đồ phân loại các kỹ thuật giấu tin 14

Hình 2 1 Quá trình tổng quát của kỹ thuật phát hiện ảnh giấu tin……… 34

Hình 2 2 Đồ thị RS của một ảnh kiểm tra 46

Hình 2 3 Xích hữu hạn trạng thái với các trạng thái là các tập con của Cm (m>0) 50

Hình 2 4 Xích hữu hạn trạng thái cho tập C0 50

Hình 3 1 Giao diện chính của chương trình 66

Hình 3 2 Giao diện giấu tin trong ảnh vào bít có trọng số thấp nhất 67

Hình 3 3 Giao diện giấu tin theo kỹ thuật WuLee 68

Hình 3 4 Giao diện phát hiện ảnh có chứa tin theo thuật toán A 68

Hình 3 5 Giao diện phát hiện ảnh có chứa tin theo thuật toán B 69

Hình 3 6 Giao diện phát hiện ảnh có chứa tin theo thuật toán A-B với đầu vào là một tập các tập tin 69

LỜI CÁM ƠN Bằng tất cả tình cảm của mình, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy

Cô của bộ môn Hệ thống thông tin, cũng như các thầy cô trong Khoa Công nghệ thông tin – trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu, đã truyền thụ cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm, đã quan tâm dìu dắt và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như trong lúc thực hiện luận văn này Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Tiến

Sĩ Hồ Văn Canh người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn cụ thể để tôi có thể hoàn thành luận văn này Em kính chúc thầy luôn luôn mạnh khỏe và có nhiều niềm vui

Xin chân thành gửi lời cám ơn đến các bạn, các đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên, cổ vũ mình trong suốt quá trình học tập và đặc biệt trong thời gian nghiên cứu luận văn Mình rất hy vọng và tin tưởng rằng chúng ta vẫn luôn giữ được những tình cảm tốt đẹp đó

Mặc dù đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự tận tình chỉ bảo của quý Thầy Cô và các bạn

Hà Nội, tháng 11 năm 2014

Lý Ngọc Hùng

MỞ ĐẦU 1/Đặt vấn đề

Ngày nay cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đã đem lại những thay đổi sâu sắc trong xã hội và trong cuộc sống của chúng ta Những thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại cũng sinh ra những thách thức và cơ hội mới cho quá trình đổi mới, xây dựng và phát triển đất nước Với sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống mạng máy tính đã tạo nên môi trường mở và là phương tiện trao đổi thông tin trong mọi lĩnh vực chính trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thương mại….Và chính trong môi trường mở

và tiện nghi như thế xuất hiện những vấn nạn, tiêu cực đang rất cần đến các giải pháp hữu hiệu cho vấn đề an toàn thông tin như: nạn xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép, v.v

Để đảm bảo an toàn và bí mật cho một thông điệp truyền đi người ta thường dùng phương pháp truyền thống là mã hóa thông điệp theo một quy tắc nào đó đã được thỏa thuận trước giữa người gửi và người nhận Tuy nhiên trong khoảng 10 năm gần đây đã xuất hiện một cách tiếp cận mới để truyền các thông điệp bí mật, đó là giấu các thông tin quan trọng trong những bức ảnh Sau khi thực hiện giấu thì việc nhìn bề ngoài các bức ảnh có chứa thông tin cũng không có gì khác với các bức ảnh ban đầu chưa giấu chính vì vậy đã hạn chế được tầm kiểm soát của kẻ gian Mặt khác, dù các bức ảnh đó bị phát hiện ra là có chứa thông tin trong đó thì với các khóa có độ bảo mật cao thì việc tìm được nội dung của thông tin đó cũng rất khó có thể thực hiện được

Song song với việc phát triển các kỹ thuật giấu tin trong đa phương tiện thì kỹ thuật dò tìm ảnh có chứa thông tin ẩn hiện nay đang phát triển rất mạnh, với hàng trăm công trình nghiên cứu được công bố trên thế giới hàng năm Việc dò tìm ảnh có chứa thông tin bên cạnh việc phân loại đối tượng dữ liệu trên môi trường truyền thông còn

có mục đích đánh giá ngược lại về mức độ an toàn và tin cậy của các thuật toán giấu tin Đây là một hướng nghiên cứu triển vọng có thể góp phần đảm bảo an ninh, an toàn thông tin

2/ Những đóng góp của luận văn

Trong luận văn này chúng tôi sẽ trình bày một số thuật toán giấu tin mật đã được công bố trong khoảng thời gian gần đây, bên cạnh đó trong luận văn tôi cũng sẽ trình bày đánh giá một số thuật toán phát hiện ảnh giấu tin trong miền không gian và đưa ra hai thuật toán phát hiện ảnh giấu tin bằng phương pháp lý thuyết thống kê dựa trên phương pháp thống kê tự tương quan (Autocorrelation)

Bên cạnh đó luận văn đã thử nghiệm thuật toán giấu tin trong miền không gian

và thử nghiệm phát hiện ảnh giấu tin với hai thuật toán đã đề xuất với bộ dữ liệu ảnh là

100 ảnh để đánh giá các kỹ thuật phát hiện đã đề xuất

3/ Bố cục của luận văn

Luận văn được trình bày trong 3 chương, có phần mở đầu, phần kết luận, phần mục lục, phần tài liệu tham khảo Các nội dung cơ bản của luận văn được trình bày theo cấu trúc như sau:

Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật giấu tin trong ảnh

Chương này sẽ trình bày một cách tổng quan về giấu tin trong ảnh, lịch sử, khái niệm, phân loại, các đặc trưng, các hướng tiếp cận và một số kỹ thuật giấu tin mật đã được công bố

Chương 2: Nghiên cứu một số thuật toán phát hiện ảnh có giấu tin trong miền không gian

Chương này sẽ trình bày một cách tổng quan về kỹ thuật phát hiện ảnh có giấu tin, các hướng phân tích để phát hiện ảnh có giấu tin và trình bày một số thuật toán phát hiện ảnh có giấu tin đã được công bố: Kỹ thuật phân tích cặp giá trị điểm ảnh - thuật toán PoV3, kỹ thuật phân tích đối ngẫu, kỹ thuật phân tích cặp mẫu SPA

Chương 3: Đề xuất thuật toán phát hiện ảnh có giấu tin trong miền không gian

Chương này sẽ trình bày hai thuật toán đề xuất và đánh giá độ tin cậy của từng thuật toán Cài đặt thử nghiệm việc phát ảnh có giấu tin dựa theo hai thuật toán đã đề xuất

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH

1.1 Sơ lược về lịch sử giấu tin

Giấu thông tin bí mật (Steganography) có lịch sử hình thành và phát triển từ rất lâu đời, nó bắt nguồn từ Hy Lạp và được sử dụng cho tới ngày nay, chủ yếu phục vụ cho mục đích liên lạc bí mật

Theo các tài liệu nghiên cứu ghi lại, kỹ thuật giấu tin cổ xưa nhất và cũng là đơn giản nhất được nhắc tới trong các tài liệu là khi vua Histiaeus (khoảng năm 440 trước công nguyên) cạo sạch tóc xăm thông điệp lên da đầu và chờ khi tóc mọc lại, người nô lệ đó chuyển thông tin tới người nhận Một thời gian sau người ta sử dụng các vật liệu tự nhiên như bảng gỗ, sáp ong, hổ phách cho việc giấu thông tin

Khi kỹ thuật phát triển hơn, con người sử dụng chữ viết với cỡ chữ nhỏ giấu trong các vật dụng hàng ngày (như các hộp, vali có hai đáy) để chuyển đi, hoặc dùng

bồ câu để chuyển thông tin để che mắt các nhân viên an ninh, hải quan Sang thế kỷ XVII, người ta dùng cách đánh dấu vào các ký tự cần thiết trên một văn bản, một bài báo công khai nào đó rồi truyền tới tay người nhận Sau đó là thời kỳ phát triển rực rỡ của công nghệ hoá học với sản phẩm là mực không màu - là các chất lỏng sản phẩm hữu cơ không màu và hiển thị màu khi gặp điều kiện hoá - lý thích hợp Tới ngày nay với phương pháp kiểm tra độ ẩm bề mặt, mực không màu không còn tác dụng bảo mật nữa, nhưng nó vẫn còn được dùng như một dạng thuỷ vân để in các block nhỏ hay các chi tiết phát quang khi bị chiếu tia cực tím

Trong một vài thập niên gần đây, giấu thông tin mới nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và các viện công nghệ thông tin với rất nhiều công trình nghiên cứu Cuộc cách mạng số hóa thông tin và sự phát triển nhanh chóng của mạng truyền thông là nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi này Những phiên bản sao chép hoàn hảo, các kĩ thuật thay thế, sửa đổi tinh vi cộng với sự lưu thông trên mạng của các dữ liệu đa phương tiện đã sinh ra rất nhiều những vấn đề nhức nhối về nạn ăn cắp bản quyền, phân phối bất hợp pháp, xuyên tạc trái phép…đây là lúc công nghệ giấu tin được chú ý và phát triển

1.2 Khái niệm giấu tin

Giấu tin là kỹ thuật giấu hoặc nhúng một lượng thông tin số nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác Một trong những yêu cầu cơ bản của giấu tin là đảm bảo tính chất ẩn của thông tin được giấu đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng của dữ liệu gốc

Kỹ thuật giấu tin thường nhằm đến hai mục đích chính đó là:

+ Bảo mật cho dữ liệu được đem giấu

+ Bảo mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin

Với hai mục đích khác nhau này mà kỹ thuật giấu tin được phát triển theo hai khuynh hướng kỹ thuật tương ứng, chủ yếu đó là giấu tin mật và thủy vân số Đối với

kỹ thuật giấu tin mật thì việc giấu tin tập trung vào các kỹ thuật giấu tin sao cho thông tin giấu càng được nhiều càng tốt và quan trọng là người khác khó có thể phát hiện được một đối tượng có bị giấu tin bên trong hay không Còn đối với kỹ thuật thủy vân

số với mục đích là bảo mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin thì không cần giấu nhiều thông tin mà chỉ thường tập trung đảm bảo một số yêu cầu như tính bền vững và đây là một trong những ứng dụng cơ bản nhất của thủy vân số

Hình 1 1 Sơ đồ quá trình giấu tin

Hình 1.1 biểu diễn quá trình giấu tin cơ bản, môi trường chứa tin có thể là các file ảnh, text, audio…bản tin mật là một lượng thông tin mang một ý nghĩa nào đó như ảnh, logo, đoạn văn bản thông điệp giấu sẽ tuỳ thuộc vào mục đích của người sử dụng Bản tin mật sẽ được giấu vào trong môi trường chứa tin nhờ một bộ nhúng Bộ nhúng thông tin là những chương trình, triển khai các thuật toán để giấu tin và được thực hiện với một khoá bí mật giống như các hệ mật mã cổ điển Sau khi giấu tin, ta thu được phương tiện chứa bản tin đã giấu và có thể phân phối sử dụng trên mạng

Môi trường chứa

đã được giấu tin

Bản tin mật

Phương tiện chứa tin

Khóa

Bộ giải mã tin

Kiểm định

Hình 1 2 Sơ đồ quá trình giải mã tin giấu

Hình 1.2 chỉ ra các quy trình giải mã thông tin đã giấu Sau khi nhận được phương tiện chứa đã giấu tin, quá trình giải mã được thực hiện thông qua một bộ giải

mã tương ứng với bộ nhúng thông tin cùng với khoá của quá trình nhúng Kết quả thu được gồm phương tiện chứa ban đầu và bản tin mật đã giấu Bước tiếp theo bản tin mật sẽ được xử lý kiểm định so sánh với bản tin mật ban đầu

Giấu tin trong ảnh (image steganography) là kỹ thuật lợi dụng một số thông tin

dư thừa của dữ liệu ảnh gốc để giấu hoặc nhúng thông tin vào đó Kỹ thuật giấu này đảm bảo chỉ người giấu và người tách biết được thông tin đã giấu, còn những người khác không thể cảm nhận được sự tồn tại của thông tin đã giấu trong ảnh

Nói chung giấu tin trong đa phương tiện là tận dụng độ dư thừa của phương tiện giấu để thực hiện việc giấu tin, mà người ngoài cuộc “khó” cảm nhận được có thông tin giấu trong đó

1.3 Phân loại các kỹ thuật giấu tin

Do kỹ thuật giấu thông tin số thường nhằm đến hai mục đích chính đó là bảo mật cho dữ liệu được đem giấu và bảo mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin nên theo Fabien A.P Petitcolas đề xuất năm 1999 có thể chia lĩnh vực giấu tin theo hai hướng lớn là giấu tin mật và thủy vân số [10]

Giấu tin mật: việc giấu tin sẽ quan tâm tới việc giấu các tin sao cho thông tin

giấu được càng nhiều càng tốt và quan trọng là người khác khó phát hiện được một đối tượng có bị giấu tin bên trong hay không bằng kỹ thuật thông thường

Thủy vân số: việc giấu tin sẽ quan tâm tới việc đánh giấu vào đối tượng nhằm

khẳng định bản quyền sở hữu hay phát hiện xuyên tạc thông tin Trong thủy vân số

được phân thành 2 loại đó là thủy vân bền vững và thủy vân dễ vỡ Đối với thủy vân dễ

vỡ là kỹ thuật nhúng thuỷ vân vào trong ảnh yêu cầu thông tin giấu sẽ bị sai lệch nếu

có bất kỳ sự thay đổi vào trên môi trường chứa tin Còn đối với thuỷ vân bền vững thì thường được ứng dụng trong các ứng dụng bảo vệ bản quyền và yêu cầu độ bền cao trước sự thay đổi vào môi trường chứa tin Trong thủy vân bền vững lại được phân ra

làm hai loại thủy vân đó là thủy vân ẩn (cũng giống như giấu tin, bằng mắt thường không thể nhìn thấy thuỷ vân) và thủy vân hiện (là loại thuỷ vân được hiện ngay trên

sản phẩm và người dùng có thể nhìn thấy được)

Hình 1 3 Sơ đồ phân loại các kỹ thuật giấu tin

1.4 Những tính chất của giấu tin trong ảnh

Khi giấu thông tin trong ảnh, thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi và gần như khi nhìn bình thường vào ảnh đó chúng ta không thể phát hiện ra rằng đằng sau ảnh là khối thông tin được ẩn trong đó Và một đặc điểm của giấu thông tin trong ảnh đó là thông tin được giấu một cách vô hình, nó là một cách truyền thông tin mật cho nhau mà người khác không thể biết được bởi sau khi giấu thông tin thì chất lượng ảnh gần như không thay đổi

Với nhiều định dạng và tính chất của các ảnh là khác khác nhau nên kỹ thuật giấu tin trong ảnh thường chú ý những tính chất cơ bản sau đây [6]:

*Tính vô hình: nghĩa là với người quan sát bằng mắt thường không thể phát hiện được

ảnh có chứa thông tin ẩn trong đó Đây là một tính chất cực kỳ quan trọng đối với kỹ thuật giấu tin mật

*Tính bền vững: sau khi thực hiện giấu tin vào ảnh mang, bản thân ảnh mang có thể

phải qua các biến đổi khác nhau như lọc tuyến tính, thêm nhiễu, làm sắc nét, mờ nhạt,

quay, nén mất dữ liệu, vì vậy tính bền vững của việc giấu tin thể hiện khả năng chiết rút thông tin sau các xử lý tín hiệu và các kiểu tấn công Hiện nay, chưa tìm ra phương pháp nào có thể đảm bảo tính chất này một cách tuyệt đối

* Khả năng nhúng: là khả năng lượng thông tin cần nhúng càng nhiều càng tốt nhưng

không được vi phạm tính chất khác của kỹ thuật giấu tin mật

* Tính trong suốt: thông tin mật đem giấu không được gây ảnh hưởng đến chất lượng

cảm thụ của đối tượng chứa Tức là hình ảnh sau khi được nhúng tin hình hoàn toàn giống hình ảnh gốc Nếu vi phạm tính chất này thì bài toán giấu tin không còn ý nghĩa

* Khả năng không thể phát hiện: tính chất này thể hiện khả năng khó bị phát hiện,

nghĩa là khó xác định một đối tượng có chứa thông tin mật hay không Để nâng cao khả năng này, hầu hết các phương pháp giấu tin đều dựa trên đặc điểm của hệ tri giác con người: HAS (Human Auditory System) và HVS (Human Visual System)

Khả năng khó bị phát hiện của tín hiệu mật phụ thuộc vào hai yếu tố sau:

+ Kỹ thuật nhúng: dữ liệu nhúng phải phù hợp với đối tượng chứa và thuật toán nhúng Để thực hiện tốt yêu cầu này, ngoài những kinh nghiệm trong lĩnh vực giấu tin, còn phải có kiến thức về các loại định dạng tập tin

+ Kinh nghiệm của kẻ tấn công: nếu như kẻ tấn công có nhiều kinh nghiệm trong việc phát hiện đối tượng chứa thông tin mật thì khả năng bị phát hiện là không quá khó

Trong thực tế, người ta luôn phải cân nhắc giữa tính bền vững, khả năng nhúng

và khả năng không thể phát hiện Tùy vào mỗi ứng dụng mà ta ưu tiên tiêu chuẩn nào

là trên hết

1.5 Các hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh

1.5.1 Hướng tiếp cận dựa trên miền không gian ảnh

Đây là hướng tiếp cận cơ bản trong số các kỹ thuật giấu tin Miền không gian ảnh là miền dữ liệu ảnh gốc, khi tác động lên miền không gian ảnh thì chính là tác động lên các điểm ảnh và thay đổi giá trị trực tiếp của điểm ảnh đó Một phương pháp phổ biến của hướng tiếp cận này là phương pháp thay thế bit ít quan trọng nhất của mỗi điểm ảnh [2]

Ý tưởng cơ bản của phương pháp thay thế bit ít quan trọng nhất LSB (Least Significant Bit) là bit được chọn ra từ mỗi điểm ảnh các bit có ít ý nghĩa nhất về mặt tri giác để sử dụng về việc giấu tin

Ví dụ, trong ảnh 24 bit màu, mỗi màu được biểu diễn bởi 24 bit tương ứng với

ba màu RGB, mỗi màu chiếm 1byte Người ta sử dụng một tính chất của mắt người là

sự cảm nhận về màu Blue kém sơn so với màu Red, Green, vì vậy ta thường chọn bit cuối cùng trong 8 bit biểu diễn màu Blue của mỗi điểm ảnh để giấu tin Thay đổi bít cuối cùng trong 8 bit biểu diễn màu Blue chỉ làm giá trị biểu diễn màu Blue tăng hoặc giảm đi 1 đơn vị Do vậy các bit ít quan trọng nhất trong trường hợp này là bit thứ 24 của mỗi điểm ảnh Tuy nhiên phương pháp này cũng có nhiều hạn chế như không đảm bảo tính bền vững đối với các thao tác như quay hay nén ảnh

1.5.2 Hướng tiếp cận dựa trên miền tần số của ảnh

Nhóm kỹ thuật này sử dụng một phương pháp biến đổi trực giao nào đó, chẳng hạn như Cosine rời rạc, hay Fourier… Để chuyển miền không gian ảnh sang miền tần

số Thuỷ vân sẽ được nhúng trong miền không gian tần số của ảnh theo kỹ thuật trải phổ trong truyền thông Đây là kỹ thuật phổ biến nhất với nhiều thuật toán và được hứa hẹn là một phương pháp tốt giải quyết vấn đề đảm bảo hai thuộc tính quan trọng của thuỷ vân sau khi giấu

1.6 Một số ứng dụng của kỹ thuật giấu tin

Ngày nay, kỹ thuật giấu tin được triển khai trong nhiều ứng dụng khác nhau nhằm bảo vệ tính bí mật của thông tin, phục vụ các mục đích tích cực như bảo vệ bản quyền, thủy vân số, hay phục vụ giấu các thông tin bí mật về quân sự và kinh tế Trong

đó giấu tin trong ảnh chiếm tỷ lệ lớn nhất ở hệ thống giấu tin trong đa phương tiện Sau đây là một số ứng dụng chủ yếu của giấu tin [2]

- Ứng dụng của thủy vân

+ Bảo vệ bản quyền tác giả: đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thủy vân

số Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu sẽ được nhúng vào trong sản phẩm của nhà sản xuất Thủy vân đó chỉ có một mình người chủ sở hữu hợp pháp sản phẩm đó có, và được dùng làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thủy vân phải tồn tại bền vững cùng sản phẩm, muốn bỏ thủy vân này mà không được phép của người chủ sở hữu, thì chỉ có cách phá hủy sản phẩm

+ Nhận thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin: một tập các thông tin

sẽ được giấu trong phương tiện chứa sau đó được sử dụng để nhận biết xem môi trường chứa tin gốc đó có bị thay đổi hay không Yêu cầu chung đối với các ứng dụng này là khả năng giấu thông tin cao và thủy vân không cần bền vững

+ Gán nhãn: tiêu đề, chú giải và nhãn thời gian cũng như các minh hoạ khác có

thể được nhúng vào ảnh, ví dụ đính tên người lên ảnh của họ Khi đó nếu sao chép ảnh thì cũng sẽ sao chép cả các dữ liệu nhúng trong nó Và chỉ có chủ sở hữu của tác phẩm, người có được khoá bí mật mới có thể tách ra và xem các chú giải, tiêu đề này

+ Kiểm soát sao chép: điều mong muốn đối với các hệ thống phân phối dữ liệu

đa phương tiện là tồn tại một kỹ thuật chống sao chép trái phép dữ liệu Các thủy vân trong trường hợp này được dùng để kiểm soát sao chép đối với các thông tin Thiết bị phát hiện ra thủy vân thường được gắn sẵn vào trong hệ thống đọc ghi Ứng dụng loại này cũng yêu cầu thủy vân phải được đảm bảo an toàn và cũng sử dụng phương pháp phát hiện thủy vân đã giấu mà không cần thông tin gốc

- Ứng dụng của giấu tin: thông tin giấu được trong trường hợp này càng nhiều càng

tốt, việc tách tin để nhận được tin giấu cũng không cần phương tiện chứa ban đầu Các yêu cầu mạnh về tính bền vững không cần thiết lắm, thay vào đó là thông tin giấu cần phải đảm bảo tính bí mật

1.7 Một số kỹ thuật giấu tin

1.7.1 Kỹ thuật giấu tin mật trong khối bít sử dụng tính chẵn lẻ của tổng bit 1

1.7.1.1 Ý tưởng

Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật này là chia một ảnh thành các khối nhỏ và trong mỗi khối nhỏ sẽ giấu một bit thông tin Dựa vào tính chẵn lẻ của tổng số các bit 1 trong khối để quy định giấu bit 1 hay 0 Cụ thể sau khi giấu thì tổng số các bit 1 trong khối và bit cần giấu sẽ có cùng tính “chẵn lẻ” Thuật toán này dùng cho ảnh đen trắng, ảnh mầu và ảnh xám Đây là kỹ thuật đơn giản nhất trong các kỹ thuật giấu tin

1.7.1.2 Thuật toán giấu tin

Đầu vào

 Một file ảnh bitmap đen trắng

 Một file thông tin cần giấu

 Một khóa K: đây là kích thước của khối nhỏ

Đầu ra

 Một file ảnh đã được giấu tin

Các bước thực hiện

Bước 1: Tiền xử lý

 Chuyển file thông tin cần giấu sang dạng nhị phân D=b1b2…bk

 Đọc phần chứa thông tin ảnh (header của ảnh) để lấy các thông tin về ảnh, đọc bảng màu Sau đó đọc toàn bộ dữ liệu ảnh vào một mảng hai chiều MMxN để sử dụng cho việc giấu tin

Bước 2: Giấu tin

 Chia ma trận MMxN thành các khối nhỏ B i kích thước K = m x n

 Thực hiện giấu bit dữ liệu bi vào từng khối Bi

 Ảnh đã được giấu tin với dãy bit bí mật D=b1b2…bk

 K là khóa bí mật, là kích thước khối nhỏ đã được xác định trước

Đầu ra

 File ảnh chứa tin đã được giấu

 D là dãy bit bí mật đã giấu

Các bước thực hiện

Bước 1 :

 Đọc header của ảnh để biết các thông tin về ảnh

 Đọc bảng màu

 Đọc phần dữ liệu ảnh vào ma trận hai chiều M MxN

quy tắc sau:

 Nếu tổng số các bit 1 trong khối là lẻ thì ta thu được bit dữ liệu giấu là 1

 Nếu tổng số các bit 1 trong khối là chẵn thì ta thu được bit dữ liệu giấu là 0

Cứ như vậy, sau khi xử lý hết các khối nhỏ đã giấu thông tin ta thu được chuỗi bit đã giấu và chuyển file xâu bit nhị phân sang file văn bản

* Phân tích thuật toán

- Việc chọn kích thước khối giấu tùy thuộc vào kích thước ảnh và lượng thông tin cần giấu sao cho giấu giàn trải trên toàn bộ ảnh

- Với thuật toán này việc chọn khối khá đơn giản, bắt đầu từ khối đầu tiên và những khối liên tiếp phía sau một cách tuần tự Tuy nhiên ta có thể làm khó thuật toán hơn bằng cách chọn ngẫu nhiên một khối chưa giấu ở mỗi lần giấu Khi đó, đã làm tăng độ an toàn của thuật toán vì khóa bây giờ còn thêm cả chỉ số khối đã giấu tin cho từng bit Hoặc ta có thể thay đổi kích thước khối ở mỗi lần giấu, chẳng hạn như lần 1

có kích thước khối là 8x8, lần thứ hai 12x12, 16x16… trong trường hợp này thì khóa

là kích thước khối của mỗi lần giấu là khác nhau

1.7.2 Kỹ thuật giấu tin Wu-Lee

Kỹ thuật giấu tin theo khối bit sử dụng tính chẵn lẻ của tổng số bit 1 trong khối thể hiện độ an toàn không cao do chỉ có duy nhất kích thước khối là khóa cho quá trình giấu tin Do đó thuật toán giấu tin trong ảnh đen trắng do W.Y.Wu và J.H.Lee đưa ra năm 1989, đã khắc phục phần nào những tồn tại của thuật toán giấu tin theo khối bít sử dụng tính chẵn lẻ của tổng bít 1 bằng cách đưa thêm khóa K là một một ma trận nhị phân phục vụ cho việc giấu tin và điều kiện để đảo bit trong mỗi khối nhỏ [14]

1.7.2.1 Một số định nghĩa

Định nghĩa 1.1: Gọi x và y là hai bit tùy ý, phép nhân ký hiệu  trên hai bit x và y

Phép cộng loại trừ (hay còn gọi là phép XOR) ký hiệu  trên hai bit x và y được định nghĩa thông qua bảng giá trị như sau:

Cho A=A[i,j], B=B[i,j] là 2 ma trận bit cùng cấp mxn

Thì A  B = C với C=C[i,j]= A[i,j] B[i,j] ; 1≤ i ≤ m ; 1≤ j ≤ n

Và A  B = D với D=D[i,j]= A[i,j]  B[i,j] ; 1≤ i ≤ m ; 1≤ j ≤ n

Ví dụ:

Định nghĩa 1.3

Với một ma trận số A với kích thước bất kỳ thi ta định nghĩa SUM(A) là tổng tất cả các phần tử của ma trận A Nếu A là ma trận bit thì SUM(A) chính là tổng số các bit 1 có trong A

Với ví dụ trong định nghĩa 1.2 ta có SUM (A)= 10, SUM(B)=9, SUM(C)=5,

SUM(D)=9

1.7.2.2 Thuật toán giấu tin

* Ý tưởng

Ý tưởng của thuật toán là sử dụng một khóa bí mật K là một ma trận nhị phân

có kích thước mxn dùng để làm tăng tính bí mật của các thông điệp được giấu

* Thuận toán giấu tin

Đầu vào:

 Một ảnh gốc nhị phân F

 Một khóa bí mật K là một ma trận nhị phân kích thước mxn

 Xâu bit dữ liệu B=b1b2b3 bp cần giấu

Đầu ra: F’ là một file ảnh đã được giấu tin bên trong

IF 0< SUM(Fi  K) < SUM (K) THEN

Chuyển sang bước 3 để thực hiện giấu thông tin ELSE

Giữ nguyên khối Fi (không giấu dữ liệu vào khối này) END IF

Bước 3: Giả sử bit cần giấu vào khối Fi là b, ta thực hiện các bước sau đây để thay đổi

khối Fi

IF (SUM(Fi  K) mod 2 = b) THEN

Giữ nguyên Fi

ELSE IF (SUM(Fi  K) =1) THEN

Chọn ngẫu nhiên một bit (x,y) trong khối Fi thỏa mãn đồng hai điều kiện

F i [x,y] = 0 và K [x,y] = 1 sau đó thực hiện việc gán lại giá trị của bit Fi[x,y] = 1

ELSE IF SUM(Fi  K) = SUM(K) – 1) THEN

Chọn ngẫu nhiên một bit (x,y) thỏa mãn đồng thời Fi[x,y] =1 và K[x,y]=1 sau đó thực hiện gán lại giá trị cho bít Fi[x,y] = 0;

ELSE

Chọn ngẫu nhiên một bit (x,y) mà K[x,y] = 1

vì F2[1,3] = K [1,3] = 1 Ta thu được F2’ bằng cách đảo bít F2[1,3]=0

 Với khối F3: ta có SUM(F3  K) = 8 = SUM(K) nên khối F3 sẽ không được thực hiện giấu bit

 Với khối F4: SUM(F4  K) = 4 < SUM(K)=8 Khối F4 thỏa mãn điều kiện để thực hiện giấu bít tiếp theo b=1

Ta có: SUM(F4  K) mod 2 = 4 mod 2 = 0 ≠ b Ta chọn ngẫu nhiên phần tử F4[2,2] ứng với K[2,2]=1 đảo bit của F4[2,2] từ 1 thành 0 ta thu được khối F4’

Kết quả thu được sau khi giấu dãy bít B=101 như sau:

 Ảnh F’ đã được giấu tin

 Khóa bí mật K là ma trận nhị phân kích thước mxn

Đầu ra

 Ảnh F’ là ảnh gốc ban đầu trước khi giấu tin

 B = b1b2…bn là dãy bit dữ liệu được dấu

Các bước thực hiện

Bước 1 :

 Đọc header của ảnh để biết các thông tin về ảnh

 Đọc bảng màu

 Đọc phần dữ liệu ảnh vào ma trận hai chiều A

thước của khóa K

FOR EACH Ai

IF 0< SUM (Ai  K) < SUM (K) THEN

bx = SUM (Ai  K) mod 2

Khi đó ta có ta thu được tập các bx chính là dãy bít dữ liệu được giấu

1.7.3 Thuật toán giấu tin Yuan – Pan - Tseng

đa hai bit trong mỗi khối ảnh Bên cạnh ưu điểm đạt được thì nhược điểm của phương pháp này là chất lượng ảnh chưa cao, dễ bị phát hiện đối với ảnh đen trắng

1.7.3.2 Thuật toán giấu tin

Đầu vào

 F là một ma trận các giá trị điểm ảnh của ảnh gốc dùng để giấu tin

 Khóa K là một ma trận nhị phân cấp mxn

 r là số lượng bit cần giấu trong mỗi khối ảnh Fi , Fi có kích thước mxn

 B là xâu bit cần giấu với độ dài là k*r bit với k là số khối ảnh giấu

 Ma trận trọng số W có kích thước mxn Với W[i,j] {1,2,….,2r -1} và mỗi phần

tử trong tập {1,2,….,2r -1} phải xuất hiện ít nhất một lần trong ma trận trọng số

Bước 8:

Chọn phần tử [j, k] bất kì thuộc Su và đảo bit Fi[j, k];

Chọn phần tử [j, k] bất kì thuộc Sv và đảo bit Fi[j, k];

End

Ví dụ minh họa

- Ta có một ma trận ảnh F8x8 được chia thành 4 khối ảnh nhỏ F1, F2, F3, F4

- Ma trận khóa K4x4, Ma trận trọng số W4x4

- Xâu bít cần giấu : B=001 000 010 001 với r =3

Với r =3 thì đoạn bit 001 sẽ được giấu vào F1, đoạn bít 000 sẽ được giấu vào F2, đoạn bit 010 sẽ được giấu vào F3, đoạn bit 001 sẽ được giấu vào F4

Bước 2 : Với mỗi Ti ta xác định Siw với W (1,2,3,4,5,6,7), i=1 4

Các Siw được xác định như sau : nếu S’iw[j, k] = w thì ta có [j, k]  Siw Các phần tử trong ma trận S’iw[j,k] được xác định như sau :

- S’iw[j, k]=W[j, k] nếu Ti[j, k] = 0;

- S’iw[j, k]=23 -W[j, k] nếu Ti[j, k] = 1

Bước 3 : Thực hiện giấu thông tin vào mỗi khối

* Với F1 sẽ giấu đoạn bit 001 : SUM(P1) = 31

d=(001) – SUM(P1) (mod 23) = 1 – 31 (mod 8) = 2 ≠ 0

Sd = S2={[1,3]; [2,1]}  nên ta có thể chọn một trong 2 vị trí của S2 để thực hiện đảo bit Ta chọn đảo bit ở F1[1,3] khi đó ta được F’1

* Với F2 sẽ giấu đoạn bit 010: SUM(P2)= 16

d=(000) – SUM(P2) (mod 23) = 0 – 16 (mod 8) = 0, suy ra ta giữ nguyên khối F2 coi như đã giấu đoạn bit 010

* Với F3 sẽ giấu đoạn 000 Ta có SUM(P3)= 20

d=(010) – SUM(P3) (mod 23) = 2 – 20 (mod 8) = 6 ≠ 0

Sd=S6 ={[1,4]; [2,1]; [2,2]; [4,4]}  nên ta chọn một phần tử tùy ý để thực hiện đảo bít Ta chọn phần tử F3[2,1] để thực hiện đảo bit khi đó ta được F3’

* Với F4 sẽ giấu đoạn bit 001: ta có SUM(P4) = 22

d=(001) – SUM(P4) (mod 23) = 1 – 22 (mod 8) = 3 ≠ 0

v = p – u; u = (u + d) mod p;

Sd=S3 =  Chọn phần tử (u,v) bất kỳ với

+ u = d = 3;

+ v = 23 – 3 = 5  u = 3 + 3 (mod 8) = 6

Su = S6={[1,3]; [1,4]; [2,1]; [2,2]} Ta chọn đảo bit tại [2,2] trong F4

Sv = S5 = {[1,2]; [2,3]; [3,1]; [4,3]} Ta chọn đảo bit tại [4,3] trong F4

Vậy ảnh F’ thu được kết quả như sau

 F là file ảnh chứa tin đã được giấu

 B là dãy bit đã giấu

Quy trình

Bước 1 :

 Đọc header ảnh để biết các thông tin về ảnh

 Đọc bảng mầu

 Đọc phần dữ liệu ảnh vào ma trận hai chiều M

nhị phân được tạo ra bởi r bit thông tin

1.7.4 Kỹ thuật trải phổ trong watermarking

Thuật toán dưới đây sẽ sử dụng phương pháp nhúng thủy vân trong miền tần số của ảnh, giải tần được sử dụng để chứa tín hiệu thủy vân là miền tần số ở giữa của một khối DCT 8x8 Trong đó, các khối DCT 8x8 là những khối ảnh cùng kích thước đã được chọn ra ngẫu nhiên từ ảnh ban đầu và được áp dụng biến đổi Cosin rời rạc DCT

để chuyển sang miền tần số Mỗi tín hiệu thủy vân sẽ được chứa trong một khối Mỗi khối sử dụng biến dổi DCT để biến đổi khối 8x8 pixel thành 64 hệ số DCT Các hệ số DCT I(u,v) này được tính từ khối 8x8 bằng công thức sau:

Phép biến đổi thuận DCT 8*8 được định nghĩa như sau:

I(u,v) =

4

v

u) ( ) ( 





 7 0

k 

 7 0 l

X(k,l) cos(

16

u 1

X(k,l) = 

 7 0

k 

 7 0

l 4

v

u) ( ) ( 



I(u,v) cos(

16

u 1

) (

0 u l

0 u 2

) (

0 v l

0 v 2 1

1.7.4.1 Mô tả thuật toán

Đầu vào

 Một chuỗi các bít thể hiện bản quyền D= b1b2b3…bk

 Một ảnh đầu vào dùng để chứa dữ liệu bản quyền

Đầu ra

 Một ảnh sau khi thuỷ vân

 Khoá để giải mã

1.7.4.2 Quá trình thủy vân ảnh

Bước 1: Ảnh F có kích thước M × N được chia thành (M×N)/64 khối 8×8, mỗi bít dữ

liệu thể hiện bản quyền sẽ được giấu trong một khối

Max(|Ck(i,j)|, | Ck (p,q)|) + (INT(0,75 *a) - d)

Hệ số được chọn sẽ được cộng thêm một lượng là (INT(0,75 *a) - d)

Hoặc cũng có thể biến đổi một trong hai hệ số theo công thức:

Min(|Ck (i,j)|, | Ck (p,q)|) - (INT(0,25 *a) + d)

Hệ số được chọn sẽ bị trừ đi một lượng là (INT(0,25 *a) + d)

Trong đó INT() là hàm làm lấy phần nguyên của một số thực

Bước 7: Nếu d ≥ 2t+1 và bi = 0 thì một trong hai hệ số DCT Ck(i,j) hoặc Ck(p,q) có trị tuyệt đối lớn hơn sẽ được thay đổi để thoả mãn d<2t +1 như sau:

Max(|Ck(i,j)|,| Ck(p,q)|) - (d - INT(0,25*a))

Hàm Max(|Ck(i,j)|,| Ck(p,q)|) là hàm chọn ra hệ số có trị tuyệt đối lớn hơn, hệ số được chọn sẽ bị trừ đi một lượng là (d - INT(0,25 *a)) hoặc min(|Ck(i,j))|,| Ck(p,q)|) + INT(1,25*a) - d , Hệ số được chọn sẽ được cộng thêm một lượng là (INT(0.75a) - d)

Ví dụ: Giả sử ta cần giấu một bit thủy vân b = 0 vào khối B 8 × 8 được cho dưới đây

Ta chọn a = 26 = 2(2 × 6 + 1), do đó t = 6

Biến đổi DCT(B) ta thu được khối C như sau:

Trong miền tần số giữa của khối C, ta chọn hai hệ số bất kỳ, giả sử là C[2,3] =

143 và C[6,2] = -27

Tính độ lệch d = ||143| - |-27|| mod 26 = 116 mod 26 = 12 Với bit thủy vân b =

0 thì ta phải thay đổi một trong hai hệ số C[2,3] = 143 hoặc C[6,2] = -27 đã chọn để thu được d < 2t + 1

Vì C[2,3] = 143 có giá trị tuyệt đối lớn hơn C[6,2], ta tính giá trị mới của C[2,3] là: C[2,3] = C[2,3] – (d – INT(0.25a)) = 143 – (14 – INT(0.25 × 26)) = 135

Khi đã thay đổi hệ số C[2,3] = 135 ta thực hiện phép biến đổi được IDCT(C) và thu được khối B’ như sau:

1.7.4.3 Quá trình tách lấy lại thông tin

Bk= DCT(B’k)

Bước 3: Lấy ra vị trí hai hệ số đã biến đổi Bk[i,j] và Bk[p,q]

Bước 4: Tính d = |Bk[i,j] - Bk[p,q | mod a với a = 2(2t+1) đã chọn khi nhúng thủy vân

Bước 5: Nếu d ≥ 2t + 1 thì được bit bk= 1 ngược lại bk= 0

Ví dụ: Với khối B’ ở ví dụ trên, quá trình tách thủy vân như sau:

Ta thực hiện phép biến đổi ngược IDCT của khối B’ để thu được khối B sau:

Ta lấy hai hệ số B[2, 3] = 135 và B[6, 2] = -27

Tính độ lệch d = ||B[2, 3]| - | B[6, 2] || mod 26 = 4

Ta thấy d < 2t + 1 = 13, vậy bit b = 0 đã được giấu vào khối

Phân tích thuật toán

Kích thước khối ảnh trong thuật toán là 8x8, tuy nhiên có thể chọn kích thước khác nhau tùy theo kích thước từng ảnh gốc và kích thước thực tế của thủy vân

Việc chọn một cặp hệ số trong miền tần số giữa có thể được chọn cố định cho tất cả các khối trong quá trình nhúng thủy vân Khi đó, thủy vân có thể rất dễ bị phát hiện thông qua việc thử lần lượt các cặp hệ số trong miền tần số giữa Có thể làm tăng

độ an toàn và khó bị phát hiện thủy vân bằng cách đưa ra một thuật toán có sử dụng khóa cho sự lựa chọn cặp hệ số trong miền tần số giữa cho từng khối DCT Khi đó, vị trí của các cặp hệ số được chọn cho quá trình nhúng thủy vân trong từng khối sẽ được

sử dụng phụ thuộc vào khóa của quá trình tách thủy vân Trong thuật toán này, quá trình tách thủy vân không cần ảnh gốc

Tham số a trong thuật toán đóng vai trò như là hệ số tương quan giữa tính ẩn và tính bền vững của thủy vân Khi tăng hệ số a lên thì độ sai lệch của thủy vân giảm đi

và như vậy nó bền vững hơn Tuy nhiên, nếu tăng a thì chất lượng ảnh sau khi giấu tin

sẽ giảm Điều này rất dễ hiểu vì a lớn, nghĩa là phân lớp khoảng cách hai hệ số lớn nên khoảng cách biến đổi của một hệ số để thỏa mãn điều kiện giấu lớn, dẫn đến ảnh hưởng nhiều đến chất lượng ảnh

Chương 2 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN TRONG MIỀN KHÔNG GIAN

2.1 Tổng quan về phát hiện ảnh giấu tin

Steganalysis là kỹ thuật phát hiện sự tồn tại của thông tin ẩn giấu trong ảnh số Mục đích của phương pháp là để phát hiện, trích rút, phá hủy hay sửa đổi thông tin đã giấu [4]

Tuỳ vào bài toán cụ thể, thành công của kỹ thuật phát hiện sự tồn tại của thông tin

ẩn giấu được đánh giá khác nhau Một số bài toán chỉ cần phát hiện có hay không tin

ẩn giấu trong vật mang tin Một số bài toán yêu cầu sửa đổi hay phá hủy tin ẩn giấu trong vật mang tin

Các kỹ thuật phân tích giấu tin mật hiện nay thường tập trung vào việc phát hiện

ra sự có mặt hay không các thông điệp ẩn trong dữ liệu được quan sát Việc phân tích ảnh có giấu tin người ta thường dựa vào các yếu tố sau:

- Phân tích dựa vào các đối tượng đã mang tin

- Phân tích bằng so sánh đặc trưng: so sánh vật mang tin chưa được giấu tin với vật mang tin đã được giấu tin sau đó đưa ra sự khác biệt giữa chúng

- Phân tích dựa vào thông điệp cần giấu để dò tìm tức là biết được là có tin giấu trong ảnh mang tin

- Phân tích dựa vào các thuật toán giấu tin và các đối tượng giấu đã biết: kiểu phân tích này phải quyết định các đặc trưng của đối tượng giấu tin, chỉ ra công cụ giấu tin (thuật toán) đã sử dụng

Hình 2 1 Quá trình tổng quát của kỹ thuật phát hiện ảnh giấu tin

2.2 Các phương pháp phân tích ảnh có giấu tin

2.2.1 Phân tích trực quan

Đây là phương pháp đơn giản nhất mặc dù kết quả thường không được đáng tin cậy Việc phát hiện khả năng một ảnh có giấu tin hay không bằng cách phân tích ảnh một cách trực quan và tìm kiếm những điểm bất thường

Thật vậy, việc thay đổi bảng màu (của một ảnh màu) dù nhỏ để giấu thông điệp bí mật có thể dẫn đến kết quả là sự thay đổi màu sắc lớn trên ảnh gốc, đặc biệt là nếu ảnh gốc có chứa các màu sắc khác nhau ở mức độ cao

Phương pháp này thường dựa vào quan sát hoặc dùng biểu đồ histogram giữa ảnh gốc và ảnh chưa giấu tin để phát hiện ra sự khác biệt giữa hai ảnh căn cứ đưa ra vấn đề nghi vấn Với phương pháp phân tích này thường khó phát hiện với ảnh có độ nhiễu cao và kích cỡ lớn

2.2.2 Phân tích theo định dạng ảnh

Hiện nay có nhiều định dạng tệp tin ảnh khác nhau như GIF, BMP, PNG ,JPEG Mỗi loại ảnh có đặc điểm và cấu trúc định dạng tệp tin khác nhau chính vì vậy phương pháp này rất rộng và thường dựa vào các dạng ảnh để đoán nhận kỹ thuật giấu hay sử dụng, như các ảnh bitmap thường hay sử dụng giấu trên miền LSB Do đó, khi thực hiện giấu tin, chẳng hạn giấu tin theo LSB, sẽ cho sự thay đổi trên ảnh kết quả ở các điểm ảnh khác nhau Và khi thực hiện phát hiện ảnh giấu tin cũng vậy

Ví dụ, với ảnh nhị phân thường hay sử dụng các kỹ thuật giấu trên LSB, các ảnh JPEG thường hay dùng các kỹ thuật giấu trên miền biến đổi DCT hoặc ảnh GIF thường giấu trên bảng màu của ảnh

2.2.3 Phân tích theo thống kê

Theo Plitzman và Westfeld, lý thuyết thống kê có thể áp dụng để phân tích thống

kê các cặp giá trị (cặp giá trị điểm ảnh, cặp các hệ số, DCT, cặp các chỉ số bảng màu)

để tìm sự khác biệt ở bit LSB Phương pháp này thường đưa ra độ tin cậy cao hơn và đặc biệt là cho tập ảnh lớn

2.3 Cơ sở toán học

Định nghĩa 2.1 Biến cố ngẫu nhiên

Sự kiện có thể xảy ra hoặc không thể xảy ra tùy thuộc vào kết quả của phép thử

G được gọi là các biến cố ngẫu nhiên Kí hiệu là A, B, …

Biến cố sơ cấp: là biến cố xảy ra khi và chỉ khi có một kết quả cụ thể trong số những kết quả của phép thử G Kí hiệu là 

Không gian mẫu: là tập hợp gồm tất cả các biến cố sơ cấp Kí hiệu là 

Định nghĩa 2.2 Xác suất của biến cố

Giả sử  = {1, 2, …, k, …} là không gian mẫu đã cho Mỗi biến cố sơ cấp

k được gắn một trọng số pk = p(k) sao cho

a p k ≥ 0, với k ≥ 1

k k

p A

(

Số P(A) được gọi là xác suất của biến cố A

Định nghĩa 2.3 Đại số và -đại số, không gian đo, không gian xác suất

Giả sử tập không gian mẫu    Kí hiệu P() là tập hợp gồm tất cả các tập con của tập 

Lớp A  P() được gọi là một đại số nếu:

,

n n n

n F A F A

Cặp (, F) được gọi là một không gian đo

Bộ ba (, F, P) là không gian xác suất với  là tập các biến cố sơ cấp; F là -đại số các tập con của ; P là xác suất trên F Tập A  F được gọi là biến cố, P(A) là xác

suất của biến cố A

Định nghĩa 2.4 Biến ngẫu nhiên

Giả sử cho không gian xác suất (, A, P), và (R ,B, ) là không gian với độ đo

 R là đường thẳng thực B là không gian các tập Borel trên R  là một độ đo trên R Ánh xạ X :   R được gọi là đại lượng ngẫu nhiên hay còn gọi là biến ngẫu nhiên nếu với mọi tập con B  B thì X-1(B) = { : X()  B} thuộc A Tức là X(.) là hàm

đo được đối với độ đo 

* Đại lượng ngẫu nhiên rời rạc: đại lượng ngẫu nhiên được gọi là rời rạc nếu tập hợp giá trị số mà nó có thể lấy hoặc hữu hạn hoặc vô hạn đếm được

* Đại lượng ngẫu nhiên liên tục: đại lượng ngẫu nhiên được gọi là liên tục nếu tập hợp mọi giá trị số mà nó có thể lấy lấp đầy một khoảng nào đó của trục số

Định nghĩa 2.5 Hàm phân bố của một đại lượng ngẫu nhiên