Phương pháp ẩn mã an toàn và hiệu quả đối với ảnh màu

BAN CƠ YẾU CHÍNH PHỦ HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ BÀI TIỂU LUẬN Đề tài: Phương pháp ẩn màu an toàn hiệu ảnh màu Sinh viên thực hiện: Hà Nội 03/2019 LỜI MỞ ĐẦU Trong môi trường phân phối điện tử phát triển nay, việc bảo vệ cho thông tin quan trọng trình trao đổi trở nên cấp thiết Theo phương pháp truyền thống, thông tin mật trước truyền mã hóa, q trình truyền, người ngồi quan sát tin mã hóa biết tầm quan trọng tin trao đổi, điều làm tăng tò mò muốn khám phá để tìm nội dung thực tin Các kỹ thuật đảm bảo an tồn thơng tin cho thơng tin liên lạc số chia thành loại (Categories) Đó mật mã (Cryptography), giấu tin mật (Steganography) thủy vân số (watermarking) Mỗi loại có ứng dụng mục tiêu khác đảm bảo an toàn cho việc truyền tin mật kênh khơng an tồn Các kỹ thuật Cryptography steganography nói chung dùng để truyền thơng tin nhạy cảm (confidential infomation) hai hay nhiều thực thể nhóm với Tuy nhiên chúng có khác Cryptography sử dụng phép biến đổi tốn học để mã hóa thơng điệp, biến thơng điệp đọc có nghĩa thành dãy giả ngẫu nhiên, mà người ta gọi mã, để truyền mạng công cộng đến người nhận có chủ đích Đó hai người chẳng hạn Alice Bob liên lạc mật với Wendy khơng đọc nội dung thơng tin Wendy rõ ràng biết Alice Bob có ý đồ “đen tối” Ngược lại, với steganography Wendy khơng thể biết Alice Bob có liên lạc truyền thông tin mật cho Để đảm bảo điều này, Alice Bob sử dụng vật trung gian số audio, video, images…Trong phạm vi nghiên cứu, ta giả thiết vật trung gian ảnh màu Người ta lợi dụng độ “dư thừa” ảnh để nhúng (embedding) bít thơng điệp mật vào đó, “dư thừa” có thay đổi chút khơng làm thay đổi đến ảnh Để đảm bảo bí mật tuyệt đối người ta mã hóa thơng điệp trước thực nhúng chúng vào ảnh Trên giới có nhiều cơng trình nghiên cứu vấn đề trở thành hướng lĩnh vực An tồn thơng tin, chống giả mạo Tin lĩnh vực nghiên cứu có nhiều hứa hẹn tương lai gần dần trở thành hướng lĩnh vực Bảo Đảm An tồn thơng tin có hiệu Chính vậy, nhóm định chọn đề tài: “Phương pháp ẩn mã an toàn hiệu với ảnh màu” Qua xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Vũ Thị Vân giảng dạy môn “Kĩ thuật giấu tin – L04” giảng dạy, hướng dẫn em thực đề tài Trong trình thực đề tài này, chắn xảy sai sót Mọi ý kiến đóng góp xin gửi hòm mail: nhom8ktgt@gmail.com Rất mong nhận phản hồi từ bạn! MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .1 MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG .5 Chương I Những khái niệm Mở đầu Những khái niệm .6 2.1 Những quy ước 2.2 Những tính chất giấu tin 2.3 Khái niệm ẩn màu an toàn hiệu với ảnh màu Chương Ẩn mã ảnh màu .8 Khái quát chung .8 Dung lượng chứa thông tin ẩn Các kĩ thuật giấu tin ảnh .9 3.1 Nhúng tin miền không gian 3.2 Nhúng tin miền biến đổi Chương Giấu tin ảnh tĩnh .11 Đặc trưng tính chất giấu tin ảnh 11 1.1 Phương tiện chứa có liệu tri giác tĩnh .11 1.2 Kĩ thuật giấu phụ thuộc vào ảnh 11 1.3 Kĩ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống thị giác người 11 1.4 Giấu thông tin ảnh tác động lên liệu ảnh khơng thay đổi kích thước ảnh 11 1.5 Đảm bảo yêu cầu chất lượng hình ảnh sau giấu tin 12 1.6 Thơng tin ảnh có biến đổi có biến đổi ảnh 12 1.7 Cần thiết ảnh gốc để giải mã ảnh? 12 Giấu tin ảnh màu 13 Cấu trúc ảnh BITMAP 13 Một số kĩ xử lý ảnh giấu tin .15 4.1 Đọc Hearder ảnh Bitmap .15 4.2 Đọc bảng màu ảnh 16 4.3 Chia ảnh thành khối m x n .17 4.4 Kĩ thuật ghép ảnh 18 4.5 Các kĩ thuật xử lý điểm ảnh 19 4.6.Tách bit cuối bit biểu diễn điểm ảnh ảnh 256 màu 19 4.7 Tách phần Blue RGB 20 4.8 Biến đổi không gian màu cho ảnh 24 bit màu .20 Chương Phương pháp ẩn mã với ảnh màu 22 Một số kĩ thuật đơn giản 22 1.1 Ý tưởng 22 1.2 Thuật toán giấu tin 22 1.3 Phân tích thuật toán .25 1.4 Cài đặt 25 1.5 Áp dụng thuật toán với ảnh màu 29 Kĩ thuật giấu WU-LEE 29 2.1 Thuật toán 29 2.2 Phân tích 33 2.3 Cài đặt 33 Kĩ thuật giấu tin CHEN_PAN_TSENG(CPT) .35 3.1 Một số khái niệm dùng thuật toán 35 3.2 Thuật toán 36 KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN .44 DANH MỤC BẢNG BẢNG 1: SỰ KHÁC NHAU GIỮA GIẤU THÔNG TIN TRONG ẢNH ĐEN TRẮNG VỚI ẢNH MÀU 13 BẢNG 2: CẤU TRÚC HEADER CỦA FILE ẢNH BITMAP 14 BẢNG 3: GIÁ TRỊ ĐIỂM ẢNH CỦA CÁC LOẠI ẢNH 19 Chương I Những khái niệm Mở đầu Giấu tin mật khoa học liên lạc “không nhìn thấy được” Nó khác với khoa học mật mã chỗ: Trong khoa học mật mã người ta tìm cách biến đổi thơng điệp có ý nghĩa thành dãy giả ngẫu nhiên để liên lạc với mạng cơng cộng mà người ngồi ( người không phép chia sẻ thông tin thơng điệp đó) thu hữu dãy ngẫu nhiên khó lòng chuyển dãy thành thơng điệp ban đầu khơng có “khóa” tay Trong lúc kỹ thuật giấu tin mật(steganography) lại tìm cách ẩn giấu thơng điệp vào phương tiện số khác (như audio, video, images…) mà người ngồi khó phát hữu thông điệp phương tiện số đó, người ta có phương tiện tay Phương tiện dùng để giấu tin gọi phương tiện gốc (Cover-objects) Còn phương tiện gốc chứa thơng tin cần giấu gọi phương tiện mang tin (Stego-Objects) Việc giấu thơng tin mật có ý nghĩa quan trọng an ninh, thơng tin có tính chất Quốc gia Hiện bọn khủng bố Quốc tế quan tình báo nước ứng dụng thành công kỹ thuật để phục vụ mục tiêu họ Một hướng phát triển kỹ thuật Thủy vân số (Watermaking) Hướng nghiên cứu phát triển nhanh, chủ yếu phục vụ cho kinh tế-xã hội (như để bảo vệ quyền…) Do mục tiêu hai kỹ thuật khác nên yêu cầu chúng khác Những khái niệm 2.1 Những quy ước Ảnh mơi trường hay đơi gọi ảnh gốc (cover image) ảnh (đối tượng) chứa mang thông tin nhúng Nó ảnh đen trắng, ảnh màu ảnh đa cấp xám Trong nghiên cứu ảnh môi trường ký hiệu C Nếu có nhiều ảnh mơi trường, chúng ký hiệu C1, C2… Ảnh stego (stego image) ảnh có chứa thơng tin mật Ta thường gọi ảnh có chứa thơng tin ẩn ký hiệu S Nếu có nhiều stego image ta ký hiệu S1, S2… Để tiện cho việc trình bày, ta gọi hai người liên lạc với Alice Bob người thứ Wendy khơng biết hữu thông điệp ảnh mà Alice Bob trao đổi với 2.2 Những tính chất giấu tin Giấu tin có tính chất tiêu biểu sau:  Khả khơng thể nhận biết (impercetibility)  Khả chứa nhiều thông tin (capacity)  Khả khơng thể dò-tìm Khả khơng thể nhận biết được, có nghĩa với người quan sát mắt thường phát ảnh có chứa thơng tin ẩn Đây tính chất quan trọng kỹ thuật steganography Khả chứa nhiều thông tin tính chất quan trọng kỹ thuật steganography Tính chất capacity có nghĩa lượng thơng tin cần nhúng nhiều tốt không vi phạm tính chất khác kỹ thuật steganography Cuối tính chất khơng thể dò tìm hiểu khả chống lại việc xác định ảnh có hay khơng có thơng tin ẩn kỹ thuật thống kê tốn học thơng thường Tính chất với tính chất “khơng thể nhận biết được” độ dài thơng điệp cần giấu đóng vai trò quan trọng cần thiết kỹ thuật steganography Ngoài ra, tốc độ giấu tính đến khơng phải tính chất cần có 2.3 Khái niệm ẩn màu an toàn hiệu với ảnh màu Hình ảnh màu RGB ma trận ba chiều Kích thước cho thành phần màu đỏ, thứ hai cho thành phần màu xanh cây, thứ ba cho thành phần màu xanh Hình ảnh màu RGB thường có kích thước khổng lồ, thật thuận tiện sử dụng hình ảnh để giữ tin nhắn bí mật q trình gọi hình ảnh steganography Dữ liệu ẩn gọi thơng điệp bí mật phương tiện lưu trữ liệu gọi bao trùm phương tiện truyền thơng Phương tiện che phủ (hình ảnh màu) có chứa thơng điệp ẩn gọi stego-image (giữ hình ảnh) Các thuật toán sử dụng để ẩn tin nhắn phương tiện bìa đầu người gửi trích xuất thơng điệp ẩn từ hình ảnh stego đầu người nhận gọi stego hệ thống Chương Ẩn mã ảnh màu Khái quát chung Để đánh giá thuật toán giấu tin có đạt u cầu đặt hay khơng cần đưa độ đo (measure) chất lượng thuật tốn Ta ký hiệu phân bố xác suất ảnh C Pc phân bố xác suất ảnh stego S tương ứng với thuật tốn sử dụng P s Khi khả phát hệ stego dựa entropy phân bố xác suất ảnh môi trường C ảnh stego S “đo” dựa công thức: D(Pc||Ps) = Từ phương trình này, thấy D(Pc||Ps) tăng theo tăng tỷ số đó, độ tin cậy việc phát tăng Vì vậy, kỹ thuật stego gọi an tồn tuyệt đối D(Pc||Ps)=0 (tức Pc=Ps) gọi -an toàn D(Pc||Ps) ≤ Về lý thuyết, người ta chứng tỏ có tồn thuật tốn an tồn tuyệt đối chúng không xẩy thực hành Ở giả thiết cover image stego image vectơ ngẫu nhiên, độc lập phân bố (independent, identically distributediid) Như để kiểm tra khác ảnh gốc ảnh có giấu tin tương ứng, người ta (Wendy ) kiểm tra khác biệt tỷ số Trong trình kiểm tra này, Wendy mắc phải hai sai lầm loại (type – I error) sai lầm loại (type –II error) với xác xuất (0< ,