Giấu tin trong ảnh và bài toán trao đổi xác thực đề thi

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HÀ THỊ LUYẾN GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ BÀI TOÁN TRAO ĐỔI - XÁC THỰC ĐỀ THI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii THÁI NGUYÊN - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HÀ THỊ LUYẾN GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ BÀI TOÁN TRAO ĐỔI - XÁC THỰC ĐỀ THI 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 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii THÁI NGUYÊN - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đạt luận văn sản phẩm riêng cá nhân, không chép lại người khác Trong toàn 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 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC 1.1 Một số khái niệm 1.1.1 Khái niệm giấu tin 1.1.2 Vài nét lịch sử giấu tin 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 1.2.2 Tiếp cận miền tần số ảnh 1.3 Thủy vân số ảnh 10 1.3.1 Các yêu cầu hệ thuỷ vân 13 1.3.2 Mơ hình hệ thống thuỷ vân 15 1.3.3 Những công hệ thuỷ vân .17 1.3.4 Đánh giá chất lượng ảnh thuỷ vân 17 2.1 Kỹ thuật giấu tin Chen - Pan - Tseng 20 2.1.1 Ý tưởng 21 2.1.2 Thuật toán nhúng tin CPT 22 2.1.3 Một số thí dụ minh họa thuật tốn CPT 25 2.1.4 Phân tích thuật tốn 29 2.2 Kỹ thuật giấu tin Chang - Tseng - Lin .30 2.2.1 Ý tưởng 30 2.2.2 Thuật toán 31 2.2.3 Phân tích thuật tốn 32 2.2.4 Ví dụ minh họa 33 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv DANH MỤC CÁC BẢNG 1.1 Một số khái niệm 1.1.1 Khái niệm giấu tin 1.1.2 Vài nét lịch sử giấu tin 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 1.2.2 Tiếp cận miền tần số ảnh 1.3 Thủy vân số ảnh 10 1.3.1 Các yêu cầu hệ thuỷ vân 13 1.3.2 Mơ hình hệ thống thuỷ vân 15 1.3.3 Những công hệ thuỷ vân .17 1.3.4 Đánh giá chất lượng ảnh thuỷ vân 17 2.1 Kỹ thuật giấu tin Chen - Pan - Tseng 20 2.1.1 Ý tưởng 21 2.1.2 Thuật toán nhúng tin CPT 22 2.1.3 Một số thí dụ minh họa thuật tốn CPT 25 2.1.4 Phân tích thuật toán 29 2.2 Kỹ thuật giấu tin Chang - Tseng - Lin .30 2.2.1 Ý tưởng 30 2.2.2 Thuật toán 31 2.2.3 Phân tích thuật tốn 32 2.2.4 Ví dụ minh họa 33 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 1.1 Một số khái niệm 1.1.1 Khái niệm giấu tin 1.1.2 Vài nét lịch sử giấu tin 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 1.2.2 Tiếp cận miền tần số ảnh 1.3 Thủy vân số ảnh 10 1.3.1 Các yêu cầu hệ thuỷ vân 13 1.3.2 Mơ hình hệ thống thuỷ vân 15 1.3.3 Những công hệ thuỷ vân .17 1.3.4 Đánh giá chất lượng ảnh thuỷ vân 17 2.1 Kỹ thuật giấu tin Chen - Pan - Tseng 20 2.1.1 Ý tưởng 21 2.1.2 Thuật toán nhúng tin CPT 22 2.1.3 Một số thí dụ minh họa thuật tốn CPT 25 2.1.4 Phân tích thuật tốn 29 2.2 Kỹ thuật giấu tin Chang - Tseng - Lin .30 2.2.1 Ý tưởng 30 2.2.2 Thuật toán 31 2.2.3 Phân tích thuật tốn 32 2.2.4 Ví dụ minh họa 33 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Ngày nay, với đời phát triển rộng rãi mạng Internet thập niên cuối kỷ 20, đầu kỷ 21, nhu cầu trao đổi thông tin qua mạng ngày lớn Thông tin trở thành sẵn sàng trực tuyến Chúng ta sống xã hội thơng 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 thông tin 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 hoá cơng khai, hệ mã hố bí mật Với giải pháp này, thông tin ban đầu (bản rõ) mã hoá thành mật mã (bản mật) Một phương pháp khác nghiên cứu, ứng dụng mạnh mẽ nhiều lĩnh vực phương pháp giấu tin mật (Steganography) 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 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 56 A2 Lập ảnh màu Dưới chọn số ảnh dùng phổ biến nghiên cứu giấu tin thủy vân số: (1) Lena (2) Baboon (3) Pepper (4) Airplane B Gửi đề thi B1 Theo yêu cầu mơn thi, hệ đào tạo hình thức thi (của sở đó), ta chọn ngẫu nhiên đề thi ảnh ngân hàng đề thi ảnh màu B2 Mã hóa đề thi phương pháp Rabin-THA [5] để nhận B3 Chọn ảnh gốc I Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 57 - Chia ảnh gốc I thành hai phần - Nhúng vào theo thuật toán THA[6] để nhận - Sử dụng hàm băm SHA1 với khóa bí mật S để nhận mã băm H - Chèn mã băm H vào bít thấp - Ghép B4 Gửi ảnh để nhận để nhận ảnh chứa đề thi cho Cơ sở đào tạo qua mạng nội Internet C Nhận đề thi Trong q trình trao đổi, ảnh chứa đề thi bị công thành thống xác thực xem ảnh có trùng với ảnh hợp trùng, hệ thống trích đề thi từ ảnh C1 Chia ảnh thành hai phần Hệ hay không Trong trường C2 Xác thực - Trích bít thấp để nhận - Sử dụng hàm băm SHA1 (160 bít) khóa bí mật S để nhận mã băm - Đối sánh với , ảnh Số hóa Trung tâm Học liệu trùng với ảnh http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 58 C3 Khôi phục đề thi - Áp dụng thuật tốn trích tin THA [6] để khơi phục - Sử dụng Rabin-THA [5] giải mã từ để nhận đề thi 3.3 Phần mềm thử nghiệm Phần mềm xây dựng ngơn ngữ lập trình C# Net 4.0 Nội dung chương trình gồm module: 3.3.1 Module tạo khóa Module tạo khóa có chức tạo cặp khóa bí mật khóa cơng khai từ hai số ngun tố P, Q Khóa cơng khai sử dụng để mã hóa đề thi khóa bí mật dùng để giải mã đề thị Giao diện module tạo khóa hình sau: 3.3.2 Module mã hóa đề thi Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 59 Module mã hóa đề thi dùng để mã hóa đề thi (bản rõ) thành ( mã) thuật toán Rabin cải tiến THA [5] Q trình mã hóa thực phía gửi đề thi Giao diện sử dụng Module sau: 3.3.3 Module giải mã đề thi Module có chức giải mã đề thi từ mã thành rõ Quá trình thực phía nhận đề thi Giao diện module hình sau: 3.3.4 Module Nhúng đề thi Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 60 Đề thi sau mã hóa nhúng vào ảnh hai bít màu thuật tốn nhúng tin THA [6] Giao diện Module hình sau: 3.3.5 Module xác thực khơi phục đề thi Module có chức xác định trung thực tệp ảnh (đề thi chưa bị cơng) trích mã đề thi từ ảnh chứa đề thi Giao diện sử dụng hình sau: 3.4 Mã ngn chương trình namespace THA_DataHiding { Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 61 structBitmapHeader { publicstring typeFile; // byte, chứa ký tự nhân dạng "BM" publicuint FileSize; // byte, kích thước file; // public uint Reserved; // byte dự trữ publicuint AddressofImageData; // byte lưu trữ địa vùng liêu publicvoid GetInfo(byte[] buffer); } structBitmapInfo { publicuint Numberofbytes; // bytes, lưu trữ kích thước vùng Image Info, giá trị thông thường 40 publicuint WidthofImage; // bytes, rơng ảnh tính theo pixel publicuint HeightofImage;// bytes, chiều cao ảnh tính theo pixel publicushort NumberofColorPlans; // byte, số lượng bảng mầu, giá trị măc định publicushort NumberofBitforaPixel; // byte, số bits biểu diễn môt điểm ảnh publicuint TypeofCompress; // byte, kiểu nén publicuint ImageSize; //4 byte, kích thước ảnh tính theo byte publicuint ResolutionX; // byte, Đô phân giải ảnh theo chiều ngang publicuint ResolutionY; // byte, Đô phân giải ảnh theo chiều dọc publicuint NumberofColors; // byte, số lượng màu bảng màu publicuint NumberofImportColors; // byte, số lượng màu quan trọng ảnh publicvoid GetInfo(byte[] buffer); } abstractclassBase { protectedstring PlaintextFile; // Lưu trữ file rõ protectedstring CiphertextFile; // Lưu trữ file mã Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 62 protected BigInteger N; protected BigInteger P; protected BigInteger Q; protectedint blockSize; // Kích thước khối số byte N //Để đảm bảo y = x ^2 mod N x