Nghiên cứu thuật toán giấu tin mật trên miền không gian của ảnh bitmap

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG HỒNG XN LONG NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN GIẤU TIN MẬT TRÊN MIỀN KHƠNG GIAN CỦA ẢNH BITMAP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH LỜI CAM ĐOAN Với mục đích nghiên cứu, tìm hiểu để nâng cao kiến thức trình độ chun mơn để áp dụng toán cụ thể tương lai nên làm luận văn cách nghiêm túc hoàn toàn trung thực Nội dung luận văn tự tơi tìm hiểu hồn thành Trong luận văn, tơi có sử dụng tài liệu tham khảo số tác giả nước để hoàn thành luận văn nêu phần tài liệu tham khảo Tôi xin cam đoan chịu trách nhiệm nội dung, trung thực luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Thái Nguyên, tháng năm 2015 Học viên HOÀNG XUÂN LONG LỜI CẢM ƠN Những kiến thức luận văn kết trình tự nghiên cứu trình cơng tác hai năm học Thạc sỹ (2012 - 2014) Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Thái Nguyên Dưới giảng dạy, đào tạo dìu dắt trực tiếp thầy trường Viện Công nghệ thông tin Việt Nam Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới thầy Khoa Cơng nghệ thơng tin, Phòng Đào tạo, Phòng Cơng tác học sinh sinh viên, Phòng Đào tạo sau đại học Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Thái Nguyên, tạo điều kiện thuận lợi cho thời gian học tập trường Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, lời cảm ơn sâu sắc thầy giáo TS Hồ Văn Canh trực tiếp hướng dẫn, định hướng cho giải vấn đề luận văn Tôi xin cảm ơn đến người thân, bạn bè bạn đồng môn lớp cao học khóa 11, ủng hộ giúp đỡ tơi trình làm luận văn tốt nghiệp Thái Nguyên, ngày 20 tháng năm 2015 Học viên Hoàng Xuân Long Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI Giấu tin lĩnh vực nghiên cứu rộng, môi trường giấu tin đa dạng, phương pháp giấu tin môi trường ảnh chủ yếu tập trung nhiều vào việc giấu tin bit có trọng số thấp Luận văn tìm hiểu, phân tích số thuật tốn giấu tin ảnh đen trắng, ảnh đa cấp xám ảnh mầu bitmap 24 bit Mặt khác, luận văn nghiên cứu đề xuất phương pháp mã hóa thơng tin sử dụng ma trận kích thước 8x8 tính chất nghịch đảo ma trận để sinh khóa mã khóa giải mã Phương pháp có ưu điểm, cho -1 phép người nhận tin mật sử dụng tính chất ma trận nghịch đảo A để mã hóa, gửi tin cho trung tâm mà khơng cần phải biết ma trận A Luận văn xây dựng chươngg trình giấu tin mật miền khơng gian ảnh bimap ứng dụng kỹ thuật giấu tin Hướng nghiên cứu tiếp theo: Để hoàn thiện chươngg trình giấu tin mật kết hợp với nén mã hóa, cần phải nghiên cứu giấu tin loại ảnh khác như: JPEG, TIF, GIF, Và môi trường đa phương tiện khác MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii NGH A KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI iv MỤC LỤC v DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNGG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ L NH VỰC GIẤU TIN 1.1 Tổng quan giấu tin 1.1.1 Định nghĩa 1.1.2 Vài nét lịch sử giấu tin 1.1.3 Mục đích giấu tin 1.1.4 Mơ hình kỹ thuật giấu thơng tin 1.1.5 Phân loại giấu tin 1.2 Giấu tin ảnh 10 1.3 Tổng quan ảnh BITMAP (BMP) 11 1.3.1 Giới thiệu ảnh BITMAP (BMP) 11 1.3.2 Cấu trúc ảnh BITMAP (BMP) 12 CHƯƠNGG 2: NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH VÀ TÌM HIỂU MỘT SỐ THUẬT TỐN GIẤU TIN 17 2.1 Các kỹ thuật giấu tin 17 2.1.1 Kỹ thuật giấu tin LSB 17 2.1.2 Kỹ thuật giấu tin theo khối bit 19 2.1.3 Kỹ thuật giấu tin Wu-Lee 20 2.1.4 Thuật toán Chen-Pan-Tseng 21 2.1.5 Kỹ thuật giấu tin SES 24 2.2 Lý thuyết đại số ứng dụng cải tiến kỹ thuật giấu tin LSB [2]: 29 2.2.1 Lý thuyết ma trận tam giác: 29 2.2.2 Lý thuyết trường hữu hạn không gian vector [6] 35 2.2.3 Ứng dụng lý thuyết vào giấu tin 42 CHƯƠNGG 3: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT GIẤU TIN MỚI XÂY DỰNG CHƯƠNGG TRÌNH DEMO GIẤU TIN TRONG ẢNH BITMAP 24BIT 48 3.1 Xây dựng chươngg trình demo 48 3.1.1 Môi trường thử nghiệm: 48 3.1.2 Tổ chức thực chươngg trình: 48 3.1.3 Giao diện chươngg trình: 49 3.2 Ưu điểm & Nhược điểm 52 3.2.1 Ưu điểm 52 3.2.2 Nhược điểm 53 3.3 Lý thuyết độ trùng khớp 54 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT BMP Ảnh Bitmap LSB Least significant bit SES Steganography Evading analyses RS Regular Singular DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Chi tiết khối bytes tiêu đề tập tin BMP 13 Bảng 1.2 miêu tả chi tiết khối bytes thông tin tập tin BMP 14 Bảng 2.1 Bộ mã hóa 42 Bảng 2.2 Bảng chuyển đổi ký tự sang nhị phân 46 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hai lĩnh vực kỹ thuật giấu thông tin Hình 1.2: Lược đồ chung cho trình giấu tin Hình 1.3: Lược đồ chung cho trình giải mã .7 Hình 1.4: Phân loại kỹ thuật giấu tin .9 Hình 2.1: Sơ đồ giấu tin SES 26 Hình 2.2: Sơ đồ tách tin SES 28 Hình 3.1: Giao diện giới thiệu 50 Hình 3.2: Chươngg trình giấu tin 51 Hình 3.3: Ảnh gốc chưa giấu tin 52 Hình 3.4: Ảnh giấu tin .52 LỜI NÓI ĐẦU Trong năm qua, chứng kiến tiến mạnh mẽ khoa học - cơng nghệ nói chung ngành Cơng nghệ thơng tin nói riêng Hưởng lợi từ kết đó, khơng lĩnh vực dân sự, mà lĩnh vực An ninh - Quốc phòng, tận dụng tối đa thành tựu ngành Công nghệ thông tin để phục vụ yêu cầu công tác Cùng với phát triển mạnh mẽ ngành khoa học công nghệ thông tin, internet trở thành nhu cầu, phương tiện thiếu người, việc truyền tin qua mạng ngày lớn Tuy nhiên, với lượng thơng tin truyền qua mạng nhiều nguy liệu bị truy cập trái phép tăng lên vấn đề bảo đảm an tồn bảo mật thông tin cho liệu truyền mạng cần thiết Để đảm bảo an toàn bí mật cho thơng điệp truyền người ta thường dùng phương pháp truyền thống mã hóa thơng điệp theo qui tắc thỏa thuận trước người gửi người nhận Tuy nhiên, phương thức thường gây ý đối phương tầm quan trọng thông điệp Thời gian gần xuất cách tiếp cận để truyền thơng điệp bí mật, giấu thông tin quan trọng ảnh Nhìn bề ngồi ảnh có chứa thơng tin khơng có khác với ảnh khác nên hạn chế tầm kiểm soát đối phương Mặt khác, dù ảnh bị phát có chứa thơng tin với khóa có độ bảo mật cao việc tìm nội dung thơng tin khó thực Xét theo khía cạnh tổng qt giấu thơng tin hệ mã mật nhằm bảo đảm tính an tồn thơng tin, phương pháp ưu điểm chỗ giảm khả phát tồn thông tin nguồn mang Khơng giống mã hóa thơng tin chống truy cập sửa chữa cách trái phép thông tin, mục tiêu giấu thông tin làm cho thơng tin trộn lẫn với Hình 3.2: Chươngg trình giấu tin Ảnh thử nghiệm chươngg trình (ảnh gốc) Hình 3.3: Ảnh gốc chưa giấu tin Ảnh sau giấu tin Hình 3.4: Ảnh giấu tin 3.2 Ưu điểm & Nhược điểm So với kỹ thuật giấu tin LSB chưa cải tiến số kỹ thuật giấu tin tìm hiểu chươngg sau ứng dụng lý thuyết đại số để cải tiến kỹ thuật giấu tin LSB có ưu điểm nhược điểm sau: 3.2.1 Ưu điểm Thuật toán nhúng vừa đề xuất thuật toán đơn giản, dễ hiểu dễ cài đặt Do không sử dụng thuật tốn cơng bố nên dễ làm cho đối phương bất ngờ độ an tồn tăng lên Độ dài thơng điệp nén cho ký tự xuống bit, giảm bit so với ký tự thơng thường khơng nén, độ dài thông điệp giảm so với kỹ thuật giấu tin nghiên cứu, giấu nhiều thông tin lần giấu Do thay đổi LSB pixel liệu ảnh, nên chúng mở rộng để giấu vào bit gần thấp (next to last bit) pixel ảnh mà không sợ làm giảm độ sáng ảnh môi trường Các khóa nhúng khóa trích chọn khác Do người nhúng thực nhúng khóa nhúng A người nhận lại giải mã khóa A1 “Khó” suy từ A ta giấu phần tử đường chéo Khi người nhận muốn gửi thơng điệp cho người gửi A người nhận việc dùng khóa A1 để giầu mà khơng cần trao đổi thơng tin khóa (vì người gửi có khóa A rồi) Lượng thơng tin nhúng tối đa (coi gần 100% số pixel nhúng) mà mục tới phân tích sâu vấn đề Độ bảo mật đảm bảo khởi điểm giấu ma trận giữ bí mật Khởi điểm thay đổi cho lần giấu Về bảo mật chúng coi thơng điệp mã hóa lần việc trao đổi khóa mạng khơng cần thiết mà gặp lần người gửi người nhận xong lần gửi thơng báo dùng khóa riêng biệt 3.2.2 Nhược điểm Nhược điểm thuật toán nằm khâu xây dựng ma trận tam giác A  (aij )kxk ( k khơng thiết mà k  10,11, ,16, bên gửi nhận qui định với trước) cho a1, , ak (trong  (ai1, , , aik );i  1, k ) độc lập tuyến tính Điều bắt buộc Ngồi thông tin độ dài thông báo, khởi điểm (tức vị trí đặt bit khóa ảnh) phải nhớ xác qn khơng trích chọn thơng báo Bộ mã để chuyển đổi ký tự sang số nhị phân hạn chế Sau em xin trình bày lý thuyết để giải thích cho khẳng định nêu mục Đây thuật toán đề xuất nghiên cứu phân tích thuật tốn giấu tin có Thuật tốn có ưu nhược điểm 3.3 Lý thuyết độ trùng khớp Một vấn đề đặt là: Với thuật toán này, khả tối đa giấu bit rõ ảnh BMP có kích thước nxn ? Để trả lời câu hỏi có lý thuyết (lý thuyết trùng khớp): Giả sử có hai vecto ngẫu nhiên, độc lập độ dài: X  (x00 , x01 , , x0n1 ); X1  (x10 , x11 , , x1n1 ) Ta ký hiệu xác suất: Pn {x ji  t}  Pj (t); j  0,1 i  0,1, , n 1;0  t  với m số nguyên dương lớn 1, n số tự nhiên tùy ý Bây giờ, ta thử viết thành hàng ngang vecto sau: x00 x01 x10 x (1) 0n1 x11 x1n1 Ta có định nghĩa sau: Hai vector X0, X gọi có trùng khớp vị trí i x0i  x1i ;i  0, n  Vấn đề đặt giả sử x0i , x1i thuộc bảng chữ liệu trung bình có trùng khớp vecto với độ dài n tùy ý cho trước? Để giải vấn đề đặt đó, ta ký hiệu  (X , X1 ) số trùng khớp X X có độ dài n Rõ ràng rằng:  (X , X1 )  0t n1 X xoi (x1i) (2) Trong đó:  nÕu x0i  x1i  Xxoi (x1 i )   nÕu nguoc lai  Định lý 1: Xác suất P{x0i  x1i }  S với S2   0t m 1P (t) bố X , X1 phân Chứng minh: Thật vậy, biến cố x  x hợp m biến cố độc lập, tức 0i 1i là: {x0i  x1i }  U {x0i  x1i  t} 0t m1 Nếu X , X phân bố P{x0i  x1i =t}  P{x0i  t, x1i  t} Nếu X , X độc lập P{x0i  t, x1i =t}  P{x0i  t}.P{x1i  t} Nếu X , X1 phân bố thì: Vậy P{x0i  x1i }  P{ U P{x0i  t}.P{x1i=t}  P (t) 0t m1 {x0i  x1i  t}}   0t m1 P (t ) Định lý chứng minh Bây từ định lý xét trường hợp đặc biệt sau đây: Giả sử X , X1 dãy nhị phân độc lập có phân bố PX (.) PX (.) Bây ta đặt: Y  X  X1  x00  x10 , x01  x11 , , x0n1 (3)  x1n1 Trong xij {0,1}; j  0, n  1;i  0,1 (Do phép “-“ phép trừ theo modulo nên a  b  a  b) Ở quan tâm đến x0i  x1i i  0, n 1 với Khi đó, x  0i x0i  x1i Ví dụ 0+0=1+1=0 x1i Hãy đặt vấn đề trung bình có số dãy Y? Áp dụng định lý phân phối tổng hai đại lượng ngẫu nhiên độc lập, ký hiệu Py ( x) phân phối xác suất x ngẫu ( x {0,1}) đại lượng nhiên Y ta có: PY (x)   y{0,1} PX ( y)PX1 ( x  y)  P X 0(0)P X1(x)  P X 0(1)P 1(x  1) (4) X Cho x  0, ta có: PY (0)  PX (0)PX (0)  PX 0 (1) PX (1) Như vậy, trung bình, số số xuất dãy Y là: (5) n.PY (0)  n(PX (0)PX (0)  PX (1)PX (1)) (6) Nói chung PX (x), PX1 (x) chưa biết phải sử dụng phương pháp hợp lý cực đại có sở mẫu quan sát Nếu ký hiệu X dãy bit ý nghĩa pixels ảnh cover X1 dãy bit rõ sau tác động vào ma trận A Như ta coi X1 dãy bit ngẫu nhiên độc lập Sau áp dụng phương pháp ước lượng cực đại hợp lý (Maximum likeli hood Ratio) cho nhiều mẫu, ta tìm PX1 (0)  0,50269 (7), vậy, (6) với n cho trước phụ thuộc vào phân bố xác suất PX (x) PX1 ( x) Ước lượng ảnh có kích cỡ khác nhận PX (0)  0,503126 PX (1)  0.496874 Vậy theo (5) (7) ta tính được: PY (0)  PX (0)PX (0)  PX (1)PX (1) Từ (6) ta suy ra: (1)PX (1))  0, 49998n (8)  0, 503126.0, 49731  0, 496874.0, 50269  0.49998 n.PY (0)  n(PX (0)PX (0)  PX 0 KẾT LUẬN Cùng với giấu thông tin audio giấu thông tin video, kỹ thuật giấu thông tin ảnh hướng nghiên cứu thuật tốn giấu thơng tin đạt kết khả quan Mặc dù so với hai kỹ thuật trước, kỹ thuật giấu thông tin ảnh bị hạn chế mặt kích thước ảnh so với hai kỹ thuật Nhưng ảnh số nhóm nghiên cứu lựa chọn cho việc giấu thơng tin ảnh số cho phép thực thao tác tới điểm ảnh đơn lẻ Ngoài hệ thống thị giác người có khả nhạy cảm thấp với thay đổi nhỏ ảnh Luận văn trình bày số khái niệm liên quan tới việc che giấu thơng tin nói chung Cụ thể giấu thơng tin ảnh số, trình bày số kỹ thuật giấu tin phổ biến tìm hiểu lỹ thuyết đại số ứng dụng vào giấu tin qua cải tiến kỹ thuật giấu tin LSB, xây dựng chươngg trình demo ưng dụng ngơn ngữ C# Trên phương pháp giấu tin mật ứng dụng thực tế Để tăng mức độ an tồn cho thơng điệp, ta xây dựng ma trận A -1 (và A ) vector hoàn toàn ngẫu nhiên độc lập Đây vấn đề quan trọng dòng ma trận A mà khơng độc lập tuyến tính -1 tồn A khơng khơng tồn độ an tồn thơng báo khơng cao Do đó, để A gồm độc lập tuyến tính bắt buộc khơng có hai hàng chúng trùng tất bit đường chéo phải bit Để đánh lừa đối thủ, ta cho số bit đường chéo chính, qui ước, đưa vào ứng dụng bắt buộc phải bit Do kiến thức hạn chế thời gian nghiên cứu ngắn nên tập trung vào nghiên kỹ thuật giấu tin ảnh BMP24(bitmap) loại ảnh sử dụng rộng rãi giấu tin mật TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Bùi Thế Hồng (2005); “Về cải tiến lược đồ giấu liệu an tồn vơ hình ảnh hai màu”, Tạp chí Tin học điều khiển học, tập 21, số 4-2005, pp281-292 [2] Nguyên, Tiến, Hồ Văn Canh: The method of hiding steganography without key exchanging and original – International Conference an Computer Science and automation Engineering ( CSAE 2012 ) Zhanghai – China, page: 408 – 412, print ISBN 978-1-4673-0088-9 Tiếng Anh: [3] M Y Wu and J H Lee (1988); "A Novel Data Embedding Method for TwoColor Facsimile Images" In Proceedings of International Symposium on Multimedia Information Processing, Chung-Li, Taiwan, R O C, December 1998 [4].Yu Yuan Chen, Hsiang Kuang Pan and Yu Chee Tseng (2000); "A Secure Data Hiding Scheme for Two-Color Images", IEEE Symp on Computer and Communication [5] Ingemar J.Cox, Matthew L.Miller, Jeffrey A Bloom, Jessica Fridrich, Tom Kalker, Digital Watermarking and Steganography,Second Edition (2010), Morgan Kaufmann [6] StephenB.Wicker: Error coltrol systems for digital communication and storage, Prentice – New Jersey, page 39-45 [7] Jeong-Jae Yu, SES(Steganography evading Statistial analyses), CIST [8] William Stallings, Cryptography and Network Security, fifth edition(2011), Prentice Hall ... Nghiên cứu thuật toán giấu tin mật miền không gian ảnh bitmap. ” Trong luận văn này, dự kiến tập trung nghiên cứu giải vấn đề cụ thể sau: Chươngg Nghiên cứu tổng quan lĩnh vực giấu tin Chươngg Nghiên. .. Chươngg Nghiên cứu, phân tích tìm hiểu số thuật toán giấu tin ảnh tĩnh Chươngg Ứng dụng kỹ thuật giấu tin mới, xây dựng chươngg trình demo giấu tin ảnh bitmap 24bit 3 CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN... an tồn bảo mật thông tin tập trung vào kỹ thuật giấu tin để giấu nhiều thơng tin Thông tin mật giấu kỹ đối tượng khác cho người khác không phát Kỹ thuật giấu thông tin theo kiểu đánh giấu (watermarking)