Giấu tin trong ảnh số

Phần giới thiệu nhấn mạnh sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin và hệ thống mạng máy tính, tạo ra môi trường chia sẻ dữ liệu thuận lợi nhưng cũng gia tăng nguy cơ mất an toàn thông tin. Việc bảo vệ tài liệu, ngăn chặn đánh cắp và sao chép bất hợp pháp trở nên cấp thiết. Vấn đề an toàn và bảo mật thông tin thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu. Một giải pháp hiệu quả được đề cập là giấu tin (steganography), tức là giấu thông tin vào trong một đối tượng khác, phổ biến nhất là ảnh. Mục tiêu chính của giấu tin là bảo mật thông tin giấu (giấu tin mật) và bảo mật đối tượng chứa tin (thủy vân số). Sự ra đời của máy tính và công nghệ mạng làm cho việc truyền thông tin mật trở nên dễ dàng hơn, song song với đó là nhu cầu cao hơn về các phương pháp bảo mật thông tin mạnh mẽ và hiệu quả. Giấu tin trong ảnh được xem là một giải pháp quan trọng để giải quyết vấn đề này, đặc biệt trong bối cảnh ngày nay.

Tài liệu định nghĩa thủy vân trên ảnh số (watermarking) là kỹ thuật nhúng thông tin số vào ảnh sao cho người không được phép khó có thể lấy thông tin ra mà không phá hủy ảnh gốc. Thông tin nhúng được gọi là thủy vân, có thể là chuỗi ký tự hoặc hình ảnh. Giấu tin mật (steganography) được mô tả là một lĩnh vực khoa học và nghệ thuật giấu thông tin trong đa phương tiện, đặc biệt là giấu thông tin mật số vào đối tượng số khác mà khó phát hiện bằng kỹ thuật thông thường. Lịch sử giấu tin được nhắc đến với việc con người sử dụng hình xăm hoặc mực vô hình để truyền thông điệp mật. Sự khác biệt giữa thủy vân và giấu tin được làm rõ: thủy vân tập trung vào việc chứng minh quyền sở hữu, còn giấu tin tập trung vào việc che giấu sự tồn tại của thông tin. Cả hai đều đóng vai trò quan trọng trong an toàn thông tin và bảo mật thông tin hiện đại, đặc biệt trong bối cảnh số hóa ngày càng mạnh mẽ. Việc nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật giấu tin tiên tiến là rất cần thiết.

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của thủy vân số và giấu tin là bảo vệ bản quyền tác giả. Thông tin về quyền sở hữu (thủy vân) được nhúng vào sản phẩm, chỉ chủ sở hữu hợp pháp mới có. Yêu cầu kỹ thuật là thủy vân phải bền vững, muốn loại bỏ chỉ có cách phá hủy sản phẩm. Thủy vân cũng được dùng để điều khiển truy cập thông tin, với các thiết bị phát hiện được tích hợp sẵn. Ví dụ về hệ thống quản lý sao chép DVD ở Nhật Bản được đề cập. Giấu tin còn có ứng dụng trong việc điều khiển truy cập thông tin, xác thực thông tin và nhiều ứng dụng khác. Như vậy, phạm vi ứng dụng của giấu tin và thủy vân số rất rộng lớn, liên quan đến nhiều lĩnh vực, góp phần quan trọng vào việc đảm bảo an toàn thông tin và bảo mật thông tin trong xã hội hiện đại. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý đến việc sử dụng công nghệ này cho các mục đích bất hợp pháp.

Mô hình giấu tin cơ bản được trình bày, bao gồm đối tượng chứa tin (văn bản, ảnh, audio, video...), dữ liệu giấu (thông tin mang ý nghĩa), và bộ nhúng (chương trình, thuật toán) hoạt động với khóa bí mật. Sau khi giấu tin, phương tiện chứa được phân phối và sử dụng trên mạng. Giấu tin trong video được đề cập như một hướng phát triển mạnh mẽ với các ứng dụng tương tự như giấu tin trong ảnh. Khái niệm thủy vân dễ vỡ được giới thiệu: thủy vân sẽ bị phá hủy nếu đối tượng gốc bị biến đổi. Giấu tin dựa trên việc lựa chọn phương tiện chứa phù hợp và thuật toán nhúng thông tin một cách khéo léo, đảm bảo tính an toàn và khó bị phát hiện. Hiệu quả của giấu tin phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn thuật toán và khả năng che giấu thông tin hiệu quả, không làm ảnh hưởng đến chất lượng phương tiện chứa. Tất cả đều hướng đến mục tiêu tối ưu hóa bảo mật thông tin.

Kỹ thuật giấu tin này tận dụng LSB (Least Significant Bit), bit có ảnh hưởng ít nhất đến màu sắc điểm ảnh. Thay đổi LSB gây ra sự khác biệt nhỏ, khó nhận thấy bằng mắt thường. Thuật toán chọn ngẫu nhiên điểm ảnh và byte màu, sau đó giấu bit tin vào LSB. Để tăng tính bảo mật, thông tin thường được nhúng vào vùng ảnh mắt người kém nhạy cảm. Với ảnh 24-bit màu, mỗi điểm ảnh có 3 byte, mỗi màu từ 1 đến 256. Kích thước khối ảnh ảnh hưởng đến dung lượng giấu được và độ an toàn: khối nhỏ giấu được nhiều tin hơn nhưng độ an toàn thấp hơn. Thuật toán LSB đơn giản, dễ cài đặt và hiệu quả trong nhiều ứng dụng, tuy nhiên, việc thay thế nhiều LSB làm tăng dung lượng nhưng giảm độ an toàn. Do đó, việc lựa chọn số lượng LSB cần được cân nhắc kỹ lưỡng để đảm bảo sự cân bằng giữa dung lượng và an toàn thông tin.

Phương pháp này sử dụng phép biến đổi DCT để chuyển ảnh từ miền không gian sang miền tần số. Ảnh gốc được chia thành các khối 8x8 pixel. Biến đổi DCT làm giảm độ tương quan không gian, cho phép biểu diễn thông tin hiệu quả hơn trong miền tần số. Kỹ thuật thủy vân sử dụng DCT nhúng thủy vân vào miền tần số giữa của khối 8x8. Việc chọn cặp hệ số trong miền tần số giữa có thể cố định hoặc sử dụng thuật toán với khóa bí mật để tăng độ an toàn. DCT giảm thiểu sự thay đổi trực quan trên ảnh, làm cho việc phát hiện thủy vân khó khăn hơn. Kỹ thuật thủy vân dựa trên DCT được đánh giá cao về độ an toàn nhưng đòi hỏi thuật toán phức tạp hơn so với LSB. Sự lựa chọn giữa LSB và DCT phụ thuộc vào yêu cầu về dung lượng, độ an toàn và độ phức tạp của thuật toán. Cả hai phương pháp đều đóng góp quan trọng vào lĩnh vực giấu tin trong ảnh.

Đây là tiêu chí quan trọng nhất đánh giá hiệu quả của kỹ thuật giấu tin trong ảnh. Tính vô hình hay không cảm nhận được (imperceptible) có nghĩa là các thay đổi trên ảnh sau khi giấu tin phải rất nhỏ, mắt thường không thể phát hiện ra. Độ vô hình phụ thuộc nhiều vào hệ thống thị giác của con người. Các vùng ảnh có màu xanh tím thường kém nhạy cảm hơn, vì vậy thường được chọn để giấu tin. Việc đạt được tính vô hình cao đòi hỏi kỹ thuật giấu tin tinh vi, giảm thiểu tối đa nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh. Mục tiêu là đảm bảo an toàn thông tin mà không làm ảnh hưởng đến trải nghiệm người xem ảnh. Việc đánh giá tính vô hình thường dựa trên các phép đo định lượng và đánh giá chủ quan của người dùng. Tối ưu hóa tính vô hình là yếu tố quyết định thành công của kỹ thuật giấu tin.

Khả năng giấu thông tin hay dung lượng giấu tin được tính bằng tỉ lệ giữa lượng thông tin giấu và kích thước ảnh. Các thuật toán giấu tin luôn hướng đến mục tiêu giấu được nhiều tin nhất có thể mà vẫn đảm bảo tính vô hình và chất lượng ảnh. Tuy nhiên, trong thực tế, cần cân nhắc giữa dung lượng giấu tin với các tiêu chí khác như chất lượng (Quality) và tính bền vững (Robustness) của thông tin giấu. Một thuật toán giấu tin tốt cần đạt được sự cân bằng giữa các tiêu chí này. Khả năng giấu thông tin cao đồng nghĩa với việc có thể nhúng được nhiều thông tin hơn vào ảnh mà không gây ra sự thay đổi đáng kể về mặt hình ảnh. Đây là yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả ứng dụng của kỹ thuật giấu tin trong thực tế.

Tính bền vững của kỹ thuật giấu tin thể hiện khả năng thông tin giấu vẫn được bảo toàn nguyên vẹn sau khi ảnh gốc bị biến đổi (ví dụ: nén, xoay, làm mờ...). Đây là tiêu chí quan trọng để đảm bảo an toàn thông tin trong các điều kiện thực tế. Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng bảo vệ bản quyền là thủy vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, chỉ có thể loại bỏ bằng cách phá hủy sản phẩm. Tính bền vững phụ thuộc vào thuật toán giấu tin được sử dụng và khả năng chống lại các cuộc tấn công nhằm phá hủy hoặc làm biến dạng thông tin giấu. Một thuật toán giấu tin có tính bền vững cao sẽ đảm bảo thông tin giấu vẫn có thể được phục hồi ngay cả khi ảnh đã bị xử lý hoặc tấn công. Việc đánh giá tính bền vững thường được thực hiện bằng cách mô phỏng các cuộc tấn công khác nhau và đo lường mức độ ảnh hưởng đến thông tin giấu.

Khái niệm cặp giá trị (PoV) được Pfitzmann và Westfeld đề xuất. Phương pháp này dựa trên việc phân tích thống kê sự xuất hiện của các cặp giá trị điểm ảnh (pixel) chẵn lẻ. Nếu ảnh là ảnh xám 8-bit, có 256 mức xám, thuật toán xác định các cặp giá trị chẵn lẻ (không quá 128 cặp). Hai vector được xây dựng để thống kê tần số xuất hiện của các điểm ảnh chẵn và lẻ. Sự khác biệt trong phân bố tần suất giữa các cặp giá trị có thể chỉ ra sự hiện diện của thông tin giấu. Kỹ thuật này dựa trên giả thuyết rằng việc giấu tin làm thay đổi phân bố tần suất của các cặp giá trị điểm ảnh. Phân tích PoV là một kỹ thuật phát hiện giấu tin khá đơn giản nhưng hiệu quả trong một số trường hợp. Tuy nhiên, hiệu quả của kỹ thuật này có thể bị giảm nếu giấu tin được thực hiện một cách tinh vi.

Kỹ thuật đối ngẫu (RS), hay còn gọi là Regular-Singular, do Fridrich đề xuất. Phương pháp này dựa trên thống kê sự thay đổi của các nhóm điểm ảnh chính quy (Regular) và nhóm điểm ảnh đơn (Singular) để ước lượng độ dài thông điệp đã giấu. Ảnh được chia thành các nhóm điểm ảnh cố định. Mỗi nhóm được phân loại vào nhóm R hoặc S dựa trên sự khác biệt giữa các điểm ảnh trong nhóm sau khi giấu tin. Xác suất giấu tin được tính toán dựa trên số lượng nhóm R và S. Kỹ thuật RS phù hợp với ảnh màu và ảnh xám khi thông điệp được giấu ngẫu nhiên. Đây là một kỹ thuật phát hiện giấu tin dựa trên lý thuyết xác suất thống kê, có khả năng phát hiện giấu tin hiệu quả trong nhiều trường hợp. Tuy nhiên, hiệu quả của kỹ thuật này cũng phụ thuộc vào phương pháp giấu tin được sử dụng.

Ngoài hai kỹ thuật trên, tài liệu còn đề cập đến phân tích thống kê và phân tích định dạng ảnh như những phương pháp phát hiện giấu tin. Phân tích thống kê, theo Plitzman và Westfeld, sử dụng lý thuyết thống kê để phân tích các cặp giá trị (điểm ảnh, hệ số DCT, chỉ số bảng màu) nhằm tìm sự khác biệt ở LSB. Phân tích định dạng ảnh tận dụng sự khác biệt về cấu trúc định dạng của các loại ảnh khác nhau (BMP, GIF, JPEG) để phát hiện sự thay đổi do giấu tin gây ra. Các kỹ thuật này dựa trên việc phân tích các đặc điểm thống kê và cấu trúc của ảnh để tìm ra dấu hiệu của giấu tin. Hiệu quả của các kỹ thuật này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cả thuật toán giấu tin được sử dụng và chất lượng của ảnh gốc. Sự kết hợp của nhiều kỹ thuật phát hiện giấu tin sẽ tăng khả năng phát hiện thông tin giấu một cách chính xác.

Phần kết luận nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nghiên cứu kỹ thuật phát hiện giấu tin (steganalysis). Mặc dù giấu tin đóng vai trò tích cực trong nhiều lĩnh vực như bảo vệ thông tin an toàn và bảo vệ quyền tác giả, nhưng việc lợi dụng kỹ thuật này cho mục đích bất hợp pháp, ví dụ tuyên truyền sản phẩm văn hóa không lành mạnh hay truyền thông tin khủng bố, đặt ra vấn đề cấp thiết về phát hiện giấu tin. Khả năng phát hiện thông tin ẩn giúp ngăn ngừa các thảm kịch có thể xảy ra. Nghiên cứu về phát hiện giấu tin cũng góp phần tăng cường an toàn cho chính kỹ thuật giấu tin, đặc biệt là giấu tin mật. Bài toán đặt ra là phát hiện sự tồn tại của thông tin giấu, và khả năng sửa đổi hoặc phá hủy thông tin đó. Nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau trên thế giới đang được nghiên cứu để giải quyết vấn đề này.

Đồ án đã trình bày một số kỹ thuật phát hiện ảnh giấu tin, bao gồm các kỹ thuật dựa trên lý thuyết xác suất thống kê. Việc nghiên cứu tập trung vào hai mục tiêu chính là phát hiện sự tồn tại của thông tin giấu và khả năng sửa đổi hoặc phá hủy thông tin đó. Các kỹ thuật phát hiện được đề cập bao gồm: phân tích cặp giá trị điểm ảnh (PoV) và phương pháp đối ngẫu (Regular-Singular - RS). Kết quả chính của đồ án là trình bày các khái niệm cơ bản về mã hóa, giấu tin, và hai phương pháp giấu tin trong ảnh: giấu tin bằng LSB và kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DCT. Việc kết hợp nhiều kỹ thuật phát hiện và tiếp tục nghiên cứu các thuật toán mới là cần thiết để nâng cao hiệu quả phát hiện giấu tin trong tương lai, góp phần bảo đảm an toàn thông tin.