Giấu tin thuận nghịch trên ảnh JPEG và ứng dụng trong bảo mật dữ liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TRẦN ANH TRÚC GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH TRÊN ẢNH JPEG VÀ ỨNG DỤNG TRONG BẢO MẬT DỮ LIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2016 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TRẦN ANH TRÚC GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH TRÊN ẢNH JPEG VÀ ỨNG DỤNG TRONG BẢO MẬT DỮ LIỆU Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM VĂN ẤT THÁI NGUYÊN - 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đạt luận văn sản phẩm riêng cá nhân, khơng chép lại người khác Trong tồn nội dung luận văn, điều trình bày cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan Tác giả luận văn ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến đến Ban Giám Hiệu, thầy giáo, giáo phòng sau đại học trường đại học Công Nghệ Thông Tin & Truyền Thông, thầy giáo Viện Công Nghệ Thông Tin giảng dạy cung cấp cho kiến thức bổ ích thời gian học, giúp tơi có tảng tri thức để phục vụ nghiên cứu khoa học sau Đặc biệt, xin bày tỏ kính trọng lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Phạm Văn Ất người tận tình hướng dẫn, bảo giúp đỡ tơi suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình bạn bè, người ln quan tâm, động viên khuyến khích tơi Tác giả luận văn iii iiii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC CÁC HÌNH v MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN 1.1 Một số khái niệm 1.1.1 Khái niệm giấu tin 1.1.2 Vài nét lịch sử giấu tin .3 1.1.3 Phân loại kỹ thuật giấu tin 1.1.4 Mơ hình kỹ thuật giấu tin 1.2 Các hướng tiếp cận kỹ thuật giấu tin ảnh 1.2.1 Tiếp cận miền không gian ảnh .7 1.2.2 Tiếp cận miền tần số ảnh .8 1.3 Thủy vân số ảnh 1.3.1 Các yêu cầu hệ thuỷ vân 11 1.3.2 Mơ hình hệ thống thuỷ vân 12 1.3.3 Những công hệ thuỷ vân 14 1.3.4 Đánh giá chất lượng ảnh thuỷ vân 15 1.3.5 Ứng dụng thuỷ vân .16 1.4 Ảnh số .18 1.4.1 Khái niệm phân loại ảnh số 18 1.4.2 Định dạng ảnh .19 1.5 Các phép biến đổi ma trận .21 1.5.1 Biến đổi Cosine rời rạc DCT 21 1.5.2 Biến đổi Wavelet rời rạc DWT 24 iv Chương MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH TRÊN ẢNH JPEG 25 2.1 Một số hướng tiếp cận giấu tin thuận nghịch .25 2.1.1 Sử dụng phương pháp dịch chuyển histogram 25 2.1.2 Sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu 29 2.1.3 Sử dụng nén bảo toàn 37 2.1.4 Sử dụng đặc trưng nén JPEG 38 2.2 Ảnh nén JPEG 39 2.3 Một số lược đồ nhúng tin thuận nghịch ảnh JPEG 41 2.3.1 Lược đồ nhúng tin thuận nghịch CLTT 42 2.3.2 Lược đồ nhúng tin thuận nghịch LS 47 2.3.3 Lược đồ nhúng tin thuận nghịch TSTA 47 2.3.4 Phân tích khả nhúng tin chất lượng ảnh 51 2.3.5 Thực nghiệm .56 2.3.6 Kết luận .60 Chương XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 61 3.1 Môi trường thử nghiệm 61 3.2 Ảnh thử nghiệm .61 3.3 Cài đặt chương trình 63 3.4 Kết thử nghiệm 65 3.4.1 Khả nhúng tin .65 3.4.2 Chất lượng ảnh 65 3.5 Ứng dụng 67 3.5.1 Mơ tả tốn .67 3.5.2 Phương pháp giải toán 67 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Kết tiền xử lý nhúng tin Hình 2.5 44 Bảng 2.2 Kết trích tin khơi phục ảnh gốc .46 Bảng 2.3 Kết nhúng tin Hình 2.5 thuật toán TSTA .49 Bảng 2.4 Kết trích tin khơi phục dãy hệ số lượng tử gốc .51 Bảng 2.5 Kết khảo sát đường chéo theo lược đồ CLTT .52 Bảng 2.6 Kết khảo sát đường chéo theo lược đồ TSTA .52 Bảng 2.7 Khả nhúng tin lược đồ 58 Bảng 2.8 Kết thực nghiệm chất lượng ảnh lược đồ 59 Bảng 3.1 Khả nhúng tin lược đồ 65 Bảng 3.2 Kết thực nghiệm chất lượng ảnh lược đồ 66 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Phân loại kỹ thuật giấu tin Hình 1.2 Lược đồ trình giấu tin .6 Hình 1.3 Lược đồ giải mã tin giấu Hình 1.4 Phân loại kỹ thuật thuỷ vân 10 Hình 1.5 Mơ hình q trình nhúng thuỷ vân 13 Hình 1.6 Mơ hình q trình tách kiểm định thuỷ vân 14 Hình 1.7 Cấu trúc tệp ảnh vi bitmap .19 Hình 2.1 Biểu đồ histogram ảnh màu Pepper .26 Hình 2.2 Sơ đồ nén ảnh JPEG chuẩn Baseline 39 Hình 2.3 Khối hệ số DCT 40 Hình 2.4 Bảng lượng tử thành phần Y ứng với tỷ lệ nén 15:1 Photoshop CS5 40 Hình 2.5 Một khối DCTLT ảnh Pepper 41 Hình 2.6 Các đường chéo khối DCTLT 42 Hình 2.7 Lược đồ nhúng tin LS 47 vi i Hình 2.8 Sự thay đổi khối DCTLT sau nhúng .55 Hình 2.9 Bộ ảnh thử nghiệm .57 Hình 3.1 Bộ ảnh thử nghiệm .63 Hình 3.2 Giao diện nhúng tin 64 Hình 3.3 Giao diện trích tin khơi phục ảnh gốc 64 Hình 3.4 Sơ đồ nhúng đề thi vào ảnh JPEG 68 Hình 3.5 Sơ đồ trích đề thi xác thực tính tồn vẹn .68 MỞ ĐẦU Ngày nay, với đời phát triển rộng rãi mạng Internet, nhu cầu trao đổi thông tin qua mạng ngày lớn Thông tin trở thành sẵn sàng trực tuyến Chúng ta sống xã hội thông tin, có truyền tin thường có u cầu bí mật quốc gia, có bí mật qn sự, có bí mật cơng nghệ, có bí mật kinh tế, nhiều bí mật cá nhân Chính vậy, vấn đề an tồn bảo mật thơng tin ln nhận quan tâm nhiều lĩnh vực Các công nghệ giải pháp để bảo vệ thông tin nghiên cứu, phát triển phù hợp với nhiều dạng lưu trữ thông tin phương thức truyền tải thông tin Giải pháp bảo mật thông tin sử dụng phổ biến dùng hệ mật mã như: Hệ mã hố cơng khai, hệ mã hố bí mật Với giải pháp này, thơng tin ban đầu (bản rõ) mã hoá thành mật mã (bản mật) Tuy mật mã dễ gây ý tin tặc Một phương pháp khác nghiên cứu, ứng dụng mạnh mẽ nhiều lĩnh vực phương pháp giấu tin mật (Steganography) Theo phương pháp này, tin mật nhúng vào tệp mơi trường, ví dụ tệp ảnh Tệp ảnh chứa tin mật truyền người nhận khơi phục tin mật từ ảnh nhận Phương pháp an tồn vừa có khóa bảo mật vừa khơng gây ý tin tặc Nhiều cách thức giấu tin mật nghiên cứu ứng dụng, nhiều định dạng khác âm thanh, hình ảnh video…Cả hai phương pháp có ưu, nhược điểm định Mã hố giúp che giấu nội dung thơng tin, giấu tin mật giúp che giấu hoạt động trao đổi thông tin Trên thực tế, để đảm bảo an tồn cho kênh trao đổi thơng tin bí mật ta cần phải kết hợp hai phương pháp Giấu liệu lĩnh vực rộng lớn, Các phương pháp giấu tin thủy vân nghiên cứu phổ biến ảnh nén bảo toàn BMP, TIF, PRG 2.3.6 Kết luận Luận văn giới thiệu lược đồ nhúng tin thuận nghịch ảnh nén JPEG Theo đó, khối hệ số DCT lượng tử thành phần Y, lược đồ TSTA dùng đường chéo liền kề với đường chéo để nhúng tin nhúng tối đa bít đường chéo Các phân tích lý thuyết kết thực nghiệm cho thấy, lược đồ TSTA có chất lượng ảnh tốt khả nhúng tin cao so với lược đồ nhúng tin thuận nghịch CLTT [3] LS [4] Ngoài ra, so với lược đồ [3], [4], lược đồ TSTA đơn giản dễ cài đặt ứng dụng Chương XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 3.1 Mơi trường thử nghiệm Đê khảo sát khả nhúng tin chất lượng ảnh chứa tin hai thuật toán CLTT thuật toán TSTA Chương 2, luân văn đa cai đăt cac thuât toan ngôn ngư lập trinh Matlab 12, môi trương thư nghiêm tin va hỗ trơ cac thao tac lam viêc vơi anh noi riêng ma trận noi chung Trong chương trình thử nghiệm sử dụng số hàm xử lý ảnh sau: Một số hàm làm việc với ảnh STT Hàm Ý nghĩa Đọc ảnh tử tệp Nếu ảnh 24 bít màu : I = imread(‘tep ảnh’) ; I( :, :,1) thành phần R ; I( :, :,2) thành phần G ; I( :, :, 3) thành phần B imwrite(I, ‘tên tệp’) ; Ghi ảnh tệp Đổi hệ màu từ RGB sang YcbCr Khi X =rgb2ycbcr(I) ; X( :, :1) thành phần Y ; X( :, :,2) thành phần Cb ; X( :, :,3) thành phần Cr I = ycbcr2rgb(X) ; Đổi hệ màu từ YcbCr sang RGB G = rgb2gray(I) ; Chuyển ảnh mà ảnh đa cấp xám imshow(I) ; Hiển thị ảnh 3.2 Ảnh thử nghiệm Để khảo sát khả nhúng tin chất lượng ảnh lược đồ nhúng tin thuận nghịch Chương 2, luận văn tiến hành thử nghiệm ảnh có kích thước 256 × 256 (đại diện cho loại ảnh khác nhau) với mức nén JPEG (Q) từ 60% đến 90% sau: a) Ảnh Lena, Q = 60 b) Ảnh Pepper, Q = 70 c) Ảnh Baboon, Q = 80 d) Ảnh Plane, Q = 90 e) Ảnh Girl, Q = 60 f) Ảnh Map, Q = 70 g) Ảnh Boat, Q = 80 h) Ảnh Pagoda, Q = 90 Hình 3.1 Bộ ảnh thử nghiệm Các ảnh Hình 3.1 thường sử dụng để thử nghiệm thuật toán xử lý ảnh nói chung nén ảnh nói riêng Trong đó, ảnh Baboon thuộc nhóm ảnh có kết cấu phức tạp Hai ảnh Pepper Map thuộc nhóm ảnh có nhiều vùng phẳng Ảnh Plane thuộc dạng có sáng cao Ảnh Girl có sáng thấp Ba ảnh Lena, Boat Pagoda thuộc nhóm ảnh thơng thường 3.3 Cài đặt chương trình Luận văn xây dựng chương trình thử nghiệm ngơn ngữ Matlab với giao diện đồ họa giúp thuận lợi trình thực nghiệm Chương trình gồm hai giao diện chính: nhúng tin trích tin Các giao diện bố trí hình sau: Giao diện nhúng tin: Hình 3.2 Giao diện nhúng tin Giao diện trích tin khơi phục ảnh: Hình 3.3 Giao diện trích tin khơi phục ảnh gốc 3.4 Kết thử nghiệm Theo [4], hai tính chất quan trọng lược đồ giấu tin thuận nghịch khả nhúng tin chất lượng ảnh Trong thử nghiệm, luận văn tiến hành khảo sát tính chất hai thuật tốn 3.4.1 Khả nhúng tin Trong thực nghiệm sử dụng chung dãy bít ngẫu nhiên (dùng hàm randi Matlab) làm liệu nhúng tính số bít nhúng tối đa theo lược đồ Kết thực nghiệm khả nhúng tin lược đồ trình bày Bảng 3.1: Bảng 3.1 Khả nhúng tin lược đồ STT Ảnh thử nghiệm Số bít nhúng tối đa lược đồ CLTT TSTA Lena 7680 9830 Pepper 7178 9323 Baboon 6656 9118 Plane 5324 8406 Girl 8460 10228 Map 4946 7757 Boat 6878 9398 Pagoda 3339 5381 Các số liệu Bảng 3.1 cho thấy, khả nhúng tin lược đồ TSTA cao hẳn so với lược đồ CLTT nhiều loại ảnh khác 3.4.2 Chất lượng ảnh Theo [9], chất lượng ảnh chứa tin đánh giá hệ số PSNR (peak signal-to-noise ratio) Lược đồ có hệ số PSNR lớn chất lượng ảnh chứa tin cao Hệ số PSNR ảnh chứa tin ��′ so với ảnh gốc � kích thước m×n tính theo cơng thức: MAX ����� = 20 ����10 ( ) (3.1) √�� � Trong đó, MAX giá trị cực đại điểm ảnh MSE xác định theo công thức: � � ′ ∑ ∑[�� (�, �×� �) − � (�, �)] ��� = (3.2) �=1 �=1 Ngồi hệ số PSNR, ta đánh giá chất lượng ảnh lược đồ qua hệ số biến đổi DCT lượng tử R (số phần tử cần biến đổi để nhúng bít), lược đồ có hệ số R nhỏ có chất lượng ảnh tốt Gọi hệ số DCT lượng tử gốc (Y ma trận nguyên cấp m × n), Y ′ hệ số DCT lượng tử nhận sau nhúng L bít liệu vào Y Khi đó, hệ số R tính theo cơng thức: m �= ∑i=1 ∑j=1 ′|| n i,j |−| Yi,jY|| (3.3) L Để việc so sánh khách quan, thực nghiệm sử dụng chung dãy bít ngẫu nhiên có phân bố với chiều dài khác làm liệu nhúng cho lược đồ Kết thực nghiệm trình bày Bảng 3.2: Bảng 3.2 Kết thực nghiệm chất lượng ảnh lược đồ Chất lượng ảnh lược đồ CLTT TSTA PSNR R PSNR R Lena 7000 33.48 0.73 34.37 0.73 Pepper 6000 33.01 0.78 36.59 0.75 Baboon 5000 37.35 0.79 37.69 0.77 Plane 4000 42.32 0.81 43.22 0.78 Girl 7000 34.67 0.71 0.69 35.72 Map 4000 32.27 0.86 34.41 0.75 Boat 6000 39.66 0.77 40.23 0.72 Pagoda 3000 39.03 0.87 44.66 0.77 Các số liệu Bảng 3.2 cho thấy, chất lượng ảnh lược đồ TSTA tốt Ảnh thử STT nghiệm Số bít nhúng lược đồ CLTT nhiều loại ảnh khác 3.5 Ứng dụng Các chương trình ứng dụng để bảo mật liệu mơi trường khơng an tồn môi trường Internet Để minh họa, luận văn mô toán trao đổi đề thi mạng sở đào tạo A địa điểm thi B Bài tốn phát biểu sau 3.5.1 Mơ tả toán Một địa điểm tổ chức thi B thuộc sở đào tạo A cách xa Giữa chúng liên lạc phương tiện vận tải thơng thường, bên A phải chuyển đề thi cho bên B qua mạng Internet hay mạng cục Vấn đề đặt phải bảo mật đề thi đường truyền 3.5.2 Phương pháp giải toán Sau thời gian nghiên cứu giấu tin thuận nghịch sử dụng đặc trưng nén JPEG, luận văn đưa phương hướng giải cho toán sau: Đầu tiên, sở đào tạo A nén đề thi nhúng vào tệp ảnh JPEG, sử dụng khóa bí mật K Sau tệp ảnh chứa đề thi sở đào tạo A truyền qua mạng cho địa điểm thi B Khóa K trao đổi cách sử dụng khóa cơng khai RSA (bên A dùng khóa cơng khai K’, bên B giữ khóa bí mật K”) Khi bên B nhận ảnh chứa đề thi khóa nhúng tin K, họ dùng khóa K để trích rút đề thi từ ảnh chứa tin Để đề phòng trường hợp ảnh chứa tin bị công, mà bên B khơng phát ra, sử dụng phương án hai sau: Chia ngẫu nhiên ảnh gốc thành hai phần rời nhau, đề thi nén nhúng vào phần riêng rẽ Khi nhận ảnh, bên B trích hai đề thi Nếu hai khác bên B biết ảnh chứa đề thi bị công đề nghị bên A gửi lại Trái lại chắn đề thi không bị công Dưới sơ đồ minh họa Nhân ngẫu nhiên R Đề thi I1 Phân hoạch Ảnh gốc I Nhúng tin K I2 Truyền I I (có thể bị I I 2 Ghép cơng) Hình 3.4 Sơ đồ nhúng đề thi vào ảnh JPEG K Nhân ngẫu nhiên R Bản Trích tin I1 Phân hoạch Bản Trích tin I   I2 K Giống Toàn vẹn, đề thi xác So sánh Khác Bị cơng, đề thi khơng xác Hình 3.5 Sơ đồ trích đề thi xác thực tính tồn vẹn KẾT LUẬN Qua thời gian nghiên cứu tìm hiểu, bảo, hướng dẫn tận tình thầy PGS.TS Phạm Văn Ất cố gắng nỗ lực thân Luận văn tập trung nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin thuận nghịch ảnh JPEG, luận văn đạt số kết sau: - Cung cấp tài liệu tổng quan kỹ thuật giấu tin, thủy vân số ảnh - Luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật giấu tin thuận nghịch theo hướng tiếp cận khác - Trình bày chuyên sâu số lược đồ giấu tin thuận nghịch ảnh JPEG sử dụng đặc trưng nén JPEG - Xây dựng phầm mềm nhúng tin thuận nghịch dựa lược đồ CLTT, lược đồ TSTA ứng dụng bảo mật liệu đường truyền Internet TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đỗ Văn Tuấn, Nguyễn Kim Sao, Nguyễn Thanh Toàn, Phạm Văn Ất, “Một sơ đồ nhúng tin thuận nghịch ảnh JPEG”, Tạp chí Thơng tin khoa học cơng nghệ Bộ thông tin Truyền thông, Tập V-1, số 12 (32), tháng 12 năm 2014, 41-52 [2] Đỗ Năng Tồn Phạm Việt Bình, Đại học Thái Ngun, “Giáo trình xử lý ảnh số” Nxb khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2008 Tiếng Anh [3] C.C Chang, C.C Lin, C.S Tseng and W.L Tai, “Reversible hiding in DCTbased compressed images”, Information Sciences, Vol 177, Issue 13, July 2007, pp 2768-2786 [4] C.C Lin and P.F Shiu, “DTC-Base Reversible Data Hiding Scheme”, Journal of software, 2-2010, pp 214-224 [5] D Salomon, “Data Compression”, Third Edition, ISBN 0-387-40697-2, 2004 [6] J Tian, “Reversible data embedding using a difference expansion”, IEEE Trans Circuits Syst Video Technol., 2003, 13, (8), pp 890–896 [7] M Iwata, K Miyake and A Shiozaki, “Digital Steganography Utilizing Feature of JPEG images”, IEICE Trans Fundamentals, Vol.E87 – A, No.4 April 2004, pp 929-936 [8] Y Hu, H.K Lee and J Li, “DE-Based Reversible Data Hiding With Improved Overflow Location Map”, IEEE Transaction on Circuits and Systems for Video Technology, Vol.19, NO.2, February 2009, pp 250-260 [9] W Zhang, B Chen and N Yu, “Improving Various Reversible Data Hiding Schemes Via Optimal Codes for Binary Covers”, IEEE Transaction on Image Processing, Vol 21, No 6, June 2012, pp 2991 – 3003 [10] http://sipi.usc.edu/database/ ... thơng tin Gần đây, có số cơng trình nghiên cứu giấu tin thuận nghịch ảnh JPEG Đây hướng nghiên cứu có nhiều ứng dụng Vì vậy, em chọn đề tài: Giấu tin thuận nghịch ảnh JPEG ứng dụng bảo mật liệu ... HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TRẦN ANH TRÚC GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH TRÊN ẢNH JPEG VÀ ỨNG DỤNG TRONG BẢO MẬT DỮ LIỆU Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60... lượng thơng tin giấu, quan tâm đến ảnh hưởng thơng tin mật đến mơi trường chứa liệu Khố Dữ liệu môi trường giấu tin Dữ liệu môi trường (audio, video, ảnh ) Bộ giải mã tin Thơng tin giấu Kiểm định