Trình bày tổng quan về kỹ thuật giấu và phát hiện ảnh có giấu tin

LỜI CẢM ƠN! Trƣớc hết, Em xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Hồ Thị Hƣơng Thơm, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn, tận tình bảo em suốt trình làm đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn tất thầy giáo khoa Cơng nghệ thơng tin nói riêng thầy Trƣờng ĐHDL Hải Phịng nói chung, ngƣời nhiệt tình giảng dạy trang bị đầy đủ kiến thức cho em thời gian em theo học trƣờng Cuối em xin cảm ơn gia đình, ngƣời thân bạn bè động viên tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập làm đồ án tốt nghiệp vừa qua Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN! DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU .5 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN 1.1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN 1.1.1 Định nghĩa kỹ thuật giấu tin .7 1.1.2 Mục đích giấu tin 1.1.3 Mơ hình kỹ thuật giấu thơng tin 1.1.4 Mơ hình kỹ thuật tách thơng tin 1.1.5 Yêu cầu thiết yếu hệ thống giấu tin 1.1.6 Môi trƣờng giấu tin .9 1.1.7 Một số đặc điểm việc giấu tin ảnh 11 1.2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN 12 1.2.1 Khái niệm 12 1.2.2 Phân tích ảnh giấu tin thƣờng dựa vào yếu tố 12 1.2.3 Các phƣơng pháp phân tích ảnh có giấu tin 12 1.3 MỘT SỐ ẢNH ĐỊNH DẠNG BITMAP PHỔ BIẾN 13 1.3.1 Cấu trúc ảnh Bitmap 13 1.3.1.1 Bitmap Header .13 1.3.1.2 Palette màu 15 1.3.1.3 Bitmap data 15 1.3.2 Cấu trúc ảnh PNG .16 1.3.2.1 Lịch sử phát triển 16 1.3.2.2 Thông tin kỹ thuật 16 CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN TRÊN LSB 18 2.1 KỸ THUẬT GIẤU TIN TRÊN LSB 18 2.1.1 Khái niệm bit có trọng số thấp (LSB – least significant bit) 18 2.1.2 Thuật tốn giấu thơng tin mật LSB theo tỷ lệ 18 2.2 KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN TRÊN LSB 19 2.2.1 Tổng quan thuật toán 19 2.2.2 Thuật toán bƣớc thực .23 CHƢƠNG 3: CÀI ĐẶT VÀ THỰC NGHIỆM 24 3.1 MÔI TRƢỜNG CÀI ĐẶT VÀ ĐỀ MÔ 24 3.1.1 Môi trƣờng cài đặt 24 3.1.2 Đề mơ chƣơng trình 24 3.2 THỬ NGHIỆM VÀ NHẬN XÉT 27 3.2.1 Thử Nghiệm 27 3.2.2 Nhận xét 29 KẾT LUẬN 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hai lĩnh vực kỹ thuật giấu thơng tin Hình 1.2 Lƣợc đồ chung cho q trình giấu tin Hình 1.3 Lƣợc đồ chung cho trình tách tin Mỗi điểm ảnh biểu diễn bit, bit cuối Hình 2.1 đƣợc coi bit quan trọng tức bit bên phải Hình 2.2 Thể nạp chồng ảnh Hình 3.1 Giao diện chƣơng trình Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Giao diện chƣơng trình giấu tin ngẫu nhiên LSB Giao diện chƣơng trình phát ảnh giấu tin Giao diện chƣơng trình phát tập ảnh giấu tin Hình 3.5 Tập ảnh chuẩn C1 Hình 3.6 Tập ảnh C2 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Cấu trúc ảnh Bitmap Bảng 1.2 Thông tin Bitmap header Bảng 1.3 Bảng màu ảnh Bitmap Bảng 3.2 Kết phát tập ảnh C1, S1_30, S1_60 Bảng 3.3 Kết phát tập ảnh C2, S2_30, S2_60 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT LSB Least Significant Bit Bit quan trọng DCT Discrete Consine Transform Phép biến đổi cosin rời rạc 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 Expert Group Ảnh nén JPEG GLCM Gray level co-occurrence matrix Ma trận mức xám MỞ ĐẦU Ngày nay, Internet ngày phát triển mạnh mẽ dần trở thành môi trƣờng giới ảo đƣợc sử dụng toàn cầu Cùng với cách mạng thông tin kỹ thuật số đem lại thay đổi sâu sắc xã hội sống Những thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại sinh thách thức hội cho trình phát triển Internet mạng khơng dây trợ giúp cho việc chuyển phát khối lƣợng thông tin lớn qua mạng giúp cho việc truyền thông giao tiếp trở nên thuận lợi Tuy nhiên làm tăng nguy sử dụng trái phép, ăn cắp thông tin, xuyên tạc bất hợp pháp thông tin đƣợc lƣu chuyển mạng, đồng thời việc sử dụng cách bình đẳng an tồn liệu đa phƣơng tiện nhƣ cung cấp cách kịp thời thông tin tới nhiều ngƣời dùng cuối thiết bị cuối vấn đề quan trọng nhiều thách thức Hơn phát triển phƣơng tiện kỹ thuật số làm cho việc lƣu trữ, sửa đổi chép liệu ngày đơn giản, từ việc bảo vệ quyền chống xâm phạm trái phép liệu đa phƣơng tiện (âm thanh, hình ảnh, tài liệu) gặp nhiều khó khăn Một cơng nghệ đƣợc đời giải phần số khó khăn giấu thơng tin nguồn đa phƣơng tiện nhƣ nguồn âm thanh, hình ảnh… Xét theo khía cạnh tổng qt giấu thơng tin hệ mật mã nhằm đảm bảo tính an tồn thơng tin, phƣơng pháp ƣu điểm chỗ giảm đƣợc khả phát tồn thông tin nguồn mạng Không giống nhƣ mã hố thơng tin để chống truy cập sửa chữa cách trái phép thông tin Giấu phát thông tin kỹ thuật tƣơng đối phát triển nhanh thu hút đƣợc quan tâm giới khoa học giới cơng nghiệp nhƣng cịn nhiều thách thức Bản báo cáo trình bày tổng quan kỹ thuật giấu phát ảnh có giấu tin Đồng thời trình bày số kỹ thuật phát thông tin giấu LSB ảnh số, từ đƣa thực nghiệm đánh giá cho việc phát ảnh số có giấu tin đƣợc áp dụng Cấu trúc trình bày đồ án bao gồm : Chƣơng I: Tổng quan kỹ thuật giấu tin phát ảnh có giấu tin Chƣơng II: Kỹ thuật phát ảnh có giấu tin LSB Chƣơng III: Cài đặt thực nghiệm CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN 1.1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN 1.1.1 Định nghĩa kỹ thuật giấu tin Giấu thông tin kỹ thuật nhúng (giấu) lƣợng thông tin số vào đối tƣợng liệu số khác (giấu thơng tin mang tính quy ƣớc hành động cụ thể) 1.1.2 Mục đích giấu tin Có hai mục đích giấu tin: Trao đổi thông tin mật Bảo đảm an tồn phát xun tạc thơng tin cho đối tƣợng chứa liệu giấu Có thể thấy mục đích hồn tồn trái ngƣợc dần phát triển thành lĩnh vực với u cầu tính chất khác Giấu thơng tin Giấu tin bí mật (Steganography) Thuỷ vân số (Watermarking) Hình 1.1 Hai lĩnh vực kỹ thuật giấu thơng tin Kỹ thuật giấu thơng tin bí mật (Steganography): với mục đích đảm bảo an tồn bảo mật thông tin tập trung vào kỹ thuật giấu tin để giấu đƣợc nhiều thơng tin Thơng tin mật đƣợc giấu cách vơ hình đối tƣợng khác cho ngƣời khác khó phát đƣợc Kỹ thuật giấu thông tin theo kiểu đánh dấu – thủy vân (watermarking) với mục đích để bảo vệ quyền đối tƣợng dùng để chứa thơng tin, thƣờng tập trung đảm bảo số yêu cầu nhƣ đảm bảo tính bền vững… Đây ứng dụng kỹ thuật thuỷ vân số 1.1.3 Mơ hình kỹ thuật giấu thơng tin Giấu thông tin vào phƣơng tiện chứa tách lấy thơng tin q trình trái ngƣợc mơ tả qua sơ đồ khối hệ thống nhƣ hình 1.2: Thơng tin giấu Phƣơng tiện chứa(audio, ảnh, video) Bộ nhúng thông tin Phƣơng tiện chứa đƣợc giấu tin Phân phối Khóa Hình 1.2 Lƣợc đồ chung cho q trình giấu tin Thơng tin cần giấu tuỳ theo mục đích ngƣời sử dụng, thơng tin mật (với tin bí mật) hay logo, hình ảnh quyền Phƣơng tiện chứa: file ảnh, text, audio… môi trƣờng để nhúng tin Bộ nhúng thơng tin: chƣơng trình thực việc giấu tin Đầu ra: phƣơng tiện chứa có tin giấu Tách thơng tin từ phƣơng tiện chứa diễn theo quy trình ngƣợc lại với đầu thông tin đƣợc giấu vào phƣơng tiện chứa Phƣơng tiện chứa sau tách lấy thơng tin đƣợc sử dụng, quản lý theo yêu cầu khác 1.1.4 Mơ hình kỹ thuật tách thơng tin Khóa giấu tin Phƣơng tiện chứa đƣợc giấu tin Bộ tách thông tin Phƣơng tiện chứa(audio, ảnh, video) Thông tin giấu Phân phối Kiểm định Hình 1.3 Lƣợc đồ chung cho q trình tách thơng tin Hình 1.3 công việc giải mã thông tin giấu Sau nhận đƣợc đối tƣợng phƣơng tiện chứa có giấu thơng tin, q trình giải mã đƣợc thực thơng qua giải mã tƣơng ứng với nhúng thơng tin với khố q trình nhúng Kết thu đƣợc gồm phƣơng tiện chứa gốc thông tin giấu Bƣớc thông tin giấu đƣợc xử lý kiểm định so sánh với thông tin ban đầu 1.1.5 Yêu cầu thiết yếu hệ thống giấu tin Có yêu cầu thiết yếu hệ thống giấu tin: Tính vơ hình: yêu cầu hệ giấu tin Tính bền vững: yêu cầu thứ hệ giấu tin Tính bền vững nói đến khả chịu đƣợc thao tác biến đổi phƣơng tiện nhúng cơng có chủ đích Khả nhúng: yêu cầu thứ hệ giấu tin Khả nhúng số lƣợng thơng tin nhúng đƣợc nhúng phƣơng tiện chứa 1.1.6 Môi trƣờng giấu tin a Giấu tin ảnh Giấu tin ảnh đƣợc quan tâm Nó đóng vai trò quan trọng hầu hết ứng dụng bảo vệ an tồn thơng tin nhƣ: nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ quyền tác giả… Một đặc điểm giấu thông tin ảnh thơng tin đƣợc giấu cách vơ hình, nhƣ cách truyền thơng tin mật cho mà ngƣời khác biết đƣợc sau giấu thông tin chất lƣợng ảnh gần nhƣ không thay đổi đặc biệt ảnh màu hay ảnh xám b Giấu tin audio Khác với kỹ thuật giấu thông tin ảnh: phụ thuộc vào hệ thống thị giác ngƣời – HSV (Human Vision System), kỹ thuật giấu thông tin audio lại phụ thuộc vào hệ thống thính giác HAS (Human Auditory System) Bởi tai ngƣời việc phát khác biệt giải tần cơng suất, có nghĩa âm to, cao tần che giấu đƣợc âm nhỏ, thấp cách dễ dàng Yêu cầu quan trọng giấu tin audio đảm bảo tính chất ẩn thơng tin đƣợc giấu đồng thời không làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng liệu c Giấu tin video Cũng giống nhƣ giấu thông tin ảnh hay audio, giấu tin video đƣợc quan tâm đƣợc phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng nhƣ điều khiển truy cập thông tin, xác thực thông tin, quyền tác giả… Một phƣơng pháp giấu tin video đƣợc đƣa Cox phƣơng pháp phân bố Ý tƣởng phƣơng pháp phân phối thông tin giấu dàn trải theo tần số liệu gốc d Giấu thông tin văn dạng text 10 + Thực thay bit thông tin mật ma trận ngẫu nhiên vào bit có giá trị thấp (LSB) ảnh bit thơng tin mật ma trận khơng cịn ngừng + Ảnh thu đƣợc ảnh có giấu p% thông tin ảnh vào tất bit LSB ảnh lần lƣợt từ trái qua phải, từ xuống dƣới 2.1.2.2 Thuật toán giấu Đầu vào: Ảnh cover tỷ lệ p% thông tin mật cần nhúng Đầu ra: Ảnh có giấu tin Các bƣớc thực : - Bƣớc 1: Chuyển liệu ảnh sang mảng chiều M*N - Bƣớc 2: Tính kích thƣớc ma trận ngẫu nhiên cần tạo ra: L=p*M*N/100 - Bƣớc 3: Tạo ma trận bit nhị phân ngẫu nhiên có số hàng M số cột R=L/M - Bƣớc 4: Thay lần lƣợt bit thông tin mật ma trận ngẫu nhiên vào bit có giá trị thấp (LSB) ảnh theo quy tắc từ trái sang phải từ xuống bit thông tin mật ma trận ngẫu nhiên đƣợc giấu hết dừng 2.2 KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN TRÊN LSB Đây kỹ thuật phát ảnh có giấu tin LSB sử dụng ma trận mức xám để đánh giá đặc trƣng ảnh trƣớc sau giấu tin Phƣơng pháp đƣợc đƣa nhóm tác giả: Fangjun Huang, Bin Li, Jiwu Huang thuộc phịng bảo mật thơng tin, khoa điện tử viễn thơng, trƣờng đại học Sun Yat-Sen, Quảng Châu, Quảng Đông, Trung Quốc 2.2.1 Tổng quan thuật toán Theo ý kiến số chuyên gia giấu tin, ảnh xám không nén ảnh gốc an toàn cho việc giấu tin Trong phƣơng pháp này, xem xét ảnh xám khơng nén Giả sử ảnh xám kích cỡ M x N, I(x,y) mảng gồm bit từ I0 ~ I7, khác từ tầng bit trọng số thấp tầng bit 19 trọng số cao Phƣơng pháp giấu LSB chủ yếu ảnh hƣởng đến bit trọng số thấp Sau xét hai tầng bit có trọng số thấp (I0, I1): A(x,y)= I0(x,y) + I1 (x,y)*2 (1≤ x≤ M, 1≤ y ≤N) Khi miền giá trị A có mức xám 0, 1, Chia A thành ma trận (ảnh con) kích cỡ 3x3 có nạp chồng Mỗi ma trận đếm số lƣợng mức xám ảnh nhỏ × 3, từ phân ma trận vào bốn tập sau: T1: Chỉ gồm mức xám Nghĩa là, tất điểm ảnh ma trận có giá trị T2: Bao gồm hai mức độ màu xám Nghĩa là, tất ma trận có hai cấp độ màu xám T3: Bao gồm ba mức xám Nghĩa là, tất ma trận có ba mức độ màu xám T4: Bao gồm bốn mức độ màu xám Nghĩa là, tất ma trận có bốn cấp độ màu xám Để phân ảnh gốc ảnh giấu tin dựa ý tƣởng sau Trong q trình nhúng thơng tin, xác suất ma trận thay đổi từ T1 đến Ti (2≤i≤4) nhiều so với xác suất mà ảnh nhỏ thay đổi từ Ti (2≤i≤4) đến T1 Ví dụ, cho ma trận thuộc T1, điểm ảnh bị thay đổi (khi giấu tin), xác suất mà thuộc Ti (2≤i≤4) 100% Ngƣợc lại, ảnh nhỏ thuộc Ti (2≤i≤4) sau giấu tin, xác suất mà ảnh nhỏ thuộc T1 nhiều so với 100% Vì vậy, kết luận |T1| giảm sau nhúng (|T1| biểu thị số lƣợng thành phần thuộc T1) Tuy nhiên, để xác định ngƣỡng cho |T1| phân loại ảnh gốc ảnh có giấu tin khó khăn Do có nhiều loại ảnh khác nhau, giá trị |T1| phân tán phạm vi rộng 20 Trong báo [3] nhóm tác giả có phát phƣơng pháp cho phép phân loại hình ảnh gốc ảnh giấu tin cách tin cậy Giả sử |T1C| số ảnh nhỏ thuộc T1 ảnh gốc IC(x,y) |T1S| số ảnh nhỏ thuộc T1 ảnh giấu tin tƣơng ứng IS(x,y) Nhúng chuỗi ngẫu nhiên thông tin vào ảnh gốc ảnh giấu tin kỹ thuật giấu LSB, đƣợc |T1C*| |T1S*| Tỷ lệ thay đổi đƣợc biểu thức sau: Lƣu ý:kC > kS thƣờng hình ảnh giấu tin chứa số lƣợng lớn liệu ẩn Hình 2.2 Thể nạp chồng ảnh Giả sử ta có ảnh kích cỡ x 5, tách miền bit có trọng số thấp thứ thứ ta đƣợc A, chia A thành ảnh (ma trận điểm ảnh) nạp chồng ta đƣợc ảnh nhỏ kích cỡ 3x3 (hình 2.2), A1 ~ A9 điểm ảnh trung tâm thuộc ma trận Để đơn giản, ta xét ba ma trận B3, B5, B7 đƣợc đánh nhãn tƣơng ứng Theo thí nghiệm khác nhau, ảnh thuộc 21 T1 tập trung khu vực có kết cấu phức tạp Trƣớc hết ta giả sử tất ma trận thuộc T1 Sau nạp chồng, hai hay nhiều ma trận bị thay đổi từ T1 sang Ti (2≤ i ≤4) nhúng lƣợng bit vào điểm ảnh ngoại trừ bốn điểm ảnh: ALT, ALB, ART ARB Đặc biệt, nhúng lƣợng bit vào điểm ảnh A5, tất ma trận bị thay đổi từ T1 sang Ti (2≤ i ≤4) Tuy nhiên, hình 2.2 vùng ma trận thu đƣợc từ ảnh giấu tin số bit tin đƣợc nhúng ma trận thuộc T1 không nạp chồng đƣợc giống nhƣ trƣớc số ma trận thuộc Ti (2≤ i ≤4) Khi lƣợng tin đƣợc nhúng, số ma trận thay đổi từ T1 sang Ti (2≤ i ≤4) giảm đáng kể Từ phân tích trên, thấy công thức Tuy nhiên, ảnh giấu tin chứa lƣợng nhỏ liệu ẩn so với kích thƣớc ảnh gốc gần nhƣ khơng có bit thông tin đƣợc nhúng vào vùng ma trận 5x5 nhƣ miêu tả hình 2.2, nhƣ khó để phân biệt ảnh gốc ảnh giấu tin dựa vào cơng thức Dựa phân tích trên, nhóm tác giả (Fangjun Huang, Bin Li, Jiwu Huang) đƣa bƣớc thực thuật toán phát nhƣ sau: Đối với ảnh đƣợc chọn, tính tốn |T1| Nhúng chuỗi ngẫu nhiên với chiều dài L vào hình ảnh đƣợc đƣa LSB Ví dụ, L = 0.5 nghĩa hai điểm ảnh hình ảnh đƣợc chọn có bit tin nhắn đƣợc nhúng Tính tốn |T1*| ảnh thu đƣợc Chúng ta có đƣợc tỷ lệ thay đổi k công thức sau: So sánh k giá trị với ngƣỡng định trƣớc, xác định xem ảnh gốc hay ảnh giấu tin 22 2.2.2 Thuật toán bƣớc thực Thuật tốn: Đầu vào: Mơt ảnh cấp xám C Đầu ra: Kết luận ảnh cấp xám C ảnh giấu tin hay ảnh gốc Các bƣớc thƣợc hiện: Bƣớc 1: Từ ảnh C ta tính đƣợc ma trận ảnh A (tách miền bit có trọng số thấp thứ thứ 1) Bƣớc 2: Chia A thành ma trận nhỏ cỡ 3x3 có nạp chồng Bƣớc 3: Trong tất ma trận ảnh nhỏ có đƣợc, ta lọc ma trận thuộc loại T1 Bƣớc 4: Nhúng lƣợng tin L=30% thuật toán giấu ngẫu nhiên LSB vào ảnh gốc C để đƣợc ảnh giấu tin S Bƣớc 5: Lặp lại bƣớc 2, ảnh S đƣợc số ma trận thuộc T1* Bƣớc 6: Sau có đƣợc số ma trận thuộc T1và T1*, ta tính tỷ lệ k sau cơng thức sau: Cơng thức 2.1 Cơng thức tính ngƣỡng k Bƣớc 7: Từ giá trị k thu đƣợc, dựa k