Một số phương pháp bảo vệ bản quyền ảnh số và ứng dụng

Thứ nhất giấu tin mật, khuynh hướng này tập trung vào các kỹ thuật dấu tin sao cho giấu được nhiều thông tin và quan trọng là khó phát hiện đối tượng được giấu.Thứ hai [r]

§¹i häc quèc gia Hµ néi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HÀ NỘI

- -

HOÀNG THỊ KIM OANH

PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ VÀ KHẢ NĂNG

ỨNG DỤNG

CHUYÊN NGÀNH :CÔNG NHGỆ THÔNG TIN

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS ĐẶNG VĂN ĐỨC

HÀ NỘI - 2007

Mở Đầu

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 Bên cạnh những thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại cũng sinh ra những thách thức và cơ hội mới Sự

ra đời những phần mềm có tính năng 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 ứng dụng các dữ liệu đa phương tiện (multimedia data) Mạng Internet toàn cầu đã tạo ra những cơ cấu ảo - nơi diễn

ra các 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 vấn nạn, tiêu cực đang rất cần các giải pháp hữu hiệu nhằm đảm bảo an toàn thông tin, chống lại các nạn ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép v.v Việc tìm giải pháp cho những vấn đề này không chỉ giúp ta hiểu thêm về công nghệ phức tạp đang phát triển rất nhanh này mà còn tạo ra những cơ hội phát triển mới

Với những yêu cầu đặt ra như trên, dưới góc độ của người nghiên cứu tin học Luận văn tốt nghiệp này đề cập tới vấn đề dấu thông tin cho ảnh, một dạng

dữ liệu được sử dụng nhiều và cũng hay bị lợi dụng nhất trên internet Luận văn

được trình bày với nhan đề: Nghiên cứu phương pháp bảo vệ bản quyền ảnh

số và khả năng ứng dụng

Kết quả của đề tài khi triển khai thực tế sẽ góp phần tăng thêm độ an toàn cho các thông điệp được dấu trong ảnh khi trao đổi, tăng khả năng chứng minh quyền tác giả khi nhúng các tin mật vào ảnh

Bố cục của luận van

Luận văn gồm 3 chương và một phần kết luận

Chương 1: Tổng quan về các khái niệm dấu thông tin trong ảnh

Chương này trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu về giấu tin, những khái niệm

cơ bản, mô hình kỹ thuật giấu tin, hướng nghiên cứu triển khai về giấu tin

Chương II: Một số kỹ thuật dấu tin cho ảnh

Chương này trình bày hai kỹ thuật điển hình về kỹ thuật dấu tin.Dấu tin trong miền quan sát và giấu tin trong miền tần số So sánh điểm mạnh điểm yếu của từng kỹ thuật và đưa ra các thuật toán áp dụng kỹ thuật đã nêu

Chương 3: Phát triển chương trình thử nghiệm

Trên cơ sở nghiên cứu , đánh giá các kỹ thuật giấu tin trong ảnh, Chương này cài đặt một ứng dụng được phát triển từ thuật toán đã nêu ở chương 2

Phần kết luận

Chương I:Tổng quan về dấu thông tin

1.1 Sơ lược về lịch sử dấu tin

Từ Steganography bắt nguồn từ Hi Lạp và được sử dụng cho tới ngày nay,

nó có nghĩa là tài liệu được phủ (covered writing) Các câu chuyện kể về kỹ thuật giấu thông tin được truyền qua nhiều thế hệ Có lẽ những ghi chép sớm nhất về kỹ thuật giấu thông tin (thông tin được hiểu theo nghĩa nguyên thủy của nó) thuộc về

sử gia Hy-Lạp Herodotus Khi bạo chúa Hy-Lạp Histiaeus bị vua Darius bắt giữ ở Susa vào thế kỷ thứ năm trước Công nguyên, ông ta đã gửi một thông báo bí mật cho con rể của mình là Aristagoras ở Miletus Histiaeus đã cạo trọc đầu của một nô

lệ tin cậy và xăm một thông báo trên da đầu của người nô lệ ấy Khi tóc của người

nô lệ này mọc đủ dài người nô lệ được gửi tới Miletus

Một câu chuyện khác về thời Hy-Lạp cổ đại cũng do Herodotus ghi lại Môi trường để ghi văn bản chính là các viên thuốc được bọc trong sáp ong Demeratus, một người Lạp, cần thông báo cho Sparta rằng Xerxes định xâm chiếm Hy-Lạp Để tránh bị phát hiện, anh ta đã bóc lớp sáp ra khỏi các viên thuốc và khắc thông báo lên bề mặt các viên thuốc này, sau đó bọc lại các viên thuốc bằng một lớp sáp mới Những viên thuốc được để ngỏ và lọt qua mọi sự kiểm tra một cách

dễ dàng

Mực không màu là phương tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin trong một thời gian dài Người Romans cổ đã biết sử dụng những chất sẵn có như nước quả, nước tiểu và sữa để viết các thông báo bí mật giữa những hàng văn tự thông thường Khi bị hơ nóng, những thứ mực không nhìn thấy này trở nên sẫm màu và

có thể đọc dễ dàng Mực không màu cũng được sử dụng rất gần đây, như trong thời gian chiến tranh Thế giới II

Ý tưởng về che giấu thông tin đã có từ hàng nghìn năm về trước nhưng kỹ thuật này được dùng chủ yếu trong quân đội và trong các cơ quan tình báo Mãi

cho tới 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 hàng loạt công trình nghiên cứu giá trị Cuộc cách mạng số hoá 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 kỹ thuật thay thế, sửa đổi tinh vi, cộng với sự lưu thông phân phối trên mạng của các dữ liệu đa phương tiện đã sinh ra nhiều vấn đề nhức nhối về nạn ăn cắp bản quyền, phân phối bất hợp pháp, xuyên tạc trái phép

1.2 Một số khái niệm và định nghĩa

1.2.1 Định nghiã

Với sự phát triển của công nghệ số và internet, ý nghĩa của dấu tin có sự thay đổi với các dữ liệu số,tuy mục đích không thay đổi nhưng kỹ thuật dấu tin đã

có nhưng khác biệt cơ bản Kế thừa các kỹ thuật dấu tin thông thường đã và đang tồn tại Căn cứ vào đặc thù của dữ liệu số ta có thể định nghĩa về hệ thống dấu tin:

Giấu thông tin là một kỹ thuật nhúng (giấu) một lượng thông tin số nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác mà không ảnh hưởng tới tính năng truyền đạt của dữ liệu

Giấu thông tin trong ảnh số là một phần của khái niệm giấu thông tin với việc sử dụng ảnh số làm phương tiện mang Ảnh nguồn mà ta đem nhúng thông tin vào được gọi là ảnh môi trường hay ảnh gốc (host image), trong khoá luận ta sử dụng thuật ngữ ảnh môi trường để chỉ khái niệm này ảnh thu được sau khi đã giấu thông tin gọi là ảnh kết quả ( result image) ảnh kết quả sẽ có những điểm khác so với ảnh gốc gọi là nhiễu ảnh kết quả càng ít nhiễu càng khó gây ra nghi ngờ về sự tồn tại thông tin trong ảnh Thông thường ta không nên chọn những bức ảnh được nhiều người biết làm ảnh môi trường mà nên chọn những bức ảnh lạ (chẳng hạn như ảnh cá nhân, ảnh phong cảnh, )

Mỗi kỹ thuật dấu tin trong ảnh có những đặc điểm nhất định xác định lĩnh vực áp dụng của nó Chẳng hạn như có hay không mối liên hệ giữa dữ liệu nhúng với phương tiện mang? Ai là người sẽ giải mã thông tin? Có bao nhiêu người nhận? Khoá là dùng chung hay bí mật? Tốc độ nhúng cao hay thấp, việc giải mã

có là vấn đề quan trọng?

Kỹ thuật dấu thông tin nhằm hai mục đích: một là bảo mật cho dữ liệu được đem giấu, hai là bảo mật cho chính đối tượng được được dấu tin ở trong

Hai khuynh hướng này dẫn đến hai khuynh hướng kỹ thuật chủ yếu của giấu tin Thứ nhất giấu tin mật, khuynh hướng này tập trung vào các kỹ thuật dấu tin sao cho giấu được nhiều thông tin và quan trọng là khó phát hiện đối tượng được giấu.Thứ hai là thuỷ vân số(Watermarking), khuynh hướng này có miền ứng dụng lớn và được quan tâm nhiều, khuynh hướng này tập trung vào kỹ thuật làm sao cho thông tin giấu được bền trước sự tấn công thông thường trên ảnh

1.2.2 Một số khái niệm

1.2.2.1 Giấu tin và mã hoá thông tin

Có thể coi nghệ thuật viết mật là một nhánh của ngành mật mã với mục tiêu

là nghiên cứu các phương pháp che giấu thông tin mật

MËt m·

Cryptography

GiÊu tin Information hiding

Thuû Ên sè Digital watermarking

ViÕt mËt Steganography Ngµnh mËt m·

Cryptology

Hình 1.1: Phân cấp các lĩnh vực nghiên cứu của mật mã học

Giấu tin là nghệ thuật nhúng mẩu tin mật vào một vật mang tin khác Giấu tin trong ảnh số là dấu các mẩu tin cũng là dạng số trong máy tính vào các ảnh nhị phân sao cho không bị phát hiện

Giấu tin và mật mã tuy cùng có mục đính là để đối phương không phát hiện ra tin cần dấu, tuy nhiên nó khác với mật mã ở chỗ:

Mật mã là giấu đi ý nghĩa của thông tin còn Giấu tin là dấu đi sự hiện diện của thông tin Về bản chất giấu tin gần với nén dữ liệu hơn

Giả sử ta có đối tượng cần bảo mật R (một văn bản, một tấm bản đồ hoặc một tệp âm thanh chẳng hạn) Nếu dùng phương pháp mã hoá để bảo mật R ta sẽ thu được bản mật mã của R là R’ chẳng hạn Thông thường, R’ mang những giá trị

“vô nghĩa” và chính điều này làm cho đối phương nghi ngờ và tìm mọi cách thám

mã Ngược lại, nếu dụng phương pháp giấu R vào một đối tượng khác, một bức ảnh F chẳng hạn ta sẽ thu được bức ảnh F’ hầu như không sai khác với F Sau đó chỉ cần gửi ảnh F’ cho người nhận Để lấy ra bản tin R từ ảnh F’ ta không cần ảnh gốc F Xem như vậy, khi đối phương bắt được tấm ảnh F’ nếu đó là ảnh lạ (ảnh cá nhân, ảnh phong cảnh của những nơi không nổi tiếng) thì khó nảy sinh nghi ngờ về khả năng chứa tin mật trong F’

Như vậy, sự khác biệt giữa mã hoá thông tin và giấu thông tin là mức độ lộ liễu của đối tượng mang tin mật Nếu ta phối hợp hai phương pháp trên thì mức độ

lộ liễu được giảm đến mức tối đa, đồng thời độ an toàn cũng được nâng cao Chẳng hạn, ta có thể mã hoá R thành R’ sau đó mới giấu R’ vào ảnh F để thu được ảnh F’ Tóm lại, giấu thông tin và hệ mã mật có quan hệ mật thiết với nhau, cùng xây dựng nên một hệ thống an toàn và bảo mật thông tin

1.2.2.2 Thuỷ vân số và giấu tin

Trong lĩnh vực bảo mật thông tin, giấu tin được phân nhánh như sau:

Hình1 2: Các nhánh của giấu tin

Kỹ thuật giấu thông tin nhằm mục đích đảm bảo an toàn và bảo mật thông tin rõ ràng ở hai khía cạnh Một là bảo mật cho giữ liệu được đem giấu, hai là bảo mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin Hai khía cạnh khác nhau này dẫn đến hai khuynh hướng kỹ thuật chủ yếu của giấu tin Khuynh hướng thứ nhất là giấu tin mật (Steganography) Khuynh hướng này tập trung vào các kỹ thuật giấu tin sao cho thông tin giấu được nhiều và quan trọng là người khác khó phát hiện được một đối tượng có bị giấu tin bên trong hay không

Steganography là lĩnh vực nghiên cứu việc nhúng các mẩu tin mật vào một môi trường phủ Trong quá trình giấu tin để tăng bảo mật có thể người ta dùng một khoá viết mật khi đó người ta nói về Intrinsic Steganography (dấu tin có xử lý) Khi đó để giải mã người dùng cũng phải có khoá viết mật đó Chú ý rằng khoá này không phải là khoá dùng để lập mật mã mẩu tin, ví dụ nó có thể là khoá để sinh ra hàm băm phục vụ rải tin vào môi trường phủ Ngược lại nếu không dùng khoá viết mật thì người ta chỉ dấu tin đơn thuần vào môi trường phủ thì khi đó người ta nói

về Pure Steganography (dấu tin đơn thuần)

Khuynh hướng thứ hai là thuỷ vân số (watermarking) Khuynh hướng thuỷ vân số đánh giấu vào đối tượng nhằm khẳng định bản quyền sở hữu hay phát hiện xuyên

tạc thông tin Thuỷ vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn và thực tế đã có nhiều những kỹ thuật dành cho khuynh hướng này

Watermarking là kỹ thuật nhúng một biểu tượng vào trong ảnh môi trường

để xác định quyền sở hữu ảnh môi trường, chống sự giả mạo và xuyên tạc thông tin Kích thước của biểu tượng thường nhỏ (từ vài bit tới vài nghìn bit) Kỹ thuật này cho phép đảm bảo nguyên vẹn biểu tượng khi ảnh môi trường bị biến đổi bởi các phép thao tác như lọc (filtering), nén mất dữ liệu (lossy compression), hay các biến đổi hình học, Tuy nhiên việc đảm bảo nguyên vẹn biểu tượng không kể đến khi có sự tấn công dựa trên việc hiểu rõ thuật toán và có bộ giải mã trong tay Thông tin giấu là một định danh duy nhất, ví dụ định danh người dùng thì khi đó người ta gọi là Fingerprinting (nhận dạng vân tay, điểm chỉ)

Xét về tính chất thuỷ vân giống giấu tin ở chỗ tìm cách nhúng thông tin mật vào một môi trường Tuy nhiên xét về bản chất thì thuỷ vân có những nét khác ở một số điểm:

Mục tiêu của thuỷ vân là nhúng thông tin không lớn thường là biểu tượng, chữ ký hay các đánh dấu khác vào môi trường phủ nhằm phục vụ việc xác nhận bản quyền

Khác với giấu tin ở chỗ giấu tin sau đó cần tách lại tin còn thuỷ vân tìm cách biến tin giấu thành một thuộc tính của vật mang

Chỉ tiêu quan trọng nhất của một thuỷ vân là tính bền vững, của giấu tin là dung lượng

Điểm khác nữa giữa thuỷ vân và giấu tin là thuỷ vân có thể vô hình hoặc hữu trên ảnh bản quyền

Kỹ thuật dấu tin được áp dụng cho các loại dữ liệu ảnh,audio, vidio.Tuy nhiên đồ án này chỉ quan tâm đến phương pháp dấu tin cho ảnh số Chức năng của dấu tin trong ảnh sẽ khác nhau tuỳ theo các hình thức xâm phạm dữ liệu ảnh

Ảnh bị vi phạm bản quyền: nội dung của ảnh giống với nội dung ảnh bản quyền nhưng chúng được dùng với mục đích mà tác giả không cho phép Để bảo

vệ các sản phẩm chống lại các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải có một kỹ thuật để “dán tem bản quyền” vào sản phẩm này Việc dán tem hay chính là việc nhúng thuỷ vân cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hưởng lớn nào đến việc cảm nhận sản phẩm Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thuỷ vân này mà không được phép của người chủ sở hữu thì chỉ có cách là phá huỷ sản phẩm

Ảnh bị sửa đổi :nội dung của ảnh bị xuyên tạc.Trong trường hợp này dấu tin có tác dụng phân biệt ảnh bản quyền với ảnh bị sửa đổi nội dung Áp dụng các bước tách tin giống nhau với các ảnh khác nhau,ta sẽ tách được dấu bản quyền đã được đăng

ký trước đối với ảnh bị xuyên tạc

Hầu hết dấu tin được gắn cho ảnh là dấu không nhìn thấy nhưng trên thực tế tồn tại một loại dấu tin có thể nhìn thấy, chúng không trong suốt hoàn toàn.Tuy nhiên nội dung của đồ án này tôi chỉ đề cập tới loại dấu tin không nhìn thấy

1.3 Các tính chất của giấu tin trong ảnh số

Tài liệu tham khảo:

[1] Nguyễn Xuân Huy,Bùi Thế Hồng, Trần Quốc Dũng “Kỹ thuật thuỷ vân số trong ứng dụng phát hiện xuyên tạc ảnh Hội nghị về phát triển công nghệ thông tin 8/2004

[2] Jegren Seitz unversity of Cooperatie education heidenheim germany” Digital watermarking for digital media” 5/2005

[3 ] Perter Bayer, Hendrik Widenfors (August 2002), "Information Hiding -

Seganographic Contents in Streaming Media" Master Thesis - Software

engineering Thesis No: MSE-2002:24 pp 4

[4] http://www.stsc.hill.af.mil/crosstalk/2003/06/caldwell.pdf, June 2003

[5]Danley Harrison (2002), "An Introduction to Steganography" -Lecture Notes,

pp 1-5

http://www.cs.uct.ac.za/courses/CS400W/NIS/papers99/dsellars/stego.html

[6 ] B Pfitzmann (1996), “Information Hiding Terminology”, Proc First Int’l

Workshop Information Hiding, Lecture Notes in Computer Science No

1,174, Springer-Verlag, Berlin, pp 347-356

[7 ]Duncan Sellars (1 February 2002), "Introdution to Digital Steganography" ,

Lecture Notes, pp 3-5

http://www.cs.uct.ac.za/courses/CS400W/NIS/papers99/dsellars/stego.html

[8 ]Perter Bayer, Hendrik Widenfors (August 2002), "Information Hiding -

Seganographic Contents in Streaming Media" Master Thesis - Software

engineering Thesis No: MSE-2002:24 pp 4

[9 ]R B Wolfgang and E J Delp (January 1999), “Fragile watermarking using

the VW2D watermark,” Proceedings of the SPIE/IS&T Conference on