Ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin trên mạng là rất lớn. Theo đó, vấn đề bảo đảm an toàn cho những thông tin mật cũng trở nên cấp thiết. Có nhiều giải pháp nhằm đảm bảo an toàn cho thông tin trao đổi, giấu tin trong ảnh là một giải pháp được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Bài báo này đề xuất một thuật toán giấu tin trong ảnh có bảng màu. Giới thiệu việc áp dụng thuật toán cho giấu tin trong định dạng ảnh GIF.
Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 52(4): 52 - 55 - 2009 MỘT THUẬT TOÁN GIẤU TIN TRONG ẢNH CÓ BẢNG MÀU VÀ ÁP DỤNG GIẤU TIN MẬT TRONG ẢNH GIF Trần Quang Sơn, Nguyễn Văn Tảo (Khoa Cơng nghệ thơng tin - ĐH Thái Ngun) Tóm tắt Ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin mạng lớn Theo đó, vấn đề bảo đảm an tồn cho thơng tin mật trở nên cấp thiết Có nhiều giải pháp nhằm đảm bảo an tồn cho thông tin trao đổi, giấu tin ảnh giải pháp nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Bài báo đề xuất thuật toán giấu tin ảnh có bảng màu Giới thiệu việc áp dụng thuật toán cho giấu tin định dạng ảnh GIF Từ khố: Giấu thơng tin, an tồn thơng tin, ảnh số, bảng màu I.TỔNG QUAN 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 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 Gần đây, phương pháp nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu nhúng thông tin mật vào đối tượng liệu khác (phương tiện chứa) ảnh, audio, video,… sử dụng phương tiện chứa bao gồm thơng tin mật để trao đổi Bài báo đề xuất thuật tốn giấu tin mật ảnh có bảng màu với thay đổi cảm nhận ảnh Từ thuật tốn này, chúng tơi xây dựng lược đồ giấu tin ảnh áp dụng với định dạng ảnh GIF II.MỘT SỐ LƯỢC ĐỒ GIẤU TIN TRONG ẢNH CÓ BẢNG MÀU 1.Cấu trúc bảng màu Mỗi màu sắc máy tính sử dụng 24 bit để biểu diễn: bit cho màu đỏ (Red), bit cho màu lục (Green), bit cho màu lam (Blue) Một ảnh định dạng 24 bit (sử dụng màu sắc thực) chứa tối đa 224 = 16777216 màu sắc khác Như vậy, để biểu diễn thông tin điểm ảnh (pixel) cần phải sử dụng byte: byte Red, byte Green, byte Blue Tuy nhiên thực tế ảnh chứa tối đa 16777216 màu sắc Có nhiều màu sắc giống xuất ảnh, thay cho chép lặp lại thông tin màu sắc người ta sử dụng cấu trúc bảng màu Với cấu trúc bảng màu, người ta sử dụng byte lưu trữ cho điểm ảnh giá trị tương ứng màu bảng màu Một bảng màu thực chất vector có số phần tử tối đa 256 phần tử khác phần tử bao gồm thông tin ba thành phần Red, Green, Blue (RGB) Như vậy, thấy ảnh có bảng màu chứa tối đa 256 màu sắc khác 2.Giấu tin bảng màu đơn giản (BS) Một cấu trúc ảnh có bảng màu thơng thường gồm ba phần chính: Phần thơng tin mơ tả ban đầu (Header), phần thông tin bảng màu (Palette/Color Table), phần liệu ảnh (Image Data) Ý tưởng kỹ thuật tiến hành giấu tin vào vị trí bit quan trọng (Least Significant Bit LSB) phần tử bảng màu Quá trình giấu tin: Với ảnh gốc I, lấy phần thông tin bảng màu P Bảng màu bao gồm ba thành phần RGB tương ứng với tất màu ảnh Thông điệp mật dạng nhị phân chuỗi k bit b = b1,b2,…,bk Mỗi bit bi giấu vào vị trí LSB ba thành phần RGB tương ứng bảng màu theo thuật tốn giấu tin Sau q trình giấu tin thu bảng màu P’ chứa thơng tin cần giấu Q trình tách tin: Khi nhận ảnh giấu tin, việc giải mã tin thực theo bước: 52(4): 52 - 55 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Đọc ảnh chứa tin, lấy phần thông tin bảng màu P’ Mỗi bit bi trích từ vị trí LSB ba thành phần RGB tương ứng bảng màu Như vậy, sau xét hết thành phần bảng màu ta thu chuỗi bit, chuỗi thông tin nhị phân giấu cần phải lấy a Lược đồ giấu tin Romana Machado (EZStego) Kỹ thuật giấu tin bảng màu đơn giản BS dễ thực Tuy nhiên, kích thước tin giấu ln cố định không phụ thuộc vào liệu ảnh Lược đồ giấu tin Romana Machado [1] dựa ý tưởng cải tiến xếp lại toàn bảng màu theo thứ tự độ chói Từ đó, đề xuất phương pháp giấu tin vào khối liệu ảnh Mỗi giá trị điểm ảnh (pixel) mang bit thông tin giấu Dưới lược đồ mô tả q trình giấu bit thơng tin b vào điểm ảnh k: Quá trình giấu tin: Sắp xếp lại bảng màu gốc P theo thứ tự độ chói bảng màu Ps Độ chói Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B Tìm phần tử tương ứng Is điểm ảnh k bảng màu Ps Thay bit thông tin giấu b vào LSB Is thu Is’ Tìm phần tử I bảng màu gốc P tương ứng với Is’ bảng màu Ps Thay giá trị điểm ảnh k I Q trình trích tin: Sắp xếp lại bảng màu gốc P theo thứ tự độ chói bảng màu Ps Tìm phần tử tương ứng Is điểm ảnh k bảng màu Ps Trích LSB Is thu bit thơng tin b b.Lược đồ giấu tin Jessica Fridrich Du Rui (FR) Kỹ thuật giấu tin ảnh có bảng màu Romana Machado khắc phục nhược điểm lược đồ BS Tuy nhiên, lược đồ EZ bước thực phức tạp thực tế cho thấy hai thành phần màu độ - 2009 chói lại khác nhận biết Để khắc phục nhược điểm tính tốn phức tạp ngoại lệ xảy J.Fridrich D.Rui [2] đề xuất kỹ thuật cải tiến giảm trình tính tốn tăng chất lượng ảnh sau giấu tin Lược đồ giấu tin FR dựa tư tưởng giấu bit thông tin vào điểm ảnh khắc phục vấn đề ý tưởng khoảng cách hai màu C1=(R1, G1, B1) C2=(R2, G2, B2) tìm cặp màu gần Dưới lược đồ mô tả q trình giấu bit thơng tin b vào điểm ảnh k: Quá trình giấu tin: Với bit thông tin b chọn ngẫu nhiên điểm ảnh k có màu C1 (R1, G1, B1) Tìm bảng màu P màu gần C2 (R2, G2, B2) với C1 thỏa mãn khoảng cách D1,2 hai màu nhỏ đồng thời thỏa mãn điều kiện chẵn lẻ (parity) bit: D1,22 = (R1 – R2)2 + (G1 – G2)2 + (B1 – B2)2 (D1,22 > 0) b = (R2 + G2 + B2) Mod Thay giá trị màu C1 điểm ảnh k giá trị màu C2 Quá trình trích tin: Đọc giá trị màu điểm ảnh k C1 (R1, G1, B1) tiến hành trích bit thông tin b theo biểu thức: b = (R1 + G1 + B1) Mod III.ĐỀ XUẤT LƯỢC ĐỒ GIẤU TIN TRONG ẢNH CÓ BẢNG MÀU 1.Ý tưởng Một bảng màu chứa tối đa 256 màu khác Nhưng thực tế qua q trình kiểm nghiệm chúng tơi nhận thấy số lượng thành phần màu bảng màu thường nhỏ 256 Đối với số định dạng ảnh thông dụng ảnh GIF, qua trình kiểm tra bảng màu số lượng thành phần màu thường nhỏ (khoảng 128 màu) Với nhiều ảnh có số lượng thành phần màu thấp khoảng cách màu lại cao, phân biệt màu rõ rệt Như thấy áp dụng lược đồ giấu tin FR với trường hợp gây khác biệt cảm nhận lớn Dựa nhận xét vậy, đề xuất kỹ thuật cải tiến Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 52(4): 52 - 55 - 2009 trình biến đổi bảng màu đảm bảo thay đổi cảm nhận nhỏ 2.Q trình phân tích bảng màu (thuật tốn ST) Với đề xuất trên, chúng tơi đưa lược đồ phân tích bảng màu với mục tiêu giảm thiểu thay đổi cảm nhận sau giấu tin Sắp xếp lại bảng màu thu sau biến đổi theo thứ tự độ chói khoảng cách màu b.Q trình trích tin Q trình lọc tìm lại b từ chuỗi p’ với p’i = R’i, G’i, B’i thực theo công thức: b = f(x’) với x’i = (R’i + G’i + B’i) Mod Phân tích ảnh, thống kê xác suất xuất màu bảng màu Sắp xếp lại bảng thống kê theo thứ tự giảm dần tần số xuất Thay màu có tần số xuất (nhỏ 10) màu gần với màu có tần số xuất nhiều Màu gần C1 = (R1, G1, B1) C2 tính sau: IV.ÁP DỤNG THUẬT TỐN ST ĐỂ GIẤU TIN TRONG ẢNH GIF GIF (Graphics Interchange Format) đời vào năm 1980 CompuServe phương tiện hiệu để trao đổi hình ảnh mạng Vào đầu năm 1990, GIF xuất World Wide Web nhanh chóng trở lên quen thuộc với người sử dụng Gần phần lớn hình ảnh Web GIF, trình duyệt Web hỗ trợ định dạng GIF GIF file hệ thống nén để kích thước file nhỏ nhất, có giới hạn bit màu (256 màu khác nhau) Một vài loại khác GIF hỗ trợ màu suốt (transparents) kết hợp nhiều hình ảnh file tạo ảnh động (animation) Chính lý thực tế nêu trên, chúng tơi lựa chọn thực thuật tốn giấu tin môi trường định dạng ảnh GIF GIF định dạng ảnh có bảng màu nên hồn tồn áp dụng ý tưởng đề xuất cho trình giấu tin lọc tin Hệ thống nén GIF nén bảo toàn – LZW [4] (Lempel Zev Welch) áp dụng kỹ thuật nén giải nén kết hợp với trình thực giấu tin lọc tin Dưới số kết thử nghiệm thu qua đánh giá tỉ lệ PSNR [5](Peak Signal To Noise Ratio – thể tương quan sai khác ảnh gốc ảnh chứa tin giấu, PSNR lớn thể sai khác nhỏ) áp dụng với hai thuật toán FR ST ảnh gốc kích thước 120x120: C2 = (R1, G1, B1 ± 1) Làm mịn dần trình biến đổi bảng màu: Tính Di (i = 255), Di = j với Min |Ci - Cj| j = 255, j i khoảng cách |Ci - Cj| = (Ri - Rj) + (Gi - Gj)2 + (Bi - Bj)2 Sắp xếp cặp i, Di (i = 255) theo thứ tự tăng dần khoảng cách C = , lặp lại trình sau C chứa tất màu bảng màu: Nếu tồn cặp i, Di với i C, Di C thỏa mãn (Ri + Gi + Bi) (RDi + GDi + BDi) Mod kết nạp vào tập C cặp giá trị i, Di Ngược lại, với i C, Di C thỏa mãn (Ri + Gi + Bi) = (RDi + GDi + BDi) Mod tiến hành biến đổi (Ri + Gi + Bi) (RDi + GDi + BDi) Mod kết nạp vào tập C cặp giá trị i, Di a Quá trình giấu tin Tiến hành nhúng chuỗi k bit b = (b1, b2, …, bk) vào chuỗi n điểm ảnh p=(p1, p2, …, pn) với pi = Ri, Gi, Bi thu chuỗi p’ theo bước [3]: Đọc bảng màu biến đổi bảng màu theo thuật toán ST Kích thước liệu ảnh Kích thước tin giấu (byte) 120x120 100 46.17 71.02 Nếu s = lấy p’ = p, ngược lại thay ps ps’ thỏa mãn 120x120 128 45.55 70.25 120x120 256 40.98 67.41 120x120 400 30.46 65.47 n Tính f ( x) xi db(i) , db(i) biểu diễn nhị phân củai 1i, xi = (Ri + Gi + Bi) Mod Tính s = b f(x) Dss’2 = (Rs – Rs’) + (Gs – Gs’) + (Bs – Bs’) nhỏ 2 Rs + Gs + Bs Rs’ + Gs’ + Bs’ Giá trị PSNR Lược đồ FR Lược đồ ST Bảng So sánh chất lượng ảnh trước sau giấu tin Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 52(4): 52 - 55 - 2009 Hình So sánh ảnh trước sau giấu tin Ảnh gốc Ảnh sau giấu tin Lược đồ FR V.KẾT LUẬN Trong báo này, đề xuất thuật toán giấu tin mật ST ảnh có bảng màu ý tưởng biến đổi bảng màu cho thỏa mãn tối ưu cảm nhận thay đổi ảnh Với thuật toán sở nêu trên, xây dựng lược đồ giấu tin mật ảnh áp dụng trao đổi thông tin mật Hồn tồn áp dụng tốt thuật tốn với ảnh đa cấp xám định dạng ảnh sử dụng bảng màu nói chung Chúng tơi tiến hành thử nghiệm thuật tốn mơi trường định dạng ảnh GIF phù hợp với xu hướng thực tế trao đổi thơng tin Thuật tốn cho kết thử nghiệm tốt với mẫu ảnh thu từ mạng Internet Sự thay đổi ảnh sau giấu tin gần không cảm nhận hệ thống thị giác người, cho thấy thuật toán áp dụng thực tế Chúng tơi nghiên cứu sử dụng hệ thống khóa bí mật, kết hợp với phương pháp kiểm soát chất lượng ảnh giấu tin nhằm xây dựng lược đồ giấu tin mật ảnh đảm bảo tính mật, tính an toàn cao tin giấu, đồng thời ảnh chứa tin giấu khơng có thay đổi bất thường so với ảnh gốc Vì khn khổ viết nên nội dung sử dụng kết hợp hệ thống khóa, đánh giá độ an toàn tin giấu trình bày viết Lược đồ ST [1].EZStego,http://www.fqa.com/romana/; http://www.stego.com/ [2].Fridrich J A New Steganographic Method for Palette-Based Images Proc of the IS&T PICS conference, April 1998, Savannah, Georgia (1998) pp 285289 [3] Nguyễn Văn Tảo, Một số thuật toán giấu tin áp dụng giấu tin mật ảnh Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Đại học Thái Nguyên, 4(2), tr 25-32 [4].LZW, http://en.wikipedia.org/wiki/Lempel-Ziv- Welch [5].PSNR, ttp://en.wikipedia.org/wiki/Peak_signal- to-noise_ratio TÀI LIỆU THAM KHẢO Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 52(4): - 12 - 2009 Summary A COLOR IMAGE DATA HIDING ALGORITHM APPLIED IN THE GIF IMAGE DATA HIDING The applications of information communication are now fast increased Therefore, information security is essential in many communication applications There are many information security solutions were proposed, image data hiding is a solution attracting many scientists This paper proposes a color image data hiding and introduces its application in GIF image Keyword: Data Hidding, Security, Digital Image ... đề xuất thuật tốn giấu tin mật ST ảnh có bảng màu ý tưởng biến đổi bảng màu cho thỏa mãn tối ưu cảm nhận thay đổi ảnh Với thuật toán sở nêu trên, xây dựng lược đồ giấu tin mật ảnh áp dụng trao... sử dụng hệ thống khóa bí mật, kết hợp với phương pháp kiểm soát chất lượng ảnh giấu tin nhằm xây dựng lược đồ giấu tin mật ảnh đảm bảo tính mật, tính an tồn cao tin giấu, đồng thời ảnh chứa tin. .. Phân tích ảnh, thống kê xác suất xuất màu bảng màu Sắp xếp lại bảng thống kê theo thứ tự giảm dần tần số xuất Thay màu có tần số xuất (nhỏ 10) màu gần với màu có tần số xuất nhiều Màu gần C1