giấu tin trong ảnh bitmap 16 màu – 256 màu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TRẦN ĐỨC NAM GIẤU TIN TRONG ẢNH BITMAP 16 MÀU - 256 MÀU LUẬN VĂN THẠC SỸ: 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 ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TRẦN ĐỨC NAM GIẤU TIN TRONG ẢNH BITMAP 16 MÀU - 256 MÀU CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60 80 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TSKH NGUYỄN XUÂN HUY Thái Nguyên - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn “Giấu tin trong ảnh bítmap 16 màu – 256 màu” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn được sử dụng trung thực và có nguồn trích dẫn. - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy PGS TSKH Nguyễn Xuân Huy - Viện Công nghệ thông tin, người đã gợi mở và định hướng cho em tìm hiểu về lĩnh vực giấu tin trong ảnh. Thầy đã hết lòng giúp đỡ, tạo điều kiện cho em nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Em xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Công nghệ thông tin, các thầy cô trường ĐH Công nghệ thông tin và Truyền thông - ĐH Thái Nguyên, đã giảng dạy và giúp đỡ em trong hai năm học qua. Cuối cùng tôi xin cảm ơn tới gia đình, các bạn cùng lớp và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên, cùng nghiên cứu, đóng góp ý kiến, chia sẻ kinh nghiệmvới tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn! Thái Nguyên - 2011 Trần Đức Nam Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan MỤC LỤC i THUẬT NGỮ iii DANH MỤC HÌNH ẢNH iv MỞ ĐẦU 1 1. Lý do chọn đề tài 1 2. Mục tiêu của đề tài 4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4 4. Hướng nghiên cứu của đề tài 4 5. Những nội dung nghiên cứu chính 5 6. Phương pháp nghiên cứu 5 7. Ý nghĩa khoa học của đề tài 5 NỘI DUNG 6 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 6 1.1. Một số khái niệm cơ bản 6 1.1.1. Khái niệm về giấu tin 6 1.1.2. Lịch sử của giấu tin 6 1.1.3. Mục đích của giấu tin 7 1.1.4. Mô hình giấu tin cơ bản 8 1.1.5. Các kỹ thuật giấu tin 9 1.1.6. Những tính chất cơ bản của giấu tin mật và thủy vân 12 1.1.7. Các ứng dụng chính của giấu tin 13 1.2. Sơ lược về giấu tin trong đa phương tiện 14 1.3. Đặc trưng và tính chất của giấu tin trong ảnh 16 1.3.1. Phương tiện chứa có dữ liệu tri giác tĩnh 16 1.3.2. Kỹ thuật giấu phụ thuộc vào ảnh 16 1.3.3. Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống thị giác của con người 17 1.3.4. Giấu tin trong ảnh không thay đổi kích thước của ảnh 17 1.3.5. Đảm bảo yêu cầu chất lượng ảnh sau khi giấu thông tin 17 1.3.6. Tin giấu sẽ bị biến đổi nếu có bất cứ một biến đổi nào trên ảnh 18 1.3.7. Yêu cầu ảnh gốc sau khi giải mã 18 1.4. Các hướng tiếp cận giấu tin trong ảnh 18 1.4.1. Tiếp cận trên miền không gian ảnh 18 1.4.2. Tiếp cận trên miền tần số ảnh 19 Chương 2. MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN MẬT TRONG ẢNH 21 2.1. Giấu tin theo khối bit đơn giản 21 2.1.1. Ý tưởng 21 2.1.2. Thuật toán giấu tin 21 2.1.3. Quá trình tách tin 23 2.1.4. Ví dụ mô tả 23 2.1.5. Nhận xét thuật toán 25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii 2.1.6. Áp dụng thuật toán vào ảnh đen trắng, ảnh màu và ảnh đa cấp xám 26 2.2. Kỹ thuật giấu tin Wu M.Y và Lee J.H 30 2.2.1. Ý tưởng của thuật toán 31 2.2.2. Một số khái niệm sử dụng trong thuật toán. 31 2.2.3. Thuật toán giấu tin 32 2.2.4. Phân tích thuật toán 33 2.2.5. Ví dụ mô tả 34 4.2.6. Nhận xét 34 2.3. Kỹ thuật giấu tin Chen-Pan-Tseng 35 2.3.1. Một số khái niệm dùng trong thuật toán 36 2.3.2. Thuật toán 36 2.3.3. Phân tích đánh giá thuật toán 38 2.3.4. Ví dụ mô tả thuật toán 39 2.3.5. Độ an toàn của thuật toán 41 2.4. Kỹ thuật giấu tin LSB 42 2.4.1. Khái niệm bit có trọng số thấp 42 2.4.2. Thuật toán 43 2.4.3. Phân tích thuật toán 44 2.4.4. Ví dụ mô tả 45 2.5. Kỹ thuật sử dụng phép biến đổi DCT 45 2.5.1. Các phép biến đổi miền không gian ảnh sang miền tần số 45 2.5.2. Thuật toán nhúng thủy vân 48 2.5.3. Quá trình tách tin 49 2.5.4. Phân tích thuật toán 50 2.6. Kỹ thuật giấu tin thuận nghịch dựa trên dịch chuyển Histogram 51 2.6.1. Kỹ thuật giấu thuận nghịch NSAS 51 2.6.2. Kỹ thuật giấu thuận nghịch HKC 54 Chương 3: CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM 56 3.1. Tổng quan về ảnh Bitmap 56 3.1.1. Khái niệm về ảnh đen trắng, ảnh màu và ảnh đa mức xám 56 3.1.2. Cấu trúc tập tin ảnh bitmap 58 3.2. Một số kỹ năng xử lý ảnh trong giấu tin 60 3.2.1. Các bước giấu tin trong ảnh 60 3.2.2. Đọc ảnh 61 3.2.3. Tách phần Hearder của ảnh 61 3.2.4. Các hàm xử lý trong chương trình 64 3.2.5. Xây dựng ảnh mới 66 3.3. Xây dựng và thử nghiệm chương trình 66 3.3.1. Giới thiệu thuật toán cài đặt 66 3.3.2. Chương trình thử nghiệm 67 3.3.3. Nhận xét 68 KẾT LUẬN VÀ DỰ KIẾN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii THUẬT NGỮ Chữ viết tắt Diễn giải Ý nghĩa Data hiding Giấu tin (ẩn dữ liệu) Steganography Giấu tin mật (viết phủ) Intrinsic Steganography Giấu tin có xử lý Pure Steganography Giấu tin đơn thuần Watermarking Đánh dấu ẩn, thủy vân, thủy ấn Watermark Mã dấu bản quyền DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi Cosin rời rạc IDCT Invert Discrete Cosine Transform Biến đổi ngược DCT DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Forier rời rạc IDFT Invert Discrete Fourier Transform Biến đổi ngược DFT. DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi Wavelet rời rạc IDWT Invert Discrete Wavelet Transform Biến đổi ngược DWT FT Fourier Transfer Biến đổi Fourier FFT Fast fourier transfer Biến đổi Fourier nhanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Những bản mật mã cổ Hình 1.2. Xuyên tạc thông tin Hình 1.3. Muc tiêu ẩn dữ liệu trong ảnh Hình 1.4. Mô hình tổng quát về giấu và tách tin Hình 1.5. Phân loại các kỹ thuật giấu tin Hình 2.1. Sơ đồ mô tả thuật toán Giấu tin theo khối bit đơn giản 2.2. Sơ đồ mô tả quá trình tách tin theo khối bit đơn giản Hình 2.3. Ví dụ dữ liệu ảnh được chia thành các khối kích thước (4*4) Hình 2.4. Mô ta nhiễu ảnh khi giấu tin Hình 2.5. Các trường hợp thay đổi vị trí đảo bit Hình 2.6. Mô tả quá trình đảo bit để giấu tin Hình 2.7. Kết quả giấu tin theo kỹ thuật LSB Hình 2.8. Sơ đồ mô tả thuật toán nhúng thuỷ vân Hình 2.9. Sơ đồ tách tin thủy vân Hình 2.10. Histogram của ảnh cùng điểm peak và điểm zero Hình 2.11. Biểu đồ tần xuất của ảnh trước và sau khi khởi tạo không gian giấu Hình 2.12. Biểu đồ tần xuất của ảnh sau khi giấu tin Hình 2.13. Histogram của ảnh cùng điểm peak và hai điểm zero Hình 3.1. Sơ đồ các bước giấu tin trong ảnh Hình 3.2. Sơ đồ phân cấp chức năng Hình 3.3. Histogram của ảnh có nhiều điểm zero với h(g) = 0 Hình 3.4. Histogram của ảnh với điểm zero có h(g)  0 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài “Biết người biết ta trăm trận trăm thắng!” đó là câu nói nổi tiếng của các nhà cầm quân mọi thời đại. Chính vì thế mà trong hàng ngàn năm về trước, vua chúa cũng như các tướng lĩnh đều dựa vào mạng lưới thông tin liên lạc hiệu quả và bí mật để cai trị đất nước và chỉ huy quân đội của mình. Đồng thời, tất cả họ đều ‎‎ý thức được những hậu quả của việc để lọt thông tin của mình vào tay đối phương, để lộ những bí mật quý giá cho các nước thù địch cũng như hậu quả của sự phản bội cung cấp thông tin sống còn cho các lực lượng đối kháng. Chính nỗi lo sợ bị kẻ thù xem trộm đã thúc đẩy sự ra đời và phát triển của mật mã: đó là những kỹ thuật nhằm che dấu, ngụy trang thông tin, khiến cho chỉ những người cần được nhận mới có thể đọc được [5]. Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đã đem lại những thay đổi sâu sắc trong xã hội và trong cuộc sống của chúng ta. Bên cạnh những thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại cũng nảy sinh những thách thức mới cho quá trình đổi mới này. Sự ra đời những phần mềm có tính năng rất mạnh, các thiết bị mới như máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lượng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số…đã giúp con người có thể sáng tạo, xử lý và thưởng thức các dữ liệu đa phương tiện (multimedia data). Mạng Internet toàn cầu đã biến thành một xã hội ảo, nơi diễn ra quá trình trao đổi thông tin trong mọi lĩnh vực chính trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thương mại vv. Trao đổi thông tin bí mật qua các kênh truyền công khai đã, đang và sẽ được sử dụng phổ biến trong kỷ nguyên công nghệ số hiện đại này. Và chính trong môi trường mở và tiện nghi như thế xuất hiện những vấn nạn, tiêu cực đang rất cần đến các giải pháp hữu hiệu cho vấn đề an toàn và bảo mật thông tin như nạn ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép…vv. Vậy làm thế nào để việc trao đổi thông tin bí mật và an toàn trên các kênh truyền công khai như trên được đảm bảo? Trong một quá trình phát triển lâu dài, nhiều phương pháp bảo vệ thông tin đã được đưa ra trong đó giải pháp dùng mật mã học là giải pháp được ứng dụng rộng rãi nhất. Các hệ mã mật đã được phát triển Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 nhanh chóng và được ứng dụng rất phổ biến cho đến tận ngày nay. Thông tin ban đầu sẽ được mã hoá thành các ký hiệu vô nghĩa, sau đó sẽ được lấy lại thông qua việc giải mã nhờ khoá của hệ mã. Đã có rất nhiều những hệ mã phức tạp được sử dụng như DES, RSA, NAPSACK và phương pháp này đã được chứng minh thực tế là rất hiệu quả và đang được ứng dụng phổ biến. Hiện nay cuộc chiến với các cracker vẫn chưa ngã ngũ, và có lẽ sẽ chẳng bao giờ ngã ngũ thì việc dùng các phương pháp mã hóa sẽ khiến cho những tên cracker tò mò và để ý đến thông tin của bạn, và tất nhiên chúng sẽ tìm mọi cách để crack, vì vậy sẽ chẳng có gì là đảm bảo thông tin của bạn sẽ được an toàn. Hình 1.1. Những bản mật mã cổ Khoảng 10 năm gần đây, một phương pháp mới được coi như là chìa khóa cứu cánh cho vấn đề này đã và đạng được ứng dụng mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới, đó là phương pháp giấu tin (DataHiding). Với công nghệ data hiding bạn có thể dấu một bản tin mật vào một bức ảnh mà không làm thay đổi bức ảnh (đối với cảm nhận của con người), như vậy chúng ta đã đánh lạc hướng được những tên cracker, thêm vào đó việc thực hiện crack trên mutimedia sẽ khó khăn hơn nhiều so với crack với các văn bản text. Hiện nay công nghệ data hiding đã và đang phát triển ở mức độ cao hơn, đó là vấn đề bảo vệ bản quyền , công nghệ sử dụng trong lĩnh vực này là water marking digital (thủy vân kĩ thuật số) vv. Bản thảo 3.000 năm tuổi Mật mã Voynich [...]... ứng dụng giấu tin trong ảnh bitmap 16 màu – 256 màu 4 Hướng nghiên cứu của đề tài - Tìm hiểu các phương pháp giấu tin trong ảnh nhị phân - Tìm hiểu các phương pháp giấu tin trong ảnh màu và đa mức xám - Tìm hiểu cấu trúc tập tin ảnh bitmap Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 - Cài đặt thử nghiệm chương trình giấu tin trong ảnh bitmap sử dụng kỹ thuật giấu thuận... trong ảnh bitmap 16 màu - 256 màu 2 Mục tiêu của đề tài Luận văn tập trung tìm hiểu các phương pháp giấu tin mật trong ảnh bitmap nhằm tăng cường an ninh cho trao đổi thông tin bí mật qua các kênh truyền công khai ngày nay Và cài đặt thử nghiệm chương trình giấu tin trong ảnh bitmap 16 màu – 256 màu 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Tập tin ảnh bitmap là một định dạng ảnh khá phổ biến Các tập tin đồ... về giấu tin, tổng quan mô hình giấu tin, một số kỹ thuật và ứng dụng của giấu tin vv Chương 2 tìm hiểu một số lược đồ cơ bản cho ứng dụng giấu tin mật trong ảnh nhị phân làm cơ sở cho việc phát triển ứng dụng giấu tin mật trong ảnh bitmap màu và đa mức xám Chương 3 tìm hiểu về cấu trúc tập tin ảnh bitmap, một số kỹ năng xử lý ảnh trong quá trình giấu tin và cài đặt thử nghiệm chương trình giấu tin trong. .. thế giới vv Ảnh chưa giấu tin Ảnh đã giấu tin Hình 1.3 Mục tiêu ẩn dữ liệu trong ảnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 Tin rằng lĩnh vực nghiên cứu này có nhiều hứa hẹn trong tương lai gần và dần trở thành một hướng đi mới trong lĩnh vực An toàn và Bảo mật thông tin hiệu quả Chính vì vậy, tôi đã chọn đề tài Giấu tin trong ảnh Bitmap 16 màu – 256 màu Phần... giấu tin Một số kỹ thuật giấu tin trong ảnh nhị phận, làm cơ sở cho việc tìm hiểu một số kỹ thuật giấu tin trên ảnh màu và ảnh đa mức xám, từ đó xây dựng chương trình thử nghiệm 6 Phương pháp nghiên cứu  Về lý thuyết: - Tìm hiểu một số kỹ thuật giấu tin trong ảnh nhị phân - Phân tích, đánh giá các thuật toán giấu tin khác nhau trong ảnh nhị phân, ảnh màu và ảnh đa mức xám - Tìm hiểu cấu trúc tập tin. .. chủ yếu trong các kỹ thuật giấu tin Giấu tin trong ảnh: Giấu thông tin trong ảnh hiện nay chiếm tỉ 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, hơn nữa giấu thông tin trong ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng đối với hầu hết các ứng dụng bảo vệ an toàn thông tin như: nhận thực thông tin, xác... bài, các ảnh Sự khác biệt này sẽ ảnh hưởng lớn đối với các kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh với kỹ thuật giấu thông tin trong video hay audio 1.3.2 Kỹ thuật giấu phụ thuộc vào ảnh Kỹ thuật giấu tin phụ thuộc vào các loại ảnh khác nhau Chẳng hạn như đối với ảnh đen trắng, ảnh xám hay ảnh màu đều đòi hỏi những kỹ thuật riêng, ảnh nén hay ảnh không nén cũng có những kỹ thuật giấu khác nhau vì ảnh nén... ảnh bitmap - Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình Dev C++, VB.Net vv  Về thực nghiệm: - Sử dụng ngôn ngữ lập trình Dev C++ xây dựng và cài đặt thử nghiệm chương trình giấu tin trong ảnh bitmap 16 màu – 256 màu 7 Ý nghĩa khoa học của đề tài Hiện nay, giấu thông tin trong ảnh là một bộ phận chiếm tỉ lệ lớn trong các chương trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong đa phương tiện bởi lượng thông tin. .. thông tin giấu khó bị phát hiện, nhưng đối với ảnh đen trắng thì việc giấu thông tin phức tạp hơn nhiều, vì ảnh đen trắng mỗi pixel ảnh chỉ gồm hai giá trị hoặc trắng hoặc đen, và nếu ta biến đổi một bit từ đen thành trắng mà không khéo rất dễ bị phát hiện Do đó, đối với yêu cầu các thuật toán giấu thông tin trong ảnh màu hay ảnh xám và giấu thông tin trong ảnh đen trắng là khác nhau Trong khi đối với ảnh. .. các kỹ thuật giấu tin mật thì không cần 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 và khóa để trích chọn thông tin ẩn mà không cần dùng đến ảnh gốc để so sánh đối chiếu Tuy nhiên, nhiều kỹ thuật giấu tin cũng sử dụng ảnh gốc khi giải mã ảnh, phương pháp này giúp cho việc đồng bộ hóa ảnh giấu và ảnh gốc Điều này . dụng giấu tin trong ảnh bitmap 16 màu – 256 màu. 4. Hướng nghiên cứu của đề tài - Tìm hiểu các phương pháp giấu tin trong ảnh nhị phân. - Tìm hiểu các phương pháp giấu tin trong ảnh màu và. thử nghiệm chương trình giấu tin trong ảnh bitmap 16 màu – 256 màu. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Tập tin ảnh bitmap là một định dạng ảnh khá phổ biến. Các tập tin đồ họa lưu dưới dạng. thử nghiệm chương trình giấu tin trong ảnh bitmap 16 màu – 256 màu. 7. Ý nghĩa khoa học của đề tài Hiện nay, giấu thông tin trong ảnh là một bộ phận chiếm tỉ lệ lớn trong các chương trình