Nâng cao chất lượng giấu tin

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - HỒ VIỆT ANH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG GIẤU TIN Chuyên ngành: Toán Tin Ứng dụng LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TOÁN TIN ỨNG DỤNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS PHAN TRUNG HUY HÀ NỘI - 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Hà Nội, tháng năm 2013 Tác giả luận văn Hồ Việt Anh i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô giáo Viện Toán Ứng dụng Tin học, cán bộ, nhân viên Viện Đào tạo sau đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; cán bộ, nhân viên Viện Đào tạo Nhân lực Quốc tế nhiệt tình tạo điều kiện tốt cho suốt trình học tập Xin chân thành cảm ơn anh, chị bạn học viên lớp Cao học 11A TOAN-HT - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội động viên, giúp đỡ chia với kinh nghiệm học tập sống đời thường Đặc biệt, qua xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phan Trung Huy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ động viên suốt trình thực luận văn Mặc dù có nhiều cố gắng, song hạn hẹp thời gian, điều kiện nghiên cứu trình độ, luận văn không tránh khỏi sai sót, khiếm khuyết Tôi mong đóng góp ý kiến thầy giáo, cô giáo đồng nghiệp Hà Nội, tháng năm 2013 Người thực luận văn Hồ Việt Anh ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vi MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Cấu trúc luận văn Những đóng góp luận văn Chương TỔNG QUAN Tình hình nghiên cứu nước Phân loại giấu tin 2.1 Định nghĩa giấu tin 2.2 Sơ đồ tổng quát 2.3 Sơ đồ phần loại giấu tin Một số ứng dụng kỹ thuật giấu tin 3.1 Giấu tin mật 3.2 Xác thực tính nguyên vẹn 3.3 Bảo vệ quyền 10 Một số tính chất lược đồ giấu tin 10 4.1 Tính khả nhúng 10 4.2 Tính che giấu 11 4.3 Tính bí mật 11 4.4 Tính bền vững 11 4.5 Tính dễ vỡ 12 4.6 Chất lượng ảnh sau giấu tin 12 Ảnh bitmap 12 5.1 Bitmap header 14 5.2 Bitmap Info 14 5.3 Color Palette 15 5.4 Bitmap data 16 iii Chương MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP GIẤU TIN HIỆU QUẢTRÊN ẢNH NHỊ PHÂN 17 Giới thiệu giấu tin ảnh nhị phân 17 Một số ký hiệu định nghĩa 18 2.1 Định nghĩa 18 2.2 Định nghĩa 18 2.3 Định nghĩa 18 Phương pháp giấu tin Cheng-Pan-Tseng 19 3.1 Tóm tắt thuật toán 19 3.2 Nội dung thuật toán 20 3.3 Chứng minh tính đắn thuật toán 22 3.4 Chứng minh tính đắn thuật toán 24 Thuật toán giấu tin CPTE 25 Tỷ lệ giấu tin mật tối đa phương pháp CPTE 28 5.1 Tỷ lệ giấu tin tối đa 28 5.2 Giấu tin sử dụng phương pháp mô đun 30 Chương NÂNG CAO TÍNH BỀN VỮNG TRONG KỸ THUẬT GIẤU TIN 36 Thủy vân bền vững 36 1.1 Bảo vệ quyền tác giả 36 1.2 Xác thực thông tin 36 1.3 Dấu vân tay hay dán nhãn 37 1.4 Kiểm soát chống chép 37 Phép biến đổi Cosin rời rạc 37 2.1 Phép biến đổi Cosine chiều 37 2.2 Biến đổi Cosin nhanh 38 2.3 Biến đổi Cosin ngược 43 2.4 Phép biến đổi Cosin rời rạc hai chiều 44 Phân loại 46 Các yêu cầu hệ thống thủy vân 48 iv 4.1 Thông tin thuỷ vân có không bị biến đổi ảnh chứa bị thay đổi 48 4.2 Thuỷ vân ẩn, thuỷ vân 49 4.3 Tính chất bền vững 49 4.4 Mô hình hệ thống thủy vân 49 4.5 Những công hệ thuỷ vân 51 4.6 Đánh giá chất lượng ảnh thuỷ vân 52 4.7 Thủy vân miền DCT 53 Chương XÂY DỰNG PHẦN MỀM GIẤU TIN MẬT VÀ BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ 58 Mô hình xử lý hệ thống 58 1.1 Sơ đồ mức đỉnh 58 1.2 Sơ đồ mức đỉnh 59 Một số giao diện phần mềm 61 2.1 Giao diện nhúng giấu thủy vân 61 2.2 Giao diện kiểm tra quyền tác giả 62 2.3 Giao diện nhúng tin mật 62 2.4 Giao diện tách tin mật 63 2.5 Giao diện tính PSNR 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64 Kết luận 64 Kiến nghị 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Các trường vùng Bitmap header 14 Bảng 2: Các trường vùng Bitmap Info 15 Bảng 3: Thứ tự thành phần màu Entry 16 Bảng 4: Ảnh 24 bit màu kích thước 2×4 16 Bảng 5: Thứ tự lưu trữ thành phần màu pixel Bảng 16 Bảng So sánh tỷ lệ giấu tin MSDR sơ đồ CPT, CPTE 30 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Sơ đồ trình giấu tin Hình Sơ đồ giải mã tin giấu Hình 3.Sơ đồ phân loại kỹ thuật giấu tin Hình 4: Cấu trúc tệp ảnh định dạng BMP 14 Hình Phân loại kỹ thuật thủy vân 46 Hình Mô hình trình nhúng thuỷ vân 50 Hình Mô hình trình tách kiểm định thuỷ vân 51 Hình Vùng tần số DCT 54 Hình Quá trình nhúng thủy vân 55 Hình 10 Biến đổi zigzag 56 Hình 11 Quá trình phát thủy vân 57 Hình 12 Hệ thống giấu tin mật 58 Hình 13 Hệ thống bảo vệ quyền tác giả 59 Hình 14 Hệ thống nhúng tin mật 59 Hình 15 Hệ thống tách tin mật 60 vi MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Sự phát triển thông tin kỹ thuật số đem lại thay đổi lớn xã hội sống Những thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại sinh thách thức hội cho trình đổi Sự đời phần mềm có tính mạnh, thiết bị máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lượng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số,… sử dụng rộng rãi Công nghệ đa phương tiện phát triển mạnh Mạng Internet toàn cầu biến thành xã hội ảo nơi diễn trình trao đổi thông tin lĩnh vực: trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thương mại,… từ xuất vấn đề cần quan tâm, như: vấn đề an toàn thông tin, ăn cắp quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép, Đi tìm giải pháp cho vấn đề không giúp ta hiểu thêm công nghệ phức tạp phát triển mà đưa hội kinh tế cần khám phá Từ vấn đề đó, nhiều phương pháp bảo vệ thông tin đưa giải pháp dùng mật mã học giải pháp ứng dụng rộng rãi Các hệ mã mật phát triển nhanh chóng ứng dụng phổ biến tận ngày Thông tin bảo mật mã hoá thành ký hiệu vô nghĩa, sau thông tin lấy lại thông qua việc giải mã nhờ khoá hệ mã Đã có nhiều hệ mã phức tạp sử dụng AES, RSA, KNAPSACK, phương pháp chứng minh thực tế hiệu ứng dụng phổ biến Ngày phương pháp nghiên cứu ứng dụng mạnh mẽ nhiều nước giới phương pháp giấu tin (data hiding) Đây phương pháp phức tạp, xem chìa khoá công nghệ cho vấn đề bảo vệ quyền, nhận thực thông tin điều khiển truy cập,… ứng dụng an toàn bảo mật thông tin Giấu thông tin (Steganography) kỹ thuật nhúng thông tin (embeding) vào nguồn đa phương tiện gọi phương tiện chứa (host data) mà không gây nhận biết tồn thông tin giấu (invisible) Từ Steganography bắt nguồn từ Hi Lạp sử dụng ngày nay, có nghĩa “giấu thư”,trước việc giấu tin sử dụng chủ yếu quân đội quan tình báo, ngày phát triển rộng rãi đời sống xã hội với nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng nhà khoa học, viện công nghệ thông tin Sự khác biệt chủ yếu mã hóa thông tin giấu thông tin phương pháp mã hóa làm cho thông tin rõ có mã hóa hay không phương pháp giấu tin người ta khó mà biết có thông tin giấu bên tính chất ẩn thông tin giấu Phương pháp Thuỷ vân ẩn (digital watermarking) sử dụng kỹ thuậtgiấu tin đưa để nhằm giải vấn đề: Bảo vệ quyền tác giả (copyright protection),nhận thực thông tin hay phát xuyên tạc thông tin (authentication and tamper detection), giấu vân tay hay dán nhãn (fingerprinting and labeling),điều khiển chống chép (acces control) Giấu thông tin ảnh phận 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 Chính mà vấn đề nhận quan tâm lớn cá nhân, tổ chức, trường đại học, viện nghiên cứu giới Thông tin giấu với liệu ảnh chất lượng ảnh thay đổi nên đằng sau ảnh mang thông tin có mật 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 nước phát triển, chữ kí tay số hoá lưu trữ sử dụng hồ sơ cá nhân dịch vụ ngân hàng tài chính, dùng để xác thực thẻ tín dụng người tiêu dùng Phần mềm WinWord MicroSoft cho phép người dùng lưu trữ chữ kí ảnh nhị phân gắn vào vị trí file văn để đảm bảo tính an toàn thông tin Tài liệu sau truyền trực tiếp qua máy fax lưu truyền mạng Theo đó, việc nhận thực chữ kí, xác thực thông tin trở thành vấn đề quan trọng mà việc ăn cắp thông tin hay xuyên tạc thông tin tin tặc trở thành vấn nạn không riêng với quốc gia hay tổ chức Thêm vào đó, có nhiều loại thông tin quan trọng cần bảo mật thông tin an ninh, thông tin bảo hiểm hay thông tin tài chính, thông tin số hoá lưu trữ hệ thống máy tính hay mạng Chúng dễ bị lấy cắp bị thay đổi phần mềm chuyên dụng Việc nhận thực phát thông tin xuyên tạc trở nên vô quan trọng, cấp thiết Và đặc điểm giấu thông tin ảnh thông tin giấu ảnh cách vô hình, cách mà truyền thông tin mật cho mà người khác biết sau giấu thông tin chất lượng ảnh gần không thay đổi đặc biệt ảnh mầu hay ảnh xám Giấu tin công nghệ phức tạp, nhà khoa học tập trung nghiên cứu nhiều nước giới Đức, Mỹ, Ý, Canada, Nhật Bản vàở Việt Nam Tuy nhiên, kết thực nghiệm cho thấy để thực ứng dụng thực tế lĩnh vực cần phải có thêm thời gian để nghiên cứu thẩm định nhà khoa học khẳng định công nghệ đầy hứa hẹn cho vấn đề an toàn bảo mật thông tin Công việc nhà khoa học tập trung xây dựng hệ thống lí thuyết xác cho vấn đề giấu tin, mảnh đất cho nhà khoa học khám phá Với phép nén ảnh, người ta chấp nhận giá trị PSNR khoảng 20-40dB Giá trị PSNR lớn thể sai khác ảnh gốc ảnh sau nhúng thông tin thấp 4.6.2 So sánh thuỷ vân tách với thủy vân gốc Thủy vân nhúng sau giải mã so sánh để kiểm định, chứng thực thuỷ vân Có thuỷ vân nhìn thấy mang ý nghĩa nhận biết công việc trở nên đơn giản chẳng hạn thuỷ vân chuỗi ký tự ASCII mang thông tin tên tác giả,ngày tháng… giải mã ta dễ dàng nhận biết thông tin Hay thuỷ vân ảnh chẳng hạn giải mã ta ảnh tương tự ta nhìn thấy khác biệt hai ảnh Tuy nhiên, số trường hợp thuỷ vân chuỗi bit, công việc nhận diện thuỷ vân không đơn giản Hoặc trường hợp thuỷ vân thông tin mang ý nghĩa nhận biết phải có kỹ thuật để kiểm định, định lượng sai thuỷ vân Có nhiều kỹ thuật để kiểm định, định lượng thuỷ vân Kỹ thuật đơn giản ta tính tỷ lệ sai bit theo công thức: SR = (số bit trùng nhau) / (tổng số bit) 4.7 Thủy vân miền DCT Hiện phương pháp thủy vân nhóm thành phương pháp miền không gian phương pháp miền chuyển đổi Trong miền không gian, nhúng thủy vân cách thay đổi trực tiếp giá trị pixel ảnh gốc Trong miền chuyển đổi, trước tiên áp dụng chuyển đổi ảnh gốc sau nhúng thủy vân vào hệ số chuyển đổi Có ba phương pháp chuyển đổi miền không chính, thường sử dụng là: Discrete Fourier Transform (DFT), Discrete Cosine 53 Transform (DCT) Discrete Wavelet TransForm (DWT) Nhúng thủy vân miền chuyển đổi làm tăng độ bền vững cho thủy vân DCT áp dụng cho toàn ảnh hay khối (8x8 pixel), thủy vẩn khối 8x8 pixel tốt so với toàn ảnh DCT cho phép ảnh chia thành vùng tần số: tần số thấp, tần số trung bình tần số cao (hình 3.4 khối DCT 8x8) Tần số thấp Tần số trung Tần số cao Hình Vùng tần số DCT Thủy vân vùng có hệ số tần số thấp làm giảm chất lượng ảnh, tần số cao làm cho thủy vân dễ dàng bị sau lọc hay nén ảnh Do để cân độ trung thực ảnh độ bền vững thủy vân, hầu hết kỹ thuật nhúng thủy vân vào miền có hệ số tần số trung bình Thuật toán Có ba giai đoạn: tạo thủy vân, nhúng thủy vân, phát thủy vân 4.7.1 Tạo thủy vân Kích thước thủy vân khoảng 25% so với kích thước ảnh gốc, kích thước ảnh n 1xn2 pixel thủy vân có kích thức khoảng n1xn Thủy vân 54 chuỗi số thực lựa chọn theo phân phối chuẩn với giá trị trung bình phương sai 1, ký hiệu N(0,1) Trước tiên, tạo thủy vân công khai Wp có độ dài n theo phân phối chuẩn N(0,1) Wp=(Wp(1), Wp(2),…, Wp(n)) Tiếp theo, xây dựng thủy vân bí mật Ws cách hoán vị Wp theo bảng hoán vị S Ws=(Ws(1), Ws(2),…, Ws(n))=(Wp(S(1)), Wp(S(3)),…, Wp(S(n))) Thủy vân nhúng vào ảnh kết hợp tuyến tính thủy vân công khai thủy vân bí mật Được tính theo công thức: We=(1-α).Ws+α.Wp với 0