Nghiên cứu thuật toán ẩn thông tin trên ảnh số bằng kỹ thuật hoán vị hệ số và ứng dụng trong bảo mật dữ liệu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀ N THÔNG NGUYỄN THỊ THANH XUÂN NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ẨN THÔNG TIN TRÊN ẢNH SỐ BẰNG KỸ THUẬT HOÁN VỊ HỆ SỐ VÀ ỨNG DỤNG TRONG BẢO MẬT DỮ LIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌ C MÁ Y TÍ NH Thái Nguyên – 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀ N THÔNG Nguyễn Thị Thanh Xuân NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ẨN THÔNG TIN TRÊN ẢNH SỐ BẰNG KỸ THUẬT HOÁN VỊ HỆ SỐ VÀ ỨNG DỤNG TRONG BẢO MẬT DỮ LIỆU Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌ C MÁ Y TÍ NH NGƢỜ I HƢỚ NG DẪ N KHOA HỌ C TS. NGUYỄN NGỌC CƢƠNG Thái Nguyên – 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Em xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS. Nguyễn Ngọc Cƣơng - Học viện An Ninh Nhân dân đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo và dành rất nhiều thời gian cho em trong suốt quá trình làm luận văn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền Thông - Đại học Thái Nguyên, đã giảng dạy cung cấp, trang bị cho chúng em những kiến thức, chuyên ngành, chuyên môn chuyên sâu trong quá trình học tập tại trƣờng cũng nhƣ quá trình làm luận văn này. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã động viên, cổ vũ, tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập cũng nhƣ thời gian làm luận văn; giúp em hoàn thành khóa học, luận văn theo qui định. 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 là kết quả nghiên cứu của tôi, không sao chép của ai. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu liên quan, các thông tin trong tài liệu đƣợc đăng tải trên các tạp chí và các trang website theo danh mục tài liệu của luận văn. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thanh Xuân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Phân loại các kỹ thuật giấu tin 11 Hình 2.1: Mô hình quá trình giấu tin 15 Hình 2.2: Mô hình quá trình giải tin 16 Hình 2.3: Thông điệp đƣợc hiển thị khi bức ảnh giấu tin mở bằng Notepad 17 Hình 2.4: Chuỗi văn bản đƣợc chèn vào tiêu đề EXIF đƣợc đánh dấu 18 Hình 2.5: Giấu tin trong miền không gian 19 Hình 2.6: Ví dụ kỹ thuật giấu tin trong miền không gian ảnh. 20 Hình 2.7: Hệ thống báo cáo của Jung va Yoo [8] 22 Hình 2.8: Cấu trúc phân tích và ảnh nhận đƣợc qua phép biến đổi wavelet 2 chiều 27 Hình 2.9: Năng lƣợng phân bố của ảnh Lena qua phép biến đổi DCT 29 Hình 2.10: Phân chia 3 miền tần số của phép biến đổi DCT 30 Hình 2.11: Quá trình AddRoundKey 46 Hình 2.12: Quy trình SubBytes 46 Hình 2.13: Bƣớc ShiftRows 47 Hình 2.14: Mô tả quá trình trộn 47 Hình 3.1: Mô tả kỹ thuật hoán vị hệ số 50 Hình 3.2: Sơ đồ quy trình nhúng cải tiến 53 Hình 3.3: Giao diện giấu tin 54 Hình 3.4: Giao diện tiền xử lý để giấu tin 54 Hình 3.5: Giao diện giải tin 55 Hình 3.6: Giao diện giải mã tin sau khi tách 55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.7: So sánh kết quả 57 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT HVS Hệ thống thị giác của con ngƣời HAS Hệ thống thính giác của con ngƣời LSB Kỹ thuật gài vào các bit có trọng số thấp DCT Biến đổi cosine rời rạc DFT Biến đổi Fourier rời rạc DWT Biến đổi wavelet AES Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến DES Tiêu chuẩn mã hóa dữ liệu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1. Đặt vấn đề 1 2. Lý do chọn đề tài 2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4 5. Phƣơng pháp nghiên cứu 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG ẢNH 5 1.1 Một số khái niệm cơ bản về giấu tin 5 1.1.1 Lịch sử kỹ thuật giấu tin 5 1.1.2 Khái niệm giấu tin 6 1.1.3 Môi trƣờng giấu tin 7 1.1.3.1 Giấu tin trong ảnh 7 1.1.3.2 Giấu tin trong audio 8 1.1.3.3 Giấu tin trong video 8 1.1.3.4. Giấu tin trong văn bản 9 1.2 Phân loại các kỹ thuật giấu tin 10 1.3 Nhu cầu, ứng dụng của giấu tin trong ảnh số 12 1.3.1 Nhu cầu của giấu tin trong ảnh số 12 1.3.2 Ứng dụng của giấu tin trong ảnh số 12 Tổng kết chƣơng 1 14 CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ 15 2.1 Mô hình và các phƣơng pháp giấu tin cơ bản 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.1.1 Mô hình giấu tin cơ bản 15 2.1.2 Các phƣơng pháp giấu tin cơ bản 17 2.1.2.1 Giấu tin trong khuôn dạng ảnh 17 2.1.2.2 Giấu tin trong miền không gian của ảnh 18 2.1.2.3 Giấu tin trong miền tần số ảnh 23 2.2 Các phép biến đổi từ miền không gian ảnh sang miền tần số 25 2.2.1 Phép biến đổi wavelet - Descrete Wavelet Transform (DWT) 25 2.2.2 Phép biến đổi Fourier rời rạc 27 2.3.3 Phép biến đổi Cosin rời rạc 28 2.3 Một số kỹ thuật giấu tin trong ảnh 30 2.3.1 Kỹ thuật giấu tin WU- LEE 30 2.3.2 Kỹ thuật giấu tin YUAN _ PAN _ TSENG 33 2.3.3 Kỹ thuật giấu tin sử dụng lý thuyết đại số hiện đại 37 2.4 Giấu tin dựa trên kỹ thuật hoán vị hệ số kết hợp với nén và mã hoá dữ liệu 43 2.4.1 Giấu tin bằng kỹ thuật hoán vị hệ số 43 2.4.2 Kỹ thuật nén dữ liệu Huffman 43 2.4.3 Mã hóa dữ liệu AES 44 Tổng kết chƣơng 2 47 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM 49 3.1 Thuật toán giấu thông tin bằng kỹ thuật hoán vị hệ số 49 3.2 Giải pháp nâng cao hiệu quả ẩn thông tin 51 3.3 Chƣơng trình thực nghiệm 53 3.3.1 Quá trình giấu tin 54 3.3.2 Quá trình giải tin 55 3.4 Kết quả thực nghiệm 56 3.5 Kết luận và hƣớng phát triển 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Cùng với sự bùng nổ của Internet và các phƣơng tiện multimedia, những vấn nạn nhƣ ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép cũng gia tăng, đòi hỏi phải không ngừng tìm các giải pháp mới, hữu hiệu cho an toàn và bảo mật thông tin. Một trong các giải pháp nhiều triển vọng là giấu tin (DataHiding), đƣợc nghiên cứu phát triển trong khoảng 10 năm gần đây. Hiện nay nhiều ngành, nhiều đơn vị trên toàn quốc đã có hệ thống mạng nội bộ thông suốt các tỉnh thành trong cả nƣớc. Hệ thống đảm bảo đƣợc các thông tin truyền đi trong mạng không bị lọt ra ngoài nhƣng điểm yếu của hệ thống hiện tại chƣa đạt đƣợc đó là tính cơ động. Việc sử dụng mạng internet dễ dàng hơn nhiều so với mạng nội bộ để truyền tin. Tuy nhiên internet có thể phát tán thông tin đi bất kỳ đâu trên thế giới. Đi kèm với việc truyền tin qua internet là những rủi ro về mất mát và sai lệch thông tin. Do đó bảo mật thông tin khi truyền trên internet là một vấn đề cấp thiết trong thực tế. Bản chất của bảo mật thông tin là tìm cách để che giấu thông tin, có thể là mã hóa thông tin hoặc giấu thông tin trong các dữ liệu số khác. Mục đích đặt ra là thông tin đƣợc bảo mật chỉ có thể đọc đƣợc bởi đối tƣợng có quyền đọc thông tin đó. Một trong cách tiếp cận trong bảo mật thông tin đó là giấu tin có nghĩa là những thông tin số cần đƣợc bảo mật sẽ đƣợc ngƣời dùng giấu vào trong một đối tƣợng dữ liệu số khác (môi trƣờng giấu tin) sao cho sự biến đổi của môi trƣờng sau khi giấu tin là khó nhận biết, đồng thời ngƣời dùng có thể lấy lại đƣợc các thông tin đã giấu khi cần. [...]... cơ bản trong lĩnh vực giấu tin Chƣơng đã tóm tắt một số kỹ thuật giấu tin cơ bản nhất và trình bày về nhu cầu và các ứng dụng giấu tin trong ảnh số Trong các kỹ thuật giấu tin, giấu tin trong ảnh số chiếm tỷ lệ lớn nhất do khả năng giấu thông tin trong lƣợng thông tin của hình ảnh khá lớn và khả năng ứng dụng rất cao Các kỹ thuật giấu tin đƣợc triển khai trong nhiều ứng dụng khác nhau nhằm bảo vệ tính... độ bảo mật và dung lƣợng của thông tin ẩn Kỹ thuật này cho phép chống lại các tấn công bằng các phép biến đổi hình học Để ứng dụng trên thực tế kỹ thuật này cần phải xây dựng chƣơng trình trên cơ sở lý thuyết nêu trên và thử nghiệm trên thực tế nhằm đánh giá hiệu quả của kỹ thuật, chính vì thế chúng tôi lựa chọn đề tài có tên: "Nghiên cứu thuật toán ẩn thông tin trên ảnh số bằng kỹ thuật hoán vị hệ số. .. nhiên trong khuôn khổ của luận văn, tác giả chỉ tập trung tìm hiểu và nghiên cứu: - Các kiểu dữ liệu: ảnh, file audio, video, text; - Kỹ thuật ẩn thông tin kết hợp với các kỹ thuật mã hóa và nén dữ liệu; - Xây dựng thuật toán hoán vị hệ số và giải pháp nâng cao hiệu quả ẩn thông tin trong ảnh số; Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 - Phƣơng pháp chữ ký số, ... hệ số và ứng dụng trong bảo mật dữ liệu" 3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Giấu tin trong ảnh là một chủ đề khá mới mẻ đƣợc quan tâm nhiều hiện nay, đặc biệt trong các ứng dụng trên mạng internet Đây là một lĩnh vực nghiên cứu có liên quan đến nhiều lĩnh vực bảo mật, an toàn dữ liệu và xử lý ảnh Đã có nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực này và đến nay cũng đã có khá nhiều phƣơng pháp, kỹ thuật. .. tạc thông tin Từ việc nghiên cứu kỹ thuật giấu tin trong ảnh số chuyển sang kỹ thuật giấu tin trong các phƣơng tiện khác nhƣ audio, video, trong văn bản,… không có gì khó khăn về nguyên tắc Chính vì lẽ đó, giấu tin trong ảnh đã và đang đƣợc nhiều tổ chức, các trƣờng đại học, các viện nghiên cứu, các cá nhân quan tâm và đầu tƣ nghiên cứu Thông tin đƣợc giấu cùng với dữ liệu ảnh nhƣng chất lƣợng ảnh. .. nghệ chìa khoá cho vấn đề bảo vệ bản quyền, nhận thức thông tin và điều khiển truy cập ứng dụng trong an toàn và bảo mật thông tin Trong hình ảnh viễn thám và quân sự thì độ chính xác cao là cần thiết, trong một số nghiên cứu khoa học dữ liệu thử nghiệm rất đắt phải đảm bảo đƣợc, còn trong ứng dụng nhƣ thực thi pháp luật, hệ thống hình ảnh y tế … mong muốn phải đúng với dữ liệu gốc để xem xét về mặt... tin trong ảnh số Ngày nay, kỹ thuật giấu tin đƣợc triển khai trong nhiều ứng dụng khác nhau nhằm bảo vệ tính bí mật của thông tin, phục vụ các mục đích tích cực nhƣ bảo vệ bản quyền, thủy vân số, hay phục vụ giấu các thông tin bí mật về quân sự và kinh tế Trong đó giấu tin trong ảnh chiếm tỉ lệ lớn nhất ở hệ thống giấu tin trong đa phƣơng tiện Bởi lẽ lƣợng thông tin đƣợc trao đổi bằng hình ảnh là rất... đó vào trong một đối tƣợng dữ liệu số khác Giấu tin trong ảnh số là giấu các mẩu tin cũng là dạng số trong máy tính vào các tệp ảnh nhị phân sao cho không bị ngƣời ngoài phát hiện Kỹ thuật giấu thông tin nhằm mục đích đảm bảo an toàn và bảo mật thông tin rõ ràng ở hai khía cạnh Một là bảo mật cho dữ liệu đƣợc đem giấu, hai là bảo mật cho chính đối tƣợng đƣợc dùng để giấu tin Hai mục đích khác nhau... giấu thông tin mật Thông tin sẽ đƣợc giấu cùng với dữ liệu ảnh nhƣng chất lƣợng ảnh ít thay đổi và chẳng ai biết đƣợc đằng sau ảnh đó mang những thông tin có ý nghĩa Ngày nay, khi ảnh số đã đƣợc sử dụng rất phổ biến thì giấu thông tin trong ảnh đem lại rất nhiều ứng dụng quan trọng trên nhiều lĩnh vực đời sống xã hội Ví dụ, trong các dịch vụ ngân hàng và tài chính ở một số nƣớc phát triển, thuỷ vân số. .. Mukherjee là kỹ thuật giấu audio vào video sử dụng cấu trúc lƣới đa chiều… Kỹ thuật giấu thông tin áp dụng cả đặc điểm thị giác và thính giác của con ngƣời Kỹ thuật giấu tin đang đƣợc áp dụng cho nhiều loại đối tƣợng chứ không riêng gì dữ liệu đa phƣơng tiện nhƣ hình ảnh, audio hay video Gần đây đã có một số nghiên cứu giấu tin trong cơ sở dữ liệu quan hệ Chính vì thế sau này chắc chắn kỹ thuật giấu tin còn . Thị Thanh Xuân NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ẨN THÔNG TIN TRÊN ẢNH SỐ BẰNG KỸ THUẬT HOÁN VỊ HỆ SỐ VÀ ỨNG DỤNG TRONG BẢO MẬT DỮ LIỆU Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN. THÔNG NGUYỄN THỊ THANH XUÂN NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ẨN THÔNG TIN TRÊN ẢNH SỐ BẰNG KỸ THUẬT HOÁN VỊ HỆ SỐ VÀ ỨNG DỤNG TRONG BẢO MẬT DỮ LIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌ C MÁ. dựa trên kỹ thuật hoán vị hệ số kết hợp với nén và mã hoá dữ liệu 43 2.4.1 Giấu tin bằng kỹ thuật hoán vị hệ số 43 2.4.2 Kỹ thuật nén dữ liệu Huffman 43 2.4.3 Mã hóa dữ liệu AES 44 Tổng