nghiên cứu phương pháp giấu tin không làm mất thông tin trong ảnh chứa tin

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐẶNG THỊ HIỀN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP GIẤU TIN KHÔNG LÀM MẤT THÔNG TIN TRONG ẢNH CHỨA TIN LUẬN VĂN THẠC SĨ: NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐẶNG THỊ HIỀN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP GIẤU TIN KHÔNG LÀM MẤT THÔNG TIN TRONG ẢNH CHỨA TIN Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 604801 LUẬN VĂN THẠC SĨ: NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS NGÔ QUỐC TẠO Thái Nguyên - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - i - LỜI CẢM ƠN Luận văn được thực hiện tại trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền Thông – Đại học Thái Nguyên dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Ngô Quốc Tạo. Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Ngô Quốc Tạo, người đã có những định hướng, những kiến thức quý báu, những lời động viên và chỉ bảo giúp tôi vượt qua những khó khăn để tôi hoàn thành tốt luận văn của mình. Tôi xin được bày tỏ lòng cảm ơn và sự kính trọng của mình đến các thầy cô giáo Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền Thông, Đại học Thái Nguyên, đặc biệt là các thầy cô giáo đã giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường. Tôi cũng đặc biệt cảm ơn tới bạn bè lớp Cao học K8, các đồng nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và công tác, để tôi hoàn thành nhiệm vụ được giao. Nhân dịp này, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, đã tạo điều kiện giúp đỡ, động viên, trợ giúp tôi về tinh thần trong suốt quá trình học tập. Thái Nguyên, tháng 9 năm 2011 Tác giả Đặng Thị Hiền Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - ii - LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu phương pháp giấu tin không làm mất thông tin trong ảnh chứa tin” này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu sử dụng trong luận văn là trung thực. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn chưa từng được công bố tại bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Đặng Thị Hiền Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - iii - MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU 1 1. Lý do lựa chọn đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 2 3. Phạm vi nghiên cứu 2 4. Phương pháp nghiên cứu 2 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 3 6. Cấu trúc của luận văn 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 5 1.1. Tổng quan về giấu tin 5 1.1.1. Khái niệm về giấu tin 5 1.1.2. Vài nét về lịch sử giấu tin 5 1.1.3. Mô hình kỹ thuật giấu tin 6 1.1.4. Các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin 7 1.1.5. Giấu tin trong dữ liệu đa phương tiện 9 1.1.5.1. Giấu tin trong ảnh 9 1.1.5.2. Giấu tin trong audio 9 1.1.5.3. Giấu tin trong video 10 1.1.5.4. Giấu tin trong văn bản 11 1.1.6. Giấu tin trong ảnh những đặc trưng và tính chất 11 1.1.6.1. Phương tiện chứa có dữ liệu tri giác tĩnh 11 1.1.6.2. Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống thị giác của con người 12 1.1.6.3. Đảm bảo chất lượng ảnh sau khi giấu tin 12 1.1.6.4. Thông tin trong ảnh sẽ bị biến đổi nếu có bất cứ biến đổi nào trên ảnh 13 1.1.6.5. Vai trò của ảnh gốc khi giải tin 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - iv - 1.1.7. Phương pháp giấu tin 13 1.2. Các phạm trù trong giấu tin thuận nghịch [19] 15 1.3. Giấu tin có khả năng khôi phục phương tiện giấu tin 16 1.3.1. Những thuật toán giấu tin thuận nghịch xác thực không bền vững 16 1.3.2. Những thuật toán giấu tin thuận nghịch khả năng nhúng dữ liệu cao 17 1.3.2.1. Lược đồ RS 17 1.3.2.2. Lược đồ mở rộng sai khác. 18 1.3.2.3. Biến đổi Wavelet số nguyên dựa trên lược đồ. 19 1.3.3. Những thuật toán giấu tin thuận nghịch về bán xác thực không bền vững 22 1.3.3.1. Lược đồ dựa trên Patchwork sử dụng bổ sung Modulo-256 23 1.3.3.2. Lược đồ dựa trên Patchwork không sử dụng bổ sung Modulo-256 24 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẤU TIN CÓ KHẢ NĂNG KHÔI PHỤC VỎ MANG TIN 26 2.1. Đọc dữ liệu và ghép ảnh bitmap 26 2.2. Các hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh 27 2.2.1. Tiếp cận trên miền không gian ảnh 27 2.2.2. Tiếp cận trên miền tần số ảnh 28 2.3. Các phép biến đổi từ miền không gian ảnh sang miền tần số 29 2.3.1. Phép biến đổi Fourier rời rạc 29 2.3.2. Phép biến đổi Cosin rời rạc 29 2.3.3. Phép biến đổi sóng nhỏ - Descrete Wavelet Transform (DWT) 31 2.4. Các phương pháp giấu tin thuận nghịch 33 2.4.1. Phương pháp giấu thuận nghịch dựa trên biến đổi sóng kỹ thuật số Haar (HDWT). 33 2.4.1.1. Biến đổi wavelet rời rạc Haar 33 2.4.1.2. Phương pháp giấu tin 35 2.4.2. Phương pháp giấu tin khôi phục dữ liệu cho hình ảnh chất lượng cao sử dụng thay đổi của sai số dự đoán. [43] 43 2.4.2.1. Kỹ thuật dịch chuyển biểu đồ Histogram 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - v - 2.4.2.2. Phương pháp đưa ra 45 2.4.3. Phương pháp giấu thuận nghịch HKC 55 2.4.4. Phương pháp giấu tin dựa trên sự khác biệt 56 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH 61 3.1. Sơ đồ chương trình 61 3.2. Giấu tin theo phương pháp HDWT 61 3.3. Chương trình và kết quả thực nghiệm 63 3.3.1. Chương trình 63 a. Giao diện nhúng dữ liệu 63 b. Giao diện trích dữ liệu 64 3.3.2 Kết quả thực nghiệm 66 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - vi - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ MỤC VIẾT TẮT LSB Least Significant Bit QIM Quantization Index Modulation IWT Interger Wavelet Transform DFT Discrete Fourier Transform DCT Discrete Cosine Transform DW T Descrete Wavelet Transform HD WT Haar Descrete Wavelet Transform IDW T Inverse Discrete Cosine Transform IDT C Inverse Discrete Cosine Transform MP E Modify Precision Error PSN R Peak Signal to Noise Ratio HVS Human Visual System Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - vii - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ quá trình giấu tin 7 Hình 1.2. Sơ đồ quá trình giải mã 7 Hình 1.3. So sánh kết quả hình ảnh lena (trái) và ảnh Babara (phải). 21 Hình 1.4. (a) Bản gốc ảnh y tế, (b) ảnh stego với độ nhiễu trắng và nhiễu đen nhiều. bit thông tin 746 được nhúng vào hình ảnh của 512x512 với một PSNR của ảnh-stego so với ảnh gốc thấp hơn 10dB 24 Hình 2.1. Năng lượng phân bố của ảnh Lena qua phép biến đổi DCT 30 Hình 2.2. Phân chia 3 miền tần số của phép biến đổi DCT, (a) Miền tần số thấp, (b) miền tần số ở giữa, (c) miền tần số cao 31 Hình 2.3. Cấu trúc phân tích và ảnh nhận được qua phép biến đổi sóng nhỏ hai chiều 32 Hình 2.4. Phân tích một khối của HDWT mức 1. (a) khối 10x10 vào ảnh ''Lena". (b) Các hệ số của dải tần số LL, HL, LH, và HH của khối trong (a) 34 Hình 2.5. Các HHS, HHI, và HHD của các hệ số từ HH trong hình 1b. 35 Hình 2.6. Các giá trị điểm ảnh của một ảnh 16x16. 35 Hình 2.7. HDWT dựa trên ảnh miền tần số của f c trong hình 3. 36 Hình 2.8. Các dải tần HH, HHS, HHI, và HHD của f hc . 36 Hình 2.9. Dải tần HH’ sau khi cất giấu dữ liệu bí mật trong HH. 36 Hình 2.10. Ảnh giấu tin f st 38 Hình 2.11. Biểu đồ sai số dự đoán và biểu đồ của các điểm ảnh trong miền không gian cho ảnh Lena và Baboon. 47 Hình 2.12. Ngữ cảnh dự đoán điểm x 47 Hình 2.13. Sơ đồ của quy trình nhúng. 49 Hình 2.14. Ví dụ về các bit bí mật ẩn. (a) hình ảnh gốc, (b) khởi tạo ma trận I’, và (c) - (f) kết quả xử lý pixel trong ma trận I’ 50 Hình 2.15. Biểu đồ quy trình trích rút và khôi phục ảnh 53 Hình 2.16. Thí dụ về trích rút dữ liệu bí mật và khôi phục ảnh gốc. (a) Ảnh stego, (b) Ma trận khởi tạo I’, (c)-(f) các kết quả của phân tử xử lý trong ma trận I’. 54 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - viii - Hình 2.17. (a) Biểu đồ tần số ảnh Lena gốc, (b) Biểu đồ tần số ảnh giấu tin sử dụng HKC 55 Hình 2.18. - Lược đồ quá trình giấu tin. 57 Hình 2.19. - Lược đồ quá trình tách tin. 59 Hình 3.1 Sơ đồ chương trình 61 Hình 3.2. Giao diện nhúng tin 63 Hình 3.3. Giao diện trích rút dữ liệu 64 Hình 3.4. Giao diện so sánh giữa ảnh gốc và ảnh sau khi phục hồi thông tin 65 Hình 3.5. Ảnh gốc và ảnh sau khi nhúng tin 66 [...]... sử dụng phương pháp phát hiện thuỷ vân đã giấu mà không cần thông tin gốc 1.1.5 Giấu tin trong dữ liệu đa phƣơng tiện 1.1.5.1 Giấu tin trong ảnh Hiện nay, giấu thông tin trong ảnh là một bộ phận chiếm tỉ lệ lớn nhất trong các chương trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong dữ liệu đa phương tiện bởi lượng thông tin trao đổi bằng hình ảnh là rất lớn Hơn nữa, giấu thông tin trong ảnh cũng... Nghiên cứu phương pháp giấu tin không làm mất thông tin trong ảnh chứa tin Kết quả của đề tài khi triển khai thực tế sẽ góp phần tăng thêm độ an toàn cho các thông điệp được giấu trong ảnh khi trao đổi, tăng khả năng chứng minh quyền sở hữu 2 Mục tiêu nghiên cứu Luận văn nghiên cứu hệ thống lý thuyết liên quan đến việc giấu tin trong ảnh Các dữ liệu sử dụng trong giấu tin có thể là hình ảnh, các... cứu phương pháp giấu tin thuận nghịch dựa trên HDWT 4 Phƣơng pháp nghiên cứu Trong luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu liên quan đến việc giấu tin và kế thừa kết quả nghiên cứu của một số luận văn, đề tài nghiên cứu khoa học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -3- Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết cơ bản giấu tin và phương pháp giấu tin không làm mất. .. thể trong luận văn là nghiên cứu về giấu tin trong ảnh Bitmap Do dữ liệu ẩn có thể xảy ra biến dạng sau khi được trích xuất, chính vì vậy mà luận văn tập trung nghiên cứu vào tính hồi phục dữ liệu ẩn cho hình ảnh chất lượng cao 3 Phạm vi nghiên cứu - Tìm hiểu tổng quan về giấu tin - Tìm hiểu các phương tiện chứa tin: ảnh, audio, video, text - Nghiên cứu một số phương pháp giấu tin trong ảnh - Nghiên cứu. .. giấu tin Vấn đề khó khăn thứ hai cho việc giấu thông tin trong audio là kênh truyền tin Kênh truyền hay băng thông chậm sẽ ảnh hưởng đến chất lượng thông tin sau khi giấu Các phương pháp giấu thông tin trong audio đều lợi dụng điểm yếu trong hệ thống thính giác của con người 1.1.5.3 Giấu tin trong video Cũng giống như giấu tin trong ảnh hay trong audio, giấu tin trong video cũng được quan tâm và được... toán giấu thông tin trong ảnh mầu 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 giấu được càng nhiều thông tin càng tốt, các thuật toán áp dụng cho ảnh đen trắng lại tập trung vào việc làm thế nào để thông tin giấu khó bị phát hiện nhất 1.1.6.4 Thông tin trong ảnh sẽ bị biến đổi nếu có bất cứ biến đổi nào trên ảnh Vì phương. .. của ảnh gốc khi giải tin Các kỹ thuật giấu tin phải xác định rõ ràng quá trình lọc ảnh để lấy thông tin giấu cần hay không cần đến ảnh gốc Đa số các kỹ thuật giấu tin mật thường không cần đến ảnh gốc khi giải mã Thông tin được giấu trong ảnh sẽ được mang cùng với dữ liệu ảnh, khi giải mã chỉ cần ảnh đã mang thông tin giấu mà không cần dùng đến ảnh gốc để so sánh đối chiếu Nhưng trong một vài lĩnh vực... http://www.lrc-tnu.edu.vn -7- Thông tin cần giấu Phương tiện chứa tin (audio, ảnh, video) Phương tiện chứa đã được giấu tin Bộ nhúng thông tin Phân phối Hình 1.1 Sơ đồ quá trình giấu 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 được gồm phương tiện chứa gốc và thông tin đã giấu Tùy trường hợp, thông tin nhận được có... sánh với thông tin giấu ban đầu Phương tiện chứa đã được giấu tin Bộ giải mã tin Thông tin giấu Kiểm định Hình 1.2 Sơ đồ quá trình giải mã 1.1.4 Các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin Giấu tin mật: Thông tin được giấu trong những trường hợp này cần được bảo mật trước các đối thủ Việc giải mã để nhận được thông tin cũng không cần dữ liệu môi trường gốc Đối với các thuật toán giấu tin mật chúng ta không chú... lượng thông tin số vào trong ảnh, đảm bảo thông tin về ảnh không thay đổi đáng kể về chất lượng, đồng thời thông tin nhúng tồn tại bền vững cùng ảnh Với kỹ thuật này, khó có thể phát hiện trong bức ảnh có thông tin nhúng, khi không biết các thông tin về khóa Với mục đích phát triển các kỹ thuật giấu thông tin nhằm bảo vệ các thông tin mật trong quá trình trao đổi, tôi chọn thực hiện đề tài luận văn: “Nghiên . vi nghiên cứu - Tìm hiểu tổng quan về giấu tin. - Tìm hiểu các phương tiện chứa tin: ảnh, audio, video, text. - Nghiên cứu một số phương pháp giấu tin trong ảnh. - Nghiên cứu phương pháp giấu. Nghiên cứu phương pháp giấu tin không làm mất thông tin trong ảnh chứa tin . Kết quả của đề tài khi triển khai thực tế sẽ góp phần tăng thêm độ an toàn cho các thông điệp được giấu trong ảnh. văn Nghiên cứu phương pháp giấu tin không làm mất thông tin trong ảnh chứa tin này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu sử dụng trong luận văn là trung thực. Các kết quả nghiên