Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Tìm hiểu thủy vân số, mã hoá dựa trên định danh và ứng dụng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:74

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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 - Kỹ thuật về thủy vân số; Chương 2 - Mã hóa dựa trên định danh; Chương 3 - Kết hợp thủy vân số và mã hóa định danh xây dựng chương trình ứng dụng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Tìm hiểu thủy vân số, mã hoá dựa trên định danh và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG Nguyễn Minh Họa TÌM HIỂU THUỶ VÂN SỐ, MÃ HÓA DỰA TRÊN ĐỊNH DANH VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành : Khoa học máy tính Mã số : 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Hồ Văn Hương Thái Nguyên - 2015 i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: 1. Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự trực tiếp hướng dẫn của thầy giáo TS. Hồ Văn Hương. 2. Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố. 3. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Thái Nguyên, tháng năm 2015 Học viên Nguyễn Minh Họa ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái nguyên, cùng tất cả các thầy giáo, cô giáo đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Hồ Văn Hương, người đã trực tiếp hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo, các đồng nghiệp đã ủng hộ và dành thời gian để giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Tuy đã có nhiều cố gắng, nhưng chắc chắn luận văn của tôi còn có rất nhiều thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp. Xin chân thành cám ơn! iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii Thái Nguyên, tháng năm 2015 ................................................................................... ii Học viên ...................................................................................................................... ii Nguyễn Minh Họa ....................................................................................................... ii LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................... viii 1. Lời mở đầu ............................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1 ................................................................................................................ 5 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN .................................. 5 1.1. Một số vấn đề cơ bản về giấu tin ........................................................... 5 1.1.1. Khái niệm giấu tin ............................................................................................... 5 1.1.2. Phân loại các kỹ thuật giấu tin và ứng dụng ...................................................... 5 1.1.3. Mô hình kỹ thuật giấu tin .................................................................................... 6 1.2. Một số vấn đề cơ bản về thủy vân.......................................................... 9 1.2.1. Khái niệm về thủy vân ......................................................................................... 9 1.2.2. Phân loại thủy vân .............................................................................................. 9 1.2.3. Các ứng dụng của thuỷ vân với ảnh số ............................................................. 10 1.2.4. Một số tính chất của sơ đồ thủy vân................................................................. 11 1.3. Ảnh số .................................................................................................. 13 1.3.1. Phân loại ảnh .................................................................................................... 13 1.3.2. Histogram của ảnh ............................................................................................ 14 1.3.3. Chất lượng ảnh.................................................................................................. 15 1.4. Một số lược đồ giấu tin trên ảnh nhị phân ........................................... 16 1.4.1. Lược đồ giấu tin Wu-Lee .................................................................................. 16 1.4.2. Lược đồ giấu tin THA........................................................................................ 22 iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
2.1. Tổng quan mật mã dựa trên định danh ................................................ 26 2.2. Lược đồ mã hóa dựa trên định danh IBE ............................................. 31 2.3. Mã hóa dựa trên thuộc tính .................................................................. 33 2.4. Các thuật toán thực hiện trong mã hóa định danh ............................... 38 2.5.2. Sự khác nhau giữa IBE và hệ thống khóa công khai truyền thống ................. 44 3.1. Bài toán ứng dụng thủy vân trong bài toán xác thực dữ liệu chống giả mạo ứng dụng trong Bệnh viện .................................................................................. 47 3.2. Bài toán kiểm soát quyền truy cập trong hệ thống bảo mật quản lý bệnh viện........................................................................................................................ 52 3.2.2. Các bước thực hiện xây dựng hệ thống bảo mật .......................................... 56 3.2. Ứng dụng IBE kiểm soát quyền truy cập trong hệ thống bảo mâ ̣t quản lý bệnh viện .............................................................................................................. 59 3.2.1. Mô tả bài toán ................................................................................................. 59 3.2.2. Mô hình hệ thống ........................................................................................... 60 3.2.3. Chương trình thử nghiệm ............................................................................. 62 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 64 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AES Advanced Encryption Standard Chuẩn mã hoá tiên tiến ANSI American National Standards Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ Institude CA Certification Authority Nhà cung cấp chứng thực CRL Certificate Revocation List Danh sách các chứng thực thu hồi FIPS Federal Information Processing Chuẩn xử lý thông tin liên Standard bang IDEA International Data Encryption Thuật toán mã hoá dữ liệu Algorithm quốc tế ISO International Organization for Tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc Standardization tế NIST National Institute of Standards Viện quốc gia về chuẩn và and Technology công nghệ PKI Public Key Infrastructure Cơ sở hạ tầng khoá công khai RA Registration Authority Nhà quản lý đăng ký RSA Rivest-Shamir-Aldeman Watermarking Thủy vân số Fragile Dễ vỡ Robust bền vững PSNR Peak Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu đỉnh trên nhiễu. perceptual insignificant Trực giác J Joint Photographic Experts Group Phương pháp nén ảnh P E G vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
D Discrete Cosine Transform Phép biến đổi cosine rời rạc C T I Image Ảnh IMG. M G Run – Length Nén loạt dài vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1 Bốn thuật toán tạo thành lược đồ IBE 47 So sánh hệ thống IBE và hệ thống khóa 2 53 công khai truyền thống DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình Tên hình vẽ Trang 1.1 Phân loại các kỹ thuật giấu tin 15 1.2 Mô hình thuật toán nhúng tin 16 1.3 Mô hình trích tin 17 1.4 Biểu đồ Histigram của ảnh mầu Pepper 24 1.5 Xác thực thông tin bằng mật mã khóa công khai 15 2.1 “Mã khóa riêng”, “mã khóa công khai”, 39 “hệ thống bảo mật nhận dạng” 2.2 Phương thức “mã khóa công khai” và “chữ ký nhận dạng” 40 2.3 Mã hoá bằng hệ thống IBE 41 2.4 Giải mã bằng hệ thống IBE 41 3.1 Sơ đồ thủy vân ảnh được thực hiện 57 3.2 Sơ đồ xác thực và định vị vùng ảnh 59 3.3 Mô hình hệ thống nhận dạng IBE 63 3.4 Hệ thống mã hóa mô hình bảo mật 64 3.5 Sơ đồ phân tích hệ thống 69 viii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
1. Lời mở đầu Ngày nay, nhu cầu về bảo đảm an toàn thông tin trong lĩnh vực y học ngày càng tăng, nhằm phục vụ công tác chăm sóc sức khỏe của cộng đồng và bảo mật hồ sơ bệnh án khi người bệnh đến khám và chữa bệnh tại bệnh viện, như các bệnh mãn tính, ung thư, viêm gan, HIV... Sự phát triển của dữ liệu đa phương tiện đã hỗ trợ tích cực các hoạt động y học như chẩn đoán từ xa, chia sẻ thông tin y tế. Một trong các kỹ thuật cổ điển nhất để bảo vệ bản quyền tài liệu số hóa, thủy vân số vẫn có nhiều đặc tính phù hợp để bảo vệ dữ liệu E- Health. Nhúng thủy vân số về bản chất là việc chèn một thông điệp vào tài liệu số, thường ở dạng dữ liệu multimedia (ảnh, audio hoặc video). Thông tin bệnh học trong các hệ thống E-health được gửi tới cho các bác sỹ điều trị, phòng thí nghiệm, cơ quan điều tra nghiên cứu hoặc trung tâm tư vấn sức khỏe... Việc sử dụng hệ thống chăm sóc y tế điện tử mang lại các lợi ích trong việc truy cập, kiểm soát và chia sẻ thông tin y tế của người bệnh, tuy nhiên lại gây ra các nguy cơ xâm phạm tính bí mật và riêng tư tới các thông tin sức khỏe nhạy cảm của người bệnh như các bệnh mãn tính, ung thư, viêm gan B, HIV.... Các nghiên cứu liên quan về sử dụng thủy vân số ứng dụng trong y sinh học sẽ được trình bày, trên cơ sở đó, một mô hình đề xuất sử dụng thủy vân số kết hợp mã hóa truyền thông dựa trên định danh được trình bày. Phương pháp này giúp đảm bảo tính bí mật và riêng tư cho các thông tin dữ liệu cho người bệnh. Hiện nay, mới chỉ có một vài cách tiếp cận đối với bài toán thuỷ vân dữ liệu quan hệ được đề xuất. Tuy nhiên, những kỹ thuật này không bền vững trước các tấn công thông thường và các tấn công gây hại, vì vậy cần có một kỹ thuật thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ có độ bền vững cao hơn nhất là đối với các tấn công xoá, sửa và chèn các bản ghi. Bằng cách sử dụng thủy vân, dữ liệu số sẽ bảo vệ khỏi sự sao chép bất hợp pháp. Thủy vân là một mẩu tin được ẩn trực tiếp trong dữ liệu số. Thủy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 1
vân luôn gắn kết với dữ liệu số. Bằng trực quan thì khó có thể phát hiện được thủy vân trong dữ liệu chứa nhưng ta có thể tách được chúng bằng các chương trình có cài đặt thuật toán thủy vân. Thủy vân tách được từ dữ liệu số chính là bằng chứng kết luận dữ liệu số có bị xuyên tạc thông tin hay vi phạm bản quyền không. Mã hóa dựa trên định danh (Indetity based encryption -IBE) hiện nay đang được xem là một công nghệ mật mã mới có nhiều thuận tiện trong thực thi ứng dụng so với các thuật toán khóa công khai khác. Đối với các hệ mật mã khóa công khai truyền thống, việc cài đặt là khó khăn và tốn kém, ứng dụng thành công nhất của công nghệ khóa công khai là việc sử dụng rộng rãi của SSL, nó yêu cầu tương tác tối thiểu với người sử dụng khi được dùng để xác thực máy chủ và mã hóa các truyền thông với máy chủ đó. Các ứng dụng mà yêu cầu người sử dụng quản lý hoặc sử dụng các khóa công khai thì không thành công được như vậy. IBE là một công nghệ mã hoá khoá công khai, cho phép một người sử dụng tính khoá công khai từ một chuỗi bất kỳ. Chuỗi này như là biểu diễn định danh của dạng nào đó và được sử dụng không chỉ như là một định danh để tính khoá công khai, mà còn có thể chứa thông tin về thời hạn hợp lệ của khoá để tránh cho một người sử dụng dùng mãi một khoá IBE hoặc để đảm bảo rằng người sử dụng sẽ nhận được các khoá khác nhau từ các hệ thống IBE khác nhau. Trong chuỗi này có chứa thông tin là duy nhất đối với mỗi cài đặt IBE cụ thể, chẳng hạn như URL mà định danh máy chủ được sử dụng trong cài đặt của các hệ thống IBE khác nhau. Khả năng tính được các khoá như mong muốn làm cho các hệ thống IBE có các tính chất khác với các tính chất của các hệ thống khoá công khai truyền thống, những tính chất này tạo ra các ưu thế thực hành đáng kể trong nhiều tình huống. Bởi vậy, có một số ít tình huống không thể giải quyết bài toán bất kỳ với các công nghệ khoá công khai truyền thống, nhưng lại có thể giải quyết được với IBE và sử Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 2
dụng IBE có thể đơn giản hơn nhiều về cài đặt và ít tốn kém hơn về nguồn lực để hỗ trợ. Việc kết hợp hai lĩnh vực nghiên cứu giữa thuỷ vân số và mã hóa làm tăng khả năng đảm bảo an toàn và bảo mật thông tin trong thực tiễn hiện nay. Vì vậy, chúng tôi chọn đề tài "Tìm hiểu thủy vân số, mã hoá dựa trên định danh và ứng dụng" làm nội dung nghiên cứu cho luận văn tốt nghiệp của mình. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm hiểu về mặt lý thuyết của thuỷ vân số và mã hóa định danh. - Kết hợp giữa thủy vân số và mã hóa dựa trên định danh và bảo đảm an toàn hệ thống thông tin. - Ứng dụng của thủy vân số và mã hóa định danh bảo vệ bản quyền. 3. Hướng nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu phương pháp về mặt lý thuyết sau đó áp dụng. Dựa trên những kết quả kiểm chứng đó để đưa ra các kết luận và các đề xuất nhằm hoàn thành mục tiêu nghiên cứu của luận văn. - Nghiên cứu giải pháp công nghệ cài đặt chương trình thử nghiệm. 4. Những nội dung nghiên cứu chính 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: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 3
Chương 1: Kỹ thuật về thủy vân số Chương này trình bày một số khái niệm liên quan đến ảnh số, kỹ thuật giấu tin, thủy vân số và ứng dụng. Ngoài ra, trong chương còn trình bày hai thuật toán giấu tin trên ảnh nhị phân gồm Thuật toán Wu-Lee và thuật toán THA. Chương 2: Mã hóa dựa trên định danh Chương này chủ yếu trình bày về thực trạng để tìm hiểu về mã hóa dựa trên định danh. Mã hóa dựa trên định danh. Lược đồ mã hóa định danh. Một số thuật toán sử dụng trong mã hóa định danh (IBE). Chương 3: Kết hợp thủy vân số và mã hóa định danh xây dựng chương trình ứng dụng Kết hợp kỹ thuật thủy vân số, mã hóa định danh và xây dựng ứng dụng. Giới thiệu bài toán thử nghiệm. Dữ liệu thử nghiệm, mô tả chi tiết các bước tiến hành thí nghiệm thủy vân số và mã hoá dựa trên định danh để ứng dụng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN Chương này tập trung trình bày một số khái niệm liên quan đến ảnh số, kỹ thuật giấu tin, thủy vân số và ứng dụng. Ngoài ra, trong chương còn trình bày hai thuật toán giấu tin trên ảnh nhị phân gồm Thuật toán Wu-Lee và thuật toán THA. 1.1. Một số vấn đề cơ bản về giấu tin 1.1.1. Khái niệm giấu tin Giấu tin là một kỹ thuật giấu một lượng thông tin nào đó vào một đối tượng dữ liệu khác nhằm hai mục đích đó là: Một là bảo vệ cho chính đối tượng được giấu tin bên trong. Đây chính là thủy vân số, đây là lĩnh vực rất đa dạng, có nhiều mục đích và đang được quan tâm, nghiên cứu rất nhiều; tính ứng dụng của nó trong hiện tại rất lớn và đã có nhiều kỹ thuật được đề xuất. Hai là bảo mật cho dữ liệu được đem giấu. Chính là giấu tin mật, tập trung vào các kỹ thuật giấu tin sao cho người khác rất vất vả, khó khăn mới phát hiện được đối tượng có chứa thông tin mật bên trong. 1.1.2. Phân loại các kỹ thuật giấu tin và ứng dụng Dựa theo mục đích sử dụng, ta có chia các lược đồ giấu tin thành hai nhóm chính giấu tin và thủy vân: - Thủy vân số: Là nhúng một lượng thông tin có ích vào các sản phẩm số. Có thể chia thành hai loại thủy vân như sau: Thủy vân bền vững và thủy vân dễ vỡ. Thủy vân bền vững nghiên cứu đến việc nhúng những mẩu tin với yêu cầu độ bền vững cao của thông tin được giấu trước những biến đổi của môi trường dữ liệu. Còn thủy vân dễ vỡ quan tâm đến thông tin giấu sẽ bị sai lệch nếu có bất kỳ sự thay đổi nào trên dữ liệu chứa thông tin giấu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 5
- Giấu tin mật: Với kỹ thuật giấu tin mật này luôn quan tâm đến tính che giấu thông tin, với mục đích nhằm làm sao cho việc phát hiện được đối tượng có chứa thông tin mật ở bên trong hay không; nếu phát hiện có giấu tin thì việc giải mã thông tin mật cũng sẽ mất rất nhiều thời gian và rất khó thực hiện được. Các kỹ thuật giấu tin cũng rất quan tâm đến lượng tin có thể giấu được. Như vậy, kỹ thuật giấu tin có thể được phân loại như hình sau: Giấu tin Giấu tin mật Thủy vân số Hình 1.1. Phân loại các kỹ thuật giấu tin 1.1.3. Mô hình kỹ thuật giấu tin Giống như các lược đồ mã hóa thông tin, một kỹ thuật giấu tin gồm thuật toán nhúng tin và thuật toán trích tin. Theo [5], sơ đồ của thuật toán nhúng tin tổng quá có mô hình như sau : Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 6
Hình 1.2 Mô hình thuật toán nhúng tin Trong Hình 1.2, môi trường giấu tin là những dữ liệu dùng để chứa thông tin mật, dữ liệu môi trường thường là những dữ liệu được dùng phổ biến trên Internet như : tệp ảnh, tệp âm thanh, tệp video, tệp text…Thông tin cần giấu là một lượng thông tin mang ý nghĩa và mục đích nào đó tùy thuộc vào mục đích và yêu cầu của người sử dụng (tin mật). Tin mật được nhúng vào trong môi trường chứa thông tin nhờ một bộ nhúng thông tin. Trong quá trình nhúng tin, thuật toán có thể sử dụng hệ thống khóa làm tăng tính an toàn cho hệ thống. Sau khi nhúng tin mật vào dữ liệu môi trường ta nhận được dữ liệu môi trường có chưa tin. Dữ liệu này được truyền tải trên các môi trường truyền thông khác nhau. Khi nhận được dữ liệu có chưa tin, người nhận thực hiện thuật toán trích tin tương ứng để trích rút tin mật từ dữ liệu môi trường. Trong một số trường hợp, người dùng có thể khôi phục lại dữ liệu môi trường từ dữ liệu chứa tin. Theo [5], thuật toán trích tin có mô hình thực hiện như : Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 7
Hình 1.3 Mô hình trích tin Trong hình 1.3 đã chỉ ra các nhiệm vụ của quá trình giải mã thông tin đã được giấu. Quá trình giải mã này phải được thực hiện thông qua một bộ giải mã tương ứng với bộ nhúng thông tin và kết hợp với khóa để giải mã tin. Khóa để giải mã tin này có thể giống hay khác với khóa đã nhúng tin. Kết quả thu được bao gồm môi trường gốc và thông tin đã được che giấu. Tùy theo các trường hợp cụ thể, thông tin tách được ra có thể phải cần xử lý, kiểm định và so sánh với thông tin đem giấu ban đầu. Thông qua dữ liệu được tách ra từ môi trường chứa thông tin giấu, người ta có thể biết được trong quá trình truyền tải, phân phát dữ liệu có bị xâm phạm, tấn công hay không. Đối với các hệ thống giấu thông tin mật này rất quan tâm đến tính an toàn và bảo mật thông tin của dữ liệu cần giấu. Hệ thống giấu tin mật có độ bảo mật cao nếu có độ phức tạp của các thuật toán thám mã khó có thể thực hiện được trên máy tính. Tuy nhiên, cũng có các hệ thống chỉ quan tâm đến số lượng thông tin có thể được che giấu, hay quan tâm đến sự ảnh hưởng của thông tin mật đến các môi trường chứa dữ liệu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 8
1.2. Một số vấn đề cơ bản về thủy vân 1.2.1. Khái niệm về thủy vân Thuỷ vân (Watermarking) là kỹ thuật nhúng thông tin vào dữ liệu môi trường (đa phương tiện) như: tệp ảnh, tệp video, tệp âm thanh… nhằm bảo vệ dữ liệu đa phương tiện trong quá trình trao đổi không an toàn. Thông tin nhúng (dấu thủy vân) được dùng để xác định tính toàn vẹn, phát hiện vị trí bị thay đổi hoặc chứng minh quyền tác giả đối với dữ liệu chứa dấu thủy vân. 1.2.2. Phân loại thủy vân Dựa vào mục đích sử dụng, thủy vân số có thể được phân loại như hình sau : Thủy vân Dễ vỡ Bán dễ vỡ Bền vững Hình 1.4. Phân loại thủy vân theo mục đích ứng dụng Đối với các lược đồ thủy vân dễ vỡ (Fragile), dấu thủy vân sẽ bị thay đổi trước sự biến đổi của dữ liệu đã thủy vân dù chỉ vài bít. Vì vậy, thủy vân dễ vỡ thường được ứng dụng trong bài toán xác thực tính toàn vẹn của dữ liệu thủy vân. Trong một số trường hợp, thủy vân dễ vỡ có thể khoanh vùng được dữ liệu thay đổi. Trái với thủy vân dễ vỡ, thủy vân bền vững (Robust) yêu cầu dấu thủy vân phải tồn tại trước sự tấn công vô tình hay có chủ định nhằm loại bỏ dấu thủy vân. Theo [10], đối với thủy vân bền vững, dấu thủy vân phải luôn tồn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 9
tại trước mọi sự tấn công trừ khi dữ liệu thủy vân không còn giá trị sử dụng. Một số phép tấn công thường được sử dụng như: nén, cắt, xoay, lọc, làm mờ, cân bằng sáng…Do dấu thủy vân bền vững (tồn tại) trước các sự tấn công nên nhóm các lược đồ này thường được sử dụng trong bài toán bảo vệ bản quyền hay xác định chủ sở hữu. Theo [10], ngoài thủy vân dễ vỡ và thủy vân bền vững, các lược đồ thủy vân có khả năng bền vững trước các phép tấn công nén, nhiễu, print, cân bằng sáng nhưng lại dễ vỡ với các phép tấn công copy/paste, co dãn thì được gọi là thủy vân bán dễ vỡ. Một cách tổng quát, dấu thủy vân của lược đồ thủy vân bán dễ vỡ cần phải dễ thay đổi trước các phép tấn công nhằm thay đổi nội dung hay ý nghĩa của dữ liệu nhưng lại bền vững trước sự thay đổi định dạng dữ liệu hoặc các lỗi đường truyền. Các lược đồ thủy vân bán dễ vỡ thường sử dụng trong bài toán phát hiện sự giả mạo nội dung, xuyên tạc thông tin. 1.2.3. Các ứng dụng của thuỷ vân với ảnh số Các ứng dụng của thuỷ vân đối với ảnh số bao gồm các lĩnh vực như bảo vệ bản quyền, xác thực ảnh và bảo toàn dữ liệu, giấu dữ liệu và gán nhãn ảnh, ta sẽ lần lượt đề cập từng ứng dụng. a) Bảo vệ bản quyền Mục đích của thuỷ vân với bảo vệ bản quyền là gắn một “dấu hiệu” vào dữ liệu ảnh mà có thể xác định được người nắm giữ bản quyền. Và ta cũng có thể gắn thêm một dấu hiệu khác gọi là vân tay để xác định người dùng của sản phẩm. Dấu hiệu có thể là một dãy số như mã hàng hoá quốc tế, một message hoặc một logo… Thuật ngữ thuỷ vân xuất phát từ phương thức đánh dấu giấy tờ với một logo từ thời xa xưa với mục đích tương tự. b) Xác thực ảnh và bảo toàn dữ liệu Một ứng dụng khác của thuỷ vân là xác thực ảnh và phát hiện giả mạo. Ảnh số ngày càng được sử dụng như các bằng chứng trước pháp luật ngày Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 10
nay. Vấn đề là cần xác thực được tính hợp pháp của ảnh này. Thuỷ vân được sử dụng ở đây để xác định xem ảnh là nguyên bản hay đã chịu tác động của con người, bằng các ứng dụng xử lý ảnh. Thuỷ vân được dấu lúc đầu phải mang tính chất không bền vững, để bất kỳ sự thay đổi nhỏ nào tới ảnh cũng có thể làm hỏng thuỷ vân hoặc phát hiện được thay đổi đối với thuỷ vân này. Tuy vậy, thuỷ vân vẫn phải tồn tại với các phép biến đổi ảnh thông thường như chuyển đổi định dạng, lấy mẫu, nén… c) Giấu dữ liệu và gán nhãn ảnh Giấu dữ liệu là nhằm trao đổi dữ liệu bí mật thông qua một bức ảnh. Điều này cho phép trao đổi thông tin mà không gây chú ý đối với người ngoài. Khối lượng dữ liệu dấu được là quan trọng nhất đối với mục đích này. Còn gán nhãn ảnh là ứng dụng dùng để cung cấp thêm thông tin cho người dùng hoặc để phục hồi ảnh từ cơ sở dữ liệu. 1.2.4. Một số tính chất của sơ đồ thủy vân Tuỳ thuộc vào từng loại thuỷ vân số và ứng dụng của nó mà ta có các yêu cầu khác nhau đối với các phương pháp tạo thuỷ vân. Ở đây chỉ đề cập đến yêu cầu đối với thuỷ vân số ẩn. Đối với loại thuỷ vân này, ba yêu cầu sau đây là cơ bản và cần thiết đối với các ứng dụng bảo vệ bản quyền: Tính ẩn: Thứ nhất, thuỷ vân phải ẩn đối với trực giác của con người (imperceptibility hay perceptual tranperancy), tức là con người phải không nhận biết được sự có mặt của thuỷ vân trong ảnh. Điều này cũng có nghĩa là việc dấu thuỷ vân chỉ gây ra sự thay đổi rất nhỏ đối với ảnh, không ảnh hưởng đến chất lượng ảnh. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 11
Tính bền vững: Yêu cầu thứ hai là thuỷ vân phải bền vững (robustness), thuỷ vân phải có khả năng tồn tại cao với các tấn công có chủ đích và không có chủ đích. Các tấn công không có chủ đích đối với ảnh số bao gồm như nén ảnh, lấy mẫu, lọc, chuyển đổi A/D và D/A … còn các tấn công có chủ đích có thể là việc xoá, thay đổi hoặc làm nhiễu thuỷ vân trong ảnh. Để thực hiện được điều này, thuỷ vân phải được dấu trong các vùng quan trọng đối với trực giác (perceptual significant). Phương pháp thuỷ vân số phải đảm bảo sao cho việc không thể lấy lại thuỷ vân tương đương với việc ảnh đã bị biến đổi quá nhiều, không còn giá trị về thương mại. Khả năng mang tin cao: Với yêu cầu này, lượng tin cần thêm vào ảnh phải đủ dùng trong ứng dụng mà không làm thay đổi quá nhiều chất lượng ảnh. Tuy vậy, việc làm tốt cả ba yêu cầu trên là một điều rất khó. Để dấu thuỷ vân trong ảnh thì ta bắt buộc phải thay đổi dữ liệu ảnh. Ta có thể tăng tính bền vững cho thuỷ vân bằng cách tăng lượng thay đổi ảnh cho mỗi đơn vị tin cần dấu. Nhưng, nếu thay đổi quá nhiều thì tính ẩn không còn được đảm bảo nữa. Còn nếu thay đổi ảnh quá ít thì các yếu tố dùng để xác định thuỷ vân trong ảnh sau các phép tấn công có thể không đủ để xác định thuỷ vân. Nếu thông tin được dấu quá nhiều thì cũng dễ làm thay đổi chất lượng ảnh, và làm giảm tính bền vững. Vì vậy, lượng thay đổi ảnh lớn nhất có thể chấp nhận và tính bền vững là hai nhân tố quyết định cho khối lượng tin được dấu trong ảnh. Còn đối với các ứng dụng để phát hiện giả mạo ảnh gốc thì thuỷ vân nhúng vào phải có tính giòn (fragile) nghĩa là sẽ bị vỡ nếu chịu sự biến đổi mất thông tin. Một cách thực hiện điều này mà vẫn đảm bảo tính ẩn của thuỷ vân là dấu nó vào các phần dữ liệu ít đáng chú ý về mặt trực giác (perceptual insignificant). Đối với ảnh, đó có thể là các bít thấp của các điểm ảnh (LSB). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 12