Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trong ảnh sử dụng phương pháp dịch chuyển histogram

Vì vay dựa trên quan sát một loạt histogram của ảnh trước và ảnh sau khi giấu tin bằng kỹ thuật giấu tin thuận nghịch, chúng ta có thé phát hiện và phân tích được tin mật chứa trong ảnh,

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Hoàng Bùi Phong

NGHIÊN CUU KỸ THUẬT GIAU TIN THUẬN NGHỊCH

TRONG ANH DỰA TREN PHƯƠNG PHÁP DỊCH CHUYEN

HISTOGRAM

Chuyên ngành : HỆ THONG THONG TIN

Mã số: 60.48.01.04

TOM TAT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS VŨ HỮU TIEN

HÀ NỘI - NĂM 2014

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Vũ Hữu Tiến

Phản biện 1: TS Phạm Văn Cường

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu

chính Viễn thông

Vào lúc: 15 giờ00 ngày 08 tháng 02 năm 2015

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

tin như nạn ăn cắp bản quyền, xuyên tac thông tin gốc, hay truy cập

thông tin trái phép, Một trong những công nghệ mới trong bảo mật

thông tin tạo ra đó là giấu tin trong đữ liệu đa phương tiện Đây là công

nghệ mới và phức tạp, nó được xem như là một công nghệ chìa khóa

cho vấn dé bảo vệ bản quyền và điều khiến truy cập

Trong các công nghệ giấu tin trong đữ liệu đa phương tiện thì

công nghệ giấu tin trong ảnh là một bộ phận chiếm tỷ lệ lớn trong các

chương trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin đa phương tiệnbởi lượng thông tin được trao đôi bang anh rat lớn và đồng thời đóng vai

trò quan trọng trong các ứng dụng bảo vệ quyên tác giả, xác thực thông

tin hay phát hiện giả mạo, giấu vân tay hay dán nhãn, kiểm soát chophép, giấu tin mật

Thời gian gần đây, khi đưa sử dụng công nghệ giấu tin trong

ảnh vào một số lĩnh vực như: y học, quân sự, nghiên cứu năng lượnghoặc hệ thống vệ tinh, Bài toán đặt ra là phải tach đúng thông tin đượcgiấu trong ảnh và đồng thời chúng ta có thé khôi phục lại ảnh xấp xi

chất lượng ảnh gốc ban đầu

Các kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trong ảnh hiện tại đa số đượcđánh giá cao vì độ phức tạp tính toán thấp, không làm thay đổi nhiều nộidung ảnh nhưng để lại dấu hiệu không bình thường trên lược đồ

histogram của các anh đó Vì vay dựa trên quan sát một loạt histogram

của ảnh trước và ảnh sau khi giấu tin bằng kỹ thuật giấu tin thuận

nghịch, chúng ta có thé phát hiện và phân tích được tin mật chứa trong

ảnh, đồng thời cũng đánh giá hay định dạng những chỗ yếu của các kỹ

thuật giấu tin thuận nghịch

Như vậy, có thể thấy rằng vấn đề giấu tin thuận nghịch trong

ảnh dang là van dé rất được quan tâm và có thé ứng dụng vào thực tiễntrong bảo vệ quyên tác giả, xác thực thông tin hay phát hiện giả mạo,giấu vân tay hay đán nhãn, kiểm soát cho phép, giấu tin mật

Luận văn này sẽ hệ thống lại các kiến thức về các kỹ thuật giấu

tin trong ảnh và nghiên cứu kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trong ảnh

sử dụng phương pháp dịch chuyển histogram đê từ đó đánh giá đượchạn chế và ưu điểm của các kỹ thuật giấu tin trong ảnh

Về bố cục của luận văn, luận văn được chia làm 3 chương, bao

gồm các phan chính sau:

Chương 1: Tổng quan kỹ thuật giấu tin trong ảnh

Trong chương này trình bày những kiến thức cơ bản về kỹ thuậtgiấu tin đa phương tiện Trình bày tổng quan và phân loại các kỹ thuậtgiấu tin trong ảnh Đồng thời chương này cũng đề cập tới đặc trưng giấu

tin trong ảnh và ứng dụng trong thực tế

Chương 2: Kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trong ảnh

Giấu tin thuận nghịch là kỹ thuật giấu thông điệp sau khi tách lấythông điệp ta có thể khôi phục lại xấp xỉ ảnh gốc ban đầu Trong chươngnày, một số kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trong ảnh bao gồm kỹ thuậtgiấu tin trên bit LSB, kỹ thuật giấu tin dựa trên phép biến đổi DCT, kỹ

Trong chương nay sẽ nghiên cứu sâu về phát hiện anh có giấu

tin sử dụng một số kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trong ảnh sử dụngphương pháp dịch chuyền histogram, sử dụng Matlab để mô phỏng giấu

tin và phát hiện tin bằng phương pháp dịch chuyên histogram

2 Mục đích nghiên cứu

Tìm hiểu các kỹ thuật giấu tin trong anh, kỹ thuật giấu tin thuận

nghịch trong ảnh bằng phương pháp dịch chuyền Histogram

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

— Đối tượng nghiên cứu: Các kỹ thuật giấu tin thuận nghịch

trong ảnh và tập trung vào phương pháp dịch chuyên histogram

— Pham vi nghiên cứu: Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin thuận

nghịch trong ảnh dựa trên phương pháp dịch chuyên histogram

từ đó đánh giá đưa ra ưu nhược điểm của phương pháp

4 Phuong pháp nghiên cứu

Dựa trên việc nghiên cứu và tìm hiểu những kết quả nghiên cứu

về các kỹ thuật giấu tin thuật nghịch trong ảnh đã được công bồ trên các

tạp chí trong và ngoài nước, đặc biệt chú trọng đến những nghiên cứu vềcác phương pháp nghiên cứu phát hiện kỹ thuật giấu tin thuật nghịchtrên ảnh dựa trên dịch chuyển Histogram Trên cơ sở những nghiên cứu

cơ bản, đánh giá ưu điểm và hạn chế của mỗi kỹ thuật giấu tin thuậnnghịch Đồng thời, trong quá trình nghiên cứu có sự trao đổi, chia sẻ,

thảo luận với giáo viên hướng dân và các đông nghiệp vê các kêt quả

nghiên cứu.

Chương 1: TONG QUAN KỸ THUAT GIAU TIN TRONG ANH

1.1 Khai niệm kỹ thuật giấu tin

1.1.1 Giới thiệu chung về giấu tin

1.1.2 Khái niệm kỹ thuật giấu tin

Giấu tin là kỹ thuật nhúng (giấu) một lượng thông tin nào đó

vào trong một đối tượng dữ liệu số khác, khiến cho không ai có thể nhận

ra sự tồn tại thông tin được nhúng (giấu)

1.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin

1.2.1 Kỹ thuật thủy vân số

Kỹ thuật thủy vân số là kỹ thuật nhúng (giấu) một biểu tượng

hay còn gọi là thủy vân vào trong môi trường dữ liệu đa phương tiện débảo vệ bản quyền của đối tượng dữ liệu đa phương tiện chứa thủy vân,

kỹ thuật này cho phép đảm bảo nguyên vẹn biểu tượng (thủy vân) khi

mà đối tương đữ liệu đa phương tiện chứa thủy vân bị biến đổi thôngthường với các thao tác lọc, nén giữ liệu, hay các phép biến đôi khác,

1.2.2 Kỹ thuật giấu tin mật

Kỹ thuật giấu tin mật: là kỹ thuật dùng dữ liệu đa phương tiệnlàm môi trường để lưu trữ và chứa thông tin mật quan trọng với kích

thước dung lượng lớn một cách an toan, mục đích việc giấu tin mật là

làm cho thông tin mật được giấu trong dữ liệu đa phương tiện trở nên

không quan sát được bằng thị giác con người

1.3 Mô hình giấu tin cơ bản

1.3.1 Mô hình quá trình giấu tin

1.3.2 Mô hình quá trình tách tin

1.4 Các môi trường giấu tin cơ bản

1.4.1 Giấu tin trong ảnh1.4.2 Giấu tin trong video1.4.3 Giấu tin trong audio1.4.4 Gidu tin trong văn ban

1.5 Một số khái niệm về kỹ thuật giấu tin trong ảnh

1.5.1 Định nghĩa kỹ thuật giấu tin trong ảnh

Giấu tin trong anh là kỹ thuật giấu tin trong dir liệu đa phương

tiện, thông tin mật được nhúng vào dt liệu ảnh nhưng chất lượng dữ liệu

ảnh mang thông tin mật ít thay đôi và khi quan vào ảnh bằng mắt thường

đó chúng ta không thể phát hiện ra rằng trong dữ liệu ảnh đó có tồn tạithông tin được ẩn

1.5.2 Các khái niệm cơ bản về ảnh đen trắng và ảnh màu

1.5.3 Các định dạng ảnh thường được sử dụng giấu tin

1.5.1.1 Định dạng GIF

1.5.1.2 Định dạng JPEG

1.5.1.3 Định dạng BMP

1.5.1.4 Định dạng PNG

1.6 Các phương pháp giấu tin trong ảnh

1.6.1 Giấu tin trong miền không gian ảnh

Đây là hướng tiếp cận cơ bản và tự nhiên trong số các kỹ thuật

giấu tin mật Miền không gian ảnh là miền dữ liệu ảnh gốc như một ma

trận các điểm ảnh, tác động lên miền không gian ảnh chính là tác động

lên các điểm ảnh, thay đổi giá trị trực tiếp của điểm ảnh Đây là hướng

tiếp cận tự nhiên bởi lẽ khi nói đến việc giấu tin trong ảnh người tathường nghĩ ngay đến việc thay đôi giá trị các điểm anh cua ảnh gốc

1.6.2 Giấu tin trong miền tan số ảnh

Hướng tiếp cận dựa trên miền không gian ảnh như đã trình bày

ở trên là cách tiến hành khảo sát tín hiệu và hệ thống rời rạc một cách

trực tiếp trên miễn giá trị rời rạc của các điểm ảnh gọi là trên miền biến

số độc lập tự nhiên Nhưng trong nhiều trường hợp, cách khảo sát trựctiếp này gặp phải những khó khăn nhất định hoặc rất phức tạp và hiệuquả không cao.

1.7 Đặc trưng và ứng dung kỹ thuật giấu tin trong ảnh

1.7.1 Đặc trưng và tính chất giấu tin trong ảnh

1.7.2 Ung dung kỹ thuật giấu tin trong ảnh

Chương 2: KỸ THUAT GIAU TIN THUẬN NGHICH TRONG

>

ANH

2.1 KY thuật giấu tin dựa trên miền không gian anh LSB

2.1.1 Khái niệm bit có trọng số thấp LSB (Least Significant Bit)

LSB (Least Significant Bit) là bit có ảnh hưởng ít nhất tới màusắc của mỗi điểm ảnh Vì vậy khi thay đổi bit ít quan trọng của mộtđiểm anh thi màu sắc của mỗi điểm anh mới sẽ gần tương đổi với điểm

ảnh cũ.

2.1.2 Thuật toán giấu tin trên bit LSB

Mục đích của phương pháp giấu tin trong ảnh LSB là chọn racác bit it quan trong (ít làm thay đổi chất lượng của ảnh gốc) và thay thế

chúng bang các bit thông tin cần giấu Dé khó bị phát hiện, thông tin

giấu thường được nhúng vào những vùng hệ thống thị giác con người

kém nhạy cảm với màu sắc

Y tuong cua thuat toan giấu tin là chọn một điểm ảnh ngẫu

nhiên, với mỗi điểm ảnh, chọn ngẫu nhiên một byte màu, sau đó giấu bit

thông tin mật vào bit màu có trọng số thấp nhất Dé tăng tinh an toàn,

thông tin giấu thường được được nhúng vào những vùng hệ thống thị

giác con người kém nhạy cảm với màu sắc

2.1.3 Thuật toán tách tin 2.1.4 Phân tích thuật toán

Ưu điểm kỹ thuật giấu tin trong ảnh LSB đơn giản, dễ cài đặt và

phát huy hiệu quả tốt trong nhiều ứng dụng tuy nhiên tồn tại hược điểm

của phương pháp này là kém bền vững trước tác động của các phép xử

lý ảnh, nên phương pháp chỉ thích hợp cho giấu tin mật mà không thích

hợp cho thủy vân số

2.2 Kỹ thuật giấu tin dựa trên miền tần số sử dụng biến đổi DCT

2.2.1 Các phép bién doi miền không gian ảnh sang miền tan số

Đề khảo sát hệ thống rời rạc, chúng ta thường sử dụng kỹ thuậtbiến đổi hệ thống rời rạc đó sang một miền biến số khác Các kỹ thuậtbiến đổi nay làm nhiệm vụ chuyển miền biến số độc lập sang các miền

khác và như vậy tín hiệu và hệ thống rời rac sẽ được biéu diễn trong cácmiền mới với các biến số mới Sau đó, tìm cách nhúng thông tin mật vàoảnh bằng cách thay đổi các hệ số biến đổi trong những miền thích hợp

để đảm bảo chất lượng ảnh và sự bền vững của thông tin mật sau khi

nhúng.

Các phép biến đổi được sử dung phổ biến là DCT (Discrete Cosin

Transform), DFT (Discrete Fourier Transform) và DWT (Discrete Wavelet Transform).

2.2.2 Thuật toán giấu tin dựa trên phép biến đổi DCT

DCT- Discrete Cosin Tranform được sử dụng rất phô biến trongnhiều kỹ thuật xử lý ảnh số và tín hiệu số Trong các kỹ thuật watermark

anh dựa trên biến đổi DCT được sử dụng phổ biến nhất Ly do ở đây làphép biến đổi DCT đã được dùng trong dạng chuẩn ảnh JPEG Nếu áp

dụng DCT thì cũng theo chuẩn của JPEG va do đó sẽ tránh được mat

watermark do phép nén JPEG

Các tan số thấp

Các tân số trung bình cho watermarking

Các tân sô cao

Hình 2 1 Các hệ số của phép biến đổi DCT

Trong phương pháp nay, các hệ số DCT của ảnh gốc được thay

đổi theo công thức 2.6:

Caw = Ca (l+ a.W;) (2.6)

Trong đó Cyy là hệ số thủy vân , Cy là ban gốc,œ biểu thị cho

mức thủy vân (ví dụ: 0.3), và W, là bit tương ứng của thông điệp dữ

liệu Công thức này cho ta thấy các hệ số DCT của ảnh gốc được thay

đổi tùy theo nội dung của anh nhúng Mức độ thay đổi tùy theo giá trị

của hệ số DCT

2.2.3 Phân tích thuật toán

Thuật toán này thường được áp dụng trong kỹ thuật giấu tin ảnhứng dụng đánh dau bản quyền Tham số a trong thuật toán đóng vai trò

như là hệ số tương quan giữa tính ân và tính bền vững của tin giấu Khi

tăng hệ số a lên thì độ sai lệch của giấu tin giảm di và như vậy nó bền

vững hơn Tuy nhiên, nếu tăng a thì chất lượng ảnh sau khi giấu tin sẽ

giảm Điều này rất dé hiểu vi a lớn, nghĩa là phân lớp khoảng cách hai

hệ số lớn nên khoảng cách biến đổi của một hệ số dé thỏa mãn điều kiệngiấu lớn, dẫn đến ảnh hưởng nhiều đến chất lượng ảnh

2.3 Kỹ thuật giấu tin dựa trên sự khác biệt

2.3.1 Một số công thức và định nghĩa

2.3.1.1 Một số công thức

2.3.1.2 Một số định nghĩa

2.3.2 Thuật toán giấu tin

Kỹ thuật giấu tin thuận nghịch dựa trên sự khác biệt (Differece

Expansion) do Jun Titan đề suất năm 2002 Kỹ thuật này nhúng thôngtin cần giấu vào sự khác biệt của cặp giá tri điểm ảnh

2.3.3 Thuật toán tách tin

2.4 Kỹ thuật giấu tin thuận nghịch tránh vượt ngưỡng

2.4.1 Ý trồng thuật toán

Bước đâu là chia nhỏ ma trận diém ảnh thành các ma trận nhỏ

có kích thước 3 X 3 Xác định điểm ảnh nhỏ nhất (hoặc lớn nhất) trong

ma trận nhỏ 3 X 3 và cố định chúng, những điểm anh này có tác dụng

giữ cố định khối ma trận và ngăn ngừa sự cố vượt ngưỡng

Sau đó tiễn hành giảm hay thay đổi giá trị điểm ảnh bằng cách

trừ giá trị các điểm ảnh còn lại cho điểm ảnh có giá trị nhỏ nhất (hoặclớn nhất) rồi nén điểm ảnh và cô lập những điểm ảnh thỏa mãn (theo yêucầu thuật toán) Chuỗi bit thông điệp sẽ được giấu vào những điểm ảnh

đã giảm hay thay đổi giá trị, trừ những điểm ảnh cô lập và những điểm

ảnh có giá tri lớn nhất hoặc nhỏ nhất

2.4.2 Thuật toán giấu tin

2.4.3 Thuật toán tách tin

Chương 3: KỸ THUẬT GIAU TIN THUAN NGHICH DỰA TREN

DỊCH CHUYEN HISTOGRAM

3.1 Giới thiệu chung

Giấu tin thuận nghịch trong ảnh: kỹ thuật giấu thông tin mật,

giấu biểu tượng vào ảnh số, mà sau khi khôi phục thông tin mật trong

quá trình tách tin, ta có thể khôi phục ảnh chứa thông tin mật có chất

lượng xấp xỉ hoặc giống ảnh gốc ban đầu

Trong các kỹ thuật giấu tin thuận nghịch vào ảnh trong miền đữ

liệu thì ta không thé không nhắc đến kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trong

ảnh dựa trên phương pháp dịch chuyển Histogram, các nghiên cứu cho

thấy kỹ thuật này có độ tính toán thấp và không thay đổi nhiều đữ liệu

hay nội dung của ảnh Đã có rất nhiều kỹ thuật giấu tin thuận nghịch

trong ảnh dựa trên phương pháp dịch chuyển Histogram được công bố:

kỹ thuật NSAS, kỹ thuật HKC, kỹ thuật HKC cải tiến,

3.2 Biểu đồ tần suất (Histogram)

3.2.1 Khái niệm biểu đồ tan suất (Histogram)

3.2.2 Các phép toán biến đổi trên biểu đồ tan suất (Histogram)

3.3 Kỹ thuật giấu tin trong ảnh thuận nghịch NSAS

3.3.1 Một số khái niệm chung

Một kỹ thuật mới giấu tin thuận nghịch trong ảnh sử dụngphương pháp dịch chuyên Histogram đã được ra đời vào năm 2006 bởi

Ni và đồng nghiệp, hay còn gọi 1a thuật toán NSAS Kỹ thuật giấu tinthuận nghịch trong ảnh nay có ưu điểm là sau khi tách thông tin mật từ

ảnh đã giấu tin, ta có thé khôi phục ảnh đã giấu tin thành ảnh gốc ban

đầu mà dường như chất lượng ảnh không thay đổi so với ảnh gốc ban

dau.

3.3.2 Thuật toán giấu tin kỹ thuật NSASThuật toán giấu tin tổng quát với một cặp điểm minimum và điểm

maximum

Lưu ý rằng định nghĩa điểm zero (điểm không) có thể không

tồn tại ở một số biéu dé tần suất (histogram) Ta sẽ định nghĩa hai điểm

là điểm mininum (điểm nhỏ nhất) có mức xám là b, giá trị số điểm ảnh

cùng mức xám trong biểu đồ tần suất là nhỏ nhất ký hiệu h(b) và điểm

maxinum (điểm lớn nhất) có mức xám là a, giá trị điểm ảnh cùng mứcxám trong biéu đồ tần suất là lớn nhất ký hiệu h(a)

Các bước giấu tin:

Với ảnh kích cỡ M x N, mỗi điểm ảnh có số mức xám là x €

[0,255].

Bước 1: Tao biéu đồ tần suất (histogram) H(x)

Bước 2: Trong biểu đồ tần suất H(x), tìm hai điểm đó là điểmmininum (điểm nhỏ nhất) h(b) b € [0,255] và điểm maxinum (điểmlớn nhất) h(a) a € [0,255]

Bước 3: Nếu điểm mininum có h(b) > 0, thì mã hóa lại tọa độ(i,j) của những điểm ảnh có mức xám là b và lưu lại thành thông tin phụ

(overhead information) Rồi sau đó đặt h(b) = 0

Bước 4 : Dé không mắt tính tổng quát giả sử a < b, dich chuyênbiểu đồ tần suất H(x) với x © (a,b) sang phải 1 đơn vị, diéu này tức làtất cả giá trị điểm ảnh có mức xám năm trong khoảng (a,b) được cộng

thêm 1.

Bước 5: Toàn bộ ảnh quét lần nữa, néu gặp điểm anh (mức xám

là a) ta kiểm tra chuối dữ liệu được nhúng vảo Nếu dữ liệu nhúng vào

có giá trị bit là "1" thì giá trị điểm ảnh mức xám được tăng lên thành a +

1, nếu dữ liệu nhúng vào có giá trị bit là "0", thì giá trị điểm ảnh vẫn là

a.

Mô hình thuật toán giấu tin NSAS thể hiện hình 3.8