BÁO CÁO KĨ THUẬT GIẤU TIN ĐỀ TÀI: KĨ THUẬT GIẤU TIN TRONG HÌNH ẢNH DỰA TRÊN ÁNH XẠ LOGISTIC SỬ DỤNG XÁC ĐỊNH VIỀN

HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ KHOA AN TỒN THƠNG TIN BÁO CÁO KĨ THUẬT GIẤU TIN ĐỀ TÀI: KĨ THUẬT GIẤU TIN TRONG HÌNH ẢNH DỰA TRÊN ÁNH XẠ LOGISTIC SỬ DỤNG XÁC ĐỊNH VIỀN Hà Nội, 2022 HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ KHOA AN TỒN THƠNG TIN BÁO CÁO KĨ THUẬT GIẤU TIN ĐỀ TÀI: KĨ THUẬT GIẤU TIN TRONG HÌNH ẢNH DỰA TRÊN ÁNH XẠ LOGISTIC SỬ DỤNG XÁC ĐỊNH VIỀN Sinh viên thực hiện: Dương Quốc Tuấn - AT150359 Nguyễn Thị Linh - AT150331 Hoàng Thị Thuý - AT150354 Lê Gia Long - AT150332 Phan Trọng Khiêm - AT150329 Giảng viên hướng dẫn: Giảng viên: Hồng Thu Phương Khoa an tồn thơng tin – Học viện kỹ thuật Mật Mã Hà Nội, 2022 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT PSNR Peak signal-to-noise ratio NCC Normalized cross-correlation SSIM Structural similarity index NPCR Number of changes per rate UACI Unified average changed intensity bpp bits per pixel DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng Trang Bảng So sánh NAE SSIM với phương pháp trình bày 11 Bảng Bảng so sánh giá trị PSNR NCC 11 Bảng Bảng so sánh giá trị UACI, NPCR entropy 11 TĨM LƯỢC Truyền tải liệu thơng qua mạng máy tính khơng an tồn thách thức nhà nghiên cứu thời đại mà công nghệ không ngừng phát triển Trong nghiên cứu này, khung bảo mật hai lớp dựa mật mã học kỹ thuật giấu tin phát triển thử nghiệm Các ánh xạ logistic sử dụng để mã hóa liệu trước nhúng liệu vào hình ảnh Dữ liệu mã hóa giấu vào khu vực viền hình ảnh để đảm bảo liệu che giấu tốt hơn, khó nhận biết Lược đồ đánh giá dựa nhiều tham số PSNR, NCC, SSIM Hơn nữa, độ mạnh thuật toán mật mã dựa ánh xạ logistic sử dụng NPCR, UACI entropy tính tốn Phương pháp cho thấy giá trị trung bình PSNR 44.61 dB cho payload khoảng 1.72 bits per pixel (bpp) Hơn nữa, giá trị NPCR đạt khoảng 100%, giá trị UACI 36.72, giá trị entropy 7.96 kỹ thuật có khả cung cấp đủ độ bảo mật cho liệu truyền KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG HÌNH ẢNH DỰA TRÊN ÁNH XẠ LOGISTIC SỬ DỤNG XÁC ĐỊNH VIỀN GIỚI THIỆU Sự đổi phát triển hệ thống thông tin liên lạc đem lại nhiều lợi ích cho việc tương tác cá nhân Sự phát triển kĩ thuật hệ thống thông tin liên lạc tạo điều kiện tốt cho việc tận dụng thiết bị điện tử, điện thoại máy tính bảng mà không cần phải quan tâm đến thời gian địa điểm Trong sống ngày, mà công nghệ liên tục đổi phát triển, bảo mật thông tin số truyền tải thông qua mạng máy tính trở thành vấn đề lớn Khía cạnh bảo mật thơng tin để ngăn chặn việc chép trái phép, hay thay đổi thơng tin Vì vậy, việc sử dụng biện pháp phòng ngừa để đảm bảo truyền tải liệu bí mật điều cần thiết Một số kĩ thuật mật mã học, kỹ thuật giấu tin thủy vân số sử dụng để đem lại bảo mật cho thông tin Các kĩ thuật dựa bốn đặc điểm payload, tính tồn vẹn, tính bảo mật khả ứng phó với lỗi Mã hóa q trình chuyển rõ thành mật mà gửi qua mạng máy tính khơng an tồn Chỉ mã hóa khơng đủ để đảm bảo an tồn trước cơng kẻ có ý đồ xấu Vì cung cấp thêm độ bảo mật cho liệu truyền mạng máy tính điều cần thiết Kỹ thuật giấu tin phương án tốt để tăng cường độ bảo mật cho thơng tin mục đích việc giấu tin để che giấu tồn thơng tin Cả mã hóa giấu tin kết hợp với cung cấp hai lớp bảo mật tới thông tin bí mật mà truyền mạng Internet Phương pháp LSB kỹ thuật giấu tin Hầu hết ba LSB bit sử dụng trình nhúng Sử dụng nhiều bit gây việc giảm chất lượng hình ảnh thay đổi vùng “mịn” nhận biết dễ dàng mắt người Nhúng vào vùng viền cách sử dụng kĩ thuật phát vùng viền lựa chọn tốt cho việc tăng dung lượng nhúng đồng thời khiến hình ảnh có chất lượng tốt Có nhiều kĩ thuật phát viền Robert, Sobel, Prewitt Canny Trong số kĩ thuật trên, Canny coi kĩ thuật tốt để phát vùng viền Trong kĩ thuật đề xuất, thông tin bí mật nhúng vào khu vực viền cách sử dụng kĩ thuật phát viền Canny để giảm thiểu thay đổi hình ảnh, tăng dung lượng nhúng để trì chất lượng hình ảnh Ngày nay, payload lớn với độ bảo mật thuật toán gây ý nhà nghiên cứu Để đáp ứng nhu cầu bảo mật, có nhiều nghiên cứu công bố kết hợp mật mã kỹ thuật giấu tin dựa vào phát viền, liệu giấu ảnh khơng thể an tồn đến mức chịu cơng tính thực tế hình ảnh dẫn đến việc nhận dạng liệu mã hóa Việc áp dụng kĩ thuật mã hóa tiêu chuẩn cho liệu tảng số khơng an tồn Vì vậy, mã hóa sử dụng phương pháp tiêu chuẩn DES, AES, RSA yêu cầu lượng lớn thời gian cho việc mã hóa khơng đem lại hiệu Một vấn đề giới hạn độ dài khóa chúng Do liệu hình ảnh lớn, việc sử dụng khóa có độ dài định sẵn khiến khả bị công tăng cao Hơn nữa, luồng thơng tin hình ảnh dẫn tới việc thơng số kỹ thuật hình ảnh làm cho phương pháp trở nên tin cậy cho việc mã hóa hình ảnh Trong nghiên cứu tại, nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp mã hóa thuyết hỗn loạn để khắc phục vấn đề thuật tốn mã hóa tiêu chuẩn Hỗn loạn làm cho hệ thống trở nên an tồn bời thuộc tính nhạy cảm với điều kiện ban đầu tham số điều khiển Ánh xạ logistic kĩ thuật đơn giản cho việc khởi tạo chuỗi ngẫu nhiên Đồ thị ánh xạ dựa hai điều kiện ban đầu r x mà dao động từ 3.57 đến đến n số lượt lặp lại dao động từ đến x-1 Công thức cho đồ thị ánh xạ logistic nêu sau đây: xn+1 = r ∗ x ∗ (1 − xn) Kỹ thuật giấu tin dựa ánh xạ logistic đề xuất để nâng cao bảo mật cho việc mã hóa liệu Trong kĩ thuật này, việc lựa chọn LSB PVD sử dụng cho việc nhúng liệu bí mật vào ảnh mà phụ thuộc vào khóa bí mật Lược đồ có khả nâng cao độ bảo mật với hành vi ngẫu nhiên ánh xạ logistic Tuy nhiên, đánh đổi chất lượng hình ảnh payload khơng thể trì trạng thái tối ưu Hơn nữa, hệ thống kiểm tra ảnh đen trắng Một nghiên cứu khác dựa ánh xạ logistic đề xuất mà thuật tốn AES sử dụng để mã hóa hình ảnh bí mật 1D lược đồ ánh xạ logistic sử dụng để che giấu thơng điệp bí mật ảnh Hệ thống cung cấp độ bảo mật tốt có nhược điểm chưa cung cấp dung lượng nhúng lớn Một nghiên cứu khác lược đồ thủy vân số dựa ánh xạ logistic đề xuất để làm hệ thống an toàn trước công Trong kĩ thuật này, DC sửa đổi hệ số khối khác miền không gian thực để nhúng bit thủy vân số lược độ ánh xạ logistics sử dụng để cải thiện bảo mật Phương pháp có khả nâng cao độ bảo mật chưa thể nâng cao dung lượng Một kỹ thuật mã hóa hình ảnh dựa ánh xạ logistic đề xuất đảm bảo an tồn q trình vận chuyển Mặc dù, kỹ thuật nâng cao độ bảo mật so với kĩ thuật mã hóa khác lược đồ không giá trị giúp việc bảo mật tốt Trong nghiên cứu này, hai lược đồ ánh xạ logistic kỹ thuật giấu tin dựa phát viền đề xuất Lược đồ ánh xạ logistic sử dụng để nâng cao bảo mật cho hệ thống kĩ thuật phát viền sử dụng để nâng cao dung lượng thơng điệp bí mật THUẬT TOÁN ĐỀ XUẤT Trong phương pháp đề xuất, hai kỹ thuật mã hóa giấu tin kết hợp để làm ảnh nhúng an toàn để gửi Ở phía người nhận, tồn thơng điệp mã hóa trích xuất từ ảnh nhúng tất thông điệp bị xáo trộn giải mã Q trình mã hóa, nhúng, trích xuất giải mã miêu tả hình Trong kĩ thuật này, thực nhúng hình ảnh bí mật có kích thước 256 x 256 vào hình ảnh có màu với kích cỡ 512 x 512 Kỹ thuật Canny sử dụng để tìm viền tơng màu xanh nước biển (Blue) tông màu xanh lục(Green) Phương pháp đảm bảo an tồn cho thơng tin bí mật cách nhúng hình ảnh bí mật vào hình ảnh kỹ thuật số 2.1 Q trình mã hóa nhúng i Lấy hình ảnh gốc hình ảnh bí mật sau chia chúng thành ba tơng màu: đỏ (R), lục (G), lam (B) ii Đặt giá trị khởi tạo tạo chuỗi ngẫu nhiên với ánh xạ logistic với kích cỡ tơng màu hình ảnh bí mật iii Mã hóa tơng màu hình ảnh bí mật cách sử dụng tốn tử XOR với bit chuỗi tạo lấy từ bước ii Lặp lại bước cho tơng hình ảnh bí mật iv Thực kĩ thuật phát Canny tông màu lục (G) lam (B) hình ảnh gốc để phát điểm ảnh viền viền Kỹ thuật tạo liệu nhị phân cho hai tông màu với ‘0’ ‘1’ đại diện cho điểm ảnh khơng phải viền điểm ảnh viền v Tính tốn số lượng điểm ảnh viền điểm ảnh viển để ước lượng cho payload dùng kĩ thuật che giấu (k, n), ‘k’ đại diện cho điểm ảnh viền ‘n’ đại diện cho điểm ảnh viền vi Sử dụng hai bit LSB tông màu đỏ (R) để lưu trạng thái lục (G) lam (B) để nhúng thơng tin vii Nhúng hình ảnh mã hóa vào tơng màu lục (G) lam (B) với lược đồ giấu (k, n) Ở giá trị n = Lặp lại bước ‘vi’ ‘vii’ đến tồn điểm ảnh hình ảnh mã hóa nhúng vào ảnh gốc tạo ảnh nhúng Hình Biểu đồ khối kĩ thuật đề xuất 2.2 Q trình trích xuất giải mã i Lấy ảnh mã hóa phân tách tơng màu đỏ (R), lục(G), lam(B) ii Trích xuất bit thông điệp từ tông màu lục lam cách kiểm tra trạng thái hai bit tông màu đỏ Lặp lại bước đến bit thơng điệp trích xuất hình ảnh giải mã hình thành iii Tính tốn tơng màu (R), lục(G), lam(B) hình ảnh mã hóa iv Giải mã tơng màu cách sử dụng toán tử XOR với bit chuỗi tạo với giá trị khởi tạo Lặp lại bước cho tông màu ghép chúng lại để hình thành hình ảnh bí mật 10 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Phân đoạn xử lý kết kỹ thuật đề sử dụng MATLAB Trong thí nghiệm, sử dụng ảnh màu bìa kích cỡ 512x512 ảnh màu bí mật có kích cỡ 256x256 Ảnh bìa ảnh stego so sánh để xác định payload, tính bí mật chất lượng ảnh cách tính sai số bình phương trung bình (MSE), PSNR, NCC, sai số trung bình tuyệt đối (NAE), SSIM, NPCR, UACI entropy Bảng so sánh dùng kỹ thuật nêu thể bảng 1, 11 Phương Parah et al [4] Proposed thức NAE SSIM NAE SSIM Lena 0.0140 0.9558 0.0053 0.9992 Plane 0.0006 0.9529 0.0038 0.9909 Baboon 0.0136 0.9818 0.0055 0.9986 Bảng So sánh NAE SSIM với phương pháp trình bày Ảnh (ở payload) Lena Plane Baboo n Singh et al [5] (0.032 bpp) Patil et al [10] (1 bpp) Parah et al [4] (1 bpp) Parah et al [11] (1.5 bpp) Prasad et al [9] (2.27 bpp) Proposed (1.72 bpp) PSNR 40.74 – – NCC 0.9253 – – PSNR 13.14 – – NCC – – – PSNR 39.17 39.13 39.09 NCC 1.0000 1.0000 1.0000 PSNR 45.40 NCC 1.0000 1.0000 1.0000 PSNR 39.56 39.12 37.38 NCC – – – PSNR 44.95 44.98 43.91 NCC 0.9963 0.9978 0.9976 45.37 45.41 Bảng Bảng so sánh giá trị PSNR NCC Kỹ thuật Entropy UACI NPCR Nidhi et al [12] 6.48 33.31 98.85 Parah et al [11] 6.53 34.82 99.01 12 Proposed 7.96 36.72 100 Bảng Bảng so sánh giá trị UACI, NPCR entropy 3.1 Sai số bình phương trung bình - Mean Square Error (MSE) Đây giá trị bình phương chênh lệch ảnh gốc ảnh stego Cơng thức tính tốn sau: (2) Với giá trị pixel ảnh gốc ảnh stego Và N biểu thị chiều ảnh 3.2 Tỉ số tín hiệu cực đại nhiễu - Peak Signal-to-Noise Ratio (PSNR) Đây đại lượng sử dụng kỹ thuật kiểm tra giúp xác định khả che giấu rõ ràng PSNR tính sau: (3) Với MSE sai số bình phương trung bình 3.3 Chuẩn hố qua tương quan - Normalized Cross-Correlation (NCC) Chuẩn hố qua tương quan tính tốn tỉ lệ ảnh bìa bit ảnh stego Cơng thức tính tốn sau: (4) Với bit thông điệp nhúng chiết xuất 3.4 Sai số trung bình tuyệt đối - Normalized Absolute Error (NAE) Đại lượng dùng để tính tốn sai số ảnh bìa ảnh stego Cơng thức tính tốn sau: (5) Với bit thông điệp nhúng chiết xuất 13 3.5 Chỉ số tương đồng cấu trúc - Structural Similarity Index Measurement (SSIM) Chỉ số tương đồng cấu trúc kiểm tra giống ảnh gốc ảnh thay đổi Thang đo SSIM chạy từ tới 1, với thể giống 100% thể hai ảnh khác hồn tồn Vì vậy, ảnh dùng để giấu phải có số SSIM cao Cơng thức tính SSIM sau: (6) Với cường độ trung bình, độ lệch chuẩn phương sai chéo hai ảnh x y 3.6 Số thay đổi tỉ số - Number of Changes Per Rate (NPCR) Kiểm tra NPCR thực để đánh giá mức độ thay đổi ảnh điều chỉnh pixel ảnh gốc Nó độ nhảy cảm ảnh mã hóa so với ảnh gốc giá trị ban đầu/khóa bí mật Để kiểm tra NPCR, tính sau: (7) Với M N chiều ảnh D số đầu vào khác nhau, ảnh ảnh mã hóa (8) 3.7 Cường độ thay đổi trung bình đồng - Unified Average Changed Intensity (UACI) Chỉ số UACI đánh giá cường độ trung bình chênh lệch ảnh gốc ảnh mã hóa Cơng thức UACI là: (9) Với ảnh ảnh mã hóa M N chiều ảnh 14 3.8 Entropy Kiểm tra entropy thực để xét tính ngẫu nhiên ảnh mã hóa Cơng thức tính entropy Shannon viết sau: (10) Với C tập hợp kí tự, , P( mơ tả xác suất, n tổng số kí tự Bảng so sánh đại lượng ảnh gốc ảnh stego tần suất nhúng kỹ thuật biết khoảng 2.27 1.72 bpp thuật toán đề với giá trị PSNR trung bình 44.61 Ta thấy rõ từ bảng phương pháp đề xuất tốt phương pháp PSNR cao hơn, SSIM tốt NAE thấp Do vậy, thay đổi thực ảnh khó kẻ nghe trộm phát hơn, vậy, an tồn cho liên lạc Kết kiểm tra đánh giá an toàn thể bảng Việc phương pháp đề an toàn Nidhi et al [12] Parah et al [11] rõ ràng Phương pháp đề có giá trị NPCR đạt 100% giá trị UACI 36.72 KẾT LUẬN Bài viết giới thiệu kỹ thuật giấu tin dựa ánh xạ logistic kỹ thuật phát cạnh, đó, ảnh bí mật mã hóa sử dụng ánh xạ logistic Các giá trị gốc dùng để mã hóa thơng tin, gia tăng thêm bảo mật Ở phía người nhận, giá trị gốc lại dùng để giải mã ảnh bí mật Ảnh mã hóa hồn tồn, nhúng dùng kỹ thuật giấu tin thông qua kỹ thuật phát cạnh Rất nhiều thử nghiệm chạy với ảnh bìa, ảnh stego, ảnh bí mật ảnh mã hóa Sau kiểm chứng tham số khác nhau, kỹ thuật đề vượt trội chất lượng, an toàn dung lượng TÀI LIỆU THAM KHẢO S Dogan, A reversible data hiding scheme based on graph neighbourhood degree J Exp e3 15 Theoret Artif Intel 29(4), 741–753 (2017) F Ahad, S.A Parah, J.A Sheikh, N.A Loan, G.M Bhat, Information hiding in medical images: a robust medical image watermarking system for E-healthcare Multimed Tools Appl (2015) https://doi.org/10.1007/s11042-015-3127-y C Biswas, U.D Gupta, M.M Haque, A hierarchical key derivative symmetric key algorithm using digital logic, in IEEE International Conference on Electrical, Computer and Communication Engineering (ECCE) 2017 (Cox’s Bazar, Bangladesh, 2017), pp 16–18 S.A Parah, J.A Sheikh, J.A Akhoon, N.A Loan, Electronic health record hiding in images for smart city applications: a computationally efficient and reversible information hiding technique for secure communication Future Gener Comput Syst Elsevier (2018) https:// doi.org/10.1016/j.future.2018.02.023 S Singh, T.J Siddiqui, A security enhanced robust steganography algorithm for data hiding IJCSI 9(1) (2012) K Amanpreet, K Sumeet, Image steganography based on hybrid edge detection and k correction method Int J Eng Innov Technol (IJEIT) 1(2) (2012) M Kumari, S Gupta, P Sardana, A survey of image encryption algorithms 3D Res Springer 8(37) (2017) Z Hua, F Jin, B Xu, H Huang, 2D logistic-sine-coupling map for image encryption Signal Process Elsevier 149, 148–161 (2018) S Prasad, A.K Pal, Logistic map-based image steganography scheme using combined LSB 16 and PVD for security enhancement emerging technologies in data mining and information security Adv Intell Syst Comput 814 Springer https://doi.org/10.1007/978-981-13-15015_17 10 N.C Patil, V.V Patil, Secure data hiding using encrypted secrete image Int J Eng Sci Res Technol 4(10) (2015) http://www.ijesrt.com 11 S.A Parah, N.A Loan, A.A Shah, J.A Sheikh, G.M Sheikh, A new secure and robust watermarking technique based on logistic map and modification of DC coefficient Sci Bus Media B.V Springer (2018) https://doi.org/10.1007/s11071-018-4299-6 12 S Nidhi, A new image encryption method using chirikov and logistic map Int J Comput Appl 59, 2123–2129 (2013) 17 ...HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ KHOA AN TỒN THƠNG TIN BÁO CÁO KĨ THUẬT GIẤU TIN ĐỀ TÀI: KĨ THUẬT GIẤU TIN TRONG HÌNH ẢNH DỰA TRÊN ÁNH XẠ LOGISTIC SỬ DỤNG XÁC ĐỊNH VIỀN Sinh viên thực hiện:... mật tốt Trong nghiên cứu này, hai lược đồ ánh xạ logistic kỹ thuật giấu tin dựa phát viền đề xuất Lược đồ ánh xạ logistic sử dụng để nâng cao bảo mật cho hệ thống kĩ thuật phát viền sử dụng để... kiểm tra ảnh đen trắng Một nghiên cứu khác dựa ánh xạ logistic đề xuất mà thuật tốn AES sử dụng để mã hóa hình ảnh bí mật 1D lược đồ ánh xạ logistic sử dụng để che giấu thơng điệp bí mật ảnh Hệ