Bài báo này đề xuất một thuật toán giấu tin mật cho phép giấu một lượng thông tin khá lớn mà phải thay đổi rất ít giá trị dữ liệu gốc. Từ thuật toán này, chúng tôi xây dựng lược đồ giấu tin trong ảnh áp dụng với một số dạng ảnh ứng dụng trong trao đổi thông tin mật.
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(44) Tp 2/Năm 2007 MT THUT TON GIU TIN V P DỤNG GIẤU TIN MẬT TRONG ẢNH Nguyễn Văn Tảo (Khoa Công nghệ thông tin - ĐH Thái Nguyên) 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 hoá, q trình truyền, người ngồi quan sát tin mã hoá 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 thơng tin mật vào đối tượng liệu khác (phương tiện chứa) ảnh, video, audio, sử dụng phương tiện chứa bao gồm thông tin mật để trao đổi Bài báo đề xuất thuật toán giấu tin mật cho phép giấu lượng thông tin lớn mà phải thay đổi giá trị liệu gốc Từ thuật tốn này, chúng tơi xây dựng lược đồ giấu tin ảnh áp dụng với số dạng ảnh ứng dụng trao đổi thông tin mật Một số lược đồ giấu tin mật ảnh nhị phân 2.1 Giấu tin theo khối bit đơn giản (CB) Ý tưởng kỹ thuật chia ảnh gốc thành khối nhỏ khối nhỏ giấu bit thông tin Q trình giấu tin: Với ảnh gốc kích thước M×N, chia phần thơng tin ảnh thành khối nhỏ có kích thước m×n, số khối nhỏ (M×N)/(m×n) khối Vì ảnh đen trắng nên khối ma trận hai chiều m dòng, n cột phần tử có giá trị Chọn khối chưa giấu tin để thực giấu tin, khối chọn giấu hết thông tin cần giấu chọn hết khối Với khối ảnh F kích thước m×n bit cần giấu b, tiến hành biến đổi F thành F’ để giấu bit b cho: SUM(F’) mod = b (1) Như vậy, lần giấu bit, xảy hai trường hợp: SUM(F) mod = b, ta giữ nguyên khối ảnh Ngược lại chọn ngẫu nhiên bit khối F tiến hành đảo giá trị bit để khối ảnh F’ Quá trình tách tin: Khi nhận ảnh giấu tin, việc giải mã tin thực theo bước: Chia ảnh thành khối có kích thước giống kích thước khối sử dụng thực giấu, khố để giải mã Với khối ảnh giấu tin F’ chọn theo thứ tự trình giấu tin, thực tách lấy bit thông tin giấu theo công thức: b = SUM(F’) mod Như vậy, sau xét hết khối giấu, ta thu chuỗi bit, chuỗi thông tin nhị phân giấu cần phải lấy 25 T¹p chÝ Khoa học & Công nghệ - Số 4(44) Tp 2/Năm 2007 Lược đồ giấu tin CB giấu bit thơng tin vào khối kích thước m×n bit mà thay đổi tối đa bit 2.2 Lược đồ giấu tin M.Y.Wu J.H.Lee (WL) Kỹ thuật giấu tin theo khối bit CB thể độ an tồn khơng cao với việc sử dụng kích thước khối khố cho q trình giấu tin, ảnh chứa thông tin giấu dễ bị phát kỹ thuật đảo bit khối ảnh toàn màu đen toàn màu trắng dẫn tới bất thường vị trí bit đảo so với điểm lân cận khối Kỹ thuật giấu thông tin ảnh đen trắng M.Y.Wu J.H.Lee tư tưởng giấu bit thông tin vào khối ảnh gốc khắc phục phần tồn nêu cách đưa thêm khoá K cho việc giấu tin đưa thêm điều kiện để đảo bit khối, theo điều kiện khối ảnh gốc tồn màu đen tồn màu trắng khơng sử dụng để giấu tin Quá trình biến đổi khối ảnh F thành F’ để giấu bit b thực cho: SUM(K^F’) mod = b (2) Công thức (2) sử dụng cho trình tách lấy tin giấu Lược đồ giấu tin WL giấu bit thơng tin vào khối m×n bit phải thay đổi tối đa bit [2] 2.3 Lược đồ giấu tin Chen-Pan-Tseng Trên sở thuật tốn Wu-Lee trình bày mục 2.2, tác giả Yu Yuan Chen, Hsiang Kuang Pan Yu Chee Tseng phát triển kỹ thuật giấu tin Kỹ thuật sử dụng ma trận khoá K ma trận trọng số W q trình giấu tách thơng tin Quá trình biến đổi khối ảnh F thành F’ kích thước m×n để giấu r bit thơng tin b1b2 br thực cho: SUM((F’⊕ K) ⊗ W) ≡ b1b2 br (mod 2r) (3) Công thức (3) sử dụng để tách chuỗi bit giấu b1b2 br từ khối ảnh F’ Lược đồ CPT cho phép giấu r bit thông tin vào khối ảnh nhị phân kích thước m×n (với 2r < m×n) cách thay đổi nhiều bit khối ảnh gốc [3] Năm 2005, nhóm tác giả thuộc Viện Cơng nghệ thông tin nghiên cứu đưa cải tiến làm rút ngắn thời gian thực trình giấu tin với kỹ thuật [1] Đề xuất thuật toán giấu tin mật 3.1 Ý tưởng Các thuật tốn giấu tin mật có điểm chung tùy theo bit thông tin cần giấu giá trị điểm khối ảnh gốc xét, tiến hành biến đổi khối ảnh gốc để đạt đến bất biến làm tiêu chuNn cho trình lọc tìm lại thơng tin giấu Trong phần này, đề xuất kỹ thuật giấu tin dựa ý tưởng nhúng dãy k bit b=(b1, b2 , , bk) vào dãy n bit x=(x1, x2, , xn ), với n = 2k -1 thay đổi tối đa bit dãy x 26 T¹p chÝ Khoa học & Công nghệ - Số 4(44) Tp 2/Năm 2007 Ví dụ: Cần nhúng dãy bit b=(b1, b2) vào dãy bit x=(x1, x2, x3), tuỳ quan hệ bit b x, thực hiện: Nếu Nếu Nếu Nếu b1 = x1 ⊕ x3, b2 = x2 ⊕ x3 giữ nguyên x b1 ≠ x1 ⊕ x3, b2 = x2 ⊕ x3 đảo bit x1 b1 = x1 ⊕ x3, b2 ≠ x2 ⊕ x3 đảo bit x2 b1 ≠ x1 ⊕ x3, b2 ≠ x2 ⊕ x3 đảo bit x3 Như vậy, sau biến đổi x thành x’=( x1' , x2' , x3' ) theo q trình ta ln có: b1 = x1' ⊕ x3' b2 = x2' ⊕ x3' cơng thức sử dụng cho q trình tách lấy thơng tin giấu 3.2 Giấu chuỗi k bit b vào chuỗi n bit x (thuật tốn giấu tin HT) Định nghĩa: Phép cộng khơng nhớ số nhị phân, ký hiệu ⊕ định nghĩa sau: ⊕ = 0; ⊕ = 1; ⊕ = 1; ⊕ = Từ định nghĩa ta có tính chất: b ⊕ b = với số nhị phân b Quá trình giấu tin Tiến hành nhúng chuỗi k bit b=(b1, b2, , bk) vào chuỗi n bit x=(x1, x2, , xn) để chuỗi x’ theo bước: n Tính f ( x) = ⊕ xi db(i) , db(i) biểu diễn nhị phân i i=1 Tính: s = b ⊕ f(x) Nếu s = lấy x’=x, ngược lại đảo bit vị trí s x để x’ theo công thức: x’=(x1, x2, , 1-xs, , xn) Quá trình tách tin Quá trình lọc tìm lại b từ chuỗi x’ thực theo cơng thức: b=f(x’) Tính đắn thuật tốn Q trình giấu tách tin đảm bảo thay đổi tối đa bit chuỗi n bit gốc x tách dãy k bit b giấu Thực vậy: Với s ≠ 0, từ công thức: s = b ⊕ f(x) s ⊕ f(x) = b ⊕ f(x) ⊕ f(x) b = s ⊕ f(x) b = s ⊕ (db(1).x1⊕ db(2).x2 ⊕ ⊕db(s).xs ⊕ ⊕db(n).xn) Do s = db(s) db(s) ⊕ db(s) = nên được: b = db(1).x1⊕ db(2).x2 ⊕ ⊕db(s).(1-xs)⊕ ⊕db(n).xn = f(x’) Với s = 0, x’ = x nên có b = f(x) = f(x’) Như vậy, trường hợp ta có việc nhúng chuỗi bit thông tin mật b vào chuỗi bit gốc x để x’ đảm bất biến b=f(x’) Đây yếu tố đảm bảo cho việc tìm lại xác thơng tin giấu Ví dụ q trình giấu tách tin: Xét với k=3, n=7, chuỗi bit gốc x=1001101, chuỗi bit cần giu b=100 27 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(44) Tp 2/Năm 2007 * Quỏ trỡnh giu chuỗi b vào x để x’ thực sau: n Tính f ( x) = ⊕ xi db(i) = i=1 =1.db(1) ⊕ 0.db(2) ⊕ 1.db(3) ⊕ 1.db(4) ⊕ 1.db(5) ⊕ 0.db(6) ⊕ 1.db(7) = ⊕ ⊕ ⊕ 100 ⊕ 101 ⊕ ⊕ 111 = 111 Tính s = b ⊕ f(x) = 100 ⊕ 111 = 011 = Do s = ≠ 0, đảo bit vị trí x x’ = 1011101 * Quá trình giải tin từ x’ để tìm lại b thực sau: = f(x’) = 1.db(1) ⊕ 0.db(2) ⊕ 1.db(3) ⊕ 1.db(4) ⊕ 1.db(5) ⊕ 0.db(6) ⊕ 1.db(7)= Tính b = ⊕ ⊕ 11 ⊕ 100 ⊕ 101 ⊕ ⊕ 111=100 3.3 Đánh giá thuật toán giấu tin HT Các lược đồ giấu tin CB WL cho phép nhúng bit vào khối ảnh gốc gồm m×n bit phải thay đổi tối đa bit khối ảnh gốc; lược đồ giấu tin CPT cho phép nhúng r bit vào khối ảnh gốc gồm m×n bit với 2r < m×n phải thay đổi nhiều bit khối ảnh gốc Như vậy, để giấu k bit thơng tin, lược đồ CPT cần có m×n = 2k+1 bit gốc; thuật tốn đề xuất báo cần 2k-1 bit gốc Chúng tơi tiến hành đánh giá thuật tốn giấu tin theo số yếu tố: - Khả giấu: AH = 100*k/n % - Tính Nn: HH = 100*I(k)/n % Trong đó: k số bit giấu, n số bit gốc tối thiểu để giấu k bit, I(k) số bit tối đa phải đảo giấu k bit vào n bit gốc Giá trị AH lớn thể dung lượng tin giấu cao; HH nhỏ thể sau giấu tin liệu chứa bị thay đổi so với liệu gốc Kết so sánh yếu tố lược đồ với lược đồ CPT thể qua bảng Bảng So sánh số yếu tố lược đồ CPT lược đồ HT k 10 11 12 28 n CPT 2k+1 17 33 65 129 257 513 1025 2049 4097 AH I(k) HT 2k-1 15 31 63 127 255 511 1023 2047 4095 CPT 2 2 2 2 2 2 HT 1 1 1 1 1 1 CPT k/(2k+1) 33.33 40.00 33.33 23.53 15.15 9.23 5.43 3.11 1.75 0.98 0.54 0.29 HH HT k/(2k-1) 100.00 66.67 42.86 26.67 16.13 9.52 5.51 3.14 1.76 0.98 0.54 0.29 CPT 2/(2k+1) 66.67 40.00 22.22 11.76 6.06 3.08 1.55 0.78 0.39 0.20 0.10 0.05 HT 1/(2k-1) 100.00 33.33 14.29 6.67 3.23 1.59 0.79 0.39 0.20 0.10 0.05 0.02 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(44) Tp 2/Năm 2007 p dng thuật toán HT để giấu tin ảnh Thuật toán giấu tin mật HT đề xuất mục tiến hành giấu k bit vào chuỗi n=2k-1 bit gốc Với tốn giấu tin ảnh, thơng tin cần giấu chuyển thành chuỗi bit, liệu gốc giá trị điểm ảnh chọn cho việc giấu tin Tuỳ loại ảnh, ta áp dụng thuật tốn cho phù hợp Ngồi ra, kết hợp sử dụng hệ thống khố cho trình giấu tin lọc tìm lại tin giấu, kiểm soát chất lượng ảnh sau giấu tin 4.1 Giấu tin ảnh nhị phân Bài tốn: Có ảnh chủ nhị phân F, kích thước M×N, thơng điệp bí mật chuyển sang dạng nhị phân H gồm s bit Thực giấu H vào F tách tìm lại H từ ảnh giấu tin Để thực toán trên, sử dụng thuật tốn HT cần chia H thành r đoạn có độ dài k bit; ảnh F chia thành r đoạn có độ dài n≥2k-1 bit Mỗi đoạn k bit H giấu vào đoạn n bit F Như vậy, khả giấu tin đoạn AH = hết s bit H vào M×N bit F k phải số thoả mãn k để giấu −1 k s ≥ −1 M × N k k (4) Thuật tốn giấu tin ảnh nhị phân HTB Q trình giấu tin: Vào: Ảnh nhị phân F kích thước M×N; chuỗi bit cần giấu H có độ dài s Ra: Ảnh giấu tin F' giá trị k Thực hiện: - Chọn k số tự nhiên lớn thoả (4) - Chia H thành đoạn có độ dài k bit, số đoạn r = s Ký hiệu đoạn k Hi (i=1 r) - Chuyển F thành chuỗi gồm M×N bit, chia thành đoạn có độ dài 2k-1 bit, M ×N s số đoạn có k ≥ = r Ký hiệu đoạn Fi (i=1 r) Như vậy, số đoạn −1 k bit gốc đủ để giấu số đoạn thơng điệp bí mật - Lần lượt nhúng chuỗi k bit Hi vào chuỗi Fi (i=1 r) theo thuật toán HT để chuỗi Fi chứa tin giấu ' - Chuyển chuỗi bit F1' F2' Fr' thành ảnh F' kích thước M×N Q trình tách tin: Vào: Ảnh nhị phân F' kích thước M×N; giá trị k Ra: Chuỗi bit H tách từ ảnh F' Thực hiện: - Chuyển F' thành chuỗi gồm M×N bit, chia thành đoạn có độ dài 2k-1 bit 29 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(44) Tp 2/Năm 2007 - Ln lt ỏp dng thut toán tách bit HT đoạn 2k-1 bit để đoạn k bit - Ghép đoạn k bit để chuỗi bit H Thử nghiệm: Chúng tơi sử dụng ảnh nhị phân "VANBAN.BMP" kích thước 110×110 nhúng vào chuỗi H gồm 256 bit, xác định k = Ảnh gốc, ảnh sau giấu tin thể qua hình Ảnh gốc 110×110 Ảnh giấu 256 bit Hình Thử nghiệm giấu tin theo thuật tốn HTB ảnh nhị phân Trong thử nghiệm này, thuật toán HTB tiến hành nhúng đoạn bit vào đoạn 255 bit ảnh gốc thay đổi nhiều 255 bit gốc Tuy việc phải đảo bit ảnh gốc nhỏ ảnh nhị phân nên việc đảo bit dẫn đến xuất số điểm đen lạ ảnh sau giấu tin 4.2 Giấu tin ảnh đa cấp xám Với ảnh đa cấp xám, giá trị điểm ảnh biểu diễn bit, bit cuối gọi bit ý nghĩa Đa số kỹ thuật giấu tin mật ảnh đa cấp xám tác động lên bit ý nghĩa điểm ảnh để thực trình giấu tin Phần này, chúng tơi áp dụng thuật tốn HT xây dựng lược đồ giấu tin mật ảnh đa cấp xám Bài tốn: Có ảnh chủ đa cấp xám F, kích thước M×N, thơng điệp bí mật chuyển sang dạng nhị phân H gồm s bit Thực giấu H vào F tách tìm lại H từ ảnh giấu tin Thuật toán giấu tin ảnh đa cấp xám HTG Quá trình giấu tin: Vào: Ảnh đa cấp xám F kích thước M×N; chuỗi bit cần giấu H có độ dài s Ra: Ảnh giấu tin F' giá trị k Thực hiện: - Xây dựng ma trận kích thước M×N số nhị phân FB từ ma trận giá trị điểm ảnh F công thức FB(i, j) = F(i, j) mod - Sử dụng HTB thực giấu H vào FB để FB' kích thước M×N bit - Nhúng FB' vào F để F' theo quy tắc: If (F(i, j) mod 2) ≠ FB'(i, j) Then If F(i, j)>0 Then F'(i, j)=F(i, j)-1 Else F'(i, j)=F(i, j)+1 Else F'(i, j)=F(i, j) 30 T¹p chÝ Khoa học & Công nghệ - Số 4(44) Tp 2/Năm 2007 F' ma trận giá trị điểm ảnh sau giấu tin mật Quá trình tách tin: Vào: Ảnh đa cấp xám F' kích thước M×N chứa tin giấu; giá trị k Ra: Chuỗi bit H tách từ ảnh F' Thực hiện: - Xây dựng ma trận kích thước M×N bit FB' từ F' công thức: FB'(i, j) = F'(i, j) mod - Sử dụng thuật toán tách tin HTB FB' k để H Thử nghiệm: Chúng sử dụng ảnh đa cấp xám "CAMERA.BMP" kích thước 256×256 nhúng vào chuỗi H gồm 1008 6150 bit Ảnh gốc, ảnh nhị phân xây dựng từ bit cuối biểu diễn giá trị điểm ảnh gốc, ảnh sau giấu tin thể qua hình Ảnh gốc 256×256 Ảnh nhị phân xây dựng từ ảnh gốc Ảnh giấu 1008 bit k=9 Ảnh giấu 6150 bit k=6 Hình Thử nghiệm giấu tin theo thuật toán HTG ảnh đa cấp xám Kết luận Trong báo này, đề xuất thuật toán giấu tin mật HT ý tưởng biến đổi chuỗi bit liệu gốc cho thoả mãn với điều kiện nhúng dãy bit cần giấu tương ứng Thuật toán cho phép giấu dãy k bit vào chuỗi gồm n = 2k-1 bit gốc mà phải thay đổi nhiều bit chuỗi bit gốc Thuật toán đề xuất thể khả giấu tin cao phải thay đổi liệu gốc so với số thuật tốn giấu tin mật có Với thuật tốn sở trên, xây dựng số lược đồ giấu tin mật ảnh áp dụng trao đổi thơng tin mật Khi áp dụng thuật tốn ảnh đa mức xám ảnh màu, thay đổi ảnh sau giấu tin gần không cảm nhận hệ thống thị giác người, cho thấy áp dụng thuật tốn thực tế Chúng nghiên cứu sử dụng hệ thống khố bí mật, kết hợp phương pháp kiểm soát chất lượng ảnh giấu tin ảnh nhằm xây dựng lược đồ giấu tin mật ảnh đảm bảo tính mật, tính an tồn cao tin giấu, đồng thời ảnh chứa tin giấu khơng có thay đổi bất thường so với ảnh gốc Do khuôn khổ tạp chí, nội dung trình bày báo tiếp sau 31 T¹p chÝ Khoa học & Công nghệ - Số 4(44) Tp 2/Năm 2007 Tóm tắt Ngày nay, nhu cầu trao đổi thơng tin mạng lớn Theo đó, vấn đề bảo đảm an tồn cho thơng tin mật trở nên cấp thiết Có nhiều giải pháp nhằm bảo đảm an tồn cho thơng tin trao đổi, giấu tin ảnh giải pháp nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Bài báo đề xuất thuật toán cho phép tiến hành giấu k bit thông tin mật chuỗi n=2k-1 bit liệu gốc mà phải thay đổi tối đa bit chuỗi liệu gốc Giới thiệu việc áp dụng thuật toán cho giấu tin số loại ảnh, kết hợp sử dụng hệ thống khoá, kiểm soát chất lượng ảnh giấu tin để xây dựng lược đồ giấu tin mật ảnh cho phép giấu lượng tin cao mà đảm bảo tính Nn bí mật tin giấu Summary Nowadays, the need of exchange information in communication network is very large Therefore, to ensure the security of anonymous information is a pressing need There are many solutions to ensure the security of anonymous information Image data hiding is a solution which many researchers are interested in This paper proposed a novel algorihtm to hide k bits of anonymous information in n=2k-1 bits of original data, but only change maximum bit in original data string Applying this algorithm to hide information in some kinds of image, combining using key system and the images quality monitoring, we built the anonymous information hiding schemes which allows hiding a large amount of information and ensuring the security of hided anonymous information Keywords: data hiding, security, binary image Tài liệu tham khảo [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] M Y Wu and J H Lee (1988); "A Novel Data Embedding Method for Two-Color Facsimile Images" In Proceedings of International Symposium on Multimedia Information Processing, Chung-Li, Taiwan, R.O.C, December 1998 [3] 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 [4] Yu Chee Tseng and Hsiang Kuang Pan (2001); "Secure and Invisible Data Hiding in 2Color Images", INFORCOM 2001,pp 887-896 32 ... 2/Năm 2007 Áp dụng thuật toán HT để giấu tin ảnh Thuật tốn giấu tin mật HT chúng tơi đề xuất mục tiến hành giấu k bit vào chuỗi n=2k-1 bit gốc Với toán giấu tin ảnh, thơng tin cần giấu chuyển... thống khố bí mật, kết hợp phương pháp kiểm soát chất lượng ảnh giấu tin ảnh nhằm xây dựng lược đồ giấu tin mật ảnh đảm bảo tính mật, tính an tồn cao tin giấu, đồng thời ảnh chứa tin giấu khơng... trị điểm ảnh gốc, ảnh sau giấu tin thể qua hình Ảnh gốc 256×256 Ảnh nhị phân xây dựng từ ảnh gốc Ảnh giấu 1008 bit k=9 Ảnh giấu 6150 bit k=6 Hình Thử nghiệm giấu tin theo thuật toán HTG ảnh đa