Steganography(ẩn mã) là một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi suốt nhiều thập kỉ. Đến nay, kỹ thuật này đã được nghiên cứu và phát triển dưới nhiều dạng khác nhau và được áp dụng trong nhiều lĩnh vực. Trong kỹ thuật ẩn mã hình ảnh, phương pháp giấu trên bit có ít ý nghĩa nhất (LSB Least significant bit) là phổ biến nhất nhưng dễ bị tấn công bởi nhiều cuộc tấn công bảo mật. Do đó, điều cấp thiết là phải làm cho kỹ thuật steganographic mạnh mẽ và an toàn hơn. Bài báo này trình bày một cách tiếp cận mới để ẩn tin nhắn văn bản trong hình ảnh RedGreenBlue (RGB) dựa trên kỹ thuật LSB. Không giống như kỹ thuật LSB tiêu chuẩn, trong đó các bit thông điệp được nhúng trực tiếp vào các vị trí LSB, thuật toán đề xuất là mã hóa các bit thông điệp này trước khi nhúng vào các vị trí LSB. Quá trình nhúng và mã hóa này được thực hiện trên cơ sở hầu hết các giá trị bit quan trọng (MSB Most Significant Bit) của RGB và khái niệm về tỷ lệ chẵn và lẻ của các pixel đó tương ứng. Mục tiêu chính của phương pháp được trình bày là cải thiện độ mạnh và chất lượng hình ảnh của ảnh mang(stegoimage). Hiệu suất của chất lượng hình ảnh stego được đo bằng bình phương sai số trung bình (MSE), tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đỉnh (PSNR), phép đo độ tương đồng về cấu trúc (SSIM), tỷ lệ bit (BR) và phân tích biểu đồ. Kết quả thử nghiệm và các nghiên cứu so sánh đã cho thấy rằng kỹ thuật được đề xuất có thể che giấu thông điệp một cách hiệu quả, với sự khác biệt nhỏ giữa ảnh phủ và ảnh stego. Kết quả cũng cho thấy rằng cách phương án đề xuất có thể nhúng một lượng thông tin hợp lý.
HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÁO CÁO MÔN HỌC KỸ THUẬT GIẤU TIN ĐỀ TÀI BIẾN THỂ CỦA THUẬT TỐN MÃ HĨA LSB ĐỂ GIẤU THÔNG TIN TRONG ẢNH RGB Sinh viên thực hiện: NGUYỄN PHÚ LÂM - AT150330 TRẦN VĂN CÔNG - AT150307 BÙI TIẾN THÀNH - AT150350 NGUYỄN VIỆT HOÀNG – AT150319 LÊ TIẾN DŨNG – AT150311 Hà Nội, 02-2022 MỤC LỤC 4 2.1 2.2 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 10 11 4.1 11 4.2 12 4.3 13 13 LỜI MỞ ĐẦU Steganography(ẩn mã) kỹ thuật sử dụng rộng rãi suốt nhiều thập kỉ Đến nay, kỹ thuật nghiên cứu phát triển nhiều dạng khác áp dụng nhiều lĩnh vực Trong kỹ thuật ẩn mã hình ảnh, phương pháp giấu bit có ý nghĩa (LSB- Least significant bit) phổ biến dễ bị cơng nhiều cơng bảo mật Do đó, điều cấp thiết phải làm cho kỹ thuật steganographic mạnh mẽ an tồn Bài báo trình bày cách tiếp cận để ẩn tin nhắn văn hình ảnh Red-Green-Blue (RGB) dựa kỹ thuật LSB Không giống kỹ thuật LSB tiêu chuẩn, bit thơng điệp nhúng trực tiếp vào vị trí LSB, thuật tốn đề xuất mã hóa bit thơng điệp trước nhúng vào vị trí LSB Q trình nhúng mã hóa thực sở hầu hết giá trị bit quan trọng (MSB- Most Significant Bit) RGB khái niệm tỷ lệ chẵn lẻ pixel tương ứng Mục tiêu phương pháp trình bày cải thiện độ mạnh chất lượng hình ảnh ảnh mang(stego-image) Hiệu suất chất lượng hình ảnh stego đo bình phương sai số trung bình (MSE), tỷ lệ tín hiệu nhiễu đỉnh (PSNR), phép đo độ tương đồng cấu trúc (SSIM), tỷ lệ bit (BR) phân tích biểu đồ Kết thử nghiệm nghiên cứu so sánh cho thấy kỹ thuật đề xuất che giấu thơng điệp cách hiệu quả, với khác biệt nhỏ ảnh phủ ảnh stego Kết cho thấy cách phương án đề xuất nhúng lượng thơng tin hợp lý Giới thiệu Kỹ thuật ẩn mã hình ảnh LSB cách tiếp cận phổ biến tính khơng nhạy cảm khả chịu tải tốt Mặc dù tính đơn giản nó, LSB truyền thống dễ bị cơng xác suất phát thơng điệp bí mật cao Do đó, loạt phương pháp đề xuất dựa kỹ thuật thay LSB Hầu hết phương pháp có cố gắng chọn vùng luồng bit ảnh bìa nhúng thơng điệp mã hóa, với khóa bí mật sử dụng để giải mã thơng điệp Mặc dù hiệu suất phương pháp tốt so với phương pháp thay LSB, việc giao tiếp khóa bí mật thách thức hiệu tổng thể, thường phương pháp không khai thác hết Một phiên LSB sửa đổi làm tăng tính khơng nhạy cảm độ bền kỹ thuật ẩn mã hình ảnh LSB đề xuất Thay lưu trữ bit thơng điệp trực tiếp vị trí LSB, bit thơng điệp mã hóa đặt vào kênh điểm ảnh RGB Việc lựa chọn kênh cụ thể thực sở bit MSB điểm ảnh RGB đó, giá trị chẵn lẻ kênh chọn làm sai lệch q trình mã hóa bit thơng báo Mặc dù thuật tốn đề xuất áp dụng cho định dạng ảnh không liệu BMP, GIF, PNG TIF, báo cáo tập trung vào định dạng ảnh màu TIF 24-bit cho mục đích thử nghiệm Lý thuyết liên quan 2.1 Thuật toán LSB cổ điển Phương pháp giấu tin LSB thực cách thay đổi bit quan trọng màu 24 bit màu chèn vào bit quan trọng ảnh bit Ví dụ chữ A có mã ASCII 65 ( thập phân ), biểu diễn nhị phân : 1000001 Để giấu chữ A vào ảnh, ta cần điểm ảnh liên tiếp ảnh 24 bit màu Giả sử cho giá trị màu pixel trước chèn : 10000000.10100100.10110101,10110101.11110011.10110111,11100111.1 0110011.00110011 Sau chèn, giá trị pixel màu sau: 10000001.10100100.10110100.10110100.11110010.10110110.11100110.1 0110011.00110011 Ví dụ tương tự, cần giấu chữ A vào ảnh bit màu, ta cần pixel Giả sử giá trị pixel ban đầu sau : 10000000,10100100,10110101,10110101,11110011,10110111,11100111,10 110011 Sau chèn chữ A, giá trị điểm ảnh sau : 10000001,10100100,10110100,10110100,11110010,10110110,11100110,10 110011 (những giá trị đậm giá trị bị thay đổi) Từ ví dụ trên, ta suy luận phương pháp chèn vào bit quan trọng thường có 50% hội để thay đổi bit quan trọng bit, khơng tạo thay đổi lớn ảnh phủ Hay nói cách khác, ý tưởng kỹ thuật thay đổi bit biểu biễn giá trị mà khả tri giác mắt người Ví dụ thay đổi giá trị bit biểu diễn thành phần màu xanh hay biểu diễn thành phần độ chói điểm ảnh, giá trị mà với thay đổi nhỏ ta khó phát thay đổi Hình 1: Thuật toán Least Significant Bit - LSB 2.2 Khái niệm chẵn lẻ Thông thường, khái niệm chẵn lẻ sử dụng nhiều truyền thông liệu để phát lỗi Đây kỹ thuật gửi bit dư thừa để xác minh tính tồn vẹn liệu nhận Trong báo cáo định nghĩa 'chẵn lẻ' số luồng nhị phân định Nếu luồng bit có độ dài cụ thể L có số chẵn hệ nhị phân 1, tính chẵn lẻ luồng coi chẵn mô tả điều Mặt khác, luồng bit có độ dài cụ thể L có số lẻ hệ nhị phân 1, tính chẵn lẻ luồng coi lẻ mô tả giá trị Chúng ta dễ dàng tính toán xem luồng chẵn hay lẻ cách thực XNOR tất bit luồng Ví dụ, B = X1 X2 X3 X4 Xn có độ dài n bit tính chẵn lẻ = X1 xnorX2 xnorX3 xnorX4 xnorXn Giá trị tương ứng với chẵn lẻ Hình 2: Ví dụ khái niệm chẵn lẻ Phương pháp đề xuất Trong phần này, phương phát đề xuất trình bày theo trình tự mơ tả mơ hình, mã hóa giải mã thuật tốn giải thích q trình mã hóa giải mã 3.1 Mơ tả mơ hình Phương pháp đề xuất sử dụng hình ảnh RGB 24-bit làm ảnh phủ Giống hình ảnh RGB 24-bit khác, hình ảnh phủ tập hợp pixel pixel biểu thị byte cho biết cường độ kênh đỏ, lục lam pixel Trong Hình (a), q trình nhúng, pixel ảnh phủ chuyển đổi thành mảng byte gồm kênh màu đỏ, xanh lục xanh lam (RGB) khối Tiếp theo, giá trị MSB ba byte (mỗi kênh đỏ, lục lam) pixel hoạt động báo xác định bit thông báo giữ kênh Sau chọn kênh thích hợp, bit thông điệp nhúng vào kênh chọn cách sử dụng mã hóa Mã hóa thực với khái niệm kiểm tra chẵn lẻ Nếu giá trị chẵn lẻ kênh chọn trùng với bit thơng điệp, khơng có thay đổi LSB kênh chọn Bằng cách này, tồn thơng điệp nhúng vào ảnh phủ Sau hoàn tất trình nhúng, hình ảnh chuyển thành hình ảnh stego Trong trình giải nén – hiển thị Hình (b), pixel stego-image chuyển đổi thành mảng byte gồm kênh RGB MSB số ba byte chọn kênh mong muốn chứa bit thông điệp Cuối cùng, giá trị chẵn lẻ kênh chọn cho biết bit thông điệp mong muốn Bằng cách này, tồn thơng báo thu cách tổng hợp tất bit thông điệp S Hình 3: Cấu trúc tổng thể kỹ thuật đề xuất (a) Quy trình mã hóa (b) Quy trình giải mã 3.2 Giải thích quy trình mã hóa giải mã Các mã giả sau mơ tả cách bit thơng điệp mã hóa ảnh phủ giải mã từ ảnh stego Xem xét ký hiệu sau q trình mã hóa giải mã : M: thông điệp nhúng dài n bit Mi: bit thứ i khối thông điệp Ic: Ảnh phủ Pir: Khối bit pixel từ ảnh phủ Ic(red channel), Pir[j]: bit thứ j khối Pig: Khối bit pixel từ ảnh phủ Ic(green channel), Pig[j]: bit thứ j khối Pib: Khối bit pixel từ ảnh phủ Ic(blue channel), Pib[j]: bit thứ j khối Is: Ảnh stego Pir’: Khối bit pixel từ ảnh stego Is(red channel), Pir’[j]: bit thứ j khối Pig’: Khối bit pixel từ ảnh stego Is(green channel), Pig’[j]: bit thứ j khối Pib’: Khối bit pixel từ ảnh stego Is(blue channel), Pib’[j]: bit thứ j khối Hình 4: Thủ tục để tính tính chẵn lẻ Hình 5: Lựa chọn kênh màu Hình 6: Q trình mã hóa Hình 7: Q trình giải mã 3.2.1 Q trình mã hóa Để nhúng thơng điệp vào ảnh phủ, Hình cho thấy quy trình mã hóa với quy trình bổ sung mơ tả Hình Theo thuật tốn, để ẩn bit thơng điệp Mi vào pixel ảnh phủ cụ thể, Pi (= Pir Pig Pib) Ic, MSB kênh Pir, Pig Pib thu thập thực chia lấy dư với Giá trị mod tạo giá trị số 0, 1, cho biết Pir (kênh màu đỏ), Pig (kênh màu xanh cây) Pib (kênh màu xanh lam) tương ứng Bằng cách này, kênh cụ thể chọn để nhúng Sau đó, giá trị chẵn lẻ kênh màu chọn Pix (= Pir Pig Pib) so sánh với bit thông điệp Mi Điều quan trọng cho biết cách bit thơng điệp mã hóa kênh Ví dụ: giá trị chẵn lẻ Pix chẵn (p = 1) bit thông điệp 1, bit LSB kênh không thay đổi, trường hợp bit thông điêp 0, LSB đơn lẻ kênh Pix chuyển đổi Cách tiếp cận đề cập thay đổi LSB kênh RGB định Ic kết thúc q trình nhúng tất bit thơng điệp Hình 8: Các hành động nhúng bit thơng điệp vào kênh Để minh họa thuật toán mã hóa, lấy bit thơng điệp 1100 bốn pixel ảnh phủ, với pixel chứa kênh R, G B Bit thông báo đầu tiên, phải nhúng vào kênh pixel MSB ba kênh 1012 = 510 sau tính mơđun (5 mod 3), kết Lưu ý modulo cho biết số kênh Do đó, theo thuật tốn, kênh màu xanh lam chọn để nhúng thơng điệp Bây giờ, kênh màu xanh lam có số lẻ 1, tính chẵn lẻ Vì giá trị chẵn lẻ khác với bit thơng báo, vị trí LSB kênh màu xanh lam chuyển cho biết bit thông điệp nhúng Bằng cách này, bit thông điệp nhúng Tương tự, bit thông báo thứ 2, nhúng vào pixel thứ 2, Hình 3, minh họa trình Cũng quan sát thấy có hai LSB pixel thay đổi để nhúng bit thông điệp Hình 9: Nhúng thơng điệp cách sử dụng phương pháp mã hóa đề xuất 3.2.2 Q trình giải mã Quá trình giải mã bắt đầu với thuật tốn giải mã trình bày Hình 7, thủ tục bổ sung Hình Hình Để trích xuất bit thơng điệp bí mật Mi từ pixel ảnh stego Pi ′ = (Pir’, Pig’, Pib’) Is, kênh cụ thể Pix’ (từ MSB Pir’, Pig’ Pib’) chọn cách thực chia lấy dư bit MSB với Kênh chọn chứa bit thơng điệp mong muốn, thu giá trị chẵn lẻ kênh Giá trị chẵn lẻ (p = 1) Pix’ cho biết bit thông báo 1, giá trị chẵn lẻ (p = 0) Pix’ cho biết bit thông báo Quá trình lặp tiếp tục tất bit thơng điệp trích xuất Có thể thấy thơng báo trích xuất giống với thơng báo nhúng Để giải thích q trình giải mã ví dụ, lấy bốn pixel ảnh stego từ bước mã hóa trước MSB pixel 1012 = 510 chia lấy dư với Do đó, bit thơng điệp tìm thấy từ thành kênh màu xanh lam Vì giá trị chẵn lẻ thành phần màu xanh lam chẵn (1) nên bit thông điệp Tương tự, bit thơng điệp khác trích xuất từ phần cịn lại pixel Hình 10: Trích xuất thơng điệp từ hình ảnh Stego cách sử dụng phương pháp giải mã đề xuất Phân tích đánh giá kết 4.1 Cài đặt thử nghiệm đánh giá chất lượng hình ảnh Hình 11, cho thấy ảnh phủ hình ảnh stego tương ứng Lena với ô biểu đồ màu cho ba kênh Có thể thấy có khác biệt biểu đồ ảnh phủ hình ảnh stego Lena Đối với hình ảnh khác, đặc điểm tương tự thu Hình 11: Ảnh phủ biểu đồ RGB ảnh phủ; Ảnh stego biểu đồ RGB Từ kết thử nghiệm trên, rõ ràng hình ảnh stego gần tương tự với hình ảnh phủ tương ứng Chất lượng hình ảnh giảm sút việc nhúng thơng điệp bí mật phân biệt Phương pháp đề xuất an toàn mạnh mẽ theo nghĩa thuật toán thay đổi số lượng nhỏ bit trình nhúng tin nhắn lớn làm cho tin nhắn văn khó xác định Bên cạnh đó, stego-analyzer phát stego-images, việc tiết lộ bit thông báo không dễ dàng cách tiếp cận đề xuất không đặt thông báo trực tiếp vị trí LSB 4.2 Phân tích PSNR MSE - PSNR: Tỷ lệ tín hiệu cực đại nhiễu Cơng thức tính PSNR MSE Khối PSNR tính tỷ lệ nhiễu tín hiệu cực đại, tính db, hai hình ảnh Tỷ lệ sử dụng phép đo chất lượng ảnh gốc ảnh nén PSNR cao, chất lượng hình ảnh nén tái tạo tốt - MSE: Lỗi bình phương trung bình Giá trị MSE thấp, lỗi thấp PSNR MSE sử dụng để so sánh chất lượng nén hình ảnh Hình 12: Các giá trị MSE PSNR 4.3 Phân tích theo size Hình 13: Kích thước hình ảnh trước sau mã hóa Kết Luận Trong báo này, đề cách tiếp cận để ẩn thơng báo hình ảnh RGB khơng liệu Nó trình bày phương pháp ghi mật mã hình ảnh LSB cải tiến bit thơng điệp mã hóa nhúng vào ba kênh RGB sở MSB kênh, với việc mã hóa thu dựa giá trị chẵn lẻ kênh chọn Các kết thử nghiệm chứng minh phương pháp chủ yếu cho thấy cải tiến đáng kể tính khơng nhạy cảm độ bền Mặc dù công suất không cao lắm, khả chịu tải cao phải hy sinh để có độ nhạy cao Đóng góp nghiên cứu số lượng bit thơng điệp bí mật mã hóa thành vị trí LSB cách hiệu cách thay đổi tương đối vài số bit ảnh bìa khơng có tham gia trực tiếp khóa mật mã Trong tương lai, mở rộng nghiên cứu cách thêm nhiều bit LSB (Kth LSB bit) Điều có khả cải thiện lực kỹ thuật in ẩn hình ảnh Bên cạnh đó, việc sử dụng phương trình chuyển đổi khác việc lựa chọn kênh thích hợp tăng cường tính bảo mật stego-image ... trình mã hóa (b) Quy trình giải mã 3.2 Giải thích quy trình mã hóa giải mã Các mã giả sau mô tả cách bit thông điệp mã hóa ảnh phủ giải mã từ ảnh stego Xem xét ký hiệu sau trình mã hóa giải mã :... thước hình ảnh trước sau mã hóa Kết Luận Trong báo này, đề cách tiếp cận để ẩn thơng báo hình ảnh RGB khơng liệu Nó trình bày phương pháp ghi mật mã hình ảnh LSB cải tiến bit thơng điệp mã hóa nhúng... bit ảnh bìa nhúng thơng điệp mã hóa, với khóa bí mật sử dụng để giải mã thông điệp Mặc dù hiệu suất phương pháp tốt so với phương pháp thay LSB, việc giao tiếp khóa bí mật thách thức hiệu tổng thể,