tiểu luận: NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM GIẤU TIN BẢO VỆ LOGO DOANH NGHIỆP pdf

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG--- Nguyễn Thị Minh Ngọc NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM GIẤU TIN BẢO VỆ LOGO DOANH NGHIỆP Chu

TIỂU LUẬN

ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẤU

TIN TRONG ẢNH SỐ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỬ

NGHIỆM GIẤU TIN BẢO VỆ LOGO DOANH NGHIỆP”

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

Nguyễn Thị Minh Ngọc

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ VÀ

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM GIẤU TIN

BẢO VỆ LOGO DOANH NGHIỆP

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính

Mã số: 60.48.15

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS - TSKH HOÀNG ĐĂNG HẢI

HÀ NỘI - 2011

MỞ ĐẦU

1 Nhu cầu bảo mật thông tin

Sự ra đời và phát triển của Internet kéo theo nhiều lĩnh vực khác trong

đó lĩnh vực bảo mật thông tin là một trong những lĩnh vực được quan tâm hàng đầu Ngày nay các dữ liệu số được lan truyền và sao chép rất nhanh chóng, dễ dàng nên vấn đề bảo mật thông tin số ngày càng trở nên cấp bách Thông tin số cần bảo mật có thể được mã hóa theo một cách thức nào đó, cách thức đó cần được bí mật và đạt hiệu quả cao Hiện tại nhiều ngành, nhiều đơn vị trên toàn quốc đã có hệ thống mạng nội bộ thông suốt các tỉnh thành trong cả nước Hệ thống đảm bảo được các thông tin truyền đi trong mạng không bị lộ lọt ra ngoài nhưng một điểm hệ thống hiện tại chưa đạt được đó là tính cơ động Việc sử dụng mạng Internet sẽ dễ dàng hơn nhiều so với việc sử dụng mạng nội bộ để truyền tin Tuy nhiên, Internet có thể phát tán thông tin đi bất kỳ đâu trên thế giới Đi kèm với việc truyền tin qua Internet là những rủi ro về mất mát và sai lệch thông tin Do đó, bảo mật thông tin khi truyền trên Internet là một vấn đề cấp thiết trong thực tế

2 Lý do chọn đề tài

Một trong các cách tiếp cận trong bảo mật thông tin đó là giấu tin, có nghĩa là những thông tin số cần được bảo mật sẽ được người dùng giấu vào trong một đối tượng dữ liệu số khác (môi trường giấu tin) sao cho sự biến đổi của môi trường sau khi giấu tin là khó nhận biết, đồng thời người dùng có thể lấy lại được các thông tin đã giấu khi cần

Giấu thông tin số, phát hiện thông tin số ẩn giấu trong dữ liệu đa phương tiện đặc biệt là trong ảnh số đang là một vấn đề đang được quan tâm hiện nay trong nhiều lĩnh vực Để phát hiện và phân biệt được một ảnh số nào đó có mang tin mật hay không đòi hỏi rất nhiều yếu tố và kỹ thuật phức tạp Một ứng dụng điển hình là trong phát triển thương mại điện tử, sự phát triển của thương mại điện tử mang lại rất nhiều lợi ích, tuy nhiên bên cạnh đó thì những mặt tiêu cực của nó như vi phạm bản quyền, giả mạo thương hiệu cũng ngày một gia tăng Phương pháp giấu tin có thể được ứng dụng rộng rãi để gài các thông tin như chữ ký, nhãn thương hiệu để chứng minh sự hợp pháp của sản phẩm, bảo

vệ bản quyền…

Xuất phát từ mong muốn được tiếp cận và tìm hiểu sâu hơn về lĩnh vực

này, bài luận văn đặt vấn đề nghiên cứu về đề tài: “Nghiên cứu các phương

pháp giấu tin trong ảnh số và xây dựng mô hình thử nghiệm giấu tin bảo

vệ logo doanh nghiệp”

3 Mục đích nghiên cứu:

Mục đích nghiên cứu của Luận văn là tập trung nghiên cứu, tìm hiểu các phương pháp, kỹ thuật giấu tin trong ảnh số và ứng dụng của nó trong thực tiễn, qua đó xây dựng mô hình thử nghiệm giấu tin bảo vệ logo doanh nghiệp

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong khuôn khổ của luận văn, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu và tìm hiểu tổng quan về các phương pháp, kỹ thuật giấu tin trong ảnh số được đánh giá cao hiện nay và nghiên cứu khả năng ứng dụng trong một mô hình thử nghiệm cụ thể là bảo vệ logo cho doanh nghiệp

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn kết hợp nghiên cứu lý thuyết, các phương pháp mã hóa, các kỹ thuật giấu tin cụ thể gồm:

- Các phương pháp mã hóa thông tin

- Các phương pháp chữ ký số, xác thực thông tin

- Các phương pháp, kỹ thuật đảm bảo an toàn thông tin

- Các phương pháp, kỹ thuật giấu tin trong ảnh số

- Phương pháp mô hình hóa

- Lý thuyết về giải thuật

6 Bố cục của luận văn

Ngoài phần Mở đầu và Kết luận, Luận văn gồm 4 chương như sau:

Chương 1:Khái quát về lĩnh vực giấu tin

Chương này trình bày những khái niệm cơ bản liên quan đến giấu tin nói chung,

mô hình kỹ thuật giấu tin, các kỹ thuật giấu tin

Chương 2: Kỹ thuật giấu tin trong ảnh số

Chương này sẽ đưa ra các ứng dụng của giấu tin trong ảnh số và trình bày tóm tắt một số kỹ thuật giấu tin điển hình trong ảnh số

Chương 3 : Xây dựng mô hình giấu và tách tin từ logo

Chương này trình bày kỹ thuật giấu tin trong ảnh, xây dựng mô hình giấu và tách tin từ logo

Chương 4: Thử nghiệm giấu tin bảo vệ logo doanh nghiệp

Trên cơ sở mô hình xây dựng ở chương 3, chương này trình bày một thử nghiệm giấu tin bảo vệ logo của doanh nghiệp

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ LĨNH VỰC GIẤU TIN

Giấu tin là một lĩnh vực rộng lớn trong đó những thông tin số cần bảo mật sẽ được giấu trong một đối tượng dữ liệu số khác được gọi là môi trường giấu tin Môi trường giấu tin phổ biến là giấu tin trong đa phương tiện như giấu tin trong các file ảnh, audio, video và được ứng dụng rộng rãi nhất đó là giấu tin trong ảnh số

1.1 Một số khái niệm cơ bản về giấu tin

1.1.1 Sơ lược về lịch sử giấu tin

Giấu tin bắt nguồn từ Hy Lạp, tiếng Hy Lạp gọi đó là Stenography có nghĩa là "dòng chữ bị che phủ" Mục đích cơ bản của giấu tin là nhúng mẩu tin mật vào một môi trường truyền tin bình thường sao cho người khác không thể phát hiện ra mẩu tin mật đó

500 năm trước, một nhà toán học người Ý tên là Jérôme Cardan đã sáng tạo lại một phương thức văn bản bí mật cổ xưa của người Trung Quốc Văn bản được làm như sau: một tờ giấy làm mặt nạ có nhiều lỗ thủng mà người gửi và người nhận đều biết, mặt nạ này sẽ được đặt trên một tờ giấy trắng và người gửi sẽ viết thông điệp bí mật qua các lỗ thủng trên mặt nạ sau đó vứt mặt nạ đó

đi và điền phần còn lại vào tờ giấy trắng như tờ giấy này toàn các thông tin vô thưởng vô phạt (hình 1.1)

Hình 1.1: Từ trái qua phải: Mặt nạ, văn bản, thông điệp được truyền bí

mật trong văn bản

Ngày nay nghệ thuật giấu tin được nghiên cứu để phục vụ các mục đích tích cực như bảo vệ bản quyền, thủy vân số, hay phục vụ giấu các thông tin bí mật về quân sự và kinh tế Sự phát triển của công nghệ thông tin đã tạo ra những môi trường giấu tin mới vô cùng tiện lợi và phong phú Người ta có thể giấu tin trong các tệp ảnh, trong các tệp âm thanh, tệp văn bản Cũng có thể giấu tin ngay trong các khoảng trống hay các phân vùng ẩn của môi trường lưu

trữ như đĩa cứng, đĩa mềm Các gói tin truyền đi trên mạng cũng là môi trường giấu tin quan trọng và ngay cả các tiện ích phần mềm cũng là môi trường lý tưởng để gài các thông tin quan trọng để xác nhận bản quyền

1.1.2 Khái niệm giấu tin

“Giấu tin” là một kỹ thuật nhúng (giấu) một lượng thông tin số nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác Giấu tin trong ảnh số là giấu các mẩu tin cũng là dạng số trong máy tính vào các tệp ảnh nhị phân sao cho không bị người ngoài phát hiện

Kỹ thuật giấu tin nhằm hai mục đích: một là bảo mật cho dữ liệu được đem giấu, hai là bảo vệ cho chính đối tượng mang tin giấu Hai mục đích khác nhau này dẫn đến hai kỹ thuật chủ yếu của giấu tin Đó là giấu tin mật và thủy vân số Nói chung giấu tin trong đa phương tiện là tận dụng “độ dư thừa” của phương tiện giấu để thực hiện việc giấu tin mà người ngoài cuộc “khó” cảm nhận được có thông tin giấu trong đó

1.1.3 Môi trường giấu tin

1.1.3.1 Giấu tin trong ảnh

Hiện nay, giấu tin trong ảnh chiếm tỉ lệ lớn nhất hệ thống giấu tin trong

đa phương tiện Bởi lẽ lượng thông tin được trao đổi bằng hình ảnh là rất lớn, hơn nữa chúng còn đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng an toàn thông tin như: xác thực thông tin, bảo vệ quyền tác giả, điều khiển truy cập, phát hiện xuyên tạc thông tin Từ việc nghiên cứu kỹ thuật giấu tin trong ảnh số chuyển sang kỹ thuật giấu tin trong các phương tiện khác như audio, video, trong văn bản,… không có gì khó khăn về nguyên tắc Chính vì lẽ đó, giấu tin trong ảnh

đã và đang được nhiều tổ chức, các trường đại học, các viện nghiên cứu, các cá nhân quan tâm và đầu tư nghiên cứu

1.1.3.2 Giấu tin trong audio

Giấu tin trong audio khác với giấu tin trong ảnh Kỹ thuật giấu tin trong ảnh phụ thuộc vào hệ thống thị giác của con người ( HVS - Human Vision System) còn kỹ thuật giấu thông tin trong audio phụ thuộc vào hệ thống thính giác của con người (HAS - Human Auditory System) HAS cảm nhận được các

tín hiệu ở dải tần rộng và công suất thay đổi lớn, nhưng lại kém trong việc phát hiện sự khác biệt nhỏ giữa các dải tần và công suất

1.1.3.3 Giấu tin trong video

Giấu tin trong video cũng được quan tâm và được phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng như điều khiển truy cập thông tin, nhận thực thông tin và bảo vệ bản quyền tác giả Ta có thể lấy một ví dụ là các hệ thống chương trình trả tiền xem theo video clip (pay per view application) Các thuật toán trước đây thường cho phép giấu ảnh vào trong video, nhưng gần đây kỹ thuật cho phép giấu cả âm thanh và hình ảnh vào video

1.2 Phân loại các kỹ thuật giấu tin

Hàng thập kỷ qua, con người đã phát triển đáng kể các phương pháp sáng tạo trong giao tiếp bí mật Trong đó có 3 kỹ thuật có mối tương quan với nhau là giấu tin, thủy vân số và mật mã

Có thể coi giấu tin là một nhánh của ngành mật mã với mục tiêu là nghiên cứu các phương pháp che giấu thông tin Giấu tin và mật mã tuy cùng có mục đính là để đối phương không phát hiện ra tin cần giấu, tuy nhiên giấu tin khác với mật mã ở chỗ: Mật mã là giấu đi ý nghĩa của thông tin còn giấu tin là giấu đi

sự hiện diện của thông tin Có nhiều cách phân loại giấu tin khác nhau dựa trên những tiêu chí khác nhau Theo Fabien A.P Petitcolas đề xuất năm 1999, có thể chia lĩnh vực giấu tin thành hai hướng lớn, đó là giấu tin mật và thủy vân số [2]

Hình 1.2: Phân loại các kỹ thuật giấu tin

1.3 Nhu cầu và các ứng dụng của giấu tin trong ảnh số

1.3.1 Nhu cầu của giấu tin trong ảnh số

Ngày nay, kỹ thuật giấu tin được triển khai trong nhiều ứng dụng khác nhau nhằm bảo vệ tính bí mật của thông tin, phục vụ các mục đích tích cực như bảo vệ bản quyền, thủy vân số, hay phục vụ giấu các thông tin bí mật về quân

sự và kinh tế Trong đó giấu tin trong ảnh chiếm tỉ lệ lớn nhất ở hệ thống giấu tin trong đa phương tiện

1.3.2 Ứng dụng của giấu tin trong ảnh số

1.3.2.1.Thủy vân số

Bảo vệ quyền tác giả: Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thủy

vân số Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả gọi là thủy vân sẽ được nhúng vào trong sản phẩm, thủy vân đó chỉ một mình người chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và được dùng làm minh chứng cho bản

quyền sản phẩm

Xác thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin: Một tập các thông

tin sẽ được giấu trong các phương tiện chứa sau đó sử dụng để nhận biết xem trên các phương tiện gốc đó có bị thay đổi hay không

Giấu vân tay hay dán nhãn: Thủy vân trong các ứng dụng này được sử

dụng để nhận diện người gửi hay người nhận của một thông tin nào đó Yêu

cầu của ứng dụng này là đảm bảo độ an toàn cao cho các thủy vân, tránh sự xóa dấu vết trong phân phối

Kiểm soát sao chép: Các thủy vân trong những trường hợp này được sử

dụng để kiểm soát sao chép đối với các thông tin Các thiết bị phát hiện ra thủy vân thường được gắn sẵn vào trong các hệ thống đọc ghi

1.3.2.2 Giấu tin mật

Các thông tin giấu được trong những trường hợp này càng nhiều càng tốt, việc giải mã để nhận được thông tin cũng không cần phương tiện chứa ban đầu

1.4 Tóm tắt chương

Chương 1 đã trình bày khái quát về lĩnh vực giấu tin, giới thiệu một số khái niệm cơ bản trong lĩnh vực này Chương đã tóm tắt một số kỹ thuật giấu tin cơ bản nhất và trình bày về nhu cầu và các ứng dụng giấu tin trong ảnh số Các kỹ thuật giấu tin được triển khai trong nhiều ứng dụng khác nhau nhằm bảo vệ tính bí mật của thông tin, có thể phục vụ cho nhiều ứng dụng trong đời sống, ví dụ bảo vệ bản quyền số Trong các kỹ thuật giấu tin, giấu tin trong ảnh

số chiếm tỷ lệ lớn nhất do khả năng giấu thông tin trong lượng thông tin của hình ảnh khá lớn và khả năng ứng dụng rất cao Chương 2 tiếp theo sẽ trình bày chi tiết về các kỹ thuật giấu tin trong ảnh số

CHƯƠNG II: KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ

Hiện nay đã có rất nhiều các kỹ thuật giấu tin được nghiên cứu và phát triển Tuy nhiên có thể thấy, tất cả đều xuất phát từ mô hình giấu tin cơ bản

cũng như từ những kỹ thuật giấu tin cơ bản nhất [7]

2.1 Mô hình giấu tin cơ bản

Hình 2.1: Lược đồ quá trình giấu tin

Hình 2.1 biểu diễn quá trình giấu tin cơ bản Trong đó, phương tiện chứa tin có thể bao gồm: văn bản, ảnh, audio, video…Thông tin cần giấu tùy theo mục đích của người sử dụng Thông tin được giấu vào trong phương tiện chứa tin nhờ một bộ nhúng Bộ nhúng là những chương trình thực hiện theo những thuật toán để giấu tin và được thực hiện với một khóa bí mật giống như trong một số hệ mật mã Đầu ra của quá trình là phương tiện chứa đã được giấu Các phương tiện này có thể được phân phối trên mạng

Hình 2.1: Lược đồ quá trình giấu tin

Hình 2.2 mô tả quá trình giải mã thông tin đã giấu Với đầu vào là phương tiện đã chứa tin giấu, một bộ giải mã tin (tương ứng với bộ nhúng) cùng với khóa sẽ thực hiện việc giải mã thông tin Đầu ra của quá trình là phương tiện chứa tin và thông tin đã giấu Trong trường hợp cần thiết, thông tin giấu lấy ra có thể được xử lý, kiểm định và so sánh với thông tin đã giấu ban đầu

2.2 Các phương pháp giấu tin cơ bản

2.2.1 Giấu tin trong khuôn dạng ảnh

Các khuôn dạng ảnh phổ biến nhất hiện nay là graphics interchange format (GIF), Joint Photographic Experts Group (JPEG), đến portable network graphics (PNG) [2]

Giấu tin có thể được thực hiện bằng cách nhồi vào một cửa sổ lệnh của

hệ điều hành Windows (ví dụ, Windows XP) các mã sau đây: C:>Copy

Cover.jpg /b + Message.txt /b Stego.jpg Ý tưởng chính là lợi dụng việc nhận

biết EOF (End of file) Nói cách khác, tin nhắn được đóng gói và chèn vào sau thẻ EOF của tệp ảnh

Thông điệp khi được nhúng không làm giảm chất lượng hình ảnh gốc

Cả biểu đồ hình ảnh (histogram) cũng như nhận thức thị giác đều không thể

phát hiện bất kỳ sự khác biệt giữa hai hình ảnh gốc và hình ảnh có các tin nhắn

bí mật được ẩn sau thẻ EOF

2.2.2 Giấu tin trong miền không gian của ảnh

Trong các phương pháp miền không gian, một người giấu tin sẽ biên tập

dữ liệu bí mật che phủ trong miền không gian, trong đó bao gồm mã hóa ở cấp

độ của LSBs [1] Phương pháp này mặc dù đơn giản, nhưng nó lại có tác động rộng lớn Một framework thông thường chỉ ra khái niệm nằm bên trong được đánh dấu trong hình 2.5, hình 2.6 minh họa một ví dụ thực hiện nhúng vào trong LSB đầu tiên tới LSB thứ 4 Có thể thấy là nhúng trong LSB thứ 4 sinh ra nhiều méo mó hình ảnh của ảnh che phủ (cover image) khi thông tin ẩn được cho là "không tự nhiên"

2.2.3 Giấu tin trong miền tần số ảnh

Các thuật toán mới kế tục các nổi trội từ hiệu quả của các thuật toán cũ (phương pháp miền không gian), bởi sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin và bởi nhu cầu của hệ thống bảo mật được cải thiện Sự sáng tạo ra kỹ thuật nhúng LSB thực sự là một thành tựu lớn Mặc dù nó hoàn toàn không đánh lừa được HVS, nó khá kém trong ngăn cản các tấn công khiến cho người nghiên cứu phân vân sẽ dùng nó ở đâu cho đến khi họ áp dụng thành công trong miền tần số

2.3 Một số kỹ thuật giấu tin trong ảnh số điển hình

2.3.1 Giấu tin mật trong khối bit sử dụng tính chẵn lẻ của tổng số bit 1

2.3.1.1 Ý tưởng

Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật này là chia một ảnh thành các khối nhỏ và trong mỗi khối nhỏ sẽ giấu một bit thông tin Dựa vào tính chẵn lẻ của tổng số các bit 1 trong khối để quy định giấu bit 1 hay 0 Cụ thể sau khi giấu thì tổng số các bit 1 trong khối và bit cần giấu sẽ có cùng tính “chẵn lẻ” Thuật toán này dùng cho ảnh đen trắng, ảnh mầu và ảnh đa cấp xám [2]

2.3.1.2 Thuật toán

Input:

-Một file ảnh bitmap đen trắng FF

-Một file thông tin cần giấu Fb

-Một khóa K (đó là kích thước khối nhỏ)

Output:

-Một file ảnh F’ đã giấu tin

2.3.2 Kỹ thuật giấu tin WU-LEE

Kỹ thuật giấu tin theo khối bit sử dụng tính chẵn lẻ của tổng số bit 1 trong khối ở trên thể hiện độ an toàn không cao do chỉ có duy nhất kích thước khối là khóa cho quá trình giấu tin, đồng thời ảnh chứa thông tin giấu cũng

dễ bị phát hiện do kỹ thuật có thể sẽ đảo bit trong các khối ảnh toàn màu đen hoặc màu trắng dẫn tới sự bất thường ở vị trí đảo so với các điểm lân cận trong khối

- Một file ảnh F’ đã giấu tin bên trong

b, Quá trình giải tin

Input

- F’ là ảnh đã được giấu dãy bit bí mật D

- K là ma trận khóa bí mật, kích thước m x n

Output

- F là file ảnh chứa tin đã được giấu

- D là dãy bit bí mật đã giấu

2.3.3 Kỹ thuật giấu tin YUAN_PAN_TSENG

Trên cơ sở của thuật toán Wu_Lee Kỹ thuật này sử dụng một ma trận khóa và một ma trận trọng số để giấu tin Thuật toán đảm bảo được độ an toàn của thông tin giấu và cũng giấu được nhiều thông tin trong ảnh bằng cách chỉ thay đổi nhiều nhất 2 bit trong mỗi khối ảnh Đối với ảnh đen trắng thì kỹ thuật này có nhược điểm là chất lượng ảnh chưa cao, dễ bị phát hiện [2]

2.3.3.1 Ý tưởng

Ý tưởng chính của thuật toán giấu tin Yuang_Pan_Tseng là sử dụng thêm một ma trận trọng số kết hợp với ma trận khóa K và để giấu được r bit dữ liệu vào một khối m x n nhưng chỉ thay đổi nhiều nhất hai bit dữ liệu trên khối

2.3.3.2 Thuật toán

a, Quá trình giấu tin

Input:

- F là một ma trận giá trị các điểm ảnh gốc dùng để giấu tin

- K là một ma trận khóa nhị phân có kích thước mxn

- r là số lượng bit cần giấu trong mỗi khối ảnh kích thước mxn

- D là xâu thông tin cần giấu gồm k*r bít, k là số khối ảnh giấu

- W là một ma trận trọng số r với các giá trị W[i,j] thuộc tập {1,2,…,2r-1} xuất hiện ít nhất một lần

Output:

- Một file ảnh F’ đã giấu tin b

b, Quá trình giải tin: