Đồ án: Kỹ thuật giấu tin trong ảnh SES - Steganography Evading Statistical Analyses

LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giảng viên hướng dẫn Thạc sỹ Hồ Thị Hương Thơm, tận tình hướng dẫn giúp đỡ em nhiều trình tìm hiểu nghiên cứu để em hồn thành tốt đề tài tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Thầy Cô giáo Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng giảng dạy chúng em suốt năm học, cung cấp cho chúng em kiến thức chuyên môn cần thiết quý báu giúp chúng em hiểu rõ lĩnh vực nghiên cứu để hoàn thành đề tài giao Xin cảm ơn bạn bè gia đình động viên cổ vũ, đóng góp ý kiến, trao đổi suốt trình học tập làm tốt nghiệp, giúp em hoàn thành đề tài thời hạn Hải Phòng, ngày tháng năm 2011 Sinh viên Vũ Thùy Dung .Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG ẢNH 1.1 Tổng quan giấu tin 1.1.1 Định nghĩa giấu tin 1.1.2 Mục đích giấu tin 1.1.3 Mơ hình kỹ thuật giấu tin 1.1.4 Mơ hình kỹ thuật tách tin 1.2 Giấu tin ảnh 1.2.1 Khái niệm giấu tin ảnh 1.2.2 Các yêu cầu giấu tin ảnh 10 1.2.3 Những đặc trƣng tính chất giấu tin ảnh 10 1.2.4 Các tiêu chí đánh giá kỹ thuật giấu tin ảnh 12 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ẢNH BITMAP 13 2.1 Giới thiệu ảnh BITMAP (BMP) 13 2.2 Cấu trúc ảnh BITMAP (BMP) 13 2.2.1 Bitmap File Header 14 2.2.2 Bitmap Information 15 2.2.3 Color Palette 16 2.2.4 Bitmap Data 17 CHƢƠNG 3: KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN RS 18 3.1 Các vấn đề phát ảnh có giấu tin [2] 18 3.1.1 Phân tích tin ẩn giấu (Steganalynis) 18 3.1.2 Các phƣơng pháp phân tích 18 3.2 Kỹ thuật phát RS (Regular Singular) [2] [4] 19 3.2.1 Giới thiệu kỹ thuật RS 19 Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án 3.2.2 Các định nghĩa kỹ thuật RS 20 3.2.3 Phƣơng pháp phát RS 21 3.2.4 Thuật toán RS 24 CHƢƠNG 4: KỸ THUẬT GIẤU TIN SES TRÁNH PHÁT HIỆN BẰNG RS 26 4.1 Giới thiệu kỹ thuật giấu tin SES 26 4.2 Phƣơng pháp giấu tin SES 26 4.2.1 Quá trình giấu tin [4] 26 4.2.2 Quá trình tách tin 29 CHƢƠNG 5: CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM 30 5.1 Môi trƣờng thử nghiệm 30 5.1.1 Tập ảnh thử nghiệm 30 5.1.2 Đo độ đánh giá PSNR 31 5.1.3 Áp dụng giấu tin ảnh 32 5.1.4 Một số giao diện chƣơng trình 33 5.2 Các modul cài đặt 40 5.2.1 Chức năng: Thực giấu tin ảnh 40 5.2.2 Chức năng: Thực tách tin 40 5.2.3 Chức năng: Đánh giá PSNR 40 5.2.4 Chức năng: Thống kê RS 40 5.3 Thực nghiệm đánh giá 41 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hai lĩnh vực kỹ thuật giấu thông tin Hình 1.2 Lược đồ chung cho trình giấu tin Hình 1.3 Lược đồ chung cho trình tách tin Hình 3.1 Đồ thị RS cho hình ảnh tiêu biểu 22 Hình 4.1 Sơ đồ giấu tin 28 Hình 4.2 Sơ đồ tách tin 29 Hình 5.1 ảnh chuẩn .30 Hình 5.2 15 ảnh chụp máy ảnh kỹ thuật số với nhiều kích cỡ 30 Hình 5.3 anh1.bmp 32 Hình 5.4 Trang chủ 33 Hình 5.5 Chức Hệ thống 34 Hình 5.6 Chức Giấu thông điệp 34 Hình 5.7 Chức Tách thông điệp 35 Hình 5.8 Trợ giúp 35 Hình 5.9 Chương trình giấu tin ảnh .36 Hình 5.10 Chương trình tách tin ảnh .37 Hình 5.11 Chương trình thống kê RS 38 Hình 5.12 Chương trình đánh giá PSNR 39 Hình 5.13 Tệp thơng điệp (10 ký tự) .41 Hình 5.14 Tệp thông điệp (100 ký tự) .41 Hình 5.15 Tệp thơng điệp (1000 ký tự) 41 Hình 5.16 ảnh chuẩn trước giấu sau giấu 42 Hình 5.17 15 ảnh trước giấu tin sau giấu tin 44 Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Chi tiết khối bytes tiêu đề tập tin BMP 14 Bảng 2.2 Chi tiết khối bytes thông tin tập tin BMP 15 Bảng 5.1 Thống kê RS PSNR anh1.bmp .32 Bảng 5.2 Kết thực nghiệm ảnh chuẩn 43 Bảng 5.3 Kết thực nghiệm 15 ảnh 45 Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT LSB Least Significant Bits Các bit quan trọng RS Regular / Singular Kỹ thuật quy - đơn Steganography Evading Statistical Kỹ thuật giấu tin tránh phát analyses thống kê IMG Image Ảnh đen trắng img PCX Personal Computer Exchange Ảnh xám PCX GIF Graphics Interchange Format Định dạng ảnh đồ họa GIF BMP Bitmap Ảnh không nén Bitmap PNG Portable Network Graphics Ảnh PNG JPEG Joint Photographic Experts Group Ảnh nén JPEG PSNR Peak signal to noise ratio Tỉ số tín hiệu cực đại nhiễu MSE Mean Squared Error Lỗi bình phương SES Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án MỞ ĐẦU Công nghệ thông tin đặc biệt phát triển hệ thống mạng máy tính tạo nên môi trường mở phương tiện trao đổi, phân phối tài liệu cách tiện lợi, nhanh chóng Tuy nhiên đặt vấn đề bảo vệ tài liệu, ngăn chặn việc đánh cắp chép tài liệu cách bất hợp pháp Vấn đề an tồn bảo mật thơng tin ln nhận quan tâm đặc biệt nhiều nhà nghiên cứu nhiều lĩnh vực Giấu tin ảnh phận chiếm tỷ lệ lớn chương trình ứng dụng, phần mềm, hệ thống giấu tin liệu đa phương tiện lượng thông tin trao đổi ảnh lớn Hơn nữa, giấu thơng tin ảnh đóng vai trị quan trọng hầu hết ứng dụng bảo vệ an tồn thơng tin như: nhận thức thơng tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ quyền tác giả, điều khiển truy nhập, giấu thông tin mật… Đồ án trình bày giấu phát ảnh có giấu thơng tin Đồng thời trình bày kỹ thuật giấu tin miền liệu ảnh SES (Steganography Evading Statistical analyses) Từ đưa thực nghiệm đánh giá cho việc phát thông tin ẩn giấu miền liệu ảnh SES Để nói rõ nội dung này, đồ án em tổ chức gồm năm chương: Chương 1: Tổng quan kỹ thuật giấu tin ảnh Chương 2: Cấu trúc chung ảnh Bitmap Chương 3: Kỹ thuật phát ảnh có giấu tin RS (Regular / Singular) Chương 4: Kỹ thuật giấu tin SES (Steganography Evading Statistical analyses) Chương 5: Cài đặt thử nghiệm .Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG ẢNH 1.1 Tổng quan giấu tin 1.1.1 Định nghĩa giấu tin Giấu tin kỹ thuật giấu (nhúng) lượng thơng tin số vào đối tượng liệu số khác 1.1.2 Mục đích giấu tin Bảo mật cho liệu đem giấu Bảo đảm an tồn (bảo vệ quyền) cho đối tượng chứa dự liệu giấu Có thể thấy hai mục đích hồn tồn đối lập phát triển thành lĩnh vực với yêu cầu tính chất khác (Hình 1.1) Giấu thơng tin Giấu tin bí mật (Steganography) Thuỷ vân số (Watermarking) Hình 1.1 Hai lĩnh vực kỹ thuật giấu thông tin 1.1.2.1 Kỹ thuật giấu thơng tin bí mật (Steganography) Đảm bảo an tồn bảo mật thông tin tập trung vào kỹ thuật giấu tin để giấu nhiều thơng tin Thông tin mật giấu đối tượng cho người khác không phát 1.1.2.2 Kỹ thuật giấu thông tin theo kiểu đánh dấu (Watermarking) Để bảo vệ quyền đối tượng chứa thông tin, kỹ thuật giấu tin tập trung đảm bảo số yêu cầu đảm bảo tính bền vững… Đây ứng dụng kỹ thuật thuỷ vân số .Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Lº­n văn Lº­n án 1.1.3 Mơ hình kỹ thuật giấu tin Giấu thông tin vào phương tiện chứa tách lấy thơng tin hai q trình trái ngược mơ tả qua sơ đồ khối hệ thống sau Mơ hình kỹ thuật giấu tin trình bày hình 1.2 Thơng tin cần giấu Thuật toán nhúng Dữ liệu phủ Kiểm tra sau tách tin Dữ liệu mang tin mật Khóa Hình 1.2 Lược đồ chung cho q trình giấu tin Trên hình vẽ: Secret Message (M): Thơng tin cần giấu tùy thuộc vào mục đích người sử dụng, thơng điệp logo, hình ảnh quyền Cover Data (I): Dữ liệu phủ (môi trường giấu tin như: văn bản, audio, video, …) Embeding Algorithm (E): Thuật tốn nhúng tin Thơng tin giấu vào phương tiện chứa nhờ nhúng, nhúng chương trình, thuật toán để giấu tin thực với khóa bí mật Key (K): Khóa bí mật sử dụng giấu tin Stego Data (S): Dữ liệu mang tin mật (môi trường chứa tin mật) Control (C): Kiểm tra thông tin .Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án 1.1.4 Mô hình kỹ thuật tách tin Tách thơng tin từ phương tiện chứa giấu tin diễn theo quy trình ngược lại với đầu thơng tin giấu vào phương tiện chứa Phương tiện chứa sau tách lấy thơng tin sử dụng, quản lý theo yêu cầu khác Hình 1.3 công việc giải mã thông tin giấu Sau nhận đối tượng phương tiện chứa có giấu thơng tin, q trình giải mã thực thông qua giải mã ứng với giấu thơng tin với khố trình giấu Kết thu gồm phương tiện chứa gốc thông tin giấu Bước thông tin giấu xử lý kiểm định so sánh với thông tin ban đầu K C S E M I Hình 1.3 Lược đồ chung cho trình tách tin 1.2 Giấu tin ảnh 1.2.1 Khái niệm giấu tin ảnh Giấu tin ảnh quan tâm Nó đóng vai trị quan trọng hầu hết ứng dụng bảo vệ an tồn thơng tin như: nhận thực thơng tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ quyền tác giả Lượng thông tin mang ý nghĩa tùy thuộc vào mục đích người sử dụng giấu vào liệu ảnh chất lượng ảnh thay đổi khó biết đằng sau ảnh mang thơng tin có ý nghĩa .Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án 33 5.1.4 Một số giao diện chƣơng trình Giao diện chƣơng trình bao gồm: - Hệ thống + Trợ giúp + Thốt - Giấu thơng điệp + Thực giấu tin + Thống kê RS + Đánh giá PSNR - Tách thông điệp + Thực tách tin Hình 5.4 Trang chủ Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án 34 Hình 5.5 Chức Hệ thống Hình 5.6 Chức Giấu thông điệp Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án 35 Hình 5.7 Chức Tách thơng điệp Hình 5.8 Trợ giúp Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án 36 Hình 5.9 Chương trình giấu tin ảnh Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án 37 Hình 5.10 Chương trình tách tin ảnh Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án 38 Hình 5.11 Chương trình thống kê RS Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án 39 Hình 5.12 Chương trình đánh giá PSNR Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án 40 5.2 Các modul cài đặt 5.2.1 Chức năng: Thực giấu tin ảnh Ô nhập liệu: - Chọn ảnh cần giấu: click vào nút bên cạnh để chọn ảnh giấu tin - Chọn tệp cần nhúng: click vào nút bên cạnh để chọn tệp cần giấu tin - Chọn mục lưu ảnh kết quả: Lưu trữ ảnh kết sau giấu tin Nút bấm: - Thực giấu tin - Thốt: Thốt khỏi giao diện chương trình giấu thơng điệp 5.2.2 Chức năng: Thực tách tin Ô nhập liệu: - Chọn ảnh cần tách: click vào nút bên cạnh để chọn ảnh tách tin - Cho biết tên tệp lưu tin: click vào nút bên cạnh để chọn tên tệp cần lưu tin Nút bấm: - Thực tách tin - Thốt: Thốt khỏi giao diện chương trình tách thơng điệp 5.2.3 Chức năng: Đánh giá PSNR Ơ nhập liệu: - Chọn ảnh gốc: click vào nút bên cạnh để chọn ảnh chưa giấu tin - Chọn ảnh nhúng: click vào nút bên cạnh để chọn ảnh giấu tin Nút bấm: - Thực đánh giá PSNR - Thốt: Thốt khỏi giao diện chương trình đánh giá PSNR 5.2.4 Chức năng: Thống kê RS Ô nhập liệu: - Ảnh gốc: click vào nút - Ảnh nhúng: click vào nút Nút bấm: bên cạnh để chọn ảnh chưa giấu tin bên cạnh để chọn ảnh giấu tin - Thống kê RS ảnh gốc - Thống kê RS ảnh giấu tin - Thoát: Thoát khỏi giao diện chương trình kiểm tra RS .Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án 41 5.3 Thực nghiệm đánh giá Hình 5.13 Tệp thơng điệp (10 ký tự) Hình 5.14 Tệp thơng điệp (100 ký tự) Hình 5.15 Tệp thơng điệp (1000 ký tự) Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án 42 Hình 5.16 ảnh chuẩn trước giấu sau giấu Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án 43 Bảng 5.2 Kết thực nghiệm ảnh chuẩn Lƣợng giấu PSNR 10 kí tự 100 kí tự 1000 kí tự Airplane.bmp 51.081 51.0694 50.9529 Barbara.bmp 51.132 51.1208 51.0018 Elanie.bmp 51.1388 51.1271 51.0122 Lake.bmp 51.1260 51.1138 50.9957 Pepper.bmp 50.6205 50.6086 50.4914 Ảnh giấu Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án 44 Hình 5.17 15 ảnh trước giấu tin sau giấu tin .Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án 45 Bảng 5.3 Kết thực nghiệm 15 ảnh Lƣợng giấu PSNR 10 kí tự 100 kí tự 1000 kí tự 51.1315 51.0596 50.4984 51.1036 51.0379 50.4574 51.1721 51.1103 50.5271 51.1035 51.0416 50.4652 50.9447 50.8795 50.3334 51.1163 51.0592 50.4878 51.0658 50.9999 50.4233 51.1517 51.0858 50.5101 50.5113 50.4570 49.8941 10 51.1134 51.0530 50.4728 11 51.1666 51.1017 50.5096 12 51.0390 50.9729 50.3996 13 51.0443 50.9944 50.4150 14 50.9601 50.9000 50.3110 15 51.0622 51.0004 50.4302 Ảnh giấu Nhận xét : Kỹ thuật giấu lượng thơng tin lớn, q trình xử lý nhanh, chất lượng hình ảnh sau giấu tin tốt (PSNR >35 dB) Giấu ảnh nhiều ký tự PSNR giảm, điều chứng tỏ chất lượng ảnh giấu thông điệp cao .Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án 46 KẾT LUẬN Đồ án em thực nhiệm vụ sau: Trình bày tổng quan kỹ thuật giấu tin Tổng quan ảnh Bitmap Kỹ thuật phát ảnh có giấu tin RS Kỹ thuật giấu tin SES tránh phát thống kê RS Đây kiến thức hữu ích cần thiết để khai thác ngày hiệu thành tựu tin học Đó lý để em chọn đề tài làm đồ án tốt nghiệp Em mong muốn giới thiệu phổ biến kiến thức đến người đọc Việc kết hợp giấu thông tin công nghệ thông tin vấn đề nghiên cứu phát triển để phục vụ nhiều lĩnh vực khác Trên giới người ta nghiên cứu nhiều vấn đề Kỹ thuật giấu thông tin ảnh nói chung giấu thơng tin ảnh xám nói riêng hướng nghiên cứu kỹ thuật giấu thông tin đạt nhiều kết khả quan Trong đề tài em trình bày số khái niệm liên quan đến kỹ thuật giấu tin nói chung cụ thể thuật tốn giấu tin SES ảnh nói riêng Do cịn nhiều hạn chế thời gian nghiên cứu nên đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đóng góp ý kiến thầy để đồ án hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án .Tài liệu Há»— trợ ôn tập com Luận văn Luận án