GIẤU TIN TRONG ẢNH và ỨNG DỤNG TRONG AN TOÀN bảo mật THÔNG TIN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thanh Cường GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG TRONG AN TỒN BẢO MẬT THƠNG TIN KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cơng nghệ thông tin HÀ NỘI 0- 2009 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thanh Cường GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG TRONG AN TOÀN BẢO MẬT THƠNG TIN KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Cán hướng dẫn : TS Hồ Văn Canh HÀ NỘI - 2009 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Hồ Văn Canh, người gợi mở hướng dẫn em vào tìm hiểu đề tài giấu tin ảnh Người thầy hết lòng giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hồn thành khóa luận Em xin cảm ơn thầy, cô trường Đại học Công Nghệ -Đại học Quốc Gia Hà Nội dậy dỗ chúng em, giúp đỡ động viên chúng em từ ngày đầu chập chững bước vào cánh cổng trường Đại học Thầy cô tạo cho chúng em môi trường học tập, điều kiện thuận lợi cho chúng em học tập tốt, trang bị cho chúng em kiến thức quý báu giúp chúng em vững bước tương lai Cảm ơn bạn lớp giúp đỡ, nghiên cứu chia sẻ suốt năm học Đại học Cuối cùng, xin gửi mn vàn lời u thương, lịng biết ơn tới người thân yêu tôi! Hà Nội, 2009 Nguyễn Thanh Cường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tóm tắt nội dung Luận văn trình bày số khái niệm liên quan tới việc che giấu thơng tin nói chung, cụ thể giấu thơng tin ảnh số trình bày thuật toán giấu tin ảnh đen trắng, sở phát triển thuật tốn cho việc giấu tin ảnh màu ảnh đa cấp xám Giấu thông tin chia làm hai hướng lớn thủy vân số (watermarking) giấu tin mật (steganography) Trong luận văn chủ yếu nghiên cứu theo hướng giấu tin mật ảnh Với thuật toán giấu tin mật ảnh mầu tính vơ hình thơng tin sau giấu đảm bảo, thông qua việc chọn tham số đảm bảo độ an toàn để giấu tin, biến đổi không gây ý đáng kể Ảnh sau giấu tin xuất điểm ảnh có màu sắc khác so với điểm ảnh xung quanh với thị giác người khơng thể phân biệt khác Trong khóa luận cịn trình bày số kĩ thuật giấu tin ảnh xây dựng chương trình demo giấu tin ảnh bitmap theo kĩ thuật giấu tin Chen-Pan-Tseng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1  Tóm tắt nội dung 2  MỤC LỤC 3  MỞ ĐẦU .5  CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 6  1.1 Giới thiệu chung giấu thông tin 6  1.2 Các khái niệm giấu thông tin ảnh số 8  1.3 Một số đặc điểm việc giấu thông tin ảnh số 10  1.3.1 Tính vơ hình thơng tin 10  1.3.2.Tính bảo mật 10  1.3.3.Tỷ lệ giấu tin 11  1.3.4.Lựa chọn ảnh 11  1.3.5 Ảnh mơi trường q trình giải mã 11  CHƯƠNG GIẤU TIN TRONG ẢNH 15  2.1 Giới thiệu chung 15  2.2 Các đặc trưng giấu thông tin ảnh 17  2.3 Sự khác giấu tin ảnh đen trắng với ảnh màu 19  2.4 Các thuật toán giấu tin ảnh 21  2.4.1 Giấu tin ảnh thứ cấp 21  2.4.2.Các kỹ thuật giấu tin ảnh thứ cấp 26  2.4.3 Giấu tin ảnh màu ảnh đa cấp xám 41  2.4.4 Kết thực nghiệm đánh giá 47  CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH 49  3.1 Môi trường làm việc 49  LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3.2 Ngơn ngữ thực thuật tốn 49  3.3 Tổ chức thực chương trình 49  3.3.1 Qui trình thực 50  3.3.2 Các giao diện chương trình kết đạt 51  KẾT LUẬN 55  TÀI LIỆU THAM KHẢO 57  LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ ngành khoa học công nghệ thông tin, internet trở thành nhu cầu, phương tiện thiếu người, việc truyền tin qua mạng ngày lớn Tuy nhiên, với lượng thơng tin truyền qua mạng nhiều nguy liệu bị truy cập trái phép tăng lên vấn đề bảo đảm an tồn bảo mật thông tin cho liệu truyền mạng cần thiết Để đảm bảo an toàn bí mật cho thơng điệp truyền người ta thường dùng phương pháp truyền thống mã hóa thơng điệp theo qui tắc thỏa thuận trước người gửi người nhận Tuy nhiên, phương thức thường gây ý đối phương tầm quan trọng thông điệp Thời gian gần xuất cách tiếp cận để truyền thơng điệp bí mật, giấu thông tin quan trọng ảnh thông thường Nhìn bề ngồi ảnh có chứa thơng tin khơng có khác với ảnh khác nên hạn chế tầm kiểm soát đối phương Mặt khác, dù ảnh bị phát có chứa thơng tin với khóa có độ bảo mật cao việc tìm nội dung thơng tin khó thực Xét theo khía cạnh tổng qt giấu thơng tin hệ mã mật nhằm bảo đảm tính an tồn thơng tin, phương pháp ưu điểm chỗ giảm khả phát tồn thơng tin nguồn mang Khơng giống mã hóa thông tin chống truy cập sửa chữa cách trái phép thông tin, mục tiêu giấu thông tin làm cho thông tin trộn lẫn với điểm ảnh Điều đánh lừa phát tin tặc làm giảm khả bị giải mã Kết hợp kỹ thuật giấu tin với kỹ thuật mã hóa ta nâng cao độ an tồn cho việc truyền tin LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 1.1 Giới thiệu chung giấu thông tin Giấu thông tin kỹ thuật nhúng liệu vào nguồn đa phương tiện gọi mơi trường, ví dụ file âm thanh, ảnh động, ảnh tĩnh Mục đích che giấu thông tin làm cho liệu trở lên khơng thể nghe thấy hay nhìn thấy Điều có nghĩa đối phương khơng nhận thấy tồn liệu nhúng dù có lắng nghe hay cố gắng nhìn thật cẩn thận vào mơi trường có giấu liệu Mỗi kỹ thuật giấu tin gồm : - Thuật toán giấu tin - Bộ giải mã thơng tin Thuật tốn giấu tin dùng để giấu thông tin vào phương tiện mang cách sử dụng khóa bí mật dùng chung người mã người giải mã, việc giải mã thơng tin thực có khoá Bộ giải mã phương tiện mang chứa liệu trả lại thơng điệp ẩn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá Phương tiện mang Thông tin giấu Thông tin giấu Nhúng thông tin vào phương tiện chứa Phân phối mạng Bộ giải mã Khố Lược đồ chung cho giấu thơng tin Hình vẽ biểu diễn trình giấu tin Phương tiện chứa bao gồm đối tượng dùng làm môi trường để giấu tin text, audio, video, ảnh …, thơng tin giấu mục đích người sử dụng Thông tin giấu lượng thơng tin mang ý nghĩa ảnh, logo, đoạn văn bản… tùy thuộc vào mục đích người sử dụng Thông tin giấu phương tiện chứa nhờ nhúng, nhúng chương trình, triển khai thuật tốn để giấu tin thực với khóa bí mật giống hệ mã cổ điển Sau giấu tin ta thu phương tiện chứa phương tiện chứa tin giấu phân phối sử dụng mạng Sau nhận đối tượng phương tiện có giấu thơng tin, q trình giải mã thực thông qua giải mã tương ứng với nhúng thơng tin với khóa q trình nhúng Kết thu dược gồm phương tiện chứa gốc thông tin giấu Bước thông tin giấu xử lý kiểm định so sánh với thông tin giấu ban đầu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com việc khối ảnh ta thay đổi nhiều điểm ảnh khiến khả phân biệt ảnh gốc ảnh kết khó khăn 2.4.3.2 Ảnh nhỏ bit màu: Những ảnh thuộc loại gồm có ảnh 16 bit màu (4 bit màu) ảnh 256 màu (8 bit màu ) Khác với ảnh đa cấp xám, ảnh màu với số bit màu nhỏ luôn bảng màu Những màu liền kề bảng màu khác chẳng hạn màu đen với màu trắng xếp cạnh Vì việc xác định bit LSB ảnh loại khó Nếu ta làm ảnh xám, tức lấy bit cuối điểm ảnh để tạo thành ảnh thứ cấp thay đổi 0→1 1→0 ảnh thứ cấp làm cho màu điểm ảnh cũ tương ứng thay đổi nhiều dù số màu chúng tăng giảm mà Để khắc phục khó khăn này, ta lại bảng màu ảnh môi trường cho màu liên tiếp khác cách so sánh thành phần màu cặp điểm màu với Tuy nhiên màu điểm ảnh vecto thành phần không thứ tự nên việc so sánh mang tính chất tương đối Q trình lại bảng màu tiến hành sau : B1: Chọn màu bảng màu, giả sử màu A(x,y,z) để đưa vào vị trí bảng màu x thành phần Red, y thành phần Green, z thành phần Blue B2: Duyệt tất màu lại bảng màu, với màu B(m,n,p) chưa ta tính đại lượng s(A,B) = sqrt[(x-m)2 + (y-n)2 + (z-p)2 ] B3: Chọn màu B có s(A,B) nhỏ để xếp cạnh màu A bảng màu, quay lại bước để tiếp tục tìm màu chưa gần với B 43 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com B4: Quá trình kết thúc màu bảng màu Sau bảng màu ta lại thay đổi lại số điểm màu ảnh màu điểm không bị thay đổi Chẳng hạn sau lại bảng màu, màu có số 15 bảng màu cũ mang số 80 bảng màu điểm ảnh có giá trị 15 phải đổi thành 80 So với ảnh 16 bit màu 24 bit màu, ảnh bit màu ảnh bit màu khó giấu thơng tin việc thay đổi dù bit điểm ảnh dẫn đến thay đổi nhận thấy màu sắc cuả điểm ảnh, cho dù bảng màu điểm ảnh Tuy nhiên dựa vào đặc điểm ảnh sử dụng tất màu bảng màu để thị ảnh ta sử dụng màu khơng dùng đến kết hợp với việc bảng màu để làm mịn ảnh kết Để biết màu dùng, màu khơng dùng đến bảng màu ta duyệt tồn màu bảng đánh dấu màu có số xuất liệu ảnh Giả sử bảng màu có màu C khơng dùng đến với điểm màu A tìm thấy màu B có sử dụng bảng màu để cạnh A mà giá trị s(A,B) lớn ngưỡng ta chèn màu C vào ô màu A B đồng thời đổi lại màu ô C cho giống A B Trường hợp số màu sử dụng nhỏ 86 màu (đối với ảnh 256 màu) hay nhỏ (đối với ảnh 16 màu) việc lại bảng màu cho ta kết giấu tin đẹp Khi q trình lại bảng màu tiến hành theo bước sau: B1: Duyệt bảng màu để xác định màu có sử dụng, màu không sử dụng 44 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com B2: Sắp màu có sử dụng vào vị trí thứ 3*k bảng màu với k=0,1,2,……(vị trí bảng màu vị trí thứ 0) Chèn màu khơng dùng đến vào vị trí cịn lại bảng màu B3: Với màu A(x,y,z) có sử dụng đến nằm vị trí 3*k bảng màu mới, ta copy màu A vào ô màu nằm vị trí 3*k+1 vào màu nằm vị trí 3*k-1 B4: Chỉnh lại số màu điểm ảnh để thu ảnh giống hệt ảnh cũ hiển thị B5: Quá trình lại bảng màu cho ta ảnh không khác ảnh cũ hiển thị, nhiên cần có khác mặt giá trị Tiến hành giấu tin ảnh thứ cấp ảnh vừa thu cách tách bit cuối điểm ảnh Việc đảo bit ảnh thứ cấp làm cho giá trị điểm ảnh tăng giảm 1, tức điểm ảnh mang màu có số 3*k+1 3*k-1 (giá trị cũ 3*k), hai ô có màu ô 3*k nên điểm ảnh khơng có thay đổi màu sắc so với điểm ảnh cũ Như ảnh có kết khơng có nhiễu, tức ảnh giống hệt Một hướng khác giấu tin ảnh nhỏ bit màu ta giấu thông tin vào bảng màu Tức thay tách bit LSB điểm ảnh ta tách bit LSB bảng màu thực trình giấu tin bit vừa thu Quá trình tương tự ta giấu tin ảnh 24 bit màu với kích thước ảnh 256 điểm ảnh (ảnh bit màu), lượng thơng tin giấu bị giới hạn kích thước bảng màu Chẳng hạn ảnh bit màu, chọn kích thước khối 10*10, r=4, lấy từ ô màu bit ta giấu lượng thông tin cực đại 28 bit thuật tốn Tuy nhiên giải pháp có hạn chế ảnh kết có bảng màu đặc biệt, dễ gây nghi ngờ giống ô màu liên tiếp bảng màu Hơn nữa, bảng màu bị xếp lại điều chỉnh lại phần mềm xử lý ảnh 45 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trình hiển thị hay lưu lại ảnh dẫn đến thơng tin giấu bị không khôi phục lại 2.4.3.3 Ảnh hi - color (16 bit màu) Ảnh 16 bit màu thực tế sử dụng 15 bit cho điểm ảnh bit biểu diễn cường độ tương đối màu đỏ, bit biểu diễn cường độ tương đối màu xanh lam, bit biểu diễn cường độ tương đối màu xanh lơ Còn lại bit không dùng đến bit cao byte thứ hai cặp hai byte biểu diễn điểm ảnh, bit LSB ảnh 16 bit màu Việc thay đổi giá trị bit không ảnh hưởng tới màu sắc điểm ảnh ảnh mơi trường Do ta chọn bit để tạo thành ảnh thứ cấp sau biến đổi thu ảnh kết khơng có nhiễu Nếu lấy bit để tạo thành ảnh thứ cấp lượng thơng tin bị hạn chế Chẳng hạn ảnh 256 màu kích thước 200*200 pixel có số màu sử dụng nhỏ 86 màu giấu lượng thông tin lượng thông tin mà ảnh 16 bit màu kích thước giấu được, kích thước tính byte ảnh 256 màu nửa ảnh 16 bit màu Hơn hai ảnh môi trường đề cho ảnh kết khơng có nhiễu Để tăng lượng thơng tin giấu ảnh 16 bit màu ta lấy nhiều bit từ điểm ảnh Nếu đánh số 16 bit cặp hai byte biểu diễn điểm ảnh từ bit thấp byte thứ tới bit cao byte 8, bit thấp byte thứ hai đánh số bit cao byte 16, trước hết ta lấy bit thứ 16, sau lấy bit đánh số 1,6 11 để tạo thành ảnh thứ cấp Khi trả ảnh thứ cấp cho ảnh môi trường ta theo thứ tự để trả bit vị trí 2.4.3.4 Ảnh true color (24 bit màu) Ảnh true color sử dụng byte cho điểm ảnh, byte biểu diễn mộ thành phần cấu trúc RGB Trong byte bit thấp ảnh hưởng tới màu 46 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com điểm ảnh Vì bit cuối byte phần liệu ảnh LSB ảnh true color Để tăng lượng thông tin giấu vào ảnh môi trường, từ byte ảnh true color ta lấy nhiều bit để tạo thành ảnh thứ cấp.Thông thường nên lấy nhiều bit cuối byte để ảnh không bị nhiễu đáng kể, lượng thơng tin tối đa giấu ảnh tăng gấp lần so với lượng thông tin tối đa giấu ảnh lấy bit cuối byte Nhờ vậy, lượng thông tin giấu ảnh màu tương đối lớn Chẳng hạn ảnh Kodak Photo CD với độ phân giải 2048*3072 điểm ảnh 24 màu theo định dạng RGB giấu 180.000 byte liệu tách từ byte biểu diễn thành phần màu điểm ảnh bit Bằng kết thực nghiệm ta thấy việc thay toàn bit cuối byte phần liệu ảnh true color không gây khác biệt nhiều so với ảnh gốc Điều làm ta nghĩ tới việc thay toàn bit bit liệu thông tin cần giấu lượng thơng tin giấu lớn, đạt tới phần tám kích thước ảnh mơi trường Tuy nhiên, phương pháp thay đơn giản cho độ an tồn khơng để có thơng tin giấu cần tách bit cuối byte ảnh kết Mặc dù vậy, hướng đem lại nhiều kết khả quan khắc phục yếu điểm độ an toàn Một cách giải sử dụng thêm khóa thay để biến đổi thông tin trước giấu áp dụng giải thuật di truyền (Ran-zan Wang, Chi-Fang Lin, ja-Chen Lin Đại học quốc gia Chiao Tung, Đài loan) 2.4.4 Kết thực nghiệm đánh giá Thuật tốn giấu thơng tin ảnh trình bày cho phép giấu nhiều [log2(mmn+1)] bit liệu vào khối ảnh kích thước m*n, tức với m*n bit 47 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com mơi trường giấu [log2(mmn+1)] bit liệu Do với kích thước khối cố định tỷ lệ giấu liệu lớn là: f = log (mn + 1) mn Nhận thấy hàm đơn điệu giảm theo m*n, muốn có tỉ lệ giấu tin lớn m*n nhỏ Tuy nhiên, ta cần lưu ý độ an tồn thơng tin lại phụ thuộc tỉ lệ thuận vào kích thước mà ta dùng: kích thước khối lớn độ an tồn cao Do tỉ lệ giấu tin tỉ lệ nghịch với độ an toàn lại giảm tỉ lệ giấu tin ngược lại, kích thước khối nhỏ làm tăng tỉ lệ giấu tin lại làm giảm độ an toàn Thơng thường ta nên chọn kích thước khối cho [log2(mn+1)] = 4, tức giấu hay bit liệu vào khối ảnh kích thước mn Dưới số kết thu đến tiến hành giấu tin vào ảnh đen trắng, ảnh màu ảnh đa cấp xám với kích thước khối bit giấu tin 16*16, r=8: - Đối với ảnh bit màu kích thước 200*200, điểm ảnh lấy bit để giấu thông tin vào cho ta giấu khoảng 240 byte Chất lượng ảnh sau giấu có thay đổi nhỏ với thị giác người khơng thể phân biệt thay đổi - Cịn với ảnh 16 bit màu có kích thước 2008200, điểm ảnh byte ta lấy bit có trọng số cao phía bên trái byte thứ để giấu tin Ảnh có dung lượng khoảng 240 byte giống ảnh bit màu Nhưng chất lượng ảnh sau giấu khơng có thay đổi - Ảnh 24 bit màu có kích trên, điểm ảnh chứa byte Mỗi byte tách k bit dung lượng ảnh sau giấu khoảng 3k*140 bit chất lượng sau giấu có thay đổi nhỏ 48 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH 3.1 Mơi trường làm việc Mơi trường làm việc chương trình window XP 3.2 Ngơn ngữ thực thuật tốn Việc chọn ngơn ngữ lập trình cho tốn vấn đề quan trọng để giải toán ngơn ngữ lập trình có ưu điểm nhược điểm định Chương trình ta sử dung đối tượng ảnh việc hiển thị ảnh khơng phải vấn đề chính, thao tác nói chung dựa bit liệu ảnh với số lượng tương đối lớn Vì vấn đề thời gian nhớ cần lưu ý Việc lựa chon ngơn ngữ lập trình C++ với trình biên dịch Microsoft Visual C++ làm việc mơi trường windows tương đối phù hợp với phạm vi luận văn 3.3 Tổ chức thực chương trình Chương trình thiết kế, cài đặt với mục đích thể thuật tốn giấu tin ảnh đen trắng, sở phát triển thuật tốn cho việc giấu tin ảnh màu ảnh đa cấp xám Input: - F ma trận nhị phân cấp m*n dùng làm môi trường giấu tin - K ma trận nhị phân cấp m*n dùng ma trận khóa để nâng cao độ bảo mật - W ma trận trọng số cấp m*n dùng để nâng cao khả giấu tin ảnh F Các thành phần w ( ký hiệu phần tử hàng i, cột j ma trận [w]i,j cần thỏa mãn điều kiện: 49 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com {[w]i,j | i= ,2…m, j=1,2…n} = { 1,2….,q-1} - b giá trị nguyên cần giấu vào F Giá trị b thỏa mãn điều kiện 0