Tìm hiểu ảnh JPEG và thuật toán giấu tin trong ảnh JPEG

Đồ án tốt nghiệp Trang GVHD: Th.s Trần Minh Văn PHỤC LỤC PHỤC LỤC LờI CảM ƠN MỞ ĐẦU CHƯƠNG KỸ THUẬT GIẤU TIN 1.1 KHÁI NIệM 1.2 CÁC Kỹ THUậT GIấU TIN 1.3 MƠ HÌNH GIấU TIN VÀ GIảI TIN TổNG QUÁT 1.4 Sự KHÁC BIệT GIŨA STEGANOGRAPHY, WATERMARKING VÀ CRYPTOGRAPHY 10 1.5 MộT Số ứNG DụNG ĐƯợC TRIểN KHAI 11 1.6 MÔI TRƯờNG GIấU TIN 13 1.6.1 Giấu tin audio 13 1.6.2 Giấu thông tin video 14 1.6.3 Giấu tin ảnh số 14 CHƯƠNG ẢNH SỐ 18 2.1 GIớI THIệU Về ảNH Số 18 2.2 ẢNH RASTER 18 2.2.1 Các loại ảnh raster 19 2.2.2 Định dạng ảnh raster 19 2.3 ẢNH VECTOR 20 2.4 CÁC Kỹ THUậT NÉN ảNH (IMAGE COMPRESSION) 22 CHƯƠNG ẢNH BITMAP (BMP) VÀ THUẬT TOÁN LSB ĐƠN GIẢN 24 3.1 ẢNH BMP 24 3.1.1 Khả lưu trữ 24 3.1.2 Device-independent bitmaps định dạng file BMP 25 3.1.3 BMP file header 26 3.1.4 Bitmap information (DIB header) 27 3.1.5 Bảng màu (Color palette) 29 3.1.6 Dữ liệu ảnh bitmap 30 3.2 THUậT TỐN LSB ĐƠN GIảN TRÊN MIềN KHƠNG GIAN 31 CHƯƠNG ẢNH JPEG 34 4.1 CHUẩN JPEG VÀ ứNG DụNG 34 4.2 CấU TRÚC ảNH JPEG 35 4.3 VÍ Dụ MÃ HĨA VÀ GIảI MÃ ảNH JPEG 42 SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang GVHD: Th.s Trần Minh Văn 4.3.1 Mã hóa 43 4.3.2 Giải mã file JPEG 53 CHƯƠNG THUẬT TOÁN LSB (YU-YUAN, HSIANG-KUANG PAN VÀ YUCHEE TSENG) VÀ ỨNG DỤNG VỚI ẢNH BMP VÀ JPEG 57 5.1 GIớI THIệU 57 5.2 THUậT TOÁN 58 5.2.1 Các kí hiệu dùng thuật tốn 58 5.2.2 Đặt vấn đề 58 5.2.3 Các bước giấu tin vào Fi 60 5.3 Độ AN TOÀN CủA THUậT TOÁN 62 5.4 VÍ Dụ MINH HọA GIấU TIN TRONG ảNH BITMAP (BMP) 63 5.5 GIấU TIN TRONG ảNH JPEG 66 CHƯƠNG CÀI ĐẶT VÀ CHƯƠNG TRÌNH MINH HỌA 70 6.1 CÀI ĐặT CHƯƠNG TRÌNH 70 6.2 MƠ HÌNH LớP 70 6.3 MƠ HÌNH TUầN Tự CHO CHứC NĂNG GIấU TIN 73 6.3.1 Mơ hình giấu tin vào ảnh bitmap 74 6.3.2 Mơ hình giấu tin vào ảnh JPEG 75 6.4 MƠ HÌNH TUầN Tự CHO CHứC NĂNG GIảI TIN 76 6.4.1 Mơ hình giải tin từ ảnh BMP 77 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang GVHD: Th.s Trần Minh Văn Lời cảm ơn Để hồn thành tốt khóa học luận văn tốt nghiệp mình, em nhận nhiều giúp đỡ giảng dạy tận tình thầy cô khoa Công Nghệ Thông Tin trường Đại học Nha Trang Bên cạnh giảng lớp, thầy cịn cung cấp kinh nghiệm thực tế vơ q báu Em xin bày tỏ lịng biết ơn đến tất thầy cô Đặc biệt em xin cảm ơn đến thầy Trần Minh Văn, giáo viên trực tiếp hướng dẫn bảo em suốt trình thực đề tài Đồng thời, em cảm ơn đến bạn lớp tham gia góp ý hỗ trợ em hồn thành tốt luận văn Tuy nỗ lực khơng thể khơng tránh khỏi thiếu sót tiềm ẩn, em mong nhận góp ý từ thầy cô tất bạn SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp SVTH: Trương Minh Thịnh Trang GVHD: Th.s Trần Minh Văn Đồ án tốt nghiệp Trang GVHD: Th.s Trần Minh Văn MỞ ĐẦU Giới thiệu mục tiêu đề tài Cuộc 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 đổi Sự đời phần mềm có tính mạnh, thiết bị máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lượng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số, v.v với mạng Internet toàn cầu xã hội ảo, nơi diễn q trình trao đổi thơng tin lĩnh vực trị, qn sự, quốc phịng, kinh tế, thương mại… tác động lớn đến đời sống người Và, mơi trường mở, tiện nghi vấn nạn tiêu cực xã hội khơng ngừng tăng cao Do đó, xã hội cần đến giải pháp hữu hiệu cho vấn đề an tồn thơng nhằm ngăn ngừa chống lại tệ nạn ăn cắp quyền, nạn xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép v.v Trong trình phát triển lâu dài, nhiều phương pháp bảo vệ thông tin đưa ra, giải pháp dùng mật mã học giải pháp ứng dụng rộng rãi Các hệ mã mật phát triển nhanh chóng ứng dụng phổ biến tận ngày Thông tin ban đầu mã hoá thành ký hiệu vơ nghĩa, sau lấy lại thơng qua việc giải mã nhờ khố hệ mã Đã có nhiều hệ mã phức tạp sử dụng DES, RSA, AES phương pháp chứng minh thực tế hiệu ứng dụng phổ biến Nhưng ta không định nói hệ mã mật mà ta tìm hiểu phương pháp nghiên cứu ứng dụng mạnh mẽ nhiều nước giới phương pháp giấu tin (data hiding) Đây phương pháp phức tạp, xem cơng nghệ chìa khố cho vấn đề bảo vệ quyền, nhận thực thông tin điều khiển truy cập … ứng dụng an toàn bảo mật thông tin SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang GVHD: Th.s Trần Minh Văn Giấu thông tin (Steganography) kỹ thuật nhúng thông tin (embedding) vào nguồn đa phương tiện gọi phương tiện chứa (host data) mà không gây nhận biết tồn thông tin giấu (invisible) Từ Steganography bắt nguồn từ Hi Lạp sử dụng ngày nay, có nghĩa tài liệu phủ (covered writing) Các câu chuyện kể kỹ thuật giấu thông tin truyền qua nhiều hệ, ý tưởng che giấu thông tin có từ hàng nghìn năm trước kỹ thuật dùng chủ yếu quân đội quan tình báo Mãi vài thập niên gần đây, giấu thông tin nhận quan tâm nhà nghiên cứu viện công nghệ thông tin với nhiều cơng trình nghiên cứu Cuộc cách mạng số hố thơng tin phát triển nhanh chóng mạng truyền thơng ngun nhân dẫn đến thay đổi Các kỹ thuật chép, thay thế, sửa đổi tinh vi, cộng với lưu thông phân phối mạng liệu đa phương tiện sinh nhiều vấn đề nhức nhối nạn ăn cắp quyền, phân phối bất hợp pháp, xuyên tạc trái phép Sự khác biệt chủ yếu mã hố thơng tin giấu thơng tin phương pháp mã hố làm cho thơng tin rõ có mã hố hay khơng, cịn phương pháp giấu thơng tin người ta khó biết có thơng tin giấu bên tính chất ẩn (invisible) thơng tin giấu Một thơng tin mã hố bị phát tên tin tặc tìm cách để triệt phá Và chạy đua người bảo vệ thông tin bọn tin tặc chưa kết thúc tuyệt đối bên Trong hồn cảnh giấu thông tin trở thành phương pháp hữu hiệu Mục tiêu đề tài Với mục đích hiểu rõ thêm information hiding (IH),đề tài em tìm hiểu nhánh IH steganography (giấu tin mật) nhánh nghiên cứu trội vấn đề bảo mật ngày Đề tài áp dụng kỹ thuật lên đối tượng ảnh số bitmap quan trọng SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang GVHD: Th.s Trần Minh Văn ảnh JPEG sủ dụng thuật toán giấu tin vào bit quan trọng (LSB - least significant bit) nhà khoa học Đài Loan Yu-Yuan, Hsiang-Kuang Pan YuChee Tseng (Department of Computer Science and Information Engineering National Chiao Tung University Hsin-Chu, 30050, Taiwan) SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang GVHD: Th.s Trần Minh Văn CHƯƠNG KỸ THUẬT GIẤU TIN 1.1 Khái niệm Giấu tin kỹ thuật nhúng thơng tin có tính chất nhạy cảm vào đối tượng chứa nhằm che giấu tồn tin trước đối thủ không làm ảnh hưởng nhiều đến chất lượng đối tượng chứa 1.2 Các kỹ thuật giấu tin Do kỹ thuật giấu tin hình thành năm gần nên hướng phát triển chưa ổn định Nhiều phướng pháp theo nhiều khía cạnh khác đề xuất, định nghĩa chình xác, đánh giá phân loại rõ ràng chưa thể thực Sơ đồ phân loại Fabien A.P Peticolas đề xuất năm 1999 sau: Information Hiding (Giấu tin) Watermarking (Thủy vân số) Steganography (Giấu tin mật) Robust Copyright (Thủy vân bền vững) Imperceptible Watermarking (Thủy vân ẩn) Visible Watermarking (Thủy vân hiện) Hình 1.1 Sơ đồ phân loại giấu tin SVTH: Trương Minh Thịnh Fragile Watermarking (Thủy vân yếu) Đồ án tốt nghiệp Trang GVHD: Th.s Trần Minh Văn Có thể chia lĩnh vực giấu tin thành hai hướng chính: watermarking steganography Nếu watermarking (thủy vân) quan tâm nhiều đến ứng dụng giấu mẫu tin ngắn đòi hỏi bền vững thông tin cần giấu (trước biến đổi thơng thường đối tượng chứa) steganography lại quan tâm tới ứng dụng che giấu tin đòi hỏi độ bí mật dung lượng lớn tốt Đối với hướng, trình phân loại theo tiêu chí khác tiếp tục thực hiện, ví dụ dựa vào ảnh hưởng tác động từ bên ngồi chia watermarking thành hai loại, loại bền vững với tác động chép trái phép, loại thứ hai lại cần tính chất hồn tồn đối lập: dễ bị phá hủy trước tác động Cũng chia watermarking theo đặc tính, loại cần che giấu để số người tiếp xúc với thấy thơng tin, loại thứ hai ngược lại, cần người nhìn thấy 1.3 Mơ hình giấu tin giải tin tổng qt Thông điệp cần giấu nhúng vào phương tiện chứa biến đổi nhúng tin để đảm bảo an tồn cho thơng điệp đồng thời hạn chế tối đa thay đổi bên cho phương tiện chứa Thơng điệp trích xuất từ phương tiện chứa nhúng có hóa bí mật Thơng tin cần giấu Phương tiện chứa (video, audio, ảnh) Bộ nhúng tin Khóa bí mật Hình 1.2 Mơ hình giấu tin SVTH: Trương Minh Thịnh Phương tiện chứa giấu tin Đồ án tốt nghiệp Trang 10 GVHD: Th.s Trần Minh Văn Thông tin cần giấu Phương tiện chứa có tin giấu bên Bộ nhúng tin Phương tiện chứa có tin giấu bên Khóa bí mật Hình 1.3 Mơ hình giải tin 1.4 Sự khác biệt giũa steganography, watermarking cryptography Cả phương pháp hướng tới việc đảm bảo an toàn cho nguồn tin truyền người gửi người nhận Tuy nhiên chúng có cách thức khác cần làm rõ điều Mật mã học hay cryptography việc bảo vệ nội dung thông điệp cách làm biến đổi thông điệp để thông điệp trở nên vô nghĩa, steganography/watermarking đề cập đến che giấu tin hay che đậy tồn chúng đối tượng khơng có ý nghĩa mật Steganography/watermarking gọi ẩn thơng tin thơng tin khác áp dụng đặc điểm thị giác thính giác người Sự thành công kẻ công phương thức có khác Đối với cryptography, kẻ cơng đọc thơng điệp bí mật thành cơng việc phá vỡ rào cản thơng điệp Tuy nhiên, steganography/ watermarking người cơng phải thực tới hai công đoạn, phải phát có thơng tin mật giấu hay khơng, hai đọc, SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 74 GVHD: Th.s Trần Minh Văn vào ảnh đầu Sau tiểu trình kiểm tra loại ảnh tương thích tìm đối tượng thực chức giấu tin tương ứng với loại ảnh đó, có hai loại ảnh bitmap JPEG chấp nhận Khi kiểm tra khởi tạo đối tượng thực thi giấu tin tiểu trình gọi chức giấu tin tương ứng chuyển sang mơ hình giấu tin ảnh, có hai mơ hình giấu tin thực thi mơ hình giấu tin ảnh bitmap mơ hình giấu tin ảnh JPEG 6.3.1 Mơ hình giấu tin vào ảnh bitmap Hình 6.3 Mơ hình giấu tin vào ảnh bitmap SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 75 GVHD: Th.s Trần Minh Văn Khi khởi tạo lớp thực thi giấu tin ảnh bitmap tự động tạo đối tượng thực thi chức giấu tin khởi tạo ảnh bitmap Sau đó, liệu ảnh bitmap nạp vào nhớ để tham giao vào trình giấu tin Quá trình giấu tin vòng lặp liên tục kiểm tra số bit mesage còn, đồng thời đủ số block để giấu tin vào thực đọc block Block đọc nhúng mẫu thông tin vào nhờ đối tượng LSBAlgorithm kết trả ghi đè lên vị trí block vùng liệu ảnh Q trình lặp kết thúc khơng cịn bit message hết block để chứa mesage Sau liệu lưu xuống file định 6.3.2 Mô hình giấu tin vào ảnh JPEG SVTH: Trương Minh Thịnh Hình 6.4 Mơ hình giấu tin vào ảnh JPEG Đồ án tốt nghiệp Trang 76 GVHD: Th.s Trần Minh Văn Đối với ảnh JPEG, thực thi có đọc, ghi độc lập Quá trình giấu tin đọc liên tục block (MCU) từ ảnh nguồn, sau ứng với tùng thành phần Y (luminance) MCU giấu mẫu thông điệp mật vào số bit thông điệp chưa hết MCU sau giấu tin vào ghi mã hóa trở lại ghi xuỗng file JPEG đầu định 6.4 Mơ hình cho chức giải tin Hình 6.5 Mơ hình thực giải tin SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 77 GVHD: Th.s Trần Minh Văn Việc giải tin tùy vào loại ảnh, chương trình cần xác định loại ảnh lớp thực thi thích hợp để giải tin Khi chọn lớp thực thi, hệ thống chuyển sang hoạt động mơ hình tương ứng 6.4.1 Mơ hình giải tin từ ảnh BMP Hình 6.6 Mơ hình giải tin từ ảnh bitmap Để lấy tin, chương trình trước tiên cần xác định kích thước tồn thơng điệp giấu Khi kích thước thơng điệp xác định (messageSize) chương trình đọc mẫu thông điệp dạng bit ghi file lưu trữ SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 78 GVHD: Th.s Trần Minh Văn 6.4.2 Mơ hình giải tin từ ảnh JPEG Hình 6.7 Mơ hình giải tin từ ảnh JPEG Cũng tương tự với ảnh bitmap, đỗi với ảnh jpeg cần phải xác định trước kích thước thơng điệp, sau thực lấy mẫu tin khỏi ảnh chứa Tuy nhiên, ảnh jpeg ta xử lý thành phần Y (luminance) MCU, thành phần chrominance bỏ qua SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 79 GVHD: Th.s Trần Minh Văn 6.5 Chương trình minh họa Hinh 6.8 Giao diện chương trình SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 80 GVHD: Th.s Trần Minh Văn Hinh 6.9 Khi thực giấu tin Hinh 6.10 Sau giấu tin vào SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 81 GVHD: Th.s Trần Minh Văn Hinh6.11 Khi thực lấy tin từ ảnh chứa SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 82 GVHD: Th.s Trần Minh Văn Hinh 6.12 Tin lấy SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 83 GVHD: Th.s Trần Minh Văn Hinh 6.13 Menu SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 84 GVHD: Th.s Trần Minh Văn Hinh 6.14 Giao diện theo dõi trình giải mã MCU SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 85 GVHD: Th.s Trần Minh Văn Hinh 6.15 Thông tin ảnh chứa SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 86 GVHD: Th.s Trần Minh Văn KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết đạt ◦ Chương trình cho phép giấu nhiều file liệu (nếu có thể) lúc ◦ Với thuật toán LSB tác giả Đài Loan độ an tồn liệu mật nâng cao so với giấu tin thuật toán LSB thông thường Hạn chế ◦ Đối với ảnh JPEG, chương trình giới hạn ảnh dạng baseline JFIF ◦ Mặc dù xây dựng thuật toán nhà khoa học chứng minh tính chất an tồn thuật tốn đem lại tránh khỏi nhiều trường hợp công tinh vi kẻ gian Hướng phát triển Đề tài nghiên cứu mở rộng khả giấu tin nhiều liệu đa phương tiện khác audio, video, text … không riêng ảnh số Điều giúp mở rộng mơi trường bảo mật, nâng cao tính an tồn nhiều phương diện Bên cạnh đó, đề tài cần nghiên cứu thêm cách chống lại hình thức công khả phát thông điệp giấu bên dự liệu đa phương tiện Hướng phát triển đạt thực đầy đủ u cầu an tồn bảo mật thơng tin đến mức có thể, nghĩa cần phát triển thêm ứng dụng giúp bảo vệ quyền tác giả, điều khiển truy cập, chữ kỹ điện tử… vấn để trở nên nóng sốt thời gian gần tới Tuy nhiên, với kinh nghiệm kiến thức hạn chế, việc tiếp cận cơng nghệ bảo mật tiên tiến trở nên khó khăn, nên khơng tránh khỏi sai sót Rất mong SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 87 GVHD: Th.s Trần Minh Văn giúp đỡ thầy giáo tất bạn để em khắc phục thiếu sót hồn thiện SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 88 GVHD: Th.s Trần Minh Văn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION (ITU, Information Technology – Digital Compression and Coding of Continuous-Tone Still Images - Requirements and GuildLines [2] John Miano, Compressed Image File Formats JPEG, PNG, GIF, XBM, BMP [3] Niels Provos, Peter Honeyman - University of Michigan, Hide and Seek - An Introduction to Steganography [4] Yu-Yuan, Hsiang-Kuang Pan Yu-Chee Tseng, A Secure Data Hiding Sheme for Binary Image Các website: ◦ www.impulseadventure.com ◦ www.wikipedia.org ◦ http://www.visualwatermark.com/watermarking_faq.htm ◦ Các diễn đàn khác SVTH: Trương Minh Thịnh ... GIấU TIN 73 6.3.1 Mơ hình giấu tin vào ảnh bitmap 74 6.3.2 Mơ hình giấu tin vào ảnh JPEG 75 6.4 MÔ HÌNH TUầN Tự CHO CHứC NĂNG GIảI TIN 76 6.4.1 Mơ hình giải tin từ ảnh. .. hình ảnh vào video 1.6.3 Giấu tin ảnh số Giấu thông tin ảnh, nay, phận chiếm tỉ lệ lớn chương trình ứng dụng, phần mềm, hệ thống giấu tin đa phương tiện lượng thông tin trao đổi ảnh lớn giấu. .. thiết Và đặc điểm giấu thông tin ảnh thơng tin giấu ảnh cách vơ hình, cách truyền thơng tin mật cho mà người khác biết sau giấu thơng tin chất lượng ảnh gần không thay đổi đặc biệt ảnh màu hay ảnh