Tìm hiểu các kĩ thuật xác thực bảo vệ bản quyền

Giải pháp giấu tin được đưa ra nhằmmục tiêu chính đó là bảo mật cho chính đối tượng được dùng để chứa tin thủy vân số.Thủy vân trên ảnh số watermarking là kỹ thuật nhúng một lượng thông

Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Viện công nghệ thông tin và truyền thông

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Lan

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Chiến 20111249

Phạm Thiện Doanh 20111333

Hà Nội 5/2015

Mục lục

Lời nói đầu

Công nghệ thông tin và đặc biệt là sự phát triển của hệ thống mạng máy tính

đã tạo nên môi trường mở và là phương tiện trao đổi, phân phối tài liệu một cáchtiện lợi, nhanh chóng Tuy nhiên cũng đặt ra một vấn đề về bảo vệ tài liệu, ngănchặn việc đánh cắp và sao chép tài liệu một cách bất hợp pháp, vấn đề an toàn vàbảo mật thông tin hiện nay luôn nhận được sự quan tâm đặc biệt của nhiều nhànghiên cứu trong nhiều lĩnh vực Một giải pháp đang được sử dụng và tỏ ra hiệuquả cho việc đảm bảo an toàn thông tin là giấu tin vào đối tượng khác Đối tượngđược áp dụng đê chứa tin phô biến nhất là ảnh Giải pháp giấu tin được đưa ra nhằmmục tiêu chính đó là bảo mật cho chính đối tượng được dùng để chứa tin (thủy vân số).Thủy vân trên ảnh số (watermarking) là kỹ thuật nhúng một lượng thông tin

số vào một bức ảnh số sao cho người không được phép, khó có thể lấy được thôngtin ra khỏi ảnh mà không phá hủy chính ảnh gốc Trong kỹ thuật thủy vân số thìthông tin nhúng được gọi là thủy vân Thủy vân có thể là một chuỗi các ký tự haymột hình ảnh nào đó.

Vì vậy đề tài nhằm tìm hiểu chung về thủy vân số, các phương pháp thủy vân nóichung và phương pháp thủy vân sử dụng phép biến đổi DCT nói riêng

Phân công công việc:

• Phạm Thiện Doanh: Tìm hiểu chung về Watermarking

1 Giới thiệu chung về Watermarking

2 Phân loại Watermarking

3 Một số phương pháp Watermarking

• Nguyễn Đức Chiến: Phân tích và thử nghiệm ứng dụng một kỹ thuật Image

Watermarking đối với ảnh JPEG

Phần 1 Tổng quan về Watermarking

1.1 Khái quát về vấn đề giấu thông tin

Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đã đem lại những thay đổi sâu sắc trong xãhội và trong cuộc sống của chúng ta Bên cạnh những thuận lợi mà thông tin kỹ thuật sốmang lại cũng có những thách thức và cơ hội mới Sự ra đời những phần mềm có tínhnăng rất mạnh, các thiết bị mới như máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lượng cao, máy

in, máy ghi âm kỹ thuật số v.v đã thúc đẩy khả năng sáng tạo, xử lý và thưởng thức các

dữ liệu đa phương tiện Mạng Internet toàn cầu đã tạo ra những cơ cấu ảo - nơi diễn racác quá trình 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 vấnnạn, tiêu cực đang rất cần các giải pháp hữu hiệu nhằm đảm bảo an toàn thông tin, chốnglại các nạn ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép, Việctìm giải pháp cho những vấn đề này không chỉ giúp chúng ta hiểu thêm về công nghệphức tạp đang phát triển rất nhanh này mà còn tạo ra những cơ hội phát triển mới

Ý tưởng về che giấu thông tin đã có từ hàng nghìn năm về trước nhưng kỹ thuật nàyđược dùng chủ yếu trong quân đội và trong các cơ quan tình báo Mãi cho tới vài thậpniên gần đây, giấu thông tin mới nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và cácviện công nghệ thông tin với hàng loạt công trình nghiên cứu giá trị Cuộc cách mạng sốhoá thông tin và sự phát triển nhanh chóng của mạng truyền thông là nguyên nhân chínhdẫn đến sự thay đổi này Những phiên bản sao chép hoàn hảo, các kỹ thuật thay thế, sửađổi tinh vi, cộng với sự lưu thông phân phối trên mạng của các dữ liệu đa phương tiện đãsinh ra nhiều vấn đề nhức nhối về nạn ăn cắp bản quyền, phân phối bất hợp pháp, xuyêntạc trái phép

Giấu thông tin trong ảnh là một bộ phận chiếm tỉ lệ lớn nhất trong các chương trìnhứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong đa phương tiện bởi lượng thông tinđược trao đổi bằng ảnh là rất lớn

Giấu thông tin trong ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng trong hầu hết các ứngdụng bảo vệ an toàn thông tin như: xác nhận thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo

vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật Vì thế kĩ thuậtWatermarking ra đời

1.2 Một số khái niệm về giấu tin

1.2.1 Khái niệm watermarking

Watermarking hay còn gọi là kĩ thuật thủy vân số:Là kĩ thuật nhúng một lượngthông tin số vào một bức ảnh số dùng để bảo vệ đối tượng chứa thông tin giấu

Phương tiện chứa (host signal): là phương tiện gốc được dùng để nhúng thôngtin.Trong giấu thông tin trong ảnh thì nó mang tên ảnh chứa hay ảnh gốc (originalimage), còn trong audio là audio chứa v.v Đôi khi ta cũng gọi phương tiện chứa là môitrường (text, audio, video, ảnh)

Thông tin giấu (embedded data) hay còn gọi là thủy vân: là lượng thông tin đượcnhúng vào trongphương tiện chứa Thông tin giấu là một lượng thông tin mang một ýnghĩa nào đó như ảnh, logo, đoạn văn bản tuỳ thuộc vào mục đích của người sử dụng

sẽ được giấu vào trong phương tiện chứa nhờ một bộ nhúng, bộ nhúng là những chươngtrình, triển khai các thuật toán để giấu Sau khi giấu tin ta thu được phương tiện chứa bảntin đã giấu và phân phối sử dụng trên mạng

1.2.2 Một số loại thủy vân

• Thủy vân bền vững: thường được ứng dụng trong bảo vệ bản quyền.Thủy vânđược nhúng trog sản phẩm như một hình thức dán tem bản quyền.Trong trườnghợp này,thủy vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm nhằm chống việc tẩyxóa,làm giả hay biến đổi phá hủy thủy vân

• Thủy vân dễ vỡ: là kĩ thuật nhúng thủy vân vào trong một đối tượng sản phẩm saocho khi phân bố sản phẩm trong môi trường mở nếu có bất kì phép biến đổi nàolàm thay đổi sản phẩm gốc thì thủy vân đã giấu trong đối tượng sẽ không cònnguyên vẹn khi đã giấu.

• Thủy vân ẩn: là loại thủy vân dùng mắt thường không nhận ra được thủy vân ẩn

• Thủy vân hiện: là loại thủy vân hiện ran gay trên sản phẩm mọi người đều có thểnhìn thấy được

1.2.3 Phân biệt giữa giấu tin mật (Steganography) và thủy vân số (Watermarking)

Steganography Watermarking

- Tập trung vào việc càng giấu được

nhiều thông tin càng tốt,ứng dụng

trong truyền dữ liệu mật

- Cố gắng làm ảnh hưởng ít nhất đến

chất lượng đối tượng gốc để không

bị chú ý đến dữ liệu đã được giấu

trong đó

- Thay đổi đối tượng gốc cũng làm

cho dữ liệu giấu bị sai lệch(ứng

dụng trong xác thực thông tin)

- Bảo mật cho dữ liệu cần giấu.Khía

cạnh này tập trung vào kĩ thuật giấu

tin mật

- Không cần giấu nhiều thông tin chỉcần lượng thông tin nhỏ đặc trưngcho bản quyền người sở hữu

- Trong trường hợp thủy vân nhìnthấy thì thủy vân sẽ hiện ra

- Thủy vâ phải bền vững trước mọitấn công có chủ đích hoặc không cóchủ đích vào sản phẩm

- Thủy vân số đánh dầu vào chính đốitượng,nhằm khẳng định bản quyền

sở hữu hay phát hiện xuyên tạcthông tin

1.3 Mô hình kĩ thuật Watermarking cơ bản và các tính chất,đặc trưng của Watermarking

1.3.1 Mô hình Watermarking cơ bản

Hình 1.1: Mô hình Watermarking cơ bản

Trong hình:

I là môi trường giấu tin.

M là thông tin cần giấu.

E là bộ nhúng chứa thuật toán để giấu tin.

S là dữ liệu mang tin mật.

C là môi trường truyền dữ liệu.

Hình vẽ trên biểu diễn quá trình giấu thông tin cơ bản.Đối tượng được dùng làmmôi trường giấu tin như văn bản,hình ảnh,audio,video, Dữ liệu giấu là một lượng thôngtin mang một ý nghĩa nào đó tùy thuộc vào mục đích người sử dụng.Thông tin sẽ đượcgiấu vào phương tiện chứa nhờ một bộ nhúng,bộ nhúng là một chương trình thuật toándùng để giấu tin.Sau khi giấu tin,ta thu được phương tiện chứa đã mang thông tin và phânphối sử dụng trên mạng

1.3.2 Tính chất, đặc trưng của kĩ thuật watermarking

- Giấu tin phụ thuộc vào ảnh: Kĩ thuật giấu tin trong ảnh phụ thuộc vào các loại ảnhkhác nhau.Đối với ảnh đen trắng,xám hay ảnh màu thì có các kĩ thuật riêng do cácloại ảnh có các đặc trưng khác nhau

- Giấu tin lợi dụng khả năng tri giác của con người: Giấu tin trong ảnh cũng gây ranhững thay đổi trên dữ liệu gốc.Dữ liệu được quan sát bằng hệ thống tri giác củacon người,nên các kĩ thuật giấu tin phải đảm bảo yêu cầu cơ bản là những thay đổitrên ảnh phải rất nhỏ sao cho bằng mắt thường không nhận ra được sự thay đổi đómới đảm bảo được sự an toàn cho thông tin giấu

- Giấu tin không làm thay đổi kích thước ảnh

- Đảm bảo chất lượng ảnh sau khi giấu tin: Đây là yêu cầu quan trọng trong giấu tintrog ảnh.sau khi giấu tin bên trong,ảnh phải đảm bảo yêu cầu không bị biến đổi,để

có thể không bị phát hiện dễ dàng so với ảnh gốc

1.4 Những ứng dụng của kĩ thuật Watermarking

Trong lĩnh vực watermarking, các điều kiện một hệ thống watermarking cần phảithỏa luôn tùy thuộc vào ứng dụng của nó Vì vậy, trước khi xét đến các điều kiện, cũngnhư cách thiết kế hệ thống watermarking cần xét đến các ứng dụng của kỹ thuậtwatermarking

1.4.1 Bảo vệ quyền sở hữu (Copyright Protection)

Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật digital watermarking Mụcđích của watermarking cho bảo vệ quyền tác giả là nhúng thông tin xác nhận bản quyền

(watermark) vào dữ liệu ảnh số để có thể nhận biết người chủ bản quyền.Ngoài mục đích xác nhận người chủ bản quyền còn để kiểm tra kín công việc của ngườimua (truy xét các bản sao không hợp lệ) Dữ liệu nhúng có thể là một số đăng ký, mộtđoạn thông điệp, logo hình hoặc là một mẫu duy nhất Các ứng dụng loại này yêu cầuwatermark phải được bảo đảm an toàn và sử dụng phương pháp phát hiện watermark đãgiấu mà không cần thông tin gốc.

Watermark số có thể nhận thấy được hoặc không nhìn thấy được Watermark ảnhnhìn thấy được thường là logo của người bản quyền, có thể dễ dàng đặt vào ảnh nhưngkhó gở bỏ Tuy nhiên nhiều ứng dụng cần watermark không nhận thấy

1.4.2 Xác nhận thông tin ảnh và tình trạng nguyên vẹn dữ liệu

(Image Athentication and Data Integrity)

Một ứng dụng khác của watermarking là xác nhận đúng ảnh và xác nhận sự giảmạo Watermark được sử dụng để phát hiện nó có bị sửa đổi hay không và có thể định vịđược vị trí sửa đó Ảnh số dễ bị sửa đổi từ ứng dụng xử lý ảnh phức tạp Watermark được

sử dụng để xác nhận tính xác thực của ảnh Đối với ứng dụng loại này watermark cầnphải yếu (fragile) không cần bền vững trước các phép xử lý trên ảnh đã được giấu tin đểbất cứ sự sửa đổi nào trên ảnh sẽ phá hủy watermark (phát hiện sự sửa đổi)

1.4.3 Lấy dấu vân tay hay dán nhãn (Fingerprinting and Labeling)

Nhãn ảnh là một ứng dụng mà thông tin về nội dung ảnh được mã hóa thànhwatermark và được chèn vào ảnh Mục tiêu của ứng dụng này tập trung vào vấn đề truyềnthông tin, về tính hợp pháp của người nhận hơn là tính hợp pháp của nguồn dữ liệu số,nhằm xác định các bản sao của dữ liệu được phân phối chỉ có một Việc này rất hữu dụngtrong việc giám sát và theo dõi các bản sao được sản xuất bất hợp pháp Nó tương tự như

số seri trong sản phẩm phần mềm, mỗi một sản phẩm sẽ mang một watermark riêng, loạiứng dụng này được gọi là “fingerpringting” và nó liên quan đến việc gắn nhữngwatermark khác nhau thực hiện dễ dàng và độ phức tạp thấp Watermark được sử dụngtrong lĩnh vực này cũng đòi hỏi tính bền vững cao trước những tấn công cố ý

1.4.4 Kiểm tra giả mạo (Tamper Proofing)

Digital watermarking có thể được dùng để chống sự giả mạo Nếu có bất cứ sự thayđổi nào về nội dung của các digital media thì watermark này sẽ bị huỷ đi.Do đó rất khólàm giả các digital media có chứa watermark

1.4.5 Truyền tin bí mật (Concealed Communication)

Vì digital watermarking là một dạng đặc biệt của kỹ thuật che giấu dữ liệu(steganography) nên người ta có thể dùng để truyền các thông tin bí mật

1.5 Phân loại kĩ thuật Watermarking

1.5.1 Phân loại theo miền nhúng

Hình 1.2: Phân loại watermarking theo miền nhúng

1.5.2 Kỹ thuật watermarking có thể chia thành 4 loại theo đúng loại tài liệu nhúng watermark bao gồm:

- Ảnh

- Video

- Văn bản

- Âm thanh

1.5.3 Theo hệ thống nhìn của con người kỹ thuật watermarking số

có thể chia thành các loại sau:

• Watermark có thể nhìn thấy (Visible Watermark)

• Watermark bền vững không nhìn thấy (Invisible-Robust Watermark)

• Watermark yếu không nhìn thấy (Invisible-Fragile Watermark)

• Watermark kép (Dual Watermark)

1.6 Một số phương pháp Watermarking

1.6.1 Tiếp cận trên miền không gian của ảnh

Đây là hướng tiếp cận cơ bản và tự nhiên.Tác động lên miền không gian ảnh là tácđộng lên điểm ảnh, thay đổi trực tiếp các giá trị của điểm ảnh

Phương pháp phổ biến là tác động đến bit ít quan trọng nhất của mỗi điểmảnh(LSB)

- Trên mỗi khối thay thế 1 bit được chọn bằng 1 bit trong watermark W sẽ thu đượcmột hình ảnh A’ và một khoá key, khoá này cho biết vị trí của bit trong khối đượcthay thế

1.6.2 Tiếp cận trên miền tần số

Sử dụng các kĩ thuật biến đổi để chuyển từ miền không gian sang miền tần số

Một số kĩ thuật biến đổi:

- Biến đổi cosin rời rạc(DCT)

- Biến đổi Wavelet rời rạc(DWT)

- Biến đổi Fourier(DFT)

Watermarking trên miền biến đổi DCT:

•Khóa để giải mã

Sơ đồ quá trình Watermarking dùng biến đổi DCT

Phần 2 Phân tích và thử nghiệm ứng dụng một kỹ thuật Image Watermarking đối với ảnh JPEG

2.1 Biến đổi DCT

2.1.1 Biến đổi DCT thuận và nghịch

Vì ảnh gốc có kích thước rất lớn nên trước khi biến đổi DCT, ảnh được phân chiathành các khối, mỗi khối này có kích thước 8x8 pixel và biểu diễn các mức xám của 64điểm ảnh, các mức này là các số nguyên dương có giá trị từ 0 đến 255 Việc phân khốinày sẽ giảm được thời gian tính toán các hệ số chung, mặt khác biến đổi cosin đối với cáckhối nhỏ sẽ làm tăng độ chính xác khi tính toán với dấu phẩy tĩnh, giảm thiểu sai số dolàm tròn gây ra

Biến đổi DCT là công đoạn chính trong các phương pháp nến sử dụng phép biếnđổi Hai công thức dưới đây minh họa cho 2 phép biến đổi DCT thuận nghịch đối với mỗiảnh có kích thước 8x8.

Giá trị z(n1, n2) biểu diễn các mức xám của ảnh trong miền không gian, X(k1, k2) làcác hệ số sau biến đổi DCT trong miền tần số

2.1.2 Đặc điểm của phép biến đổi DCT trên ảnh

Phép biến đổi DCT trên ảnh:

- Thể hiện đặc tính nội dung về tần số của thông tin trên ảnh Hệ số góc trên là lớn

và đặc trưng cho giá trị trung bình thành phần một chiều gọi là hệ số DC Các hệ

số khác có giá trị nhỏ hơn biểu diễn cho các thành phần tần số cao theo hướngngang và dọc gọi là hệ số AC

- Bản thân phép biến đổi DCT không nén được dữ liệu vì sinh ra 64 hệ số

- Theo nguyên lí chung, khi biến đổi chi tiết giữa các điểm ảnh càng lớn theo mộthướng nào đó trong các khối điểm ảnh, hướng ngang hoặc dọc hoặc theo đườngchéo thì tương ứng theo hướng đó cá hệ số DCT cũng lớn

- DCT làm giảm độ tương quan không gian của thông tin trong khối ảnh Điều đócho phép biểu diễn thích hợp ở miền DCT do các hệ số DCT có xu hướng có phần

dư thừa ít hơn Hơn nữa, các hệ số DCT chứa thông tin về nội dung tần số khônggian của thông tin trong khối Nhờ các đặc tính tần số không gian của hệ thốngnhìn của mắt người, các hệ số DCT có thể được mã hóa phù hợp, chỉ các hệ sốDCT quan trọng nhất mới được mã hóa để chuyển đổi

- Hệ số DCT có thể chia làm 3 miền: miền tần số thấp, miền tần số cao và miền tần

số giữa Miền tần số thấp chứa các thông tin quan trọng ảnh hưởng đến tri giác.Miền tần số cao thường không mang tính tri giác cao, khi nén JPEG thường loại

bỏ thông tin trong miền này

- Trong các thuật toán thủy vân, miền hệ số DCT tần số cao thường không được sửdụng do nó thường không bền vừng với các phép xử lý ảnh, hoặc nền ảnh JPEG.Miền tần số thấp cũng khó được sử dụng do một sự thay đổi dù nhỏ trong miền