Học phần các kỹ thuật giấu tin kĩ thuật giấu tin trên bit trọng số thấp (LSB)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA CƠNG NGHỆ THÔNG TIN Học phần: Các kỹ thuật giấu tin Kĩ thuật giấu tin bit trọng số thấp (LSB) Giảng viên hướng dẫn: TS Đỗ Xuân Chợ Sinh viên thực hiện: Nhóm 10 Vũ Lê Long B17DCAT120 Diệp Quang Huy B17DCAT093 Hà Nội, 2021 MỤC LỤC DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT DANH SÁCH HÌNH ẢNH LỜI MỞ ĐẦU I Giới thiệu tổng quan kĩ thuật giấu tin bít trọng số thấp (LSB) Tổng quát kĩ thuật giấu tin Kĩ thuật giấu tin bit trọng số thấp (LSB) 2.1 Kĩ thuật 2.2 Tỉ lệ liệu 2.3 Tính bền vững 2.4 Độ dễ trình phát giải thơng tin 2.5 Thích hợp cho giấu tin mật hay thủy vân 2.6 Vấn đề giải pháp II Các bước thực kĩ thuật giấu tin LSB 10 13 Các bước thực lý thuyết 13 Ví dụ thực thực tế 14 2.1 Code để nhúng watermark kết 15 2.2 Code để trích watermark sau nhúng kết 17 III Nhận xét 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO 20 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT Stt Từ viết tắt Thuật ngữ Tiếng Anh Thuật ngữ Tiếng Việt LSB Least Significant Bits Các bit có trọng số thấp DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1: Ví dụ phương pháp LSB Hình 2: Ảnh watermark 15 Hình 3: Ảnh gốc 15 Hình 4: Ảnh trước nhúng (trái) ảnh sau nhúng (phải) gần khơng có khác biệt 18 Hình 5: Ảnh nhúng watermark (trái) ảnh watermark trích (phải) 19 LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển mạnh mẽ ngành viễn thông ngành công nghệ thông tin, nhu cầu trao đổi thông tin qua mạng internet ngày lớn Với lượng thông tin lớn vậy, nguy liệu bị truy cập trái phép tăng lên vấn đề bảo đảm an tồn bảo mật thơng tin cần thiết Nhiều kĩ thuật nghiên cứu để giải vấn đề này, số bao gồm kĩ thuật giấu tin Kĩ thuật giấu tin gồm nhiều kĩ thuật khác giấu tin văn bản, hình ảnh, video, âm thanh, … Nội dung báo cáo chủ yếu nghiên cứu kỹ thuật giấu tin nói chung kĩ thuật giấu tin bit trọng số thấp (LSB) nói riêng I Giới thiệu tổng quan kĩ thuật giấu tin bít trọng số thấp (LSB) Tổng quát kĩ thuật giấu tin Kỹ thuật giấu thông tin lĩnh vực chuyên nghiên cứu phương pháp, kỹ thuật, thuật tốn nhằm nhúng thơng tin vào đối tượng liệu khác Xét theo khía cạnh tổng qt giấu thơng tin dang mật mã nhằm đảm bảo tính an tồn thơng tin, phương pháp có ưu điểm nằm chỗ giảm khả phát tồn thông tin truyền Kĩ thuật giấu tin bit trọng số thấp (LSB) 2.1 Kĩ thuật Kĩ thuật LSB (Least Significant Bits) kĩ thuật giấu tin vào bit có trọng số thấp, bít quan trọng điểm ảnh, nhằm không gây ý sử dụng giác quan người (mắt tai) để nhận diện khác biệt trước sau giấu tin (tránh để nhận thấy thay đổi rõ rệt thông qua giác quan người) Thông thường chuyển ảnh tương tự sang định dạng số, người ta thường chọn cách thể màu sau: - 24 bit màu : điểm ảnh có giá trị màu 224 màu, màu tổ hợp từ màu Red, Green, Blue có giá trị từ đến 255 - bit màu : điểm ảnh có giá trị màu 256 màu, chọn từ bảng màu - bit xám : điểm ảnh có giá trị 256 cấp độ xám Các kỹ thuật giấu tin miền không gian ảnh thực cách thay đổi trực tiếp giá trị màu cường độ sáng điểm ảnh chọn Một kỹ thuật giấu tin sử dụng không gian ảnh kỹ thuật chèn vào bit quan trọng điểm ảnh Phương pháp giấu tin LSB thực cách thay đổi bit quan trọng màu 24 bit màu chèn vào bit quan trọng ảnh bit Hình 1: Ví dụ phương pháp LSB Ví dụ chữ A có mã ASCII 65 (thập phân), biểu diễn nhị phân là: 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, 11100111.10110011.00110011 Sau chèn, giá trị pixel màu sau: 10000001.10100100.10110100.10110100.11110010.10110110.11100110.10110 011.00110011 (những giá trị đậm giá trị bị thay đổi ) Ví dụ tương tự, cần giấu chữ A vào ảnh bit màu, ta cần pixel Giả sử giá trị pixel ban đầu sau : 10000000,10100100,10110101,10110101,11110011,10110111,11100111,10110 011 sau chèn chữ A, giá trị điểm ảnh sau : 10000001,10100100,10110100,10110100,11110010,10110110,11100110,10110 011 (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 gốc 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 2.2 Tỉ lệ liệu Vấn đề kỹ thuật chèn vào bit quan trọng ảnh 24 bit màu chèn bit pixel Vì điểm ảnh 24 bit giấu bit giấu/ 24 bit liệu, tức bit liệu giấu / bit liệu Trong trường hợp này, ta giấu bit bit ảnh chứa Chúng ta thay đổi tỉ lệ giấu tin điểm ảnh cách tăng giảm số bit thông tin giấu điểm Có thể giấu bit thơng tin 24 bit liệu, bit bit, điều phụ thuộc vào ứng dụng Để giấu byte thông tin, tùy theo phương pháp chèn bit, bit, bit mà ta phải cần có số byte liệu chứa khác Với phương pháp chèn bit, ta cần 8/1*8 = byte liệu, phương pháp chèn bit ta cần 8/2*8 = byte phương pháp chèn bit ta cần 8/ 3*8 = 21.33 byte 2.3 Tính bền vững Phương pháp chèn vào bit quan trọng dễ bị cơng phép biến đổi, chí phép thơng thường nguy hại Các phương pháp nén mát thông tin, chẳng hạn JPEG, gần phá vỡ thông tin bị giấu Vấn đề lỗ hỗng hệ thống tri giác người mà phương pháp chèn bit quan trọng cố gắng khai thác – nhạy cảm với thay đổi nhỏ giá trị màu màu xanh hay độ chói - giống với mà phương pháp nén mát thơng tin dựa vào để giảm dung lượng ảnh Các phép biến đổi hình học di chuyển điểm ảnh đặc biệt đổi chỗ điểm ảnh so với lưới gốc ban đầu phá hủy thông tin nhúng cách để lấy lại thông tin phải làm phép chuyển đổi ngược lại Các phép biến đổi ảnh dễ dàng làm thông tin bị nhúng Nói tóm lại, phương pháp chèn vào bit quan trọng phương pháp giấu tin bền vững 2.4 Độ dễ trình phát giải thơng tin Khơng có điểm đáng ý phương pháp chèn vào bit quan trọng, phương pháp làm thay đổi độ nhiễu kết cấu bề mặt ảnh Nếu dùng phương pháp dễ dàng để giải tin giấu kiểm tra lại thông tin giấu 2.5 Thích hợp cho giấu tin mật hay thủy vân Trước tiên, kỹ thuật dễ bị cơng chí biến đổi đơn giản, phương pháp chèn vào bit quan trọng dường khơng thích hợp thủy vân số, nơi mà ảnh phải đối mặt với thay đổi cố tình làm phá hoại chúng, cộng thêm biến đổi khác nén/giải nén (có mát thơng tin) chuyển từ tương tự sang số ngược lại Do tính chất tỉ lệ liệu giấu cao nên phương pháp thích hợp cho việc giấu thơng tin mật, nơi mà tính bền vững quan tâm Kỹ thuật giấu tin sử dụng cho thuật tốn thủy vân chống xun tạc tính chất dễ bị phá vỡ trước công hệ thủy vân 2.6 Vấn đề giải pháp Có thể khẳng định phương pháp chèn vào bit quan trọng tốt cho giấu tin mật Tuy nhiên điểm yếu phương pháp tính dễ dàng q trình giải tin Chúng ta khơng muốn kẻ cơng có chủ ý đọc thông tin mà gửi Điều hồn thiện hai kỹ thuật bổ trợ sau: - Mã hóa thơng điệp trứớc nhúng, điều làm cho sau lấy thơng tin phải tiến hành giải mã hiểu thơng điệp - Xác định ngẫu nhiên vị trí bit thay đổi dựa vào hàm mật mã ngẫu nhiên, khó thành lập lại thơng điệp mà khơng biết chế gieo hàm ngẫu nhiên Theo cách này, thơng điệp giấu bảo vệ hai khóa khác nhau, đạt độ an tồn cao trước Điều gần bảo vệ tồn vẹn thông điệp, làm cho việc giả mạo thông điệp trở nên khó khăn (độ phức tạp tính tốn cao, không triển khai được) Dù nữa, không muốn thông điệp 10 bị mã hóa thay đổi phải tiến hành kênh truyền thơng ẩn Có hai vấn đề quan trọng kỹ thuật : việc chọn ảnh chọn định dạng ảnh (24 bit, bit, nén hay không nén) Trước tiên ảnh chọn phải ngẫu nhiên, chủ định phải chọn từ tập ảnh mà có lý thích hợp để chuyển từ người gửi đến người nhận Điều tránh nghi ngờ không gây ý từ đối phương Tiếp theo đó, ảnh chọn phải có nhiều màu sắc khác nhau, phải “noisy” (khơng đơn điệu), mà việc thêm thơng tin nhiễu vào che đậy tính chất “noisy” trước Các ảnh có thay đổi màu sắc (có cấu trúc ảnh vững chắc) khó giấu thơng tin giấu tin dễ gây ý đối phương Vấn đề thứ hai liên quan đến kích thước file ảnh để giấu tin, điều bao gồm định dạng file ảnh Thông thường để tăng thông tin giấu, ta sử dụng file ảnh có kích thước lớn làm liệu chứa ảnh (được chứa file) có nhiều khơng gian để giấu tin Tuy nhiên việc trao đổi ảnh có kích thước lớn cách khơng bình thường hai người dễ gây tị mị ý đối phương Ví dụ, ảnh thơng thường internet có kích thước 500*300 = 150000 điểm ảnh có kích thước là: - Ảnh 24 bit màu : 150000 pixel *24 bits/ pixel/8 bits/byte = 90000 byte - Ảnh bit màu : 150000 pixel *8 bits/ pixel/8 bits/byte = 15000 byte Quan sát kích thước file ảnh ta thấy ảnh màu 24 bit khơng nén, kích thước 90000 byte kích thước khơng bình thường việc khơng nén 11 gửi điều lạ thực tế ảnh nén trước gửi chất lượng ảnh thay đổi khơng đáng kể kích thước file ảnh giảm tăng hiệu suất truyền tin (thời gian truyền nhanh hơn) Để khắc phục điều này, ta biến đổi chút theo thuật toán nén JPEG chèn bit quan trọng vào vùng mà việc nén ảnh làm mát thơng tin điều khiển việc làm tròn hệ số phép biến đổi Cosin rời rạc sử dụng nén ảnh Nếu muốn liên lạc giấu tin phương pháp chèn vào bit quan trọng, cần phải có ảnh có kích thước file nhỏ, hay nói cách khác chúng phải sử dụng đến ảnh bit kích thước file ảnh bình thường gây ý cho đối phương Đối với ảnh 256 màu sử dụng bảng màu xác định theo số việc thay đổi bit quan trọng đồng nghĩa với việc chuyển pixel từ vị trí sang vị trí gần kề khác Nếu có tương phản màu sắc hai vị trí gần kề bảng màu điều dẫn đến điểm ảnh ảnh thay đổi màu cách bất ngờ thơng điệp giấu trở nên dễ dàng phát Để giải vấn đề này, nhiều phương pháp nghiên cứu xếp lại bảng màu cho hai giá trị màu bảng màu không tương phản hay giảm số màu bảng màu xuống tái tạo lại thành phần giống bảng màu vị trị gần kề nhau, khác trước sau nhúng thông điệp ảnh chứa trở nên khó phát Các kết thực nghiệm thực tế cho thấy việc chèn vào bit quan trọng sử dụng ảnh bit xám khó phát hệ thống thị giác người có thay đổi giá trị bảng màu chúng 12 II Các bước thực kĩ thuật giấu tin LSB Các bước thực lý thuyết Cách thay LSB cách đơn giản để nhúng thông tin vào tệp đa phương tiện (âm thanh, hình ảnh, video, …) Phương pháp LSB cho phép lượng lớn liệu nhúng, tốc độ truyền liệu nhanh Để thực phương pháp người giấu tin cần thực thao tác sau: - Bước 1: Lựa chọn đối tượng để giấu tin (giấu hình ảnh, âm thanh, video, …) - Bước 2: Đọc file gốc đối tượng cần giấu thông tin vào bên Chia file gốc thành segment Thông thường, người giấu tin chia file thành segment dựa độ dài bit thông tin cần giấu Sau segment vector giá trị tín hiệu, lưu vào mảng chiều để thực giấu tin - Bước 3: Chuyển đổi thơng tin cần giấu sang dạng nhị phân, tính độ dài bit thông tin lưu vào L - Bước 4: Chọn k số bit LSB tín hiệu âm giấu cho phù hợp - Bước 5: Chia chuỗi bit thông điệp thành chuỗi có độ dài k bit Trong L đó, chuỗi thay vào k bit LSB k tín hiệu để giấu đủ L bit thông điệp - Bước 6: Thực giấu L bit tính vào segment - Bước 7: Lưu lại tệp kết F’ thông tin giấu 13 Ví dụ thực thực tế Ví dụ thực áp dụng kĩ thuật giấu tin LSB để nhúng thông tin quyền tạo ảnh watermark vào ảnh Các bước thực bao gồm: - Bước 1: Đọc ảnh gốc - Bước 2: Đọc thông tin quyền - Bước 3: Nhúng thông tin quyền tạo ảnh watermark Ở sử dụng ngơn ngữ lập trình C Có thể dùng ngơn ngữ khác tùy theo người giấu Hình 2: Ảnh watermark Hình 3: Ảnh gốc 14 2.1 Code để nhúng watermark kết #include #include #include #include #include int *alloc_int_1D(int rows); void free_int_1D(int *array); int main(int argc, char** argv) { int i, j, n = 0; IplImage* img; IplImage* img1; FILE *fp; int fp_size; int *wm; char* filename = argc >= ? argv[1] : (char*)"Girl.jpg"; char* outfilename = argc >=2 ? argv[2] : (char*)"Girl.emb.jpg"; if( (img = cvLoadImage( filename, 1)) == ) return -1; img1 = cvCreateImage( cvGetSize(img), IPL_DEPTH_8U, 3); fp = fopen( " /experimentalResults/originalWatermarks/titech.gray", "rb" ); if( fp == NULL ) { puts( "titech.graycant not complete" ); return -1; } fseek(fp, 0L, SEEK_END); fp_size = ftell(fp); 15 fseek(fp, 0L, SEEK_SET); wm = (int *)alloc_int_1D(fp_size); for(i = 0; i < fp_size; i++){ wm[i] = fgetc(fp); } CvScalar s,s1; int h=img->height; int w=img->width; for(i=0; iheight; int w=img->width; for(i=0; i