luận văn thạc sĩ phân tích và đánh giá hiệu quả của một số thuật toán giấu tin trong ảnh

MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Sự phát triển mạnh mẽ hệ thống đa phương tiện kết nối mạng dẫn đến nhu cầu bảo vệ quyền cho phương tiện liệu số, chẳng hạn ảnh, audio, video clip v.v… Việc bảo vệ quyền bao gồm xác nhận quyền tác giả nhận biết chép bất hợp pháp liệu số Một lĩnh vực nghiên cứu để giải vấn đề thêm cấu trúc ẩn không ẩn vào liệu số cho cấu trúc dùng để chứng thực hay đánh dấu chúng Chúng ta ứng dụng phương pháp giấu tin ảnh để xây dựng ứng dụng thực việc đặt thẻ ảnh, xác nhận quyền, chống giả mạo, điều khiển truy cập Sau nghiên cứu số tài liệu liên quan đến lĩnh vực giấu tin phương tiện media đồng ý, động viên cán hướng dẫn khoa học, chọn đề tài “Phân tích đánh giá hiệu số thuật toán giấu tin ảnh” làm đề tài nghiên cứu cho luận văn cao học Mục tiêu nhiệm vụ Mục tiêu luận văn nghiên cứu hệ thống lý thuyết liên quan đến giấu tin file media, bao gồm ảnh, nhạc, video tập trung chủ yếu cho giấu tin ảnh tĩnh Trên sở nghiên cứu lý thuyết đó, tác giả triển khai cài đặt chương trình ứng dụng giấu tin ảnh tĩnh Đối tượng phạm vi nghiên cứu Các kiểu liệu media khác có định dạng khác Vì xây dựng hệ thống giấu tin liệu media khác địi hỏi phải có thuật tốn khác thơng thường thuật tốn phức tạp Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu giấu tin ảnh tĩnh, cụ thể ảnh bitmap, kiểu định dạng phổ biến máy tính đơn hệ thống mạng máy tính Giả thiết nghiên cứu Trước đưa ảnh số kênh truyền thông công cộng, ảnh số cần nhúng thông tin bảo mật với mục đích bảo vệ giải thích cho ảnh Thơng tin bảo mật tên tác giả, nguồn gốc xuất xứ, mã xác định quyền chép lời giải thích nội dung ảnh Yêu cầu ảnh sau nhúng thông tin mật tránh số công thông thường lọc thông thấp, thông cao, nén mát .Nghĩa phép biến đổi không làm thay đổi thông tin giấu bên ảnh làm thay đổi chất lượng ảnh mà ta dễ dàng nhận mắt thường Phương pháp nghiên cứu Trong luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu tư liệu kết hợp với triển khai thực nghiệm Trên sở nguyên cứu lý thuyết thủy vân thuật toán thủy vân ảnh tiến hành cải tiến thuật tốn cài đặt chương trình thực thủy vân ảnh tĩnh, nhằm mục đích bảo vệ cho ảnh Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Về mặt lý thuyết: Đề tài tiếp cận hướng nghiên cứu lĩnh vực an tồn thơng tin, đặc biệt thơng tin truyền kênh truyền thông công cộng cần bảo vệ quyền chống xuyên tạc Đề tài trình bày hệ thống lý thuyết tương đối hoàn chỉnh giấu tin ảnh, bao gồm phương pháp giấu tin, thuật toán,… Về mặt thực tiễn: Với việc triển khai thực chương trình, đề tài ứng dụng việc bảo vệ quyền phần mềm, chống xuyên tạc thông tin hay giấu thông tin mật ảnh Bố cục luận văn Luận văn phân làm ba chương Chương trình bày tổng quan giấu tin, phân loại kỹ thuật giấu tin tiêu chí đánh giá kỹ thuật giấu tin ảnh số Chương hai trình bày kỹ thuật giấu tin ảnh miền khơng gian phân tích, đánh giá thuật tốn Chương ba trình bày thuật toán giấu tin ảnh miền tần số xây dựng chương trình giấu tin ảnh kỹ thuật thay bit quan trọng (LBS) DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phân loại kỹ thuật giấu tin Hình 2.1 Mơ tả q trình đảo bit để giấu thơng tin khối 17 Hình 2.2 Mơ tả q trình giấu thông tin khối 22 Hình 3.1 Năng lượng phân bố ảnh Lena qua phép biến đổi DCT 34 Hình 3.2 Phân chia miền tần số phép biến đổi DCT 35 Hình 3.3 Cấu trúc hình ảnh phân tích ảnh Lena .37 Hình 3.4 Minh họa trình nhúng thủy vân 39 Hình 3.5 Minh họa trình tách thủy vân 41 Hình 3.6 Minh họa q trình tách thơng điệp 47 Hình 3.7 Lược đồ thuật toán F5 51 Hình 3.8 Minh họa kỹ thuật giấu tin dựa dịch chuyển histogram 56 Hình 3.9 Histogram hệ số IWH băng tần cao ảnh .58 Hình 3.10 Minh hoạ cho kỹ thuật giấu thuật nghịch NSAS 59 Hình 3.11 Các histogram ảnh trước sau giấu tin sử dụng kỹ thuật HKC 62 Hình 3.12 Sơ đồ giấu tin ảnh bitmap (.bmp) 67 Hình 3.13 Sơ đồ lấy tin ảnh Bitmap(.bmp) 69 Hình 3.14 Lưu đồ thuật tốn giải mã thơng tin .69 Hình 3.15 Giao diện giấu đoạn văn vào file ảnh .70 Hình 3.16 Giao diện lấy thông tin từ ảnh .71 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh khác biệt giấu tin mật & thủy vân Bảng 3.1 Mối liên hệ mật độ thay đổi tỉ lệ nhúng .50 Bảng 3.2 Sự phụ thuộc bit thông điệp .51 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 1.1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ GIẤU TIN 1.1.1 Khái niệm mã hóa - Mã hóa trình chuyển thơng tin đọc (gọi rõ) thành thơng tin “khó” đọc theo cách thơng thường (gọi mã) Đó kỹ thuật để bảo mật thông tin - Giải mã q trình chuyển thơng tin ngược lại từ mã thành rõ - Thuật toán mã hóa hay giải mã thủ tục tính tốn để thực mã hóa hay giải mã - Khóa mã hóa giá trị làm cho thuật tốn mã hóa thực theo cách riêng biệt sinh mã riêng Thơng thường khóa lớn mã an toàn Phạm vi giá trị có khóa gọi Khơng gian khóa - Hệ mã hóa tập thuật tốn, khóa nhằm che giấu thơng tin, làm rõ Có thể chia hệ mã hóa thành hai loại hệ mã hóa khóa đối xứng hệ mã hóa khóa bất đối xứng - Hệ mã hóa khóa đối xứng hệ mã hóa mà biết khóa lập mã “dễ” tính khóa giải mã ngược lại Đặc biệt số hệ mã hóa có khóa lập mã khóa giải mã trùng (ke = kd), hệ mã hóa “dịch chuyển” hay DES Hệ mã hóa khóa đối xứng cịn gọi Hệ mã hóa khóa bí mật, hay khóa riêng, phải giữ bí mật khóa Sự mã hóa giải mã hệ thống mã hóa khóa đối xứng biểu thị bởi: Ek: P → C Dk: C → P - Hệ mã hóa khóa phi đối xứng hệ mã hóa có khóa lập mã khóa giải mã khác (ke ≠ kd), biết khóa “khó” tính khóa Hệ mã hóa cịn gọi Hệ mã hóa khóa cơng khai vì: - Khóa lập mã cho cơng khai, gọi khóa cơng khai (Public key) - Khóa giải mã giữ bí mật, cịn gọi khóa riêng (Private key) hay khóa bí mật 1.1.2 Khái niệm giấu tin 1.1.2.1 Khái niệm a/ Môi trường giấu tin (cover multimedia) (hay gọi vật mang tin) đối tượng dùng để giấu tin văn bản, ảnh, audio, video… Giấu tin ảnh: Thông tin giấu vào liệu ảnh chất lượng ảnh thay đổi “khó” biết đằng sau ảnh mang thơng tin có ý nghĩa Trong ảnh thơng tin giấu cách vơ hình Nó cách truyền thơng tin mật cho mà người khác biết Giấu tin audio: Giấu tin audio lại phụ thuộc vào hệ thống thính giác Giấu thơng tin audio địi hỏi u cầu cao tính đồng tính an tồn thơng tin Các phương pháp giấu thông tin audio lợi dụng điểm yếu hệ thống thính giác người Giấu tin video: Cũng giống giấu tin ảnh hay audio, giấu tin video quan tâm phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng điều khiển truy cập thông tin, xác thực thông tin bảo vệ quyền tác giả Ý tưởng phương pháp phân phối thông tin giấu dàn trải theo tần số liệu gốc b/ Dữ liệu giấu (information) lượng thơng tin mang ý nghĩa đó, tùy thuộc vào mục đích người sử dụng c/ Giấu thơng tin nhúng mẩu tin mật vào vật mang tin khác, cho mắt thường “khó” phát mẩu tin mật đó, mặt khác khó nhận biết vật mang tin giấu tin mật 1.1.2.2 So sánh giấu tin mã hóa Giống nhau: mục đích để đối phương “khó” phát tin cần giấu Khác nhau: “Mã hóa” giấu “ý nghĩa” thông tin “Giấu tin” giấu “sự diện” thông tin 1.1.3 Phân loại kỹ thuật giấu tin Có thể chia kỹ thuật giấu tin làm loại lớn thủy vân (watermarking) giấu tin mật (steganography) Information hiding Giấu thông tin Watermarking Thủy vân Steganography Giấu tin mật Intrinsic Giấu tin có xử lý Pure Giấu tin đơn Imperceptible Watermarking Thủy vân ẩn Robust Copyright marking Thủy vân bền vững Fragile Watermarking Thủy vân ”dễ vỡ” Visible Watermarking Thủy vân Hình 1.1 Phân loại kỹ thuật giấu tin 1.1.3.1 Thủy vân số (Watermarking) Giấu mẩu tin ngắn, địi hỏi độ bền vững cao thơng tin cần giấu (trước biến đổi thông thường tệp liệu môi trường) a/ Thủy vân bền vững: thường ứng dụng bảo vệ quyền Thủy vân nhúng sản phẩm hình thức dán tem quyền Trong trường hợp này, thủy vân phải tồn bền vững với sản phẩm nhằm chống việc tẩy xóa, làm giả hay biến đổi phá hủy thủy vân b/ Thủy vân dễ vỡ: Là kỹ thuật nhúng thủy vân vào đối tượng (sản phẩm) cho phân bố sản phẩm (trong mơi trường mở) có phép biến đổi làm thay đổi sản phẩm gốc thủy vân giấu đối tượng khơng cịn ngun vẹn trước giấu c/ Thủy vân ẩn: Cũng giống giấu tin, mắt thường khơng thể nhìn thủy vân ẩn d/ Thủy vân hiện: Là loại thủy vân sản phẩm người nhìn thấy 1.1.3.2 Giấu tin mật (Steganography) Che giấu tin (đòi hỏi độ mật cao dung lượng lớn tốt) vào môi trường (đối tượng) gốc Phân biệt Steganography watermarking Bảng 1.1 So sánh khác biệt giấu tin mật & thủy vân [1] − Steganography Tập trung vào việc giấu − Watermarking Không cần giấu nhiều thông tin, nhiều tin tốt, ứng dụng truyền cần lượng thông tin nhỏ đặc trưng liệu mật − cho quyền người sở hữu Cố gắng làm ảnh hưởng đến − Trong trường hợp thủy vân nhìn chất lượng đối tượng gốc để khơng bị thấy thủy vân ý đến liệu giấu − Thay đổi đối tượng gốc làm cho liệu giấu bị sai lệch (ứng dụng − xác thực thông tin) − Thủy vân phải bền vững với cơng có chủ đích khơng có Bảo mật cho liệu cần giấu Khía chủ đích vào sản phẩm cạnh tập trung vào kỹ thuật giấu tin − Thủy vân số đánh dấu vào mật, tức giấu tin cho giấu đối tượng, nhằm khẳng định nhiều người khác khó phát quyền sở hữu hay phát xuyên tạc thơng tin giấu thơng tin 1.1.4 Một số ứng dụng a/ Bảo vệ quyền tác giả Là ứng dụng kỹ thuật thủy vân số - dạng phương pháp giấu tin Một thơng tin mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả (người ta gọi thủy vân watermark) nhúng vào sản phẩm, thủy vân người chủ sở hữu hợp pháp sản phẩm có, dùng làm minh chứng cho quyền sản phẩm Yêu cầu kỹ thuật ứng dụng thủy vân phải tồn bền vững với sản phẩm, muốn bỏ thủy vân mà khơng phép người chủ sở hữu, có cách phá hủy sản phẩm b/ Xác thực thông tin hay phát xuyên tạc thông tin (authentication and tamper detection) Một tập thông tin giấu phương tiện chứa sau sử dụng để nhận biết xem liệu phương tiện gốc có bị thay đổi hay khơng c/ Dấu vân tay hay dán nhãn (fingerprinting and labeling) Thủy vân ứng dụng để nhận diện người gửi hay người nhận thơng tin d/ Điều khiển truy cập (copy control) Thủy vân trường hợp để điều khiển truy cập thông tin Các thiết bị phát thủy vân thường gắn sẵn vào hệ thống đọc ghi Ví dụ hệ thống quản lý chép DVD ứng dụng Nhật Ứng dụng loại yêu cầu thủy vân phải bảo đảm an toàn sử dụng phương pháp phát thủy vân giấu mà không cần thông tin gốc e/ Giấu tin mật (steganography) Là ứng dụng giấu lượng thông tin mật, quan trọng vào bên đối tượng gốc nhằm che giấu, truyền thơng bí mật điểm – điểm Các thơng tin giấu (trong trường hợp này) nhiều tốt Việc giải mã (tách tin) để nhận thông tin, không cần phương tiện chứa (gốc) ban đầu 1.1.5 Các định dạng ảnh thông dụng 1.1.5.1 Định dạng ảnh IMG (Image) Ảnh IMG ảnh đen trắng, điểm ảnh thể bit Toàn ảnh gồm điểm sáng tối tương ứng với giá trị Tỉ lệ nén kiểu định dạng cao Ảnh IMG nén theo dòng Mỗi dòng bao gồm gói (Pack) Các dịng giống nén thành gói 1.1.5.2 Định dạng ảnh PCX (Personal Computer Exchange) Định dạng ảnh PCX định dạng loại cổ điển Nó sử dụng phương pháp mã hóa loạt dài RLC để nén liệu ảnh Quá trình nén giải nén thực dòng ảnh Thực tế, phương pháp giải nén PCX hiệu so với kiểu IMG Định dạng ảnh PCX thường dùng để lưu trữ ảnh thao tác đơn giản, cho phép nén giải nén nhanh Tuy nhiên cấu trúc cố định, nên số trường hợp làm tăng kích thước lưu trữ 1.1.5.3 Định dạng ảnh GIF (Graphics Interchanger Format) Định dạng ảnh GIF hãng Computer Incorporated (Mỹ) đề xuất lần vào năm 1990 Với định dạng GIF, số màu ảnh tăng, ưu định dạng GIF trội Những ưu có GIF tiếp cận thuật toán LZW (Lampel Ziv Welch) (dựa vào lặp lại nhóm điểm, người ta xây dựng từ điển lưu chuỗi ký tự có tần suất lặp lại cao thay từ mã tương ứng gặp lại chúng) Dạng ảnh GIF cho chất lượng cao, độ phân giải đồ họa tốt, cho phép hiển thị hầu hết phần cứng đồ họa 1.1.5.4 Định dạng ảnh BMP (Bitmap ) 10 Bước Quét ảnh lần nữa, giá trị pixel x (zero, peak), giá trị pixel tăng lên Bằng cách này, hình ảnh ban đầu phục hồi mà không không bị sai lệch nhiều so với ảnh gốc ban đầu 3.3.3.4 Kỹ thuật giấu thuận nghịch HKC Trong kỹ thuật NSAS, thấy khả giấu thông điệp phụ thuộc vào độ lớn điểm peak, với ví dụ khả giấu lượng thông điệp không 2859 bit ảnh Tuy nhiên làm để truyền thông tin điểm zero điểm peak hay thông tin bổ sung thông điệp giấu từ người gửi đến người nhận không đề cập tài liệu Để cải tiến vấn đề này, Hwang đồng nghiệp ông đề xuất kỹ thuật giấu thuật nghịch HKC  Thuật tốn giấu thuật nghịch HKC Bước Tìm điểm peak hai điểm min1, (min1 nằm bên trái điểm peak, min2 nằm bên phải điểm peak) Điểm peak điểm tương ứng với số pixel chúng lớn nhỏ ảnh Ví dụ hình 2.7 peak = 154 điểm có histogram lớn nhất, min1=0 điểm có histogram zero, min2=255 điểm bên phải Peak có histogram zero Bước Nhằm để khơi phục xác ảnh gốc, đồ định vị đề xuất dùng để lưu trữ thơng tin vị trí pixel (như điểm peak, điểm 1, luợng pixel ban đầu điểm 1, điểm 2, lượng pixel ban đầu điểm 2) lược đồ HKC Bước Khởi tạo không gian để nhúng tin Các pixel định vị histogram nằm bên trái điểm peak điểm dịch sang trái pixel Tương tự, pixel định vị nằm bên phải điểm peak điểm dịch sang phải pixel Bước Nhúng thông tin mật vào ảnh Nếu pixel xét có giá trị peak2 peak +2 kiểm tra bit cần nhúng chuỗi bit thơng điệp: bit thơng điệp 61 pixel có giá trị peak-2 tăng lên 1, pixel có giá trị peak+2 giảm 1, cịn bit thơng điệp trì cũ Hình 3.11 histogram ảnh lena trước sau giấu tin sử dụng kỹ thuật giấu HKC  Thuật tốn tách thơng điệp khơi phục ảnh gốc Q trình tách thơng điệp mơ tả tóm tắt qua bước sau: Bước Xác định điểm Peak biểu đồ histogram ảnh giấu thông điệp Thông điệp tách dựa vào điểm peak Bước Quét toàn ảnh pixel có giá trị Peak – Peak+2 bit tách ra, ngược lại pixel có giá trị Peak – Peak + bit tách ra, sau Peak-1 giảm xuống Peak+1 tăng lên thành Peak-2 Peak+2 Bước Sau tách thông điệp khôi phục lại ảnh gốc Dựa vào đồ định vị biết min1, min2 tần số pixel ban đầu min1 min2 Chúng ta dịch chuyển toàn pixel có giá trị khoảng [min1, peak-2] tăng lên đơn vị, pixel có giá trị khoảng [peak+2, min2] giảm xuống đơn vị Cuối khôi phục số pixel ban đầu điểm min1, min2 ta dựa vào số pixel ban đầu min1, min2 (giả sử nmin1, nmin2) lưu đồ định vị để chuyển nmin1 từ pixel có giá trị min1+1 thành min1, nmin2 từ pixel có giá trị min2-1 thành min2 Histogram cua anh 3000 peak 2500 2000 1500 1000 zero1 zero2 500 -50 50 100 150 200 250 300 (a) 62 th o n gk eta ns u a tc u aa n hs a uk h ig ia uth o n gd ie p 0 0 0 0 0 0 -5 0 0 0 (b) 0 Hình 3.11 (a) Histogram ảnh gốc (b) Histogram ảnh giấu tin 3.4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHỊNG TRÁNH KHẢ NĂNG TẤN CƠNG TIN GIẤU 3.4.1 Mã hóa đối xứng (mã hóa khơng cơng khai-symmetric-key algorithms) Là lớp thuật tốn mã hóa việc mã hóa giải mã dùng chung cho khóa (secret key) 3.4.1.1 Các loại thuật tốn khóa đối xứng Thuật tốn đối xứng chia làm hai thể loại, mật mã luồng (stream ciphers) mật mã khối (block ciphers) Mật mã luồng mã hóa bit thông điệp mật mã khối gộp số bit lại mật mã hóa chúng đơn vị Cỡ khối dùng thường khối 64 bit Thuật tốn tiêu chuẩn mã hóa tân tiến (Advanced Encryption Standard), NIST công nhận tháng 12 năm 2001, sử dụng khối gồm 128 bit Các thuật tốn đối xứng thường khơng sử dụng độc lập Trong thiết kế hệ thống mật mã đại, hai thuật toán bất đối xứng (asymmetric) (dùng chìa khóa cơng khai) thuật tốn đối xứng sử dụng phối hợp để tận dụng ưu điểm hai Những hệ thống sử dụng hai thuật toán bao gồm SSL (Secure Sockets Layer), PGP (Pretty Good Privacy) GPG (GNU Privacy Guard) v.v Các thuật tốn 63 chìa khóa bất đối xứng sử dụng để phân phối chìa khóa mật cho thuật tốn đối xứng có tốc độ cao Một số ví dụ thuật tốn đối xứng tiếng tôn trọng bao gồm Twofish, Serpent, AES (còn gọi Rijndael), Blowfish, CAST5, RC4, Tam phần DES (Triple DES), IDEA (International Data Encryption Algorithm – Thuật tốn mật mã hóa liệu q́c tế) 3.4.1.2 Tốc độ Các thuật tốn đối xứng nói chung địi hỏi cơng suất tính tốn thuật tốn khóa bất đối xứng (asymmetric key algorithms) Trên thực tế, thuật tốn khóa bất đối xứng có khối lượng tính tốn nhiều gấp trăm, ngàn lần thuật tốn khóa đối xứng (symmetric key algorithm) có chất lượng tương đương 3.4.1.3 Hạn chế Hạn chế thuật tốn khóa đối xứng bắt nguồn từ u cầu phân hưởng chìa khóa bí mật, bên phải có chìa Do khả chìa khóa bị phát đối thủ mật mã, chúng thường phải bảo an phân phối dùng Hậu yêu cầu việc lựa chọn, phân phối lưu trữ chìa khóa cách khơng có lỗi, khơng bị mát việc làm khó khăn, khó đạt cách đáng tin cậy Để đảm bảo giao thơng liên lạc an tồn cho tất người nhóm gồm n người, tổng số lượng chìa khóa cần phải có Hiện người ta phổ biến dùng thuật toán bất đối xứng có tốc độ chậm để phân phối chìa khóa đối xứng phiên giao dịch bắt đầu, sau thuật tốn khóa đối xứng tiếp quản phần lại Vấn đề bảo quản phân phối chìa khóa cách đáng tin cậy tồn tầng đối xứng, song điểm đấy, người ta kiểm sốt chúng dễ dàng Tuy thế, khóa đối xứng sinh tạo chỗ 64 Các thuật tốn khóa đối xứng khơng thể dùng cho mục đích xác thực (authentication) hay mục đích chống thối thác (non-repudiation) 3.4.2 Mã hóa bất đối xứng (Mã hóa cơng khai ) Là thuật tốn việc mã hóa giãi mã dùng hai khóa khác pulic key(khóa cơng khai hay khóa cơng cộng) private key (khóa riêng ) Nếu dùng public key để mã hóa private key dùng để giải mã ngược lại 3.4.2.1 An tồn Về khía cạnh an tồn, thuật tốn mật mã hóa bất đối xứng khơng khác nhiều với thuật tốn mã hóa đối xứng Có thuật tốn dùng rộng rãi, có thuật tốn chủ yếu lý thuyết; có thuật tốn xem an tồn, có thuật tốn bị phá vỡ… Cũng cần lưu ý thuật tốn dùng rộng rãi khơng phải lúc đảm bảo an tồn Một số thuật tốn có chứng minh độ an toàn với tiêu chuẩn khác Nhiều chứng minh gắn việc phá vỡ thuật toán với toán tiếng cho khơng có lời giải thời gian đa thức Nhìn chung, chưa có thuật tốn chứng minh an toàn tuyệt đối (như hệ thống mật mã sử dụng lần) Vì vậy, giống tất thuật tốn mật mã nói chung, thuật tốn mã hóa khóa cơng khai cần phải sử dụng cách thận trọng 3.4.2.2 Ứng dụng Ứng dụng rõ ràng mật mã hóa khóa cơng khai bảo mật: văn mã hóa khóa cơng khai người sử dụng giải mã với khóa bí mật người 65 Các thuật tốn tạo chữ ký số khóa cơng khai dùng để nhận thực Một người sử dụng mã hóa văn với khóa bí mật Nếu người khác giải mãvới khóa cơng khai người gửi tin văn thực xuất phát từ người gắn với khóa cơng khai Các đặc điểm cịn có ích cho nhiều ứng dụng khác như: tiền điện tử, thỏa thuận khóa… 3.4.2.3 Điểm yếu Tồn khả người tìm khóa bí mật Khơng giống với hệ thống mật mã sử dụng lần (one-time pad) tương đương, chưa có thuật tốn mã hóa khóa bất đối xứng chứng minh an toàn trước cơng dựa chất tốn học thuật tốn Khả mối quan hệ khóa hay điểm yếu thuật tốn dẫn tới cho phép giải mã khơng cần tới khóa hay cần khóa mã hóa chưa loại trừ An tồn thuật tốn dựa ước lượng vềkhối lượng tính tốn để giải toán gắn với chúng Các ước lượng lại ln thay đổi tùy thuộc khả máy tính phát toán học Khả bị công dạng kẻ công đứng (man in the middle attack): kẻ công lợi dụng việc phân phối khóa cơng khai để thay đổi khóa cơng khai Sau giả mạo khóa cơng khai, kẻ công đứng bên để nhận gói tin, giải mã lại mã hóa với khóa gửi đến nơi nhận để tránh bị phát Dạng cơng kiểu phịng ngừa phương pháp trao đổi khóa an tồn nhằm đảm bảo nhận thực người gửi vàtồn vẹn thơng tin Một điều cần lưu ý phủ quan tâm đến dạng cơng này: họ thuyết phục (hay bắt buộc) nhà cung cấp chứng thực số xác nhận khóa giả mạo đọc thơng tin mã hóa 3.4.2.4 Khối lượng tính tốn Để đạt độ an tồn tương đương địi hỏi khối lượng tính tốn nhiều đáng kể so với thuật tốn mật mã hóa đối xứng Vì thực tế hai dạng thuật toán 66 thường dùng bổ sung cho để đạt hiệu cao Trong mơ hình này, bên tham gia trao đổi thơng tin tạo khóa đối xứng dùng cho phiên giao dịch Khóa trao đổi an tồn thơng qua hệ thống mã hóa khóa bất đối xứng Sau bên trao đổi thơng tin bí mật hệ thống mã hóa đối xứng suốt phiên giao dịch 3.5 CHƯƠNG TRÌNH GIẤU TIN TRONG ẢNH BITMAP 3.5.1 Kỹ thuật giấu tin ảnh Bitmap Chúng ta sử dụng kỹ thụât “Thay thế” (substitution) để ẩn thông tin file Với công nghệ này, thay bit quan trọng file gốc với liệu muốn ẩn Như vậy, với Pixel có bit biểu diễn cho giá trị màu Giả sử, ta xem xét với màu Blue, có 28 giá trị khác Sự khác giá trị hay gọi cách khác cường độ Blue 11111111 11111110 không bị phát thị giác người Đối với ảnh 24 bit, ta nhúng bit liệu muốn ẩn pixel Trong với ảnh bit ta chi nhúng bit liệu cho pixel Như vậy, ảnh 24 bit cung cấp nhiều khoảng trống so với ảnh bit Ví dụ: muốn ẩn ký tư A vào file ảnh Giá trị nhị phân A 10000001 Lúc kí tự A ẩn pixel + Giả sử liệu pixel (00100111 11101001 11001000) (00100111 11001000 11101001) (11001000 00100111 11101001) + Sau ẩn kí tự A, giá trị pixel là: (00100111 11101000 11001000) (00100110 11001000 11101000) (11001000 00100111 11101001) 67 Như vậy, có bit bị thay đổi byte Và không bị phát thị giác người 3.5.2 Các bước giải vấn đề 4.2.1 Giấu thơng tin ảnh:  Trình tự thực hiện: - Mã hố thơng tin trước ẩn cách thơng qua mật ta mã hố thơng tin muốn giấu với mật tạo mảng byte kí tự mã hố - Ẩn thơng tin bị mã hố vào file ảnh  Chương trình “Giấu tin file ảnh (.BMP)” Có chức chính: - Chức “Giấu đoạn văn file ảnh” - Chức “Giấu file văn bản(.doc, txt) file ảnh” - Chức “Giấu file ảnh(.bmp) file ảnh” Giấu tin ảnh Giấu đoạn văn Giấu file văn Giấu file ảnh Hình 3.12 Sơ đồ giấu tin ảnh bitmap (.bmp) Mục đích: Là để giấu thông tin file ảnh Xây dựng phương thức CreateStegoFile với tham số: tên file ảnh mới, nội dung message password Chỉ làm việc với ảnh bitmap : Phải kiểm tra file ảnh muốn giấu phải ảnh Bitmap dựa vào byte để xác định file ảnh Bitmap 68 Giấu thông tin chiều dài đoạn Message vào byte phần Data Pixel Tức byte thứ 54 file ảnh lưu trữ chiều dài message Vậy ta xây dựng hàm đưa chiều dài mess vào byte , sau nội dung mess dạng byte Kết trả mảng byte Lúc ta giấu mảng byte vào file ảnh Một thủ tục ẩn thông tin vào file ảnh: thay LSB với đầu vào luồng để dọc byte ảnh mảng byte HiddenMessage Đầu luồng output chứa HiddenMessage file ảnh.Trong thủ tục ta thao tác với bit liệu thông điệp với bit phần Data Pixel file ảnh Vậy sử dụng kỹ thuật cho phép giấu byte file ẩn vào byte file chứa gốc(file ảnh chứa gốc) Từ thấy lợi sử dụng cách gì? lúc có nhiều 50% số bít trùng tin cần giấu file chứa gốc(file ảnh chứa gốc) file chứa gốc bị ảnh hưởng lớn có tin giấu thêm vào file chứa gốc (file ảnh chứa gớc) 4.2.2 Lấy thơng tin từ ảnh:  Trình tự thực hiện: Lấy thơng tin ẩn từ file ảnh Muốn đọc thông tin phải giải mã với khố mật dùng để mã hố hay giấu thơng tin  Chương trình “Lấy thơng tin file ảnh(.BMP)” Có chức chính: Chức “Lấy thơng tin đoạn văn từ file ảnh” Chức “Lấy file văn bản(.doc, txt) từ file ảnh” Chức “Lấy file ảnh(.bmp) từ file ảnh” Lấy thông tin ảnh Lấy đoạn văn Lấy file văn Lấy file ảnh 69 Hình 3.13 Sơ đồ lấy tin ảnh Bitmap(.bmp) Mục đích: Là để lấy lại thơng tin giấu file ảnh Xây dựng phương thức ExtractHiddenMessage: Phương thức ngược với phương thức giấu thông tin CreateStegoFile + Đầu tiên phải đọc byte phần Data Pixel để lấy chiều dài nội dung thông tin giấu ảnh + Sau đọc tiếp nội dung thơng tin giấu Bắt đầu i =0, j=0 ByteĐoc=InputStream.ReadByte Bit=trích xuất(bytedoc,0) Reaplace(ẩn đoạn vb(i), j, bit) j=7 j = 0, i= i+1 Đệm=ẩn đoạn văn Đệm =ClsCryptoHelper.giải mã(đệm, khóa) Ẩn đoạn văn Kết thúc Hình 3.14 Lưu đồ thuật tốn giải mã thơng tin 4.3 Giao diện chương trình 4.3.1 Giao diện dấu thơng tin vào ảnh 70 Hình 3.15 Giao diện giấu đoạn văn vào file ảnh Sau chọn file ảnh để nhúng thông tin, nhập thông tin muốn giấu vào “Thông điệp cần nhúng” sau thiết lập mật khẩu, chọn đường dẫn lưu file ảnh nhúng tiến hành nhúng bắng cách kích vào nút “Hide” Khi thơng tin nhúng thành công 4.3.2 Lấy thông tin từ ảnh nhúng thơng tin Muốn lấy thông tin từ ảnh giấu, tiến hành chọn file ảnh giấu thơng tin nhập mật cho thơng tin giấu trước hiển thị phần “Nội dung thơng điệp” 71 Hình 3.16: Giao diện lấy thông tin từ ảnh Khi sử dụng kĩ thuật thay có số ưu nhược điểm sau: + Ưu điểm: Kích thước file không bị thay đổi sau thực việc ẩn thơng tin + Nhược điểm: Có thể giảm chất lượng ảnh sau ẩn thơng tin; giới hạn kích thước thông tin muốn ẩn Trong kỹ thuật “Thay thế”, phương thức phổ biến mã hóa LSB (Least Significant Bit) Phương thức mã hóa thay bit quan trọng vài byte file để ẩn byte liệu chứa thông tin muốn ẩn Cách có hiệu trường hợp mà thay LSB không ảnh hưởng đến chất lượng ảnh Ví dụ ảnh Bitmap 24 bit 72 Tại giấu thông tin ảnh Bitmap 24 bit lại có hiệu hơn: - Ảnh Bitmap 24 bit: tức có 24 bit biểu diễn cho pixel ảnh có 2^24 màu Thơng tin màu cho pixel chứa byte liên tiếp liệu với byte tương ứng với màu Blue, Green, Red - 24 bit màu liệu đơn giản để đọc Dữ liệu hình ảnh theo trực tiếp sau đầu mục thông tin khơng có bảng màu - Các điểm ảnh lưu theo chiều từ trái sáng phải dòng dòng lại lưu theo thứ tự từ lên - Mỗi byte vùng BimapData biểu diễn nhiều điểm ảnh theo số Bít cho pixel - bit liệu cần byte liệu nguồn 73 KẾT LUẬN An tồn thơng tin vấn đề quan tâm nhiều lĩnh vực giải pháp sớm cho lĩnh vực mã hóa thơng tin Tuy nhiên chúng ln có nhược điểm thể hiển rõ thơng tin quan trọng bị mã hóa ln gây tị mị cho đối phương cố tình muốn biết thơng tin đối tượng gửi Hoặc lĩnh vực xác thực quyền sản phẩm thơng tin quyền mã hóa kèm với sản phẩm, an tồn truyền mạng với lần giải mã sản phẩm khơng cịn an tồn Vì luận văn em thực nhiện vụ sau: 1/ Trình bày tổng quan giấu tin & kỹ thuật giấu tin 2/ Trình bày hai phương pháp giấu tin ảnh: giấu tin bit có trọng số thấp nhất, kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DCT 3/ Xây dựng chương trình giấu tin ảnh Phạm vi ứng dụng luận văn - Về mặt lý thuyết, luận văn trình bày kỹ thuật giấu tin ảnh, cụ thể ảnh bitmap Các kỹ thuật thuỷ vân trình bày luận văn sử dụng để bảo vệ thơng tin lĩnh vực an tồn thơng tin - Về mặt thực tiễn, với việc triển khai chương trình cho phép nhúng thủy vân để bảo vệ ảnh, bao gồm chống xuyên tạc xác nhận quyền Cũng ứng dụng kỹ thuật thủy vân dễ vỡ để giấu tin mật Luận văn phát triển theo hướng sau : - Tăng cường tính bền vững cho thơng tin giấu - Thực nhúng thủy vân định dạng ảnh khác - Phát triển thuật toán thủy vân video, audio 74 TÀI LIỆU THAO KHẢO [1] Nguyễn Xuân Huy, Trần Quốc Dũng, Giáo trình giấu tin thuỷ vân ảnh, Trung tâm thông tin tư liệu, TTKHTN - CN 2003 [2] Trịnh Nhật Tiến (2008), Giáo trình an toàn liệu, Hà Nội [3] Trần Minh Triết, Dương Anh Đức (2005), Thuật tốn mã hóa ứng dụng, Thành phố Hồ Chí Minh [4] Một sớ thuật tốn giấu tin áp dụng giấu tin mật ảnh PGS.TS Nguyễn Văn Tảo, Đỗ Trung Tuấn, Bùi Thế Hồng báo cáo hội thảo RDA [5] R van Schyndel, A Tirkel, and C Osborne A digital watermark In Proceedings of ICIP, volume 2, pages 86–90, Austin, TX, 1994 [6] A Westfeld and A Pfitzmann Attacks on steganographic systems In Lecture notes in computer science: 3rd International Workshop on Information Hiding, 1999 [7] Niesl Provos, Peter Honeyman, Hide and seek: An introduction to steganography, Published by The IEEE computer society, 2003 [8] Ahmet M Eskicioglu (2003), “Multimedia security in group communications : recent progress in key management, authentication, and watermarking”, ACM mutilmedia 2003 [9] Sang-Kwang Lee, Young-Ho Suh, and Yo-Sung Ho, Lossless Data Hiding Based on Histogram Modification of Difference Images, Advances in Multimedia Information Processing - PCM 2004, pp.340-347 November/ December, 2004 [10] Guorong Xuan, Qiuming Yao, Chengyun Yang, Jianjiong Gao, Peiqi Chai, Yun Q Shi, Zhicheng Ni, Lossless Data Hidding Using Histogram Shifting Method Based on [11] Zhicheng Ni, Yun-Qing Shi, Nirwan Ansari, and Wei Su, “Reversible Data Hiding”, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, Vol 16, No.3, pp 354-362, 2006 Integer Wavelets, Proc 5th Digital watermarking workshop, IWDW 2006, Korea, vol 4283, pp 323-332 75 ... thông tin mật ảnh Bố cục luận văn Luận văn phân làm ba chương Chương trình bày tổng quan giấu tin, phân loại kỹ thuật giấu tin tiêu chí đánh giá kỹ thuật giấu tin ảnh số Chương hai trình bày kỹ thuật. .. trình bày kỹ thuật giấu tin ảnh miền không gian phân tích, đánh giá thuật tốn Chương ba trình bày thuật tốn giấu tin ảnh miền tần số xây dựng chương trình giấu tin ảnh kỹ thuật thay bit quan... niệm giấu tin 1.1.2.1 Khái niệm a/ Mơi trường giấu tin (cover multimedia) (hay cịn gọi vật mang tin) đối tượng dùng để giấu tin văn bản, ảnh, audio, video… Giấu tin ảnh: Thông tin giấu vào liệu ảnh