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

LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Nguyễn Ngọc Cương - Học viện An Ninh Nhân dân tận tình hướng dẫn, bảo dành nhiều thời gian cho em suốt trình làm luận văn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô giáo Trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền Thông - Đại học Thái Nguyên, giảng dạy cung cấp, trang bị cho chúng em kiến thức, chuyên ngành, chuyên môn chuyên sâu trình học tập trường trình làm luận văn Cuối em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên, cổ vũ, tạo điều kiện cho em trình học tập thời gian làm luận văn; giúp em hoàn thành khóa học, luận văn theo qui định LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn kết nghiên cứu tôi, không chép Nội dung luận văn có tham khảo sử dụng tài liệu liên quan, thông tin tài liệu đăng tải tạp chí trang website theo danh mục tài liệu luận văn Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thanh Xuân DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG ẢNH CHƯƠNG 15 KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ 15 CHƯƠNG 47 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT HVS Hệ thống thị giác người HAS Hệ thống thính giác người LSB Kỹ thuật gài vào 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 liệu MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG ẢNH CHƯƠNG 15 KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ 15 CHƯƠNG 47 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Cùng với bùng nổ Internet phương tiện multimedia, vấn nạn ăn cắp quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép gia tăng, đòi hỏi phải không ngừng tìm giải pháp mới, hữu hiệu cho an toàn bảo mật thông tin Một giải pháp nhiều triển vọng giấu tin (DataHiding), nghiên cứu phát triển khoảng 10 năm gần Hiện nhiều ngành, nhiều đơn vị toàn quốc có hệ thống mạng nội thông suốt tỉnh thành nước Hệ thống đảm bảo thông tin truyền mạng không bị lọt điểm yếu hệ thống chưa đạt tính động Việc sử dụng mạng internet dễ dàng nhiều so với mạng nội để truyền tin Tuy nhiên internet phát tán thông tin đâu giới Đi kèm với việc truyền tin qua internet rủi ro mát sai lệch thông tin Do bảo mật thông tin truyền internet vấn đề cấp thiết thực tế Bản chất bảo mật thông tin tìm cách để che giấu thông tin, mã hóa thông tin giấu thông tin liệu số khác Mục đích đặt thông tin bảo mật đọc đối tượng có quyền đọc thông tin Một cách tiếp cận bảo mật thông tin giấu tin có nghĩa thông tin số cần bảo mật người dùng giấu vào đối tượng liệu số khác (môi trường giấu tin) cho biến đổi môi trường sau giấu tin khó nhận biết, đồng thời người dùng lấy lại thông tin giấu cần 2 Lý chọn đề tài Giấu thông tin ảnh 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 thông tin ảnh đóng vai trò quan trọng hầu hết ứng dụng bảo vệ an toàn thông tin như: nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật Thông tin giấu với liệu ảnh chất lượng ảnh thay đổi chẳng biết đằng sau ảnh mang thông tin có ý nghĩa Ngày nay, ảnh số sử dụng phổ biến giấu thông tin ảnh đem lại nhiều ứng dụng quan trọng nhiều lĩnh vực đời sống xã hội Ví dụ, dịch vụ ngân hàng tài số nước phát triển, thuỷ vân số sử dụng để nhận diện khách hàng thẻ tín dụng Mỗi khách hàng có chữ kí viết tay, sau chữ kí số hoá lưu trữ hồ sơ khách hàng Chữ kí sử dụng thuỷ vân để nhận thực thông tin khách hàng Trong thẻ tín dụng, chữ kí tay giấu ảnh khách hàng thẻ Khi sử dụng thẻ, người dùng đưa thẻ vào hệ thống, hệ thống có gắn thiết bị đọc thuỷ vân ảnh lấy chữ kí số nhúng ảnh Thuỷ vân lấy so sánh với chữ kí số lưu trữ xem có trùng hợp không, từ xác định nhận thực khách hàng Kỹ thuật ẩn thông tin đề cập đến giải pháp nhằm giải toán truyền nhận thông điệp mật, tăng cường tính bảo mật an toàn giao dịch thương mại điện tử mạng Internet bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ thông tin số có giá trị phim, ảnh, âm thanh… Kỹ thuật ẩn thông tin kết hợp mã hóa đánh giải pháp hữu hiệu thích hợp cho vấn đề bảo vệ quyền Internet dịch vụ truyền thông đa phương tiện Hiện nay, có nhiều công trình nghiên cứu nước giới để giấu tin vào ảnh gốc Các kỹ thuật chương trình có đặc điểm định dựa phương pháp biến đổi hình học (như phép quay, dịch chuyển cắt xén… ), điều dẫn đến trình kiểm tra xác định tồn thông điệp nhúng ảnh không xác Người ta đưa kỹ thuật ẩn thông tin kết hợp với kỹ thuật mã hóa nén liệu giúp cho trình ẩn thông tin an toàn hơn, tăng cường độ bảo mật dung lượng thông tin ẩn Kỹ thuật cho phép chống lại công phép biến đổi hình học Để ứng dụng thực tế kỹ thuật cần phải xây dựng chương trình sở lý thuyết nêu thử nghiệm thực tế nhằm đánh giá hiệu kỹ thuật, lựa chọn đề tài có tên: "Nghiên cứu thuật toán ẩn thông tin ảnh số kỹ thuật hoán vị hệ số ứng dụng bảo mật liệu" Đối tượng phạm vi nghiên cứu Giấu tin ảnh chủ đề mẻ quan tâm nhiều nay, đặc biệt ứng dụng mạng internet Đây lĩnh vực nghiên cứu có liên quan đến nhiều lĩnh vực bảo mật, an toàn liệu xử lý ảnh Đã có nhiều công trình nghiên cứu lĩnh vực đến có nhiều phương pháp, kỹ thuật đề xuất Tuy nhiên khuôn khổ luận văn, tác giả tập trung tìm hiểu nghiên cứu: - Các kiểu liệu: ảnh, file audio, video, text; - Kỹ thuật ẩn thông tin kết hợp với kỹ thuật mã hóa nén liệu; - Xây dựng thuật toán hoán vị hệ số giải pháp nâng cao hiệu ẩn thông tin ảnh số; - Phương pháp chữ ký số, xác thực thông tin; - Các phương pháp, kỹ thuật giấu tin ảnh số; - Thiết lập mô hình thử nghiệm chương trình Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Data Hiding phương pháp nghiên cứu ứng dụng mạnh mẽ nhiều nước giới phương pháp nhúng tin phương tiện khác Đây phương pháp phức tạp xem công nghệ chìa khoá cho vấn đề bảo vệ quyền, nhận thức thông tin điều khiển truy cập ứng dụng an toàn bảo mật thông tin Trong hình ảnh viễn thám quân độ xác cao cần thiết, số nghiên cứu khoa học liệu thử nghiệm đắt phải đảm bảo được, ứng dụng thực thi pháp luật, hệ thống hình ảnh y tế … mong muốn phải với liệu gốc để xem xét mặt pháp lý tránh lệch lạc thông tin Do mà việc phục hồi liệu sau giấu tin để đảm bảo tính xác có ý nghĩa khoa học thực tiễn Việc kết hợp giấu tin chứng thực cho phép bảo vệ nhãn thương hiệu chứng minh hợp pháp sản phẩm bảo vệ quyền thương mại điện tử Đây ý nghĩa thực tiễn đề tài Phương pháp nghiên cứu Trong luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp chứng thực, kỹ thuật giấu tin, phương pháp mô hình hóa thử nghiệm thực tế CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG ẢNH 1.1 Một số khái niệm giấu tin 1.1.1 Lịch sử kỹ thuật giấu tin Từ Stenography bắt nguồn từ Hi Lạp sử dụng ngày nay, có nghĩa tài liệu phủ (covered writing) Mục đích giấu tin nhúng mẩu tin mật vào môi trường truyền tin bình thường cho người khác phát mẩu tin mật Trong lịch sử, câu chuyện giấu tin lan truyền từ đời qua đời khác Ví dụ, vào kỷ thứ trước Công Nguyên, Histaiacus cạo trọc đầu nô lệ, xăm lên thông điệp sau đầu nô lệ mọc tóc trở lại, ông ta phái nô lệ mang thông điệp giấu đầu Ở tiểu vương quốc Ả Rập thành phố khoa học công nghệ vua Abdulaziz, dự án khởi xướng để dịch thành tiếng anh văn tiếng Ả Rập cổ dòng chữ bí mật cho viết cách 1200 năm Một vài văn tìm thấy Thổ Nhĩ Kỳ Đức Khoảng 500 năm trước, nhà toán học người Ý tên Jerome Cardan sáng tạo lại phương thức văn bí mật cổ xưa người Trung Quốc Văn làm sau: tờ giấy làm mặt nạ có nhiều lỗ thủng mà người gửi người nhận biết, mặt nạ đặt tờ giấy trắng người gửi viết thông điệp bí mật qua lỗ thủng mặt nạ sau vứt mặt nạ điền phần lại vào tờ giấy trắng thể tờ giấy toàn thông tin vô thưởng vô phạt 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 hàng loạt công 45 SubBytes - phép (phi tuyến) byte trạng thái byte khác S; bij = S(aij) Hình 2.12: Quy trình SubBytes ShiftRows - dịch chuyển, hàng trạng thái dịch vòng theo số bước khác Trong bước ShiftRows, byte hàng dịch vòng trái Số vị trí dịch chuyển tùy thuộc hàng Hình 2.13: Bước ShiftRows MixColumns - trình trộn làm việc theo cột khối theo phép biến đổi tuyến tính Trong bước MixColumns, cột nhân với hệ số cố định c(x)= 3x3+x2+x+2(modulo x4+1) Bước xem phép nhân ma trận trường hữu hạn 46 Hình 2.14: Mô tả trình trộn AddRoundKey Bước 3: Vòng lặp cuối SubBytes ShiftRows AddRoundKey Tại chu trình cuối bước MixColumns không thực Tổng kết chương Nội dung chương giới thiệu mô hình phương pháp giấu tin vào ảnh qua phân tích, đánh giá so sánh phương pháp Tiếp đó, trình bày số kỹ thuật giấu tin ảnh sâu vào phương pháp giấu tin kỹ thuật hoán vị hệ số kết hợp với mã hóa nén liệu làm sở để xây dựng chương trình chương 47 CHƯƠNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM 3.1 Thuật toán giấu thông tin kỹ thuật hoán vị hệ số Trong 2.4.1 nêu ý tưởng kỹ thuật hoán vị hệ số để giấu thông tin Từ ý tưởng xây dựng thuật toán sau Chú ý thông điệp vào thao tác dạng chuỗi nhị phân Gọi giá trị số chuỗi nhị phân VALUE số lớn, vượt khả lưu trữ cấu trúc liệu Do đó, để thao tác VALUE ta định nghĩa riêng đối tượng MYNUMBER - phép toán số học Mô tả thuật toán Bước 1: Phân tích hệ số liệu gốc để tính dung lượng nhúng Gọi p: số lượng hệ số hoán vị liệu gốc Gọi len = chiều dài chuỗi nhị phân thông điệp Nếu len > log2(p!): nhúng thông điệp m vào Kết thúc thuật toán ngược lại sang bước Bước 2: Đưa thông điệp cấu trúc MYNUMBER: giá trị VALUE Bước 3: Lần lượt chuyển VALUE vào: Từ vị trí hệ số (i), tính giá trị mô tả vị trí (pos’) For ( i = 1; i Dễ bị phát Bền vững trước công -> Dung lượng nhúng giảm Trong [1011], Minwu nhúng thông tin vào ảnh cách thay đổi giá trị pixel (là pixel nằm đường biên) Để tăng dung 50 lượng nhúng không gây khác biệt, Minwu trộn pixel để vùng nhúng trải khắp ảnh Tuy nhiên kỹ thuật Minwu không bền vững trước công hình học Đối với ảnh, công phép biến đổi hình học (quay, tịnh tiến,… ) biến đổi kích thước ảnh (phóng to, thu nhỏ, cắt xén,… ) thường xảy [1] Để nâng cao hiệu ẩn thông tin, luận văn kết hợp kỹ thuật giấu tin với hai kỹ thuật khác mã hóa nén liệu Thuật toán mã hoá thuật toán nén liệu nêu chương - Tăng cường độ bảo mật: sử dụng kỹ thuật AES mã hóa thông điệp trước nhúng Hiện có nhiều phương pháp mã hóa liệu đề xuất, AES đánh chuẩn mã hóa an toàn Với tốc độ khả xử lý ngày nâng cao vi xử lý, phương pháp mã hóa chuẩn (Data Encryption Standard - DES) trở nên không an toàn bảo mật thông tin Do đó, Viện Tiêu chuẩn Công nghệ Hoa Kỳ (NIST) định chọn chuẩn mã hóa với độ an toàn cao nhằm phục vụ nhu cầu bảo mật thông tin liên lạc phủ Hoa Kỳ ứng dụng dân Thuật toán Rijndael hai tác giả Vincent Rijmen John Daeman thức chọn trở thành chuẩn mã hóa nâng cao (Advanced Encryption Standard) từ 02 tháng 10 năm 2000 [76] - Tăng dung lượng nhúng: tiến hành nén liệu trình nhúng kỹ thuật Huffman 51 Sơ đồ qui trình nhúng cải tiến mô tả sau: Khóa mật Dữ Dữ liệu liệu chứa gốc Bộ nhúng + nén thông điệp Khóa mã Bộ mã hóa AES Thông điệp Hình 3.2: Sơ đồ quy trình nhúng cải tiến - Thông điệp cần giấu mã hóa mã hóa AES với khóa mã - Dữ liệu gốc thông điệp mã hóa cho vào nhúng kết hợp với nén khóa bảo mật cho kết liệu chứa thông điệp 3.3 Chương trình thực nghiệm Chương trình xây dựng công cụ Visual Studio Net 2010, cung cấp giao diện đồ họa với chuẩn sau: - Ngôn ngữ cài đặt Visual C# Net - Môi trường cài đặt Windows 2000, Windows XP, Windows 2003,… 52 3.3.1 Quá trình giấu tin Hình 3.3: Giao diện giấu tin - Nhấn vào nút mở ảnh để chọn file ảnh cần nhúng tin - Tiền xử lý để giấu tin: + Nhập thông điệp cần giấu, nhập mật chọn nút mã hóa để mã hóa thông điệp + Sau có thông điệp mã hóa chọn nút nén để nén lại thông điệp trước giấu - Chọn nút “Giấu tin” lưu lại file ảnh chứa thông điệp Hình 3.4: Giao diện tiền xử lý để giấu tin 53 3.3.2 Quá trình giải tin Hình 3.5: Giao diện giải tin - Nhấn vào nút mở ảnh để chọn file ảnh chứa thông điệp nhúng - Chọn nút “Giải tin” lên thông điệp sau nén mã hóa - Nhấn nút giải mã tin sau tách: Chọn nút giải nén, nhập mật chọn giải mã chuỗi ban đầu Hình 3.6: Giao diện giải mã tin sau tách 54 3.4 Kết thực nghiệm Hình 3.7 a, c ảnh gốc; hình 3.7 b, d ảnh sau nhúng liệu: “Chương trình giấu tin ảnh kỹ thuật hoán vị hệ số kết hợp với mã hóa nén liệu Trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông Thái Nguyên” Ảnh gốc Ảnh sau nhúng Hình 3.5 So sánh kết b a 55 c d Hình 3.7: So sánh kết Chương trình bày kết thử nghiệm giấu thông tin vào ảnh kỹ thuật hoán vị hệ số Tiến hành với kích thước file ảnh gốc cực nhỏ (998 bytes), sau bước thuật toán (phân tích hệ số hoán vị liệu gốc để tính dung lượng nhúng), chương trình nhúng 171 bytes vào ảnh Kết hợp với nén Huffman vào trình nhúng: dung lượng nhúng tăng lên đến 258 bytes ( xấp xỉ lần dung lượng nhúng ban đầu) Ta thấy nén mang lại hiệu mà đảm bảo thông tin trích xuất đầy đủ không làm thay đổi chất lượng hình ảnh 3.5 Kết luận hướng phát triển Kỹ thuật đạt hiệu cao thực nhúng thông tin vào liệu có kích thước nhỏ khoảng vài kilobytes dung lượng nhúng tính không cảm nhận Kỹ thuật mã hóa AES phương pháp nén kèm hỗ trợ thêm vào làm tăng hiệu kỹ thuật hoán vị hệ số Tuy nhiên kỹ thuật vượt qua tất công, kỹ thuật có ưu, nhược điểm riêng thông thường chịu số công định 56 Qua trình nghiên cứu tìm hiểu thực luận văn, tác giả nắm kiến thức giấu tin ảnh số số kỹ thuật giấu điển hình Có thể áp dụng vào thực tế để bảo vệ nhãn hiệu chứng minh hợp pháp sản phẩm, bảo vệ chữ ký số Hướng phát triển tiếp luận văn tiếp tục nghiên cứu tìm hiểu kỹ thuật giấu tin khác sử dụng môi trường giấu tin đa phương tiện khác 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Dương Anh Đức - Trần Minh Triết, Kỹ thuật watermarking an toàn phép biến đổi hình học, ĐH Khoa học tự nhiên TPHCM, 2002 [2] Dương Anh Đức, Dương Minh Đức, “Nâng cao hiệu ẩn thông tin ảnh số”, Hội thảo quốc gia “Một số vấn đề chọn lọc công nghệ thông tin”, Đà Nẵng 18 - 20/8/2004, tr 100 - 106 [3] Dương Minh Đức, Nghiên cứu phát triển số kỹ thuật ẩn thông tin tín hiệu số, Luận văn thạc sĩ công nghệ thông tin, ĐH Khoa học tự nhiên TPHCM, 2004 [4] Nguyễn Xuân Huy, Trần Quốc Dũng (2003), Giáo trình giấu tin thủy vân ảnh, Hà Nội [5] Hồ Thị Hương Thơm, Hồ Văn Canh, Trịnh Nhật Tiến, Một số kỹ thuật phát tin cậy ảnh có giấu tin miền LSB, Hải Phòng [6] Lương Việt Nguyên, Hồ Văn Canh, Trịnh Nhật Tiến, “Ứng dụng lý thuyết đại số giải toán giấu tin ảnh an toàn, hiệu quả”, Hội nghị khoa học quốc gia lần thứ 5, Đồng Nai 1112/8/2011 [7] Trần Minh Triết, Lương Hán Cơ, Nghiên cứu phương pháp mã hóa ứng dụng, ĐH Khoa học tự nhiên TPHCM, 2001 Tiếng Anh [8] Akram M Zeki, Azizah A Manaf, A Novel Digital Watermarking Technique Based on ISB (Intermediate Significant Bit), World Academy of Science, Engineering and Technology 50 2009 [9] Bin Li, et.al., A Survey on Image Steganography and Steganalysis, Journal of Information Hiding and Multimedia Signal Processing, Volume 2, Number 2, April 2011 [10]J Fridrich, M Goljan, and R Du, “Reliable detection of LSB steganography in color and grayscale images,” Proc ACM Workshop on Multimedia and Security, pp 27 - 30, 2001 [11] 58 [12] Min Wu, Bede Liu, Edward Tang, Data Hiding in Digital Binnary Image, ICME, 2000 59 [13] ... có tên: "Nghiên cứu thuật toán ẩn thông tin ảnh số kỹ thuật hoán vị hệ số ứng dụng bảo mật liệu" Đối tượng phạm vi nghiên cứu Giấu tin ảnh chủ đề mẻ quan tâm nhiều nay, đặc biệt ứng dụng mạng... nghiên cứu: - Các kiểu liệu: ảnh, file audio, video, text; - Kỹ thuật ẩn thông tin kết hợp với kỹ thuật mã hóa nén liệu; - Xây dựng thuật toán hoán vị hệ số giải pháp nâng cao hiệu ẩn thông tin. .. lượng thông tin số vào đối tượng liệu số khác Giấu tin ảnh số giấu mẩu tin dạng số máy tính vào tệp ảnh nhị phân cho không bị người phát Kỹ thuật giấu thông tin nhằm mục đích đảm bảo an toàn bảo mật