luận văn: phân tích đánh giá hiệu quả của một số thuật toán phát hiện ảnh giấu tin trong miền không gian

luận văn: phân tích đánh giá hiệu quả của một số thuật toán phát hiện ảnh giấu tin trong miền không gian luận văn: phân tích đánh giá hiệu quả của một số thuật toán phát hiện ảnh giấu tin trong miền không gian luận văn: phân tích đánh giá hiệu quả của một số thuật toán phát hiện ảnh giấu tin trong miền không gian

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÝ NGỌC HÙNG PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA MỘT SỐ THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN TRONG MIỀN KHÔNG GIAN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội - 2014 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÝ NGỌC HÙNG PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA MỘT SỐ THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN TRONG MIỀN KHÔNG GIAN Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 60480104 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HỒ VĂN CANH Hà Nội - 2014 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết quả tìm hiểu, nghiên cứu trong luận văn là của cá nhân tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các trích dẫn số liệu và kết quả tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Hà Nội, tháng 10 năm 2014 Tác giả luận văn Lý Ngọc Hùng 4 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 3 MỤC LỤC 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7 MỞ ĐẦU 9 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH 11 1.1. Sơ lược về lịch sử giấu tin 11 1.2. Khái niệm giấu tin 11 1.3. Phân loại các kỹ thuật giấu tin 13 1.4. Những tính chất của giấu tin trong ảnh 14 1.5. Các hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh. 15 1.5.1. Hướng tiếp cận dựa trên miền không gian ảnh 15 1.5.2. Hướng tiếp cận dựa trên miền tần số của ảnh 16 1.6. Một số ứng dụng của kỹ thuật giấu tin 16 1.7. Một số kỹ thuật giấu tin 17 1.7.1. Kỹ thuật giấu tin mật trong khối bít sử dụng tính chẵn lẻ của tổng bit 1 17 1.7.1.1. Ý tưởng 17 1.7.1.2. Thuật toán giấu tin 17 1.7.1.3. Quy trình tách tin 18 1.7.2. Kỹ thuật giấu tin Wu-Lee 19 1.7.2.1. Một số định nghĩa 19 1.7.2.2. Thuật toán giấu tin 20 1.7.2.3. Quá trình tách tin 23 1.7.3. Thuật toán giấu tin Yuan – Pan - Tseng 24 1.7.3.1. Ý tưởng 24 1.7.3.2. Thuật toán giấu tin 24 1.7.3.3. Quá trình tách tin 29 1.7.4. Kỹ thuật trải phổ trong watermarking 29 1.7.4.1. Mô tả thuật toán 30 1.7.4.2. Quá trình thủy vân ảnh 30 1.7.4.3. Quá trình tách lấy lại thông tin 32 Chương 2. NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN TRONG MIỀN KHÔNG GIAN 34 2.1. Tổng quan về phát hiện ảnh giấu tin 34 2.2. Các phương pháp phân tích ảnh có giấu tin 34 2.2.1. Phân tích trực quan 34 5 2.2.2. Phân tích theo định dạng ảnh 35 2.2.3. Phân tích theo thống kê 35 2.3. Cơ sở toán học 35 2.4. Một số thuật toán phát hiện ảnh có giấu tin trong miền không gian 39 2.4.1. Kỹ thuật phân tích cặp giá trị điểm ảnh 39 2.4.1.1. Khái niệm cặp giá trị điểm ảnh 39 2.4.1.2. Thuật toán PoV3 39 2.4.1.3. Phân tích thuật toán 40 2.4.2. Kỹ thuật phân tích đối ngẫu 41 2.4.2.1. Khái niệm cơ bản trong kỹ thuật đối ngẫu 41 2.4.2.2. Thuật toán RS 43 2.4.2.3. Phân tích thuật toán RS 45 2.4.3. Kỹ thuật phân tích cặp mẫu SPA 48 2.4.3.1. Các khái niệm 48 2.4.3.2. Phát hiện giấu tin mật LSB nhờ kỹ thuật SPA 51 2.4.3.3. Phân tích kỹ thuật SPA 52 2.4.3.4. Ước lượng độ chính xác của chiều dài thông điệp dấu theo SPA 56 Chương 3. ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN TRONG MIỀN KHÔNG GIAN 60 3.1. Đặt vấn đề 60 3.2. Xây dựng thuật toán 60 3.2.1. Thuật toán A 61 3.2.2. Thuật toán B 62 3.3. Kết quả thử nghiệm 64 3.3.1. Đối với thuật toán A 64 3.3.2. Đối với thuật toán B 65 3.4. Chương trình thử nghiệm 66 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BMP Bitmap DCT Discrete Cosine Transform DFT Discrete Fourier Transform GIF Graphics Interchange Format HAS Human Auditory System HVS Human Visual System JPEG Joint Photographic Experts Group LSB Least Significant Bit PNG Portable Network Graphics PoV Pairs of Values RGB Red – Green - Blue 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1 Quá trình giấu tin 12 Hình 1. 2 Quá trình giải mã tin giấu 13 Hình 1. 3 Sơ đồ phân loại các kỹ thuật giấu tin 14 Hình 2. 1 Quá trình tổng quát của kỹ thuật phát hiện ảnh giấu tin………………… 34 Hình 2. 2 Đồ thị RS của một ảnh kiểm tra. 46 Hình 2. 3 Xích hữu hạn trạng thái với các trạng thái là các tập con của C m (m>0). 50 Hình 2. 4 Xích hữu hạn trạng thái cho tập C 0 . 50 Hình 3. 1 Giao diện chính của chương trình 66 Hình 3. 2 Giao diện giấu tin trong ảnh vào bít có trọng số thấp nhất 67 Hình 3. 3 Giao diện giấu tin theo kỹ thuật WuLee 68 Hình 3. 4 Giao diện phát hiện ảnh có chứa tin theo thuật toán A 68 Hình 3. 5 Giao diện phát hiện ảnh có chứa tin theo thuật toán B 69 Hình 3. 6 Giao diện phát hiện ảnh có chứa tin theo thuật toán A-B với đầu vào là một tập các tập tin 69 8 LỜI CÁM ƠN Bằng tất cả tình cảm của mình, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy Cô của bộ môn Hệ thống thông tin, cũng như các thầy cô trong Khoa Công nghệ thông tin – trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu, đã truyền thụ cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm, đã quan tâm dìu dắt và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như trong lúc thực hiện luận văn này. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Tiến Sĩ Hồ Văn Canh người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn cụ thể để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Em kính chúc thầy luôn luôn mạnh khỏe và có nhiều niềm vui. Xin chân thành gửi lời cám ơn đến các bạn, các đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên, cổ vũ mình trong suốt quá trình học tập và đặc biệt trong thời gian nghiên cứu luận văn. Mình rất hy vọng và tin tưởng rằng chúng ta vẫn luôn giữ được những tình cảm tốt đẹp đó. Mặc dù đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự tận tình chỉ bảo của quý Thầy Cô và các bạn. Hà Nội, tháng 11 năm 2014 Lý Ngọc Hùng 9 MỞ ĐẦU 1/Đặt vấn đề Ngày nay 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. Những thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại cũng sinh ra những thách thức và cơ hội mới cho quá trình đổi mới, xây dựng và phát triển đất nước. Với sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống mạng máy tính đã tạo nên môi trường mở và là phương tiện trao đổi thông tin trong mọi lĩnh vực chính trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thương mại….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 thông tin như: nạn xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép, v.v 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 quy tắc nào đó đã được thỏa thuận trước giữa người gửi và người nhận. Tuy nhiên trong khoảng 10 năm 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. Sau khi thực hiện giấu thì việc nhìn bề ngoài các bức ảnh có chứa thông tin cũng không có gì khác với các bức ảnh ban đầu chưa giấu chính vì vậy đã hạn chế được tầm kiểm soát của kẻ gian. 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. Song song với việc phát triển các kỹ thuật giấu tin trong đa phương tiện thì kỹ thuật dò tìm ảnh có chứa thông tin ẩn hiện nay đang phát triển rất mạnh, với hàng trăm công trình nghiên cứu được công bố trên thế giới hàng năm. Việc dò tìm ảnh có chứa thông tin bên cạnh việc phân loại đối tượng dữ liệu trên môi trường truyền thông còn có mục đích đánh giá ngược lại về mức độ an toàn và tin cậy của các thuật toán giấu tin. Đây là một hướng nghiên cứu triển vọng có thể góp phần đảm bảo an ninh, an toàn thông tin. 2/ Những đóng góp của luận văn Trong luận văn này chúng tôi sẽ trình bày một số thuật toán giấu tin mật đã được công bố trong khoảng thời gian gần đây, bên cạnh đó trong luận văn tôi cũng sẽ trình bày đánh giá một số thuật toán phát hiện ảnh giấu tin trong miền không gian và đưa ra hai thuật toán phát hiện ảnh giấu tin bằng phương pháp lý thuyết thống kê dựa trên phương pháp thống kê tự tương quan (Autocorrelation) 10 Bên cạnh đó luận văn đã thử nghiệm thuật toán giấu tin trong miền không gian và thử nghiệm phát hiện ảnh giấu tin với hai thuật toán đã đề xuất với bộ dữ liệu ảnh là 100 ảnh để đánh giá các kỹ thuật phát hiện đã đề xuất. 3/ Bố cục của luận văn Luận văn được trình bày trong 3 chương, có phần mở đầu, phần kết luận, phần mục lục, phần tài liệu tham khảo. Các nội dung cơ bản của luận văn được trình bày theo cấu trúc như sau: Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật giấu tin trong ảnh Chương này sẽ trình bày một cách tổng quan về giấu tin trong ảnh, lịch sử, khái niệm, phân loại, các đặc trưng, các hướng tiếp cận và một số kỹ thuật giấu tin mật đã được công bố. Chương 2: Nghiên cứu một số thuật toán phát hiện ảnh có giấu tin trong miền không gian Chương này sẽ trình bày một cách tổng quan về kỹ thuật phát hiện ảnh có giấu tin, các hướng phân tích để phát hiện ảnh có giấu tin và trình bày một số thuật toán phát hiện ảnh có giấu tin đã được công bố: Kỹ thuật phân tích cặp giá trị điểm ảnh - thuật toán PoV3, kỹ thuật phân tích đối ngẫu, kỹ thuật phân tích cặp mẫu SPA. Chương 3: Đề xuất thuật toán phát hiện ảnh có giấu tin trong miền không gian Chương này sẽ trình bày hai thuật toán đề xuất và đánh giá độ tin cậy của từng thuật toán. Cài đặt thử nghiệm việc phát ảnh có giấu tin dựa theo hai thuật toán đã đề xuất. [...]... thông tin ẩn giấu trong ảnh số Mục đích của phương pháp là để phát hiện, trích rút, phá hủy hay sửa đổi thông tin đã giấu [4] Tuỳ vào bài toán cụ thể, thành công của kỹ thuật phát hiện sự tồn tại của thông tin ẩn giấu được đánh giá khác nhau Một số bài toán chỉ cần phát hiện có hay không tin ẩn giấu trong vật mang tin Một số bài toán yêu cầu sửa đổi hay phá hủy tin ẩn giấu trong vật mang tin Các kỹ thuật. .. - Phân tích dựa vào thông điệp cần giấu để dò tìm tức là biết được là có tin giấu trong ảnh mang tin - Phân tích dựa vào các thuật toán giấu tin và các đối tượng giấu đã biết: kiểu phân tích này phải quyết định các đặc trưng của đối tượng giấu tin, chỉ ra công cụ giấu tin (thuật toán) đã sử dụng Hình 2 1 Quá trình tổng quát của kỹ thuật phát hiện ảnh giấu tin 2.2 Các phương pháp phân tích ảnh có giấu. .. lượng ảnh sau khi giấu tin sẽ giảm Điều này rất dễ hiểu vì a lớn, nghĩa là phân lớp khoảng cách hai hệ số lớn nên khoảng cách biến đổi của một hệ số để thỏa mãn điều kiện giấu lớn, dẫn đến ảnh hưởng nhiều đến chất lượng ảnh 34 Chương 2 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN TRONG MIỀN KHÔNG GIAN 2.1 Tổng quan về phát hiện ảnh giấu tin Steganalysis là kỹ thuật phát hiện sự tồn tại của. .. liệu được giấu 1.7.3 Thuật toán giấu tin Yuan – Pan - Tseng 1.7.3.1 Ý tưởng Đây là thuật toán được cải tiến dựa trên cơ sở của thuật toán Wu_Lee của nhóm tác giả Yu-Yuan, Hsiang-Kuang Pan và Yu-Chee Tseng Kỹ thuật giấu tin trong thuật toán này là sử dụng một ma trận khoá và ma trận trọng số để giấu thông tin Kết quả của thuật toán sau khi giấu tin đảm bảo được độ an toàn thông tin và cũng giấu được... phát hiện là không quá khó Trong thực tế, người ta luôn phải cân nhắc giữa tính bền vững, khả năng nhúng và khả năng không thể phát hiện Tùy vào mỗi ứng dụng mà ta ưu tiên tiêu chuẩn nào là trên hết 1.5 Các hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh 1.5.1 Hướng tiếp cận dựa trên miền không gian ảnh Đây là hướng tiếp cận cơ bản trong số các kỹ thuật giấu tin Miền không gian ảnh là miền dữ liệu ảnh. .. tổng số các bit 1 trong khối và bit cần giấu sẽ có cùng tính “chẵn lẻ” Thuật toán này dùng cho ảnh đen trắng, ảnh mầu và ảnh xám Đây là kỹ thuật đơn giản nhất trong các kỹ thuật giấu tin 1.7.1.2 Thuật toán giấu tin Đầu vào  Một file ảnh bitmap đen trắng  Một file thông tin cần giấu  Một khóa K: đây là kích thước của khối nhỏ Đầu ra  Một file ảnh đã được giấu tin Các bước thực hiện Bước 1: Tiền... thông tin trong ảnh bằng cách chỉ thay đổi tối đa hai bit trong mỗi khối ảnh Bên cạnh ưu điểm đạt được thì nhược điểm của phương pháp này là chất lượng ảnh chưa cao, dễ bị phát hiện đối với ảnh đen trắng 1.7.3.2 Thuật toán giấu tin Đầu vào  F là một ma trận các giá trị điểm ảnh của ảnh gốc dùng để giấu tin  Khóa K là một ma trận nhị phân cấp mxn  r là số lượng bit cần giấu trong mỗi khối ảnh Fi... nhúng trong miền không gian tần số của ảnh theo kỹ thuật trải phổ trong truyền thông Đây là kỹ thuật phổ biến nhất với nhiều thuật toán và được hứa hẹn là một phương pháp tốt giải quyết vấn đề đảm bảo hai thuộc tính quan trọng của thuỷ vân sau khi giấu 1.6 Một số ứng dụng của kỹ thuật giấu tin Ngày nay, kỹ thuật giấu tin được triển khai trong nhiều ứng dụng khác nhau nhằm bảo vệ tính bí mật của thông tin, ... thước khối của mỗi lần giấu là khác nhau 1.7.2 Kỹ thuật giấu tin Wu-Lee Kỹ thuật giấu tin theo khối bit sử dụng tính chẵn lẻ của tổng số bit 1 trong khối thể hiện độ an toàn không cao do chỉ có duy nhất kích thước khối là khóa cho quá trình giấu tin Do đó thuật toán giấu tin trong ảnh đen trắng do W.Y.Wu và J.H.Lee đưa ra năm 1989, đã khắc phục phần nào những tồn tại của thuật toán giấu tin theo khối... thông tin giấu cần phải đảm bảo tính bí mật 1.7 Một số kỹ thuật giấu tin 1.7.1 Kỹ thuật giấu tin mật trong khối bít sử dụng tính chẵn lẻ của tổng bit 1 1.7.1.1 Ý tưởng Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật này là chia một ảnh thành các khối nhỏ và trong mỗi khối nhỏ sẽ giấu một bit thông tin Dựa vào tính chẵn lẻ của tổng số các bit 1 trong khối để quy định giấu bit 1 hay 0 Cụ thể sau khi giấu thì tổng số các . cứu một số thuật toán phát hiện ảnh có giấu tin trong miền không gian Chương này sẽ trình bày một cách tổng quan về kỹ thuật phát hiện ảnh có giấu tin, các hướng phân tích để phát hiện ảnh. có giấu tin và trình bày một số thuật toán phát hiện ảnh có giấu tin đã được công bố: Kỹ thuật phân tích cặp giá trị điểm ảnh - thuật toán PoV3, kỹ thuật phân tích đối ngẫu, kỹ thuật phân tích. PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA MỘT SỐ THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN TRONG MIỀN KHÔNG GIAN Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 60480104