Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật và thủy vân ảnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG………………… LUẬN VĂN Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật thủy vân ảnh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật thủy vân ảnh 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 mật thuỷ vân ảnh Người hết lòng giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hồn thành khố luận Em xin cảm ơn thầy, cô trường Đại học Dân lập Hải Phòng dậy dỗ chúng em, giúp đỡ động viên chúng em từ ngày đầu chập chững bước chân 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 giúp đỡ, nghiên cứu chia sẻ suốt năm học Đại học Hà Nội, 2009 Lê Thị Hải Yến Lê Thị Hải Yến_Lớp CT901 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khố luận tốt nghiệp Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật thủy vân ảnh Mục lục LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Mở đầu 1.2 Những khái niệm 1.2.1 Những quy ước 1.2.2 Những tính chất steganography watermarking 1.2.2.1 steganography 1.2.2.2 Watermarking 1.3 Một số ứng dụng xu hướng phát triển 10 CHƢƠNG 2: STEGANOGRAPHY SECURITY (MỨC ĐỘ AN TOÀN CỦA GIẤU TIN MẬT) 11 2.1 Khái quát chung 11 2.2 Dung lượng chứa thông tin ẩn(steganography capacity) 12 2.3 Các kỹ thuật giấu tin mật ảnh (image steganography ) 13 2.3.1 Nhúng tin miền không gian (Spatial Domain Embedding) 13 2.3.2 Nhúng thông tin miền biến đổi(Transform Domain Embedding) 13 CHƢƠNG 3: GIẤU TIN TRÊN ẢNH TĨNH 15 3.1 Giấu tin ảnh đặc trưng tính chất 15 3.1.1 Phương tiện chứa có giữ liệu tri giác tĩnh 15 3.1.2 Kỹ thuật giấu phụ thuộc vào ảnh 15 3.1.3 Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống thị giác người (HSV) 15 3.1.4 Giấu thông tin ảnh tác động lên liệu ảnh khơng thay đổi kích thước ảnh 16 Lê Thị Hải Yến_Lớp CT901 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khố luận tốt nghiệp Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật thủy vân ảnh 3.1.5 Đảm bảo yêu cầu chất lượng ảnh sau giấu thông tin 16 3.1.6 Thông tin ảnh bị biến đổi có biến đổi ảnh 17 3.1.7 Cần thiết ảnh gốc giải mã ảnh? 17 3.2 Giấu thông tin ảnh đen trắng, ảnh màu ảnh đa cấp xám 18 3.3 Cấu trúc ảnh BITMAP 19 3.4 Một số kỹ xử lý ảnh kỹ thuật giấu tin 22 CHƢƠNG 4: MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH ĐEN TRẮNG VÀ ẢNH MÀU 30 4.1 Một kỹ thuật giấu tin đơn giản 30 4.1.1 Ý tưởng 30 4.1.2 Thuật toán giấu tin 30 4.1.3 Phân tích thuật tốn 33 4.1.4 Cài đặt 35 4.1.5 Vấn đề áp dụng thuật toán ảnh đen trắng ảnh màu, ảnh đa cấp xám 38 4.2 Kỹ thuật giấu WU_LEE 42 4.2.2 Phân tích thuật toán 46 4.2.3 Cài đặt 47 4.3 Kỹ thuật giấu tin CHEN_PAN_TSENG(CPT) 48 4.3.1 Một số khái niệm dùng thuật toán: 49 4.3.2 Thuật toán 50 4.3.3 Chứng minh tính đắn thuật tốn 55 4.2.4 Độ an toàn thuật toán 57 4.3.5 Phân tích đánh giá thuật tốn 59 CHƢƠNG 5: THỦY VÂN SỐ TRÊN ẢNH TĨNH 60 Lê Thị Hải Yến_Lớp CT901 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khố luận tốt nghiệp Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật thủy vân ảnh 5.1 Giới thiệu chung kỹ thuật thủy vân 60 5.1.1 Watermarking Steganography 60 5.1.2 Các yêu cầu hệ thủy vân ảnh 62 5.1.3 Những công hệ thủy vân 64 5.2 Những khuynh hướng tiếp cận thủy vân 66 5.2.1 Hướng tiếp cần dựa miềm không gian ảnh 66 5.2.2 Hướng tiếp cận dựa miền tần số ảnh 67 5.3 Một số kỹ thuật bổ trợ cho kỹ thuật thủy vân số ảnh tĩnh 68 5.3.1 Các phép biến đổi miền không gian ảnh sang miền tần số 69 5.3.1.1 Phép biến đổi Fourier rời rạc 69 5.3.1.2 Phép biến đổi cosin rời rạc 70 5.3.1.3 Phép biến đổi sóng lăn (Wavelet) 73 5.3.2 Kỹ thuật sinh chuỗi giả ngẫu nhiên 74 5.3.3 Các kỹ thuật trải phổ truyền thông 75 5.3.4 Các thuật toán kiểm định thủy vân 77 CHƢƠNG 6: GIỚI THIỆU MỘT SỐ KỸ THUẬT THỦY VÂN TRÊN ẢNH 78 6.1 Một số kỹ thuật thuỷ vân miền tần số 78 6.1.1 Kỹ thuật 78 6.1.1.1 Mơ tả thuật tốn 78 6.1.1.2 Quá trình Watermarking 79 6.1.1.3 Quá trình giải nhúng để lấy lại thông tin: 80 6.1.1.4 Chứng minh tính đắn thuật tốn 80 6.1.1.5 Kết luận 81 KẾT LUẬN 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 Lê Thị Hải Yến_Lớp CT901 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khố luận tốt nghiệp Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật thủy vân ảnh LỜI MỞ ĐẦU Các kỹ thuật đảm bảo an tồn thơng tin cho thông tin liên lạc số chia thành loại (Categories) Đó mật mã (Cryptography), giấu tin mật (Steganography) thủy vân số (watermarking) Mỗi loại có ứng dụng mục tiêu khác đảm bảo an tồn cho việc truyền tin mật kênh khơng an tồn Các kỹ thuật Cryptography steganography nói chung dùng để truyền thông tin nhạy cảm (confidential infomation) hai hay nhiều thực thể nhóm với Tuy nhiên chúng có khác Cryptography sử dụng phép biến đổi toán học để mã hóa thơng điệp, biến thơng điệp đọc có nghĩa thành dãy giả ngẫu nhiên, mà người ta gọi mã, để truyền mạng cơng cộng đến người nhận có chủ đích Đó hai người chẳng hạn Alice Bob liên lạc mật với Wendy không đọc nội dung thông tin Wendy rõ ràng biết Alice Bob có ý đồ “đen tối” Ngược lại, với steganography Wendy khơng thể biết Alice Bob có liên lạc truyền thơng tin mật cho Để đảm bảo điều này, Alice Bob sử dụng vật trung gian số audio, video, images… Trong phạm vi nghiên cứu, ta giả thiết vật trung gian ảnh số(ảnh đen trắng, ảnh màu ảnh đa cấp xám) Người ta lợi dụng độ “dư thừa” ảnh để nhúng (embedding) bít thơng điệp mật vào đó, “dư thừa” có thay đổi chút khơng làm thay đổi đến ảnh Để đảm bảo bí mật tuyệt đối người ta mã hóa thơng điệp trước thực nhúng chúng vào ảnh Lê Thị Hải Yến_Lớp CT901 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khố luận tốt nghiệp Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật thủy vân ảnh Còn thủy vân số(watermarking) nguyên lý tương tự steganography có khác mục đích ứng dụng Mục tiêu watermarking thông tin nhúng ảnh phải đảm bảo cho watermark bị dịch chuyển mà khơng phá hủy ảnh mang tin Watermaking thường ứng dụng lĩnh vực bảo vệ quyền Hiện mật mã học, steganography watermaking phát triển mạnh Trên giới có nhiều cơng trình nghiên cứu vấn đề trở thành hướng lĩnh vực An tồn thơng tin, chống giả mạo Ở nước lĩnh vực nghiên cứu năm gần kỷ 21, đươc quan tâm chủ yếu số viện nghiên cứu khoa học, số trường Đại học lớn viện công nghệ thông tin, trường Đại Học Công nghệ thuộc Đại Học Quốc Gia Hà Nội TP HCM, Đại Học Đà Nẵng Tin lĩnh vực nghiên cứu có nhiều hứa hẹn tương lai gần dần trở thành hướng lĩnh vực Bảo Đảm An tồn thơng tin có hiệu Chính vậy, em chọn đề tài : « ìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật thuỷ vân ảnh » làm đồ án tốt nghiệp Do hướng an tồn thơng tin trình độ em có phần hạn chế nên kết cịn nhiều thiếu sót, em kính mong góp ý, bảo thầy (cơ) Lê Thị Hải Yến_Lớp CT901 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khố luận tốt nghiệp Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật thủy vân ảnh CHƢƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mở đầu Giấu tin mật khoa học liên lạc “không nhìn thấy được” Nó khác với khoa học mật mã chỗ: Trong khoa học mật mã người ta tìm cách biến đổi thơng điệp có ý nghĩa thành dãy giả ngẫu nhiên để liên lạc với mạng cơng cộng mà người ngồi ( người không phép chia sẻ thông tin thơng điệp đó) thu hữu dãy ngẫu nhiên khó lịng chuyển dãy thành thơng điệp ban đầu khơng có “khóa” tay Trong lúc kỹ thuật giấu tin mật(steganography) lại tìm cách ẩn giấu thơng điệp vào phương tiện số khác (như audio, video, images…) mà người ngồi khó phát hữu thông điệp phương tiện số đó, người ta có phương tiện tay Phương tiện dùng để giấu tin gọi phương tiện gốc (Cover-objects) Cịn phương tiện gốc chứa thơng tin cần giấu gọi phương tiện mang tin (Stego-Objects) Việc giấu thơng tin mật có ý nghĩa quan trọng an ninh, thơng tin có tính chất Quốc gia Hiện bọn khủng bố Quốc tế quan tình báo nước ứng dụng thành công kỹ thuật để phục vụ mục tiêu họ Một hướng phát triển kỹ thuật Thủy vân số (Watermaking) Hướng nghiên cứu phát triển nhanh, chủ yếu phục vụ cho kinh tế-xã hội (như để bảo vệ quyền…) Do mục tiêu hai kỹ thuật khác nên yêu cầu chúng khác Trong đề tài luận văn, hai kỹ thuật (steganography watermarking) tập trung nghiên cứu tìm hiểu Hiện hai Lê Thị Hải Yến_Lớp CT901 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật thủy vân ảnh trường hợp steganography watermarking phát triển mạnh giới Tuy nhiên phạm vi đồ án tốt nghiệp, em tập trung tìm hiểu kỹ thuật giấu tin ảnh tĩnh cho hai trường hợp steganography watermarking 1.2 Những khái niệm 1.2.1 Những quy ƣớc Ảnh môi trường hay đơi cịn gọi ảnh gốc (cover image) ảnh (đối tượng) chứa mang thông tin nhúng Nó ảnh đen trắng, ảnh màu ảnh đa cấp xám Trong nghiên cứu ảnh mơi trường ký hiệu C Nếu có nhiều ảnh môi trường, chúng ký hiệu C1, C2… Ảnh stego (stego image) ảnh có chứa thơng tin mật Ta thường gọi ảnh có chứa thơng tin ẩn ký hiệu S Nếu có nhiều stego image ta ký hiệu S1, S2… Để tiện cho việc trình bày, ta gọi hai người liên lạc với Alice Bob cịn người thứ Wendy khơng biết hữu thông điệp ảnh mà Alice Bob trao đổi với 1.2.2 Những tính chất steganography watermarking 1.2.2.1 steganography Khả nhận biết (impercetibility) Khả chứa nhiều thông tin (capacity) Khả khơng thể dị-tìm Khả khơng thể nhận biết được, có nghĩa với người quan sát mắt thường phát ảnh có chứa thơng tin ẩn Đây tính chất quan trọng kỹ thuật steganography Lê Thị Hải Yến_Lớp CT901 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khố luận tốt nghiệp Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật thủy vân ảnh Khả chứa nhiều thông tin tính chất quan trọng kỹ thuật steganography Tính chất capacity có nghĩa lượng thơng tin cần nhúng nhiều tốt khơng vi phạm tính chất khác kỹ thuật steganography Cuối tính chất khơng thể dị tìm hiểu khả chống lại việc xác định ảnh có hay khơng có thơng tin ẩn kỹ thuật thống kê tốn học thơng thường Tính chất với tính chất “khơng thể nhận biết được” độ dài thơng điệp cần giấu đóng vai trị quan trọng cần thiết kỹ thuật steganography Ngoài ra, tốc độ giấu tính đến khơng phải tính chất cần có 1.2.2.2 Watermarking Do u cầu bảo vệ quyền, xác thực… nên giấu tin thủy vân có u cầu khác với giấu tin bí mật Yêu cầu dấu hiệu thủy vân phải đủ bền vững trước công vô tình hay cố ý gỡ bỏ Thêm vào dấu hiệu thủy vân phải có ảnh hưởng tối thiểu(về mặt cảm nhận) phương tiện chứa Vậy thông tin cần giấu nhỏ tốt Trọng tâm khóa luận nghiên cứu kỹ thuật giấu tin bí mật, để có nhìn đầy đủ lĩnh vực giấu tin, phần tổng quan chúng tối giới thiệu sơ lược thủy vân, lĩnh vực nghiên cứu phát triển mạnh có nhiều ứng dụng thực tế Lê Thị Hải Yến_Lớp CT901 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật thủy vân ảnh phẳng Z để biểu diễn Việc biểu diễn miền tần số rời rạc đặc biệt hiệu xuất thuật tốn tính tốn nhanh DFT ta gọi phép biến đổi Fourier nhanh FFT(Fast Fourier Transform) Định nghĩa phép biến đổi Fourier rời rạc cho tín hiệu hai chiều (ảnh số) Biến đổi Fourier rời rạc ảnh MxN:{u(m,n)} định nghĩa sau: N 1N u ((m, n) wNkm wNln v(k,l)= m 0n Với 0=2t +1 si = Ta biến đổi hai hệ số DCT b’(i,j) b’(p,q) sau: max(||b’(i,j)|,|b’(p,q)||) - (d- INT(0,25*a)) Giá trị d là: d’ = (||b’(i,j)|-|b’(p,q)|| - (d-(INT(0,25*a)) mod a d’= ((||b’(i,j)|-|b’(p,q)||) mod a) - (d mod a)+ (INT(0,25*a)mod a) d’= d-d + 0,25*a = 0,25*a < 0,5*a = 2t +1(dpcm) Hoặc ta sử dụng cách biến đổi khác hai hệ số DCT: min(||b’(i,j)|- |b’(p,q)||) + INT(1,25*a) - d Khi tính lại d ta được: d’ = (||b’(i,j)|-|b’(p,q)|| + INT(1,25*a) -d) mod a d’= (||b’(i,j))|-|b’(p,q)|| mod a)+ (INT(1,25*a) mod a) - (d mod a) d’ = d +INT(0,25*a) –d = INT(0,25*a) < 0,5*a = 2t+1 Vậy với phép biến đổi trên, ta thoả mãn điều kiện giấu tin 6.1.1.5 Kết luận Bài viết đề xuất thuật toán nhúng thuỷ vân vào ảnh tĩnh sử dụng kỹ thuật giấu tin miền biến đổi cosin rời rạc Ảnh chia thành khối 8×8, khối chọn cách ngẫu nhiên để nhúng thuỷ vân Mỗi khối áp dụng phép biến đổi cosin rời rạc để chuyển liệu tần số khối ảnh Miền tần số thấp khối ảnh chứng minh chứa liệu nhìn thấy ảnh, thay đổi liệu miền dẫn đến thay đổi Lê Thị Hải Yến_Lớp CT901 81 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khố luận tốt nghiệp Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật thủy vân ảnh đáng kể ảnh hiển thị Ngược lại, miền tần số cao chứa liệu ảnh không ảnh hưởng đáng kể đến tri giác ảnh Đây miền tần số cho phép thay đổi mà không gây nhiễu nhiều đến ảnh Tuy nhiên, thuỷ vân miền lại không bền vững với phép biến đổi ảnh thơng thường Với thuật tốn này, miền chọn để giấu tin miền có tần số tần số cao tần số thấp, kết thực nghiệm thuật toán cho thấy thuỷ vân đảm bảo tính chất ẩn ảnh bền vững số phép biến đổi ảnh thông thường Lê Thị Hải Yến_Lớp CT901 82 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khố luận tốt nghiệp Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật thủy vân ảnh KẾT LUẬN Cùng với giấu thông tin audio giấu thông tin video, kỹ thuật giấu thông tin ảnh hướng nghiên cứu thuật tốn giấu thông tin đạt kết khả quan Luận văn trình bày số khái niệm liên quan đến việc che giấu thông 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 Với thuật toán giấu tin ảnh màu tính vơ hình thông tin sau giấu đảm bảo, thông qua việc chọn m,n đủ lớn biến đổi không gây ý đáng kể Về mặt lý thuyết sau có lượng thơng tin giấu vào ảng gốc, để lại dù nhiều, dù dấu vết khác với ảnh gốc ban đầu Tuy nhiên sau thực kỹ thuật giấu tin, quan sát mắt thường dùng kỹ thuật thống kê đơn giản phân biệt đâu ảnh gốc đâu ảnh có chứa thơng tin ẩn Như kỹ thuật giấu tin mật vào ảnh tĩnh cho kết triển vọng thông tin liên lạc có bảo mật Cịn kỹ thuật Watermarking, em chưa thử nghiệm, song nguyên tắc kỹ thuật giấu tin mật kỹ thuật Watermarking khơng có khác Tuy nhiên, kỹ thuật Watermarking, để đảm bảo yêu cầu nó, thường người ta dùng ảnh JPEG làm ảnh mơi trường cần tìm hiểu thêm thuật toán biến đổi cosine rời rạc( DCT), trình độ em thời gian hạn chế nên em đành lướt qua vấn đề này, kỹ thuật Watermarking ứng dụng rộng rãi lĩnh vực kinh tế- xã hội Em kính mong thầy, thơng cảm, em xin chân thành cảm ơn Lê Thị Hải Yến_Lớp CT901 83 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khoá luận tốt nghiệp Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật thủy vân ảnh TÀI LIỆU THAM KHẢO Hồ Thị Hương Thơm- Luận án tiến sĩ toán học: Phát triển số kỹ thuật giấu liệu ảnh Ứng dụng trao đổi thông tin Luận văn tốt nghiệp cao học-Võ Văn Tùng-ĐHQG Hà Nội Giáo trình giấu tin thủy vân ảnh-Nguyễn Xuân Huy, Trần Quốc Dũng Đồ án tốt nghiệp đại học: Thiết kế cài đặt quy trình giấu tin ảnh màu-Phạm Văn Hòa Đồ án tốt nghiệp đại học: Xây dựng hệ thống bảo mật kỹ thuật giấu tin- Trần Giang Nam Đồ án tốt nghiệp đại học: Giấu tin ảnh ứng dụng an toàn bảo mật thông tin-Nguyễn Thanh Cường Yu-Yuan-Chen, Hsing-Kuang Pan, and Yu-Chee Tseng A secure Data Hiding Scheme for Two-Color Images Taiwan Lê Thị Hải Yến_Lớp CT901 84 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật thủy vân ảnh CHƢƠNG 4: MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH ĐEN TRẮNG VÀ ẢNH MÀU 4.1 Một kỹ thuật giấu tin đơn giản 4.1.1 Ý tƣởng Đây có lẽ kỹ thuật đơn giản kỹ thuật. .. Khố luận tốt nghiệp Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật thủy vân ảnh 3.4 Một số kỹ xử lý ảnh kỹ thuật giấu tin Trong phần mô tả số kỹ xử lý ảnh sử dụng kỹ thuật giấu tin Các kỹ thuật giới thiệu mô... nghiệp Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật thủy vân ảnh Giấu thông tin ảnh đen trắng Giấu thông tin ảnh màu ảnh xám Thông tin giấu it ảnh có Thơng tin giấu nhiều kích cỡ với ảnh màu Khả bị phát ảnh có