Giấu tin trên k-LSB: Ứng dụng trong ảnh

Phần này định nghĩa "giấu tin" là kỹ thuật nhúng thông tin số vào đối tượng dữ liệu số khác, nhằm mục đích bảo mật dữ liệu được giấu và bảo vệ đối tượng chứa tin. Hai kỹ thuật chính được đề cập là giấu tin mật (Steganography) và thủy vân số (Watermarking). Thông tin cần giấu có thể là thông điệp bí mật, logo, hay hình ảnh bản quyền. Phương tiện chứa có thể là file ảnh, văn bản, hoặc âm thanh. Quá trình giấu tin bao gồm việc nhúng thông tin vào phương tiện chứa bằng bộ nhúng thông tin, thường sử dụng khóa để tăng tính bảo mật. Quá trình ngược lại là tách thông tin ra khỏi phương tiện chứa, sử dụng bộ giải mã tương ứng và khóa. Giấu tin được xem như công nghệ chìa khóa trong bảo vệ bản quyền, chứng thực thông tin và kiểm soát truy cập, đặc biệt quan trọng trong bối cảnh số hóa thông tin và sự phát triển của mạng internet, nơi mà nạn ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, và truy cập trái phép là những vấn đề đáng lo ngại. Ý tưởng về việc che giấu thông tin đã tồn tại từ hàng nghìn năm trước, nhưng chỉ gần đây mới được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực công nghệ thông tin.

Phần này tập trung vào đặc điểm của kỹ thuật giấu tin trong ảnh. Ảnh được sử dụng thường là ảnh tĩnh, khác với dữ liệu âm thanh và video. Thông tin được giấu một cách vô hình, gần như không làm thay đổi chất lượng hình ảnh khi quan sát bằng mắt thường. Đồ án đề cập đến định dạng ảnh BMP 24-bit, nổi bật với việc không nén dữ liệu, do đó kích thước file thường rất lớn. Các thuộc tính quan trọng của ảnh BMP bao gồm số bit trên mỗi điểm ảnh (bit per pixel, ký hiệu n), ảnh BMP n-bit có 2ⁿ màu. Các giá trị n tiêu biểu là 1 (đen trắng), 4 (16 màu), 8 (256 màu), 16 (65536 màu), và 24 (16 triệu màu). Với ảnh có số màu lớn, điểm ảnh được biểu diễn trực tiếp bằng giá trị của các thành phần màu R, G, B, thường là 24 bit hoặc 32 bit mỗi thành phần (mỗi thành phần màu trong ảnh 24 bit được biểu diễn bởi 1 byte, 8 bit).

Một trong những phương pháp giấu tin trong ảnh được đề cập là giấu tin trong miền quan sát. Ý tưởng chính là rải các bit của thông điệp bí mật lên ảnh vỏ bọc, thay đổi các bit có trọng số thấp (LSB) của ảnh để ít ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh. Mô hình cơ bản của kỹ thuật giấu tin bao gồm các thủ tục nhúng thông tin vào môi trường giấu tin, thường sử dụng khóa để tăng tính bảo mật. Quá trình giải mã bao gồm việc sử dụng bộ giải mã tương ứng với bộ nhúng thông tin cùng với khóa để tách thông tin đã giấu và so sánh với thông tin ban đầu. Các đặc trưng của kỹ thuật giấu tin trong ảnh bao gồm việc dữ liệu gốc là dữ liệu tĩnh, chất lượng ảnh ít thay đổi sau khi giấu tin, và kích thước ảnh không thay đổi. Việc đảm bảo chất lượng ảnh sau khi giấu tin là rất quan trọng, bởi vì bất kỳ sự biến đổi nào trên ảnh cũng sẽ làm biến đổi thông tin đã giấu, và đây cũng là đặc điểm giúp phát hiện sự xuyên tạc thông tin.

Phần này trình bày phương pháp giấu tin trên k-bit LSB cổ điển, đây là phương pháp đơn giản nhất. Thông điệp nhị phân được giấu (nhúng) vào các bit LSB của ảnh, là các bit có ảnh hưởng ít nhất đến màu sắc của điểm ảnh. Thay đổi bit LSB sẽ gây ra sự thay đổi nhỏ trong màu sắc, khó nhận biết bằng mắt thường. Ví dụ, với ảnh 256 màu (8 bit/pixel), bit cuối cùng (LSB) được sử dụng để giấu tin. Thay đổi bit này chỉ làm thay đổi giá trị điểm ảnh lên hoặc xuống một đơn vị. Thuật toán này dễ cài đặt và thực hiện, cho phép giấu được lượng thông tin lớn và nhanh chóng. Tuy nhiên, điểm yếu chính là tính bảo mật thấp, dễ bị tấn công bởi kẻ gian do tính đơn giản của thuật toán. Tiền xử lý thuật toán bao gồm việc bổ sung các hàm thành phần để hỗ trợ việc cài đặt chương trình thuận lợi hơn. Các bước thực hiện bao gồm biểu diễn thông điệp dưới dạng nhị phân, tách bit LSB của ảnh, ghép với thông điệp, chuyển đổi về dạng thập phân và gán ngược lại vào ảnh. Quá trình tách tin cũng tương tự, nhưng ngược lại, tách các bit LSB đã được giấu và ghép lại để thu được thông điệp gốc.

Đồ án giới thiệu phương pháp giấu tin trên k-bit LSB nâng cao, được xem là tối ưu khi k lớn. Phương pháp này sử dụng khóa hoán vị (key permutation) để tăng cường tính bảo mật. Hình ảnh và thông điệp bí mật được sắp xếp lại thành các khối bit (block). Tiền xử lý thuật toán bao gồm hàm mã hóa thông điệp. Các bước thực hiện bao gồm: biểu diễn thông tin giấu dưới dạng nhị phân, mã hóa thông điệp bằng khóa 8 bit sử dụng phép XOR, giấu thông điệp đã mã hóa vào ảnh tương tự như phương pháp cổ điển (tách bit ảnh, ghép với thông điệp, chuyển đổi về thập phân và gán lại vào ảnh). Quá trình tách tin cũng bao gồm việc giải mã thông điệp bằng khóa 8 bit để thu được thông điệp gốc. Đồ án cũng đề cập đến trường hợp sử dụng bảng mã đã được quy ước sẵn để chuyển đổi thông điệp, tăng độ phức tạp và bảo mật. Phương pháp này phức tạp hơn so với phương pháp cổ điển, thời gian thực hiện lâu hơn, đặc biệt với thông điệp có kích thước lớn, nhưng lại khó bị tấn công hơn. Việc cài đặt chương trình bao gồm các hàm xử lý mã hóa, giải mã và chuyển đổi dữ liệu. Nếu quá trình giấu hoặc tách tin không thành công, nguyên nhân có thể do nhập thiếu hoặc sai dữ liệu đầu vào, như tên ảnh, thông điệp, khóa, số bit mã hóa, v.v…

Đồ án đưa ra nhận xét so sánh hai phương pháp giấu tin. Phương pháp k-bit LSB cổ điển dễ cài đặt và thực hiện, nhanh chóng và giấu được nhiều thông tin, nhưng dễ bị tấn công. Phương pháp nâng cao phức tạp hơn, thời gian xử lý lâu hơn, đặc biệt với thông điệp lớn, nhưng khó bị tấn công hơn do có bước mã hóa và khóa hoán vị. Việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào yêu cầu về tính bảo mật và hiệu suất. Phương pháp nâng cao được đánh giá cao về tính an toàn, trong khi phương pháp cổ điển ưu việt hơn về tốc độ và sự đơn giản. Cả hai phương pháp đều dựa trên nguyên tắc thay thế các bit LSB của ảnh, nhưng phương pháp nâng cao bổ sung thêm lớp bảo mật bằng mã hóa và khóa, làm cho việc giải mã trở nên khó khăn hơn đối với những người không có khóa.

Để đánh giá chất lượng ảnh sau khi giấu tin, đồ án sử dụng hai tham số: Sai số bình phương trung bình (MSE - mean square error) và tỷ lệ tín hiệu/tín hiệu tạp (PSNR - Peak Signal to Noise Ratio). PSNR, đo bằng đơn vị decibel (dB), là chỉ số thường được sử dụng trong nghiên cứu xử lý ảnh. MSE tính toán sự khác biệt giữa ảnh gốc và ảnh sau khi giấu tin. PSNR càng cao thì chất lượng ảnh càng tốt, tức là ảnh sau khi giấu tin càng giống ảnh gốc. Một yêu cầu quan trọng của giấu tin trong ảnh là đảm bảo chất lượng ảnh không bị suy giảm đáng kể sau khi nhúng thông tin, để tránh bị phát hiện dễ dàng. Thông tin giấu trong ảnh sẽ bị biến đổi nếu có bất kỳ biến đổi nào trên ảnh, vì phương pháp giấu tin dựa trên việc điều chỉnh các giá trị bit theo một quy tắc nhất định. Tính bền của giấu tin được đề cập, cho phép thông tin tồn tại qua các phép biến đổi ảnh, biến dạng hình học hay tấn công cố ý. Tính an toàn chỉ cho phép bên nhận có khóa và kỹ thuật tách ảnh phù hợp mới lấy được thông tin.

Kết luận của đồ án khẳng định giấu tin trong ảnh, đặc biệt là kỹ thuật giấu tin trên k-bit LSB, chiếm tỉ lệ lớn nhất trong các ứng dụng giấu tin đa phương tiện do lượng thông tin trao đổi bằng ảnh rất lớn và vai trò quan trọng trong bảo vệ an toàn thông tin. Kỹ thuật giấu tin trên k-bit LSB có thể được áp dụng cho nhiều định dạng ảnh khác nhau như ảnh màu, PNG, JPG... Việc cài đặt thuật toán không quá phức tạp và cho phép giấu lượng thông tin lớn. Kết quả đánh giá PSNR cho thấy kỹ thuật này có độ tin cậy cao. Tuy nhiên, do thời gian nghiên cứu có hạn và trình độ hiểu biết còn hạn chế, bài báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo để hoàn thiện báo cáo. Đồ án đã nghiên cứu kỹ thuật giấu tin trên k-bit LSB của ảnh, cho thấy tính khả thi và hiệu quả của phương pháp này trong việc bảo mật thông tin. Việc mở rộng nghiên cứu sang các định dạng ảnh khác và các phương pháp giấu tin tiên tiến hơn là đề xuất cho các nghiên cứu trong tương lai.

Phần tài liệu tham khảo liệt kê các nguồn nghiên cứu quan trọng liên quan đến kỹ thuật giấu tin và thủy vân số. Một số tài liệu đáng chú ý bao gồm: "Data Hiding by LSB Substitution Using Genetic Optimal Key-Permutation" của Marghny Mohamed, Fadwa Al-Afari và Mohamed Bamatraf (International Arab Journal of e-Technology, Vol. 2, No. 1, January 2011), giáo trình "Giấu tin và thủy vân ảnh" của Nguyễn Xuân Huy và Trần Quốc Dũng (Trung tâm thông tin tư liệu, TTKHTN - CN 2003), và "Digital Watermarking and Steganography" của Ingemar Cox, Jeffrey Bloom, Matthew Miller, Ton Kalker, Jessica Fridrich (Morgan Kaufmann, 2008). Những tài liệu này cung cấp nền tảng lý thuyết và kỹ thuật quan trọng cho đồ án. Việc tham khảo các công trình nghiên cứu quốc tế thể hiện tính cập nhật và sự nghiêm túc trong quá trình nghiên cứu của tác giả. Sự đa dạng nguồn tham khảo đảm bảo tính toàn diện và khách quan của đồ án.

Bên cạnh các nguồn tài liệu chính thống, đồ án cũng tham khảo một số đồ án tốt nghiệp của sinh viên ngành Công nghệ thông tin (CNTT) tại trường Đại học Hải Phòng. Những đồ án này bao gồm: "Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin mật trên vùng biến đổi DWT" của Dương Uông Hiên (lớp CT701, 2008), "Tìm hiểu kỹ thuật phát hiện ảnh có giấu tin dựa trên phân tích tương quan giữa các bit LSB của ảnh" của Phạm Quang Tùng (lớp CT1001, 2010), "Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin trên ảnh nhị phân" của Nguyễn Trường Huy (lớp CT1001, 2010), "Tìm hiểu giải pháp và công nghệ xác thực điện tử sử dụng thủy vân số" của Vũ Văn Thành (lớp CT1001, 2010), và "Nghiên cứu một giải pháp giấu văn bản trong ảnh" của Vũ Thị Ngọc (lớp CT1101). Việc tham khảo các đồ án tốt nghiệp này giúp tác giả có cái nhìn tổng quan hơn về các hướng nghiên cứu và ứng dụng của kỹ thuật giấu tin trong thực tiễn. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng đây là các tài liệu có phạm vi nghiên cứu hạn chế hơn so với các công trình nghiên cứu quốc tế đã được trích dẫn.