(TIỂU LUẬN) báo cáo bài tập lớn môn kĩ THUẬT GIẤU TIN giấu tin trên miền tần số DCT

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Báo Cáo Bài Tập Lớn MÔN KĨ THUẬT GIẤU TIN Giấu tin miền tần số DCT Giảng viên: ĐỖ XUÂN CHỢ Sinh viên: Nguyễn Văn Doanh - B18DCAT031 Nguyễn Chung Chính – B18DCAT028 Nguyễn Văn Hiếu – B18DCAT088 Hà Nội, 2022 Mục lục I Một số vấn đề giấu tin ảnh .3 1.1 Khái niệm yêu cầu kỹ thuật giấu ảnh: 1.2 Đặc trưng tính chất kỹ thuật giấu tin ảnh: 1.3 Phân loại kỹ thuật giấu tin ảnh: 1.4 Một số định dạng ảnh: II Phương pháp giấu tin miền không gian .8 2.1 Phương pháp thay Least Significant Bit ( LSB) – Bít quan trọng nhất: III 3.1 Tổng quan phương pháp DCT 13 Tổng quan: 13 3.2 Quy trình biến đổi DCT: 14 I Một số vấn đề giấu tin ảnh 1.1 Khái niệm yêu cầu kỹ thuật giấu ảnh: Giấu tin ảnh: kỹ thuật giấu tin mà thơng tin nhúng với liệu ảnh cho chất lượng ảnh bị thay đổi để mắt thường người khơng thể phát thay đổi Các kỹ thuật giấu tin ảnh bên cảnh việc phải đảm bảo tất tính chất kỹ thuật giấu tin yêu cầu Tính ẩn giấu tin chèn vào ảnh: Sự diện giấu tin ảnh không làm ảnh hưởng tới chất lượng ảnh chèn tin Tính bền giấu tin: Cho phép tin tồn qua phép biến đổi ảnh, biến dạng hình học hay hình thức cơng cố ý khác Tính an tồn: khơng thể xoá tin khỏi ảnh trừ ảnh biến đổi tới mức khơng cịn mang thơng tin Ngồi kỹ thuật giấu tin ảnh cịn phải đảm bảo yêu cầu với tùy môi trường ảnh 1.2 Đặc trưng tính chất kỹ thuật giấu tin ảnh: Phương tiện có chứa liệu tĩnh: hình ảnh ko bị thay đổi theo thời gian Kỹ thuật giấu phụ thuộc ảnh Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống thị giác người Giấu thông tin ảnh tác động lên liệu ảnh khơng thay đổi kích thước hình ảnh Đảm bảo chất lượng sau giấu tin: sau giấu tin ảnh ko bị biến đổi nhiều Thơng tin ảnh bị biến đổi có biến đổi ảnh 1.3 Phân loại kỹ thuật giấu tin ảnh: a) Giấu tin miền không gian ảnh Giấu tin miền không gian ảnh kỹ thuật giấu tin tương đối phổ biến Với kỹ thuật thông tin giấu vào điểm ảnh Đặc điểm kỹ thuật giấu tin miền không gian ảnh chứa tin khơng bị xử lý trước thực giấu tin Một số thuật toán kỹ thuật thường sủ dụng để giấu tin miền không gian như: - LSB (Least Significant Bit); - Hoán vị giả ngẫu nhiên (Pseudo-random Permutation); - Phương pháp giấu khối; - Phương pháp Brundox; - Phương pháp Darmstadter-Dellegle-Quisquotter-McCa b) Giấu tin miền tần số ảnh Đây kỹ thuật giấu tin mà liệu điểm ảnh biến đổi độc lập sang dạng liệu khác Sau đó, thông tin giấu vào liệu Như vậy, khác với kỹ thuật giấu tin miền không gian, kỹ thuật giấu tin miền tần số thường tiến hành xử lý ảnh chứa tin tiến hành giấu thông tin Một số thuật toán kỹ thuật thường sủ dụng để xử lý ảnh giấu tin miền tần số ảnh như: - Biến đổi cosine rạc (DCT - Discrete Cosine Transformations); - Biến đổi Wavelet rời rạc ( DWT - Discrete Wavelet Transform); - Biến đổi Fourier rời rạc (DFT -Discrete Fourier Transform); - Phương pháp Koch Zhao; - Phương pháp Bengam-Memon-Eo-Young; - Phương pháp Hsu and Wu c) Một số hướng tiếp cận khác Hướng tiếp cận giấu tin ảnh miền không gian miền tần số hai hướng tiếp cận Tuy nhiên, ngồi hai hướng phổ biến cịn có số báo khoa học cơng trình nghiên cứu đề xuất số hướng tiệp cận khác như: - Kỹ thuật Cox; - Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp 1.4 Một số định dạng ảnh: Định dạng tập tin hình ảnh phương tiện chuẩn hóa để tổ chức lưu trữ hình ảnh kỹ thuật số Định dạng tập tin hình ảnh lưu trữ liệu định dạng khơng nén, định dạng nén (có thể khơng liệu liệu) định dạng vectơ Hình ảnh lưu máy tính, thiết bị điện tử thể dạng định dạng liệu định Và thể cho loại định dạng file hình ảnh ( _.png, _.jpeg) Định dạng Raster xây dựng loạt pixel khối riêng lẻ để tạo thành hình ảnh Các file ảnh raster bao gồm JPEG, BMP PNG … Định dạng Vector tạo thành công thức tỷ lệ thay pixel SVG, AI định dạng thường thấy file ảnh vector, vốn thay đổi kích thước thường xun Hiện có nhiều loại định dạng ảnh khác lựa chọn để giấu tin Tuy nhiên, cần lưu ý định dạng ảnh có đặc tính khác Dưới số định dạng ảnh phổ biến - a) Định dạng ảnh BMP BMP biết đến với tên tiếng Anh khác Windows bitmap Định dạng ảnh BMP sử dụng để lưu trữ hình ảnh kỹ thuật số 28 bitmap, độc lập với thiết bị hiển thị Định dạng ảnh BMP có khả lưu trữ hình ảnh kỹ thuật số hai chiều đơn màu đa màu, độ sâu màu khác tùy vào liệu nén, kênh alpha cấu hình màu - b) Định dạng ảnh PNG PNG (Portable NetWork Graphics) dạng hình ảnh sử dụng phương pháp nén liệu – không làm liệu gốc PNG hỗ trợ ảnh dựa bảng màu (với bảng màu RGB 24 bit RGBA 32 bit), hình ảnh xám (có khơng có kênh alpha) hình ảnh RGB / RGBA khơng có bảng màu đầy đủ - c) Định dạng ảnh JPEG JPEG (Joint Photographic Experts Group) nhóm nhà nghiên cứu phát minh định dạng để hiển thị hình ảnh đầy đủ màu mà kích thước file lại nhỏ Ưu điểm ảnh định dạng JPEG hiển thị hình ảnh với màu xác lên đến 16 triệu màu Cấu trúc ảnh JPEG bao gồm nhiều phân đoạn (segment), đoạn cờ (marker), cờ bắt đầu byte 0xFF theo sau byte mã loại cờ Một số cờ gồm byte; sau byte cờ byte độ dài đoạn khơng tính byte cờ Với đoạn chứa liệu nén (entropy-coded data), byte xác định độ dài đoạn không tính độ dài liệu nén Ảnh JPEG khơng yêu cầu đoạn phải nằm theo thứ tự đoạn ảnh phải đoạn SOI; đoạn cuối đoạn EOI II Phương pháp giấu tin miền không gian 2.1 Phương pháp thay Least Significant Bit ( LSB) – Bít quan trọng nhất: a) Tổng quan phương pháp thay LSB Phương pháp thay LSB phương pháp mà thơng tin thay vào bit có trọng số thấp điểm ảnh [10] Bit có trọng số thấp bit có ảnh hưởng tới việc định tới màu sắc điểm ảnh Vì vậy, thay đổi bit quan trọng điểm ảnh màu sắc điểm ảnh tương đối gần với điểm ảnh ban đầu Việc xác định LSB điểm ảnh ảnh phụ thuộc vào định dạng ảnh số bit màu dành cho điểm ảnh Ví dụ ảnh 16 bit 15 bit biểu diễn màu RGB điểm ảnh cịn bit cuối khơng dùng đến tách bit điểm ảnh để giấu tin, với ảnh 256 màu bit cuối bit biểu diễn điểm ảnh coi bit quan trọng nhất,… Ví dụ: Tách bit cuối bit biểu diễn điểm ảnh Ví dụ: Giả sử ta muốn giấu chữ A (mã ASCII 65 hay 01000001) vào byte ảnh gốc ta làm sau: byt 0100 0100 Như phần trình bày, ảnh bitmap ma trận pixel, pixel bao gồm thành phần màu R, G, B Mỗi thành phần biểu diễn byte (có giá trị từ đến 255), byte ta sử dụng bit cuối bên phải để thay bit thông điệp cần ẩn b) Phương pháp giấu tin tách tin k bit LSB - Đầu vào phương pháp bao gồm:  - Ảnh gốc C  Thơng điệp bí mật M Đầu ra: Ảnh mang tin Các bước trình giấu tin vào ảnh sử dụng k bit LSB sau: Bước 1: Với C ảnh nguyên 8-bit màu xám, kích thước × điểm ảnh Người giấu tin thực biểu diễn ma trận điểm ảnh dạng số thập phân Công thức biến đổi tổng quát sau: C = { | ≤ i ≤ , 10 ≤j ≤ , ={0, 1, 2, …, 255 }} Sau ảnh C chuyển thành ma trận điểm ảnh tiếp tục chuyển ma trận điểm ảnh mảng chiều I với i phần tử, sau chuyển điểm ảnh dạng nhị phân Bước 2: thông điệp M chiều dài n bit chuyển dạng nhị phân: M = { | ≤ i< , {0,1}} Bước 3: Thực giấu tin: Cứ bit ảnh tách bỏ số bit LSB bên phải ghép phần lại với k bit nhị phân đầu thơng điệp (k bit), kết thu đưa dạng thập phân gán ngược lại vào I(i) Cuối chuyển đổi ảnh giá trị nhị phân mảng I từ mảng chiều mảng chiều × phần tử Được ảnh giấu tin - Phương pháp tách tin: Làm ngược lại Đầu vào: Ảnh mang tin Đầu ra: Ảnh tách tin thông điệp bí mật Các bước thực sau o Bước 1: Biểu diễn ma trận điểm ảnh dạng số thập phân với× phần tử Chuyển đổi ma trận ảnh × phần tử mảng chiều I với i phần tử o Bước 2: Chuyển bit ảnh dạng nhị phân, bit ảnh tách lấy k bit (k bit) bên phải ghép kết lại với o Bước 3: Kết thu sử dụng hàm chuyển đổi từ chuỗi số nhị phân chuỗi kí tự Sau lặp lại q trình số lần số lần duyệt, thu nội dung thơng điệp Ví dụ minh họa cho phương 11 pháp giải mã sau: Giả sử có điểm ảnh là: 123 197 213 255 Chuyển điểm ảnh dạng nhị phân thu kết sau: 01111011 11000101 11010101 11111111 Thơng điệp bí mật M chữ ‘a’ có mã ASCII 97, biểu diễn dạng nhị phân sau: 01100001 Quy trình giấu thông tin Cứ bit ảnh, lấy điểm đầu ảnh( từ vị trí I0 đến I5) ghép với bit thơng điệp( từ vị trí a0 đếnn a1 ) được: 01111001 11000110 11010100 11111101 Quy trình tách tin: Lấy bit bên phải điểm ảnh mới: 01111001 11000110 11010100 11111101 Ghép lại với chuỗi nhị phân thơng điệp, chữ “a”: 0110001 c) Đánh giá phương pháp LSB - Ưu điểm:  Chất lượng hình ảnh sau giấu tin không bị ảnh hưởng  Kỹ thuật LSB đơn giản, dễ cài đặt phát huy hiệu tốt nhiều ứng dụng - Nhược điểm:  Tính bền vững thấp; thông tin mật dễ bị thay đổi tác động vào hình ảnh 12  Phát thơng tin dễ dàng thuật tốn đơn giản Để giải nhược điểm trình giấu tin thường sử dụng khóa bí mật để mã hóa thông tin cần giấu trước sử dụng kỹ thuật LSB áp dụng phương thức Seed Phương thức Seed thông qua phép logarithm rời rạc để chọn dãy pixel ngẫu nhiên thay việc ánh xạ mà LSB sử dụng Điều giúp thông tin giấu an tồn để có thơng điệp, kẻ cơng cần nắm rõ thuật tốn sử dụng phương thức Seed III 3.1 Tổng quan phương pháp DCT Tổng quan: Một phương pháp bật sử dụng phương pháp biến đổi miền tần số phương pháp biến đối cosine rời rạc (Discrete Cosine TransformDCT) Phương pháp DCT ảnh phương pháp biến đổi liệu ảnh từ dạng không gian dạng tần số [2, 5, 13, 14] Mục đích q trình biến đổi thay đổi liệu biểu diễn thông tin: liệu ảnh tập trung vào phần nhỏ hệ số hàm truyền Hình: Sơ đồ tổng quan trình giấu tin ảnh sử dụng DCT Quá trình giấu tin tách ảnh sử dụng biến đổi DCT gồm bước sau [1, 2, 5, 10, 14]: 13 - Biến đổi DCT; - Lượng tử hóa; - Giấu tin vào hệ số DCT; - Phục hồi ảnh 3.2 Quy trình biến đổi DCT: Trước tiên, ảnh gốc có kích thước lớn nên trước thực biến đổi DCT, ảnh phân chia thành khối lớn riêng biệt không chồng (MB- Marco Block) Mỗi MB bao gồm block tín hiệu chói (Y) 2; block mẫu tín hiệu màu (Cr, Cb) Tất block có kích thước block có kích thước x pixel biểu diễn mức xám 64 điểm ảnh [2, 5, 10, 14] Sau giá trị khối ảnh phải trừ giá trị để giá trị trung tâm Ví dụ giá trị khối 8*8 có giá trị đoạn [0; 255] có giá trị 128 Phải lấy giá trị khối trừ 128 để giá trị nằm khoảng đoạn [-128; 127] tức giá trị Đây yêu cầu biến đổi DCT Mỗi khối 64 điểm ảnh sau biến đổi DCT thuận nhận 64 hệ số thực DCT DCT chiều biểu diễn biên độ tín hiệu thời điểm rời rạc theo thời gian không gian thành chuỗi hệ số rời rạc, hệ số biểu diễn biên độ thành phần tần số định có tín hiệu gốc Hệ số biểu diễn mức DC trung bình tín hiệu Các hệ số thể thành phần tần số không gian cao tín hiệu gọi hệ số AC Thông thường nhiều hệ số AC có giá trị gần Q trình biến đổi DCT thuận (FDCT) định nghĩa sau: Hàm biến đổi DCT ngược (một chiều): Trong đó: 14 X(k) chuỗi kết k số hệ số khai triển x(m) giá trị mẫu m m số mẫu N số mẫu có tín hiệu DCT hai chiều Biến đổi DCT hai chiều (2-D) dùng cho khối ảnh có kích thước 8x8 Quá trình biến đổi DCT thuận định nghĩa sau: Trong đó: f(j ,k) mẫu ảnh gốc khối 8x8 pixel F(u, v) hệ số khối DCT 8x8 Phương trình kết hai phương trình DCT chiều, cho tần số ngang cho tần số dọc Trong ma trận hệ số DCT hai chiều, hệ số thứ F(0,0) giá trị trung bình điểm ảnh block 8*8 Các hệ số nằm dòng thành phần chiều đặc trưng cho tần số cao tín hiệu theo chiều dọc Các hệ số nằm cột bên phải thành phần chiều đặc trưng cho tần số cao theo chiều ngang Hệ số F(0,7) thành phần có tần số cao theo chiều ngang bloc ảnh 8*8 hệ số F(7,0) đặc trưng cho thành phần có tần số cao theo chiều dọc Các hệ số khác ứng với phối hợp khác tần số theo chiều dọc chiều ngang Phép biến đổi DCT hai chiều 15 phép biến đổi đối xứng biến đổi nghịch cho phép tái tạo lại giá trị mẫu f(j, k) sở hệ số F(u,v) theo công thức sau: Để hiểu rõ vấn đề biến đổi DCT, ví dụ trình bày quy trình biến đổi ảnh từ miền không gian sang miền tần số Đầu vào: Một ma trận điểm ảnh theo độ sáng cỡ 8x8 pixel Bước 1: Tiền xử lý ảnh: Trừ giá trị pixel 128 thu ma trận M Bước 2: Biến đổi Cosin rời rạc công thức: D=TMT’ Ma trận T định nghĩa theo công thức: 16 Với i số hàng j số cột N giá trị số pixel tối đa Vì đầu vào khối 8x8 pixel nên có ma trận kết sau: Quá trình biến đổi DCT thu được: C) Lượng tử hóa Sau thực biến đổi DCT, 64 hệ số lượng tử hóa dựa bảng lượng tử gồm 64 phẩn tử Q(u, v) với 0 u,v Bảng định nghĩa ứng dụng cụ thể Các phần tử bảng lượng tử có giá trị từ đến 255 gọi bước nhảy cho 41 hệ số DCT Quá trình lượng tử coi việc chia hệ số DCT cho bước nhảy lượng tử tương ứng, kết sau làm trịn xuống số nguyên 17 gần Công thức thể việc lượng tử với F(u, v) hệ số DCT, F (u,v) Q hệ số sau lượng tử, hệ số đưa vào mã hóa Huffman Mục đích việc lượng tử hóa giảm số lượng bit cần để lưu trữ hệ số biến đổi việc giảm độ xác hệ số lượng tử q trình xử lý có thơng tin Một tính quan trọng q trình mức độ nén chất lượng hình ảnh khác đạt qua việc lựa chọn ma trận lượng tử cụ thể Điều cho phép người dùng định mức chất lượng từ đến 100, cho chất lượng hình ảnh nén cao nhất, 100 cho chất lượng tốt nén thấp Kết tỷ lệ chất lượng/nén điều chỉnh cho phù hợp với nhu cầu khác Các thí nghiệm chủ quan liên quan đến hệ thống thị giác người dẫn đến ma trận lượng tử tiêu chuẩn Với mức chất lượng 50, ma trận cho phép việc nén giải nén đạt hiệu tốt Với mức lượng tử lớn ảnh nén cho hình ảnh rõ ngược lại Ma trận lượng tử thu nhỏ sau làm trịn cắt bớt để có giá trị số nguyên dương tương đương khoảng từ đến 255 Ví dụ với ma trận D thu từ phép biến đổi DCT Với ma trận lượng tử Q cho trước Trong ví dụ chọn ma trận lượng tử hóa 50 Lượng tử hóa đạt việc chia phần tử ma trận D cho ma trận Q, sau lấy giá trị gần (Ví dụ: 1,2 thành 1,8 thành 2) Dùng công thức Huffman với đầu vào ma trận D Q 18 Kết thu sau bước lượng tử sau: Quá trình giải lượng tử phía giải mã thực ngược lại Các hệ số sau giải mã Huffman nhân với bước nhảy bảng lượng tử Kết sau đưa vào biến đổi DCT ngược D) Thuật toán giấu tin vào hệ số DCT Đối với ảnh JPEG, liệu gốc bảng DCT sau lượng tử hóa Mỗi bảng DCT chứa 64 hệ số, hệ số số nguyên có giá trị nằm đoạn [-2048; 2047] Miền tần số cao thường có nhiều giá trị liên tiếp nhau, giấu tin vào làm tăng kích thước ảnh chuỗi dài số bị ngắt làm giảm khả nén ảnh Đặc điểm bảng DCT cuối bảng giá trị có xu hướng nhỏ dần Có nhiều thuật tốn khác áp dụng để giấu tin vào hệ số DCT như: LSB, Jsteg, F3, F4, Pixel Swap Embedding… Ví dụ LSB Đầu vào: - Các hệ số DCT lượng tử hóa Trong ví dụ lựa chon: 50 thu bước - Thông điệp giấu: 010 Đầu ra: - Ảnh có chứa thơng điệp Vị trí LSB: Vì khơng chắn tọa độ DC ma trận Ci nên cần tìm LSB bit đó, để tìm ma trận Ci áp dụng thuật toán zigzac 19 chất thuật toán trải thẳng (biến ma trận chiều thành chiều) ma trận Ci theo thứ tự sau: Như thấy trường hợp ma trận C50 trải thẳng xong pixel cuối dãy ứng với số ma trận C50 thuộc phần DC phần giấu tin người giấu tin đổi giá trị pixel bit rõ ban đầu (010) Kết giấu tin thuật toán LSB sau: D) Phục hồi ảnh Sau giấu thông tin hệ số bảng lượng tử hóa Người gửi tiến hành phục hồi lại ảnh sử dụng công thức tổng quát sau: Ri,j = Qi,j * Ci,j Trong Qi,j ma trận lượng tử sử dụng ( 50) Ci,j kết ma trận lượng tử giấu tin ( 50 ) Kết thu ma trận điểm ảnh R sau: 20 Cuối thực IDCT ma trận R thu ảnh mới: 21 ... thơng tin giấu vào liệu Như vậy, khác với kỹ thuật giấu tin miền không gian, kỹ thuật giấu tin miền tần số thường tiến hành xử lý ảnh chứa tin tiến hành giấu thơng tin Một số thuật tốn kỹ thuật. .. Với kỹ thuật thông tin giấu vào điểm ảnh Đặc điểm kỹ thuật giấu tin miền không gian ảnh chứa tin không bị xử lý trước thực giấu tin Một số thuật toán kỹ thuật thường sủ dụng để giấu tin miền không... sau giấu tin ảnh ko bị biến đổi nhiều Thông tin ảnh bị biến đổi có biến đổi ảnh 1.3 Phân loại kỹ thuật giấu tin ảnh: a) Giấu tin miền không gian ảnh Giấu tin miền không gian ảnh kỹ thuật giấu tin