Tiến Sĩ Kỹ thuật thủy vân và mật mã học trong xác thực, bảo vệ bản quyền dữ liệu đa phương tiện

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015
MỞ ĐẦU 4
CHƯƠNG 1. MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ SỞ . 7
1.1. Khái niệm về giấu tin . 7
1.1.1. Định nghĩa giấu tin . 7
1.1.2. Mô hình giấu tin . 8
1.1.3. Các tính chất của một lược đồ giấu tin 9
1.1.3.1. Khả năng nhúng tin . 9
1.1.3.2. Tính che giấu . 9
1.1.3.3. Tính bảo mật . 10
1.1.4. Một số hướng tiếp cận của phương pháp giấu tin 10
1.2. Một số khái niệm về thủy vân trên dữ liệu đa phương tiện 11
1.2.1. Dữ liệu đa phương tiện . 11
1.2.1.1. Ảnh số . 11
1.2.1.2. Âm thanh . 12
1.2.1.3. Video . 12
1.2.2. Phân loại phương pháp thủy vân 13
1.2.2.1. Thủy vân bền vững 14
1.2.2.2. Thủy vân dễ vỡ 14
1.3. Một số phép biến đổi dữ liệu . 15
1.3.1. Phép biến đổi cosine rời rạc . 15
1.3.1.1. Phép biến đổi cosine rời rạc một chiều . 15
1.3.1.2. Phép biến đổi cosine rời rạc hai chiều 16
1.3.2. Phép biến đổi wavelet rời rạc . 17
1.4. Một số khái niệm trong mật mã 18
1.4.1. Số nguyên tố và thuật toán kiểm tra số nguyên tố . 19
1.4.2. Ký hiệu Legendre . 21 1.4.3. Ký hiệu Jacobi 21
1.4.4. Định lý đồng dư Trung Hoa . 21
1.4.5. Hệ mật mã Rabin 22
1.5. Một số phép toán trên ma trận nguyên 23
1.6. Kết luận chương 1 . 24
CHƯƠNG 2. GIẤU TIN VÀ HỆ MẬT MÃ RABIN CẢI TIẾN . 25
2.1. Bảo mật dữ liệu bằng sự kết hợp giữa giấu tin và mật mã . 25
2.2. Một số kết quả gần đây về các sơ đồ Rabin cải tiến 26
2.2.1. Sơ đồ Shimada . 26
2.2.1.1. Thuật toán mã hóa . 26
2.2.1.2. Thuật toán giải mã . 27
2.2.2. Sơ đồ Chen-Tsu 28
2.3. Đề xuất một sơ đồ Rabin mới 28
2.3.1. Phương trình Rabin 29
2.3.2. Thuật toán mã hóa 31
2.3.3. Thuật toán giải mã 31
2.3.4. Xét ví dụ minh họa sơ đồ Rabin đề xuất 32
2.3.5. Chứng minh tính đúng đắn của sơ đồ Rabin đề xuất . 34
2.3.6. Phân tích các sơ đồ cải tiến hệ mật mã Rabin 34
2.3.6.1. Độ phức tạp tính toán 35
2.3.6.2. Phạm vi ứng dụng . 36
2.3.6.3. Thực nghiệm . 36
2.4. Giấu tin trên ảnh nhị phân 37
2.4.1. Lược đồ giấu tin TCP . 38
2.4.1.1. Thuật toán nhúng tin . 38
2.4.1.2. Thuật toán trích tin 39
2.4.2. Lược đồ giấu tin CTL . 39
2.4.2.1. Thuật toán nhúng tin . 40
2.4.2.2. Thuật toán trích tin 40
2.4.2.3. Chính xác hóa lược đồ CTL 41
2.5. Đề xuất một lược đồ giấu tin mới trên ảnh nhị phân 42
2.5.1. Thuật toán nhúng dãy bít trên một khối điểm ảnh . 42
2.5.2. Thuật toán trích dãy bít trên một khối điểm ảnh 43
2.5.3. Chứng minh tính đúng đắn của thuật toán nhúng dãy bít trên một khối
điểm ảnh 44
2.5.4. Lược đồ giấu tin trên ảnh nhị phân 45
2.5.5. Phân tích tính bảo mật của các lược đồ giấu tin trên ảnh nhị phân . 46
2.5.6. So sánh chất lượng ảnh của các lược đồ giấu tin trên ảnh nhị phân 47
2.6. Đề xuất một lược đồ giấu tin mới trên ảnh chỉ số màu . 48
2.6.1. Thuật toán nhúng tin 50
2.6.2. Thuật toán trích tin . 51
2.6.3. Chứng minh tính đúng đắn của lược đồ đề xuất 52
2.6.4. So sánh chất lượng ảnh chứa tin của các lược đồ trên ảnh chỉ số màu 53
2.7. Kết luận chương 2 . 54
CHƯƠNG 3. THỦY VÂN THUẬN NGHỊCH 56
3.1. Sơ lược về thủy vân thuận nghịch . 56
3.2. Một số kết quả gần đây về thủy vân thuận nghịch trên ảnh JPEG . 57
3.2.1. Qui trình nén ảnh JPEG . 57
3.2.2. Lược đồ nhúng tin thuận nghịch CLTT . 60
3.2.2.1. Thuật toán nhúng tin . 60
3.2.2.2. Thuật toán trích tin 62
3.2.2.3. Thuật toán khôi phục ảnh gốc . 62
3.2.3. Lược đồ nhúng tin thuận nghịch LS 64
3.3. Đề xuất lược đồ thủy vân thuận nghịch mới trên ảnh JPEG . 64
3.3.1. Thuật toán nhúng dấu thủy vân 64
3.3.2. Thuật toán trích dấu thủy vân và khôi phục ảnh gốc . 65
3.3.3. Phân tích khả năng nhúng tin và chất lượng ảnh thủy vân 67
3.3.3.1. Phân tích khả năng nhúng tin 68
3.3.3.2. Phân tích sự thay đổi của khối DCT lượng tử . 68
3.3.3.3. Phân tích chất lượng ảnh . 69
3.3.3.4. Thực nghiệm . 70
3.4. Một số kết quả gần đây về thủy vân thuận nghịch dựa trên phép biến
đổi mở rộng hiệu đối với véc tơ điểm ảnh . 73
3.4.1. Lược đồ Alattar 74
3.4.2. Lược đồ Mohammad 75
3.4.3. Lược đồ Lee . 76
3.4.3.1. Thuật toán nhúng tin trên véc tơ U 76
3.4.3.2. Thuật toán khôi phục . 77
3.4.4. Lược đồ Khodaei 78
3.5. Đề xuất một lược đồ thủy vân thuận nghịch mới sử dụng phép biến đổi
mở rộng hiệu trên véc tơ điểm ảnh 79
3.5.1. Thuật toán nhúng tin và khôi phục véc tơ điểm ảnh bằng phương pháp
mở rộng hiệu . 79
3.5.1.1. Thuật toán nhúng tin . 79
3.5.1.2. Thuật toán khôi phục . 80
3.5.1.3. Tính đúng đắn của thuật toán 80
3.5.2. Thuật toán nhúng tin và khôi phục bằng cách chèn bít thấp 80
3.5.2.1. Thuật toán nhúng tin . 81
3.5.2.2. Thuật toán khôi phục . 81
3.5.3. Thuật toán thủy vân trên ảnh 82
3.5.4. Thuật toán trích dấu thủy vân và khôi phục ảnh gốc . 84
3.5.5. So sánh khả năng nhúng tin và chất lượng ảnh của các lược đồ sử dụng
phép biến đổi mở rộng hiệu 85
3.5.5.1. Khả năng nhúng tin . 85
3.5.5.2. So sánh chất lượng ảnh . 86
3.6. Đề xuất mô hình thủy vân thuận nghịch dễ vỡ khóa công khai dùng
trong xác thực tính toàn vẹn của ảnh số 86
3.6.1. Mô hình nhúng dấu thủy vân . 87
3.6.2. Mô hình xác thực tính toàn vẹn . 87
3.7. Đề xuất mô hình bảo mật và xác thực dữ liệu trên đường truyền . 88
3.7.1. Mô hình nhúng tin mật và dấu thủy vân 89
3.7.2. Mô hình xác thực và trích tin mật 90
3.8. Kết luận chương 3 . 90
CHƯƠNG 4. THỦY VÂN BỀN VỮNG KHÓA CÔNG KHAI SỬ DỤNG
KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 92
4.1. Khái quát về thủy vân bền vững . 92
4.2. Một số kết quả gần đây về thủy vân bền vững sử dụng kỹ thuật trải phổ
trên miền cosine rời rạc 93
4.2.1. Lược đồ thủy vân bền vững khóa bí mật Cox 94
4.2.2. Lược đồ thủy vân bền vững khóa bí mật Barni . 95
4.2.3. Lược đồ thủy vân bền vững khóa công khai Munir . 96
4.3. Đề xuất lược đồ thủy vân bền vững khóa công khai bằng phương pháp
trải phổ trên miền cosine rời rạc 96
4.3.1. Phân tích tính bền vững của lược đồ Munir . 96
4.3.2. Phương pháp xây dựng khóa bí mật . 97
4.3.3. Thuật toán thủy vân 98
4.3.4. Thuật toán kiểm tra dấu thủy vân . 99
4.3.5. Đánh giá tính bền vững của các lược đồ thủy vân trên miền DCT 99
4.3.5.1. Độ đo tính bền vững 100
4.3.5.2. So sánh tính bền vững của lược đồ Munir và New2 . 101
4.3.5.3. Đánh giá tính bền vững của lược đồ đề xuất theo tham số m . 104
4.3.5.4. So sánh tính bền vững thông qua thực nghiệm . 104
4.4. Đề xuất lược đồ thủy vân bền vững khóa công khai bằng phương pháp
trải phổ trên miền wavelet rời rạc . 106
4.4.1. Thuật toán thủy vân 107
4.4.2. Thuật toán kiểm tra dấu thủy vân . 107
4.5. Kết luận chương 4 . 108
KẾT LUẬN 109
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 111



DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 117
MỞ ĐẦU
Trong những năm đầu của thế kỷ 21, với sự phát triển của mạng Internet đã giúp
cho quá trình phân phối các sản phẩm đa phương tiện (văn bản, ảnh, âm thanh,
video) giữa những nhà cung cấp với người dùng trở nên dễ dàng, nhanh chóng. Bên
cạnh đó, vấn nạn xuyên tạc thông tin, vi phạm bản quyền trên những sản phẩm đa
phương tiện cũng ngày một gia tăng. Do vậy, nhu cầu bảo mật, xác thực tính toàn
vẹn, bảo vệ quyền tác giả đối với sản phẩm đa phương tiện trên môi trường trao đổi
công khai ngày càng cấp thiết và đòi hỏi sự an toàn cao hơn.
Một trong những phương pháp hữu hiệu trong lĩnh vực an toàn thông tin là mật
mã học. Theo đó, người gửi sẽ biến đổi dữ liệu gốc (bản rõ) thành dữ liệu mã (bản
mã) dựa trên một sơ đồ mật mã nào đó đã được thỏa thuận giữa người gửi và người
nhận. Khi có bản mã, người nhận sử dụng khóa và thuật toán giải mã tương ứng để
khôi phục lại dữ liệu gốc. Do đó, phương pháp này phù hợp với bài toán bảo mật dữ
liệu trên đường truyền công khai, nhưng lại tỏ ra có hạn chế trong việc kiểm soát
nội dung sau khi giải mã. Bởi sau khi giải mã, người dùng có thể sử dụng các
chương trình, thiết bị để chỉnh sửa, làm nhái sản phẩm gốc và tái phân phối. Vì vậy,
có thể nói phương pháp mật mã không an toàn đối với dữ liệu sau khi giải mã.
Ngoài ra, việc trao đổi bản mã trên môi trường công khai cũng gây ra sự chú ý với
các đối thủ, những người muốn biết ý nghĩa bản mã một cách bất hợp pháp.
Bên cạnh phương pháp mật mã, gần đây trong lĩnh vực an toàn thông tin xuất
hiện một hướng nghiên cứu mới đó là giấu tin (information hiding hay data hiding).
Giấu tin là phương pháp nhúng thêm một lượng thông tin (dữ liệu nhúng) vào dữ
liệu đa phương tiện (sản phẩm đa phương tiện), để tránh sự theo dõi của đối thủ,
hoặc dùng để xác định tính chân thực hoặc bảo vệ quyền tác giả đối với các sản
phẩm đa phương tiện chứa tin. Theo [31], giấu tin có thể được chia thành hai nhóm
là giấu tin mật (steganography) và thủy vân số (digital watermarking).
Đối với giấu tin mật, dữ liệu nhúng là những thông điệp mật cần trao đổi giữa
người gửi và người nhận. Việc nhúng thông tin mật vào những dữ liệu được truyền
tải phổ biến trên Internet nhằm ngụy trang cho sự tồn tại của tin mật trước các đối
thủ. Trái với giấu tin mật, dữ liệu nhúng trong các lược đồ thủy vân số (thủy vân)
dùng để bảo vệ dữ liệu chứa tin. Việc nhúng thêm thông tin (dấu thủy vân) vào các sản phẩm đa phương tiện có thể làm giảm chất lượng sản phẩm nhưng nó là dấu vết
để phát hiện sự thay đổi trái phép, hoặc chứng minh quyền sở hữu các sản phẩm
chứa dấu thủy vân.
Theo [65], các lược đồ thủy vân có thể được chia thành thủy vân dễ vỡ (fragile
watermarking) [28,43,48,55,57,61,63,65] và thủy vân bền vững (robust
watermarking) [22,25,30,34,37,53,62]. Đối với thủy vân dễ vỡ, dấu thủy vân cần
phải nhạy cảm (dễ vỡ) trước sự thay đổi trái phép trên dữ liệu chứa dấu thủy vân.
Do đó, các lược đồ thủy vân dễ vỡ thường được ứng dụng trong bài toán xác định
tính chân thực (tính toàn vẹn) của dữ liệu chứa dấu thủy vân. Trái với thủy vân dễ
vỡ, thủy vân bền vững yêu cầu dấu thủy vân phải tồn tại (bền vững) trước sự tấn
công nhằm loại bỏ dấu thủy vân. Vì vậy, thủy vân bền vững được dùng trong việc
chứng minh quyền sở hữu hay bảo vệ quyền tác giả (bảo vệ bản quyền).
Theo [9,41,50], nhiều ứng dụng trong y tế, quân sự và nghệ thuật, ngoài việc xác
định tính chân thực của ảnh chứa dấu thủy vân, thì việc khôi phục lại ảnh gốc từ ảnh
chứa dấu thủy vân là yêu cầu bắt buộc. Các lược đồ thủy vân có khả năng như vậy
được gọi là thủy vân thuận nghịch (reversible). Đây là một trong những hướng
nghiên cứu mới của lĩnh vực giấu tin nói chung và thủy vân nói riêng.
Để đảm bảo sự an toàn, dữ liệu nhúng có thể được mã hóa trước khi giấu vào các
sản phẩm đa phương tiện và được giải mã ở phía người trích tin. Ngoài việc được sử
dụng để mã hóa thông tin nhúng, các hệ mật mã khóa công khai còn được dùng để
trao đổi khóa bí mật của lược đồ giấu tin, hoặc kết hợp với lược đồ giấu tin để xây
dựng lược đồ thủy vân khóa công khai [65]. Đây là hướng nghiên cứu có nhiều tiềm
năng ứng dụng và đang nhận được sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu.
Chính vì vậy, tác giả chọn đề tài “Kỹ thuật thủy vân và mật mã học trong xác
thực, bảo vệ bản quyền dữ liệu đa phương tiện” để thực hiện luận án Tiến sĩ của
mình. Mục đích chính của luận án là đề xuất một số lược đồ thủy vân ứng dụng
trong xác thực tính toàn vẹn và bảo vệ quyền tác giả đối với các sản phẩm đa
phương tiện nói chung và sản phẩm ảnh số nói riêng.