giấu tin trong ảnh và ứng dụng

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thanh Cường GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG TRONG AN TOÀN BẢO MẬT THÔNG TIN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY HÀ NỘI - 2009 Ngành: Công nghệ thông tin 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thanh Cường GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG TRONG AN TOÀN BẢO MẬT THÔNG TIN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY HÀ NỘI - 2009 Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hướng dẫn : TS. Hồ Văn Canh LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Hồ Văn Canh, người đã gợi mở và hướng dẫn em đi vào tìm hiểu đề tài giấu tin trong ảnh. Người thầy đã hết lòng giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa luận này. Em xin cảm ơn các thầy, cô trong trường Đại học Công Nghệ -Đại học Quốc Gia Hà Nội đã dậy dỗ chúng em, giúp đỡ động viên chúng em từ những ngày đầu chập chững bước vào cánh cổng trường Đại học. Thầy cô đã tạo cho chúng em môi trường học tập, những điều kiện thuận lợi cho chúng em được học tập tốt, trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu giúp chúng em có thể vững bước trong tương lai. Cảm ơn các bạn cùng lớp đã giúp đỡ, cùng nghiên cứu và chia sẻ trong suốt 4 năm học Đại học. Cuối cùng, xin gửi muôn vàn lời yêu thương, lòng biết ơn tới những người thân yêu nhất của tôi! Hà Nội, 2009 Nguyễn Thanh Cường 1 Tóm tắt nội dung Luận văn đã trình bày một số khái niệm liên quan tới việc che giấu thông tin nói chung, cụ thể hơn là giấu thông tin trong ảnh số và cũng trình bày một thuật toán giấu tin trong ảnh đen trắng, trên cơ sở đó phát triển thuật toán cho việc giấu tin trong ảnh màu và ảnh đa cấp xám. Giấu thông tin có thể chia làm hai hướng lớn đó là thủy vân số (watermarking) và giấu tin mật (steganography). Trong luận văn chủ yếu nghiên cứu theo hướng giấu tin mật trong ảnh. Với thuật toán giấu tin mật trong ảnh mầu thì tính vô hình của thông tin sau khi giấu được đảm bảo, thông qua việc chọn các tham số đảm bảo độ an toàn để giấu tin, những biến đổi không gây ra sự chú ý đáng kể nào. Ảnh sau khi giấu tin sẽ ít xuất hiện những điểm ảnh có màu sắc khác so với các điểm ảnh xung quanh và với thị giác của con người thì không thể phân biệt được sự khác nhau đó. Trong khóa luận còn trình bày một số kĩ thuật giấu tin trong ảnh và xây dựng một chương trình demo giấu tin trong ảnh bitmap theo kĩ thuật giấu tin Chen-Pan-Tseng. 2 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 Tóm tắt nội dung 2 MỤC LỤC 3 MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 6 1.1. Giới thiệu chung về giấu thông tin 6 1.2. Các khái niệm về giấu thông tin trong ảnh số 8 1.3. Một số đặc điểm của việc giấu thông tin trên ảnh số 10 1.3.1. Tính vô hình của thông tin 10 1.3.2.Tính bảo mật 10 1.3.3.Tỷ lệ giấu tin 11 1.3.4.Lựa chọn ảnh 11 1.3.5. Ảnh môi trường đối với quá trình giải mã 11 CHƯƠNG 2. GIẤU TIN TRONG ẢNH 15 2.1. Giới thiệu chung 15 2.2. Các đặc trưng của giấu thông tin trong ảnh 17 2.3. Sự khác nhau giữa giấu tin trong ảnh đen trắng với ảnh màu 19 2.4. Các thuật toán giấu tin trong ảnh 21 2.4.1 Giấu tin trong ảnh thứ cấp 21 2.4.2.Các kỹ thuật giấu tin trong ảnh thứ cấp 26 2.4.3. Giấu tin trong ảnh màu và ảnh đa cấp xám 40 2.4.4. Kết quả thực nghiệm và đánh giá 46 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH 48 3.1. Môi trường làm việc 48 3 3.2. Ngôn ngữ thực hiện thuật toán 48 3.3. Tổ chức và thực hiện chương trình 48 3.3.1. Qui trình thực hiện chính 49 3.3.2. Các giao diện chính của chương trình và kết quả đạt được 50 KẾT LUẬN 54 4 MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa học công nghệ thông tin, internet đã trở thành một nhu cầu, phương tiện không thể thiếu đối với mọi người, việc truyền tin qua mạng ngày càng lớn. Tuy nhiên, với lượng thông tin được truyền qua mạng nhiều hơn thì nguy cơ dữ liệu bị truy cập trái phép cũng tăng lên vì vậy vấn đề bảo đảm an toàn và bảo mật thông tin cho dữ liệu truyền trên mạng là rất cần thiết. Để đảm bảo an toàn và bí mật cho một thông điệp truyền đi người ta thường dùng phương pháp truyền thống là mã hóa thông điệp theo một qui tắc nào đó đã được thỏa thuận trước giữa người gửi và người nhận. Tuy nhiên, phương thức này thường gây sự chú ý của đối phương về tầm quan trọng của thông điệp. Thời gian gần đây đã xuất hiện một cách tiếp cận mới để truyền các thông điệp bí mật, đó là giấu các thông tin quan trọng trong những bức ảnh thông thường. Nhìn bề ngoài các bức ảnh có chứa thông tin cũng không có gì khác với các bức ảnh khác nên hạn chế được tầm kiểm soát của đối phương. Mặt khác, dù các bức ảnh đó bị phát hiện ra là có chứa thông tin trong đó thì với các khóa có độ bảo mật cao thì việc tìm được nội dung của thông tin đó cũng rất khó có thể thực hiện được. Xét theo khía cạnh tổng quát thì giấu thông tin cũng là một hệ mã mật nhằm bảo đảm tính an toàn thông tin, nhưng phương pháp này ưu điểm là ở chỗ giảm được khả năng phát hiện được sự tồn tại của thông tin trong nguồn mang. Không giống như mã hóa thông tin là chống sự truy cập và sửa chữa một cách trái phép thông tin, mục tiêu của giấu thông tin là làm cho thông tin trộn lẫn với các điểm ảnh. Điều này sẽ đánh lừa được sự phát hiện của các tin tặc và do đó làm giảm khả năng bị giải mã. Kết hợp các kỹ thuật giấu tin với các kỹ thuật mã hóa ta có thể nâng cao độ an toàn cho việc truyền tin. 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 1.1. Giới thiệu chung về giấu thông tin Giấu thông tin là một kỹ thuật nhúng dữ liệu vào một nguồn đa phương tiện gọi là môi trường, ví dụ như file âm thanh, ảnh động, ảnh tĩnh . . . Mục đích của che giấu thông tin là làm cho dữ liệu trở lên không thể nghe thấy hay nhìn thấy. Điều đó có nghĩa là đối phương không nhận thấy sự tồn tại của dữ liệu đã được nhúng dù có lắng nghe hay cố gắng nhìn thật cẩn thận vào môi trường có giấu dữ liệu. Mỗi kỹ thuật giấu tin gồm : - Thuật toán giấu tin. - Bộ giải mã thông tin. Thuật toán giấu tin được dùng để giấu thông tin vào một phương tiện mang bằng cách sử dụng một khóa bí mật được dùng chung bởi người mã và người giải mã, việc giải mã thông tin chỉ có thể thực hiện được khi có khoá. Bộ giải mã trên phương tiện mang đã chứa dữ liệu và trả lại thông điệp ẩn trong nó. 6 Lược đồ chung cho giấu thông tin Hình vẽ trên biểu diễn quá trình giấu tin cơ bản. Phương tiện chứa bao gồm các đối tượng được dùng làm môi trường để giấu tin như text, audio, video, ảnh …, thông tin giấu là mục đích của người sử dụng. Thông tin giấu là một lượng thông tin mang một ý nghĩa nào đó như ảnh, logo, đoạn văn bản… tùy thuộc vào mục đích của người sử dụng. Thông tin sẽ được giấu và trong phương tiện chứa nhờ một bộ nhúng, bộ nhúng là những chương trình, triển khai các thuật toán để giấu tin và được thực hiện với một khóa bí mật giống như các hệ mã cổ điển. Sau khi giấu tin ta thu được phương tiện chứa phương tiện chứa bản tin đã giấu và phân phối sử dụng trên mạng. Sau khi nhận được đối tượng phương tiện có giấu thông tin, quá trình giải mã được thực hiện thông qua một bộ giải mã tương ứng với bộ nhúng thông tin cùng với khóa của quá trình nhúng. Kết quả thu dược gồm phương tiện chứa gốc và thông tin đã giấu. Bước tiếp theo thông tin giấu sẽ được xử lý kiểm định so sánh với thông tin giấu ban đầu. 7 Thông tin giấu Phương tiện mang Nhúng thông tin vào phương tiện chứa Phân phối trên mạng Bộ giải mã Khoá Thông tin giấu Khoá Tóm lại, giấu thông tin là nghệ thuật và khoa học của truyền thông bên trong một truyền thông, mục đích của steganography là che giấu những thông báo bên trong những thông báo khác mà không làm ảnh hưởng đáng kể đến thông báo này; và bằng một cách thức nào đó sao cho người không có thẩm quyền không thể phát hiện hoặc không thể phá huỷ chúng. 1.2. Các khái niệm về giấu thông tin trong ảnh số Giấu dữ liệu là quá trình ẩn một dữ liệu vào một môi trường dữ liệu khác. Dữ liệu trước khi giấu có thể được nén và mã hoá, trong các ứng dụng đòi hỏi độ mật cao, giấu dữ liệu chính là một phương pháp bảo mật thông tin hiệu quả. Giấu dữ liệu được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như bảo vệ bản quyền, ngăn ngừa sao chép trái phép, truyền thông bí mật v.v Giấu thông tin trong ảnh số là một phần của khái niệm giấu thông tin với việc sử dụng ảnh số làm phương tiện mang. Giấu thông tin trong ảnh số có nhiều ứng dụng trong thực tế như trong việc xác định quyền sở hữu, chống xuyên tạc thông tin và chuyển giao dữ liệu một cách an toàn. Ảnh mà ta đem nhúng thông tin vào được gọi là ảnh môi trường hay ảnh gốc (host image). Ảnh thu được sau khi đã giấu thông tin gọi là ảnh kết quả (result image). Ảnh kết quả sẽ có những điểm khác so với ảnh gốc gọi là nhiễu. Ảnh kết quả càng ít nhiễu càng khó gây ra nghi ngờ về sự tồn tại của thông tin trong ảnh.  Thông tin nhúng: Là lượng thông tin được nhúng vào trong ảnh môi trường  Ảnh môi trường: là ảnh gốc được dùng để nhúng thông tin. Trong giấu thông tin trong ảnh thì nó mang tên ảnh môi trường, còn trong audio là audio môi trường v.v  Phương tiện nhúng: Là một đối tượng đa phương tiện như ảnh, audio hay video đã có thông tin nhúng 8 [...]... khác thì giấu chất lượng ảnh tốt hơn nhưng lượng thông tin giấu được bít và quá đơn giản không đảm bảo được độ an toàn thông tin Bảng sau sẽ liệt kê những khác nhau cơ bản giữa giấu thông tin trong ảnh đen trắng và ảnh mầu 19 Sự khác nhau giữa giấu thông tin trong ảnh đen trắng và ảnh màu Giấu thông tin trong ảnh đen trắng Giấu thông tin trong ảnh màu hoặc ảnh xám Thông tin giấu được ít Thông tin giấu. .. thông tin sai lệch Chính đặc điểm này mà giấu thông tin trong ảnh có tác dụng nhận thực và phát hiện xuyên tạc thông tin  Không cần ảnh gốc khi giải mã ảnh Thông tin được giấu trong ảnh sẽ được mang cùng dữ liệu ảnh, khi giải mã chỉ cần ảnh đã mang thông tin mà không cần dùng đến ảnh gốc để so sánh đối chiếu 2.3 Sự khác nhau giữa giấu tin trong ảnh đen trắng với ảnh màu Khởi nguồn của giấu thông tin trong. .. khối ảnh kích thước m*n mà chỉ cần thay đổi nhiều nhất 2 bit trong khối ảnh đó 2.2 Các đặc trưng của giấu thông tin trong ảnh Như đã nói ở trên nhúng thông tin trong ảnh có hai khái niệm khác nhau đó là thuỷ vân số ( digital watermarking ) và giấu thông tin mật trong ảnh (stegnography) Trong khi thuỷ phân số không yêu cầu thông tin giấu phải vô hình và chịu được các thao tác biến đổi trên ảnh thì giấu. .. này ảnh hưởng lớn đối với các kỹ thuật giấu tin trong audio hay video Đối với giấu thông tin trong ảnh phương pháp giấu và kỹ thuật giấu phụ thuộc vào đặc điểm thị giác của con người ví dụ như độ sáng tối, hay yếu tố khoảng cách to nhỏ  Giấu tin trong ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không thay đổi kích thước ảnh Các phép toán thực hiện công việc giấu tin sẽ được thực hiện trên dữ liệu của trên ảnh. .. giấu thông tin trong ảnh là một bộ phận chiếm tỷ lệ lớn nhất trong các chương trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong đa phương tiện bởi lượng thông tin được trao đổi bằng ảnh là rất lớn và hơn nữa giấu thông tin trong ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng trong các hầu hết các ứng dụng bảo vệ an toàn thông tin như: nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ bản quyền... liệu ảnh bao gồm các phần header, bảng phân màu và dữ liệu ảnh Khi giấu thông tin, các phương pháp đều biến đổi giá trị của các bit trong dữ liệu ảnh chứ không chứ không thêm vào hay bớt đi dữ liệu ảnh Do vậy mà kích thước ảnh trước hay sau khi giấu thông tin là như nhau  Đảm bảo yêu cầu chất lượng ảnh sau khi giấu thông tin Đây là một yêu cầu quan trọng đối với giấu thông tin trong ảnh Sau khi giấu. .. thông tin thấp do dễ bị phát Độ an toàn cao hiện có thông tin chứa thông tin bên trong Các thuật toán giấu ít, phức tạp Nhiều thuật toán và có nhiều hướng mở rộng phát triển Như áp dụng giải thuật di truyền Ảnh màu sau khi giấu tin rất khó phát hiện sự thay đổi 20 Ảnh đen trắng sau khi giấu cùng một lượng thông tin như ảnh màu nhưng chất lượng kém hơn 2.4 Các thuật toán giấu tin trong ảnh 2.4.1 Giấu tin. .. mới và đang có xu hướng phát triển rất nhanh Một kỹ thuật giấu tin trong ảnh được đánh giá dựa trên một số đặc điểm sau: - Tính vô hình của thông tin được giấu trong ảnh - Số lượng thông tin được giấu - Tính an toàn và bảo mật của thông tin - Chất lượng của ảnh sau khi giấu thông tin bên trong 1.3.1 Tính vô hình của thông tin Khái niệm này dựa trên đặc điểm của hệ thống thị giác của con người Thông tin. .. 0 3       Và cuối cùng tính tổng SUM ((Fi ⊕ K) ⊗ w) =1+3+2+1+3=10 2.4.2.Các kỹ thuật giấu tin trong ảnh thứ cấp 2.4.2.1 Sử dụng khoá bí mật K cố định Thuật toán  Mã hoá: Giả sử chúng ta cần giấu bit b vào trong ảnh Cắt một đoạn gồm có k điểm ảnh và giấu b vào trong ảnh Trong đó k là khoá(k lẻ) d= F/k = số đoạn Giải thuật dựa vào tính chẵn lẻ:  Bước 1: Đọc liên tiếp k điểm ảnh Gọi là f Ký hiệu... tạp hơn nhiều, vì ảnh đen trắng mỗi pixel ảnh chỉ có hai giá trị đen hoặc trắng, và nếu ta biến đổi một bit từ đen thành trắng mà không khéo thì sẽ rất bị phát hiện Do đó yêu cầu với các kỹ thuật giấu tin trong ảnh màu hay ảnh xám và giấu thông tin trong ảnh đen trắng là khác nhau Trong khi đối với ảnh màu thì các thuật toán chú trọng vào việc làm sao cho giấu dược càng nhiều thông tin càng tốt thì . Các đặc trưng của giấu thông tin trong ảnh 17 2.3. Sự khác nhau giữa giấu tin trong ảnh đen trắng với ảnh màu 19 2.4. Các thuật toán giấu tin trong ảnh 21 2.4.1 Giấu tin trong ảnh thứ cấp 21 2.4.2.Các. che giấu thông tin nói chung, cụ thể hơn là giấu thông tin trong ảnh số và cũng trình bày một thuật toán giấu tin trong ảnh đen trắng, trên cơ sở đó phát triển thuật toán cho việc giấu tin trong. giấu tin trong ảnh màu hay ảnh xám và giấu thông tin trong ảnh đen trắng là khác nhau. Trong khi đối với ảnh màu thì các thuật toán chú trọng vào việc làm sao cho giấu dược càng nhiều thông tin