Tìm hiểu về một số thuật toán giấu tin và phát hiện ảnh có giấu tin

LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn PGS.TS Trịnh Nhật Tiến, thầy tận tình hướng dẫn giúp đỡ em nhiều trình tìm hiểu nghiên cứu để em hồn thành tốt đề tài tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Thầy cô giáo Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng giảng dạy chúng em suốt năm học, cung cấp cho chúng em kiến thức chuyên môn cần thiết quý báu giúp chúng em hiểu rõ lĩnh vực nghiên cứu để hoàn thành đề tài giao Xin cảm ơn bạn bè gia đình động viên cổ vũ, đóng góp ý kiến, trao đổi suốt trình học tập làm tốt nghiệp, giúp em hoàn thành đề tài thời hạn Hải Phòng, tháng năm 2019 Sinh viên MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC GIỚI THIỆU DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Chương CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 KHÁI NIỆM MÃ HÓA 1.2 KHÁI NIỆM GIẤU TIN 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 So sánh giấu tin mã hóa 1.3 PHÂN LOẠI CÁC KỸ THUẬT GIẤU TIN 1.4 MƠ HÌNH KỸ THUẬT GIẤU TIN 10 1.5 MỘT SỐ ỨNG DỤNG 11 1.6 TÍNH CHẤT, ĐẶC TRƯNG CỦA GIẤU TIN TRONG ẢNH 12 1.6.1 Phương tiện chứa có liệu tri giác tĩnh 12 1.6.2 Giấu tin phụ thuộc ảnh 12 1.6.3 Giấu tin lợi dụng khả thị giác người 12 1.6.4 Giấu tin không làm thay đổi kích thước ảnh 12 1.6.5 Đảm bảo chất lượng ảnh sau giấu tin 12 1.7 CÁC ĐỊNH DẠNG ẢNH THÔNG DỤNG 13 1.7.1 Định dạng ảnh: IMG (Image) 13 1.7.2 Định dạng ảnh: PCX (Personal Computer Exchange) 13 1.7.3 Định dạng ảnh: GIF (Graphics Interchanger Format) 13 1.7.4 Định dạng ảnh: BMP (Bitmap) 14 1.7.5 Định dạng ảnh: JPEG (Joint Photographic Expert Group) 15 1.8 CÁC TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ 16 1.8.1 Tính vơ hình 16 1.8.2 Khả giấu thông tin 16 1.8.3 Chất lượng ảnh có giấu thơng tin 16 1.8.4 Tính bền vững thơng tin giấu 16 1.8.5 Thuật toán độ phức tạp tính tốn 16 1.9 CÁC HƯỚNG TIẾP CẬN CỦA GIẤU TIN TRONG ẢNH 17 1.9.1 Tiếp cận miền không gian ảnh 17 1.9.2 Tiếp cận miền tần số ảnh 17 Chương 2.1 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP GIẤU TIN TRONG ẢNH 18 GIẤU TIN BẰNG THAY THẾ BIT CÓ TRỌNG SỐ THẤP NHẤT 18 2.1.1 Phương pháp giấu tin 19 2.1.2 Phương pháp tách tin 20 2.1.3 Phân tích thuật tốn 22 2.2 GIẤU TIN TRÊN MIỀN BIẾN ĐỔI DCT 23 2.2.1 Biến đổi DCT thuận nghịch 23 2.2.2 Đặc điểm phép biến đổi DCT ảnh hai chiều 24 2.2.3 Kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DCT 25 2.2.3.1 Quá trình nhúng thủy vân 25 2.2.3.2 Quá trình tách thủy vân 29 2.2.3.3 Phân tích thuật toán 31 Chương MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN 32 3.1 KHÁI NIỆM PHÂN TÍCH TIN ẨN GIẤU 32 3.2 PHÂN LOẠI PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN 33 3.3 MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN 34 3.3.1 Kỹ thuật phân tích cặp giá trị điểm ảnh 34 3.3.1.1 Thuật toán PoV3 35 3.3.1.2 Phân tích thuật tốn 36 3.3.2 Kỹ thuật phân tích đối ngẫu 37 3.3.2.1 Khái niệm kỹ thuật đối ngẫu 37 3.3.2.2 Thuật toán RS 39 KẾT LUẬN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 GIỚI THIỆU Công nghệ thông tin đặc biệt phát triển hệ thống mạng máy tính tạo nên mơi trường mở phương tiện trao đổi, phân phối tài liệu cách tiện lợi, nhanh chóng Tuy nhiên đặt vấn đề bảo vệ tài liệu, ngăn chặn việc đánh cắp chép tài liệu cách bất hợp pháp Vấn đề an tồn bảo mật thơng tin nhận quan tâm đặc biệt nhiều nhà nghiên cứu nhiều lĩnh vực Một giải pháp sử dụng tỏ hiệu cho việc đảm bảo an tồn thơng tin giấu tin vào đối tượng khác Đối tượng áp dụng để chứa tin phổ biến ảnh Giải pháp giấu tin đưa nhằm hai mục tiêu bảo mật cho thơng tin đem giấu (giấu tin mật) bảo mật cho đối tượng dùng để chứa tin (thủy vân số) Giấu tin mật (steganography) lĩnh vực khoa học nghệ thuật giấu thông tin đa phương tiện Hệ thống steganography giấu thông tin mật số vào đối tượng số khác mà khó bị phát kỹ thuật thông thường Trước người sử dụng ẩn hình xăm mực vơ hình để truyền thơng điệp mật Ngày nhờ có máy tính công nghệ mạng công việc truyền thông tin mật trở nên dễ dàng hiệu Thủy vân ảnh số (watermarking) kỹ thuật nhúng lượng thông tin số vào ảnh số cho người khơng phép, khó lấy thơng tin khỏi ảnh mà khơng phá hủy ảnh gốc Trong kỹ thuật thủy vân số thơng tin nhúng gọi thủy vân Thủy vân chuỗi ký tự hay hình ảnh Tuy nhiên kỹ thuật giấu tin làm nảy sinh nguy khác lợi dụng việc giấu tin để thực hành vi bất hợp pháp truyền kế hoạch công khủng bố, sản phẩm văn hóa khơng lành mạnh,… Từ đặt vấn đề làm để phát ảnh có giấu tin hay khơng, thơng tin chứa Hiện có số phương pháp giấu tin phát tin nghiên cứu rộng rãi Đồ án em nhằm tìm hiểu số thuật tốn giấu tin phát ảnh có giấu tin DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT DCT Discrete Consine Transform IDCT Inverted Discrete Consine Transform Phép biến đổi cosin rời rạc Phép biến đổi consin rời rạc ngược LSB Least Significant Bit Bit quan trọng PoV Pair of Values Cặp giá trị RS Regular – Singular Kỹ thuật quy - đơn IMG Image Ảnh đen trắng img PCX Personal Computer Exchange Ảnh xám PCX GIF Graphics Interchange Format Định dạng ảnh đồ họa GIF BMP Bitmap Ảnh không nén Bitmap JPEG Joint Photographic Expert Group Ảnh nén JPEG RLC Run Length Coding LZW Lampel Ziv Welch DES Data Encryption Standard Phương pháp nén liệu ảnh loạt dài RLC Phương pháp nén liệu ảnh LZW Chuẩn mã liệu Audio Âm Video Âm hình ảnh nhìn thấy Chương 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN KHÁI NIỆM MÃ HĨA 1/ Mã hóa q trình chuyển thơng tin đọc (gọi rõ) thành thơng tin “khó” đọc theo cách thông thường (gọi mã) Đó kỹ thuật để bảo mật thơng tin 2/ Giải mã q trình chuyển thơng tin ngược lại từ mã thành rõ 3/ Thuật tốn mã hóa hay giải mã thủ tục tính tốn để thực mã hóa hay giải mã 4/ Khóa mã hóa giá trị làm cho thuật tốn mã hóa thực theo cách riêng biệt sinh mã riêng Thơng thường khóa lớn mã an tồn Phạm vi giá trị có khóa gọi Khơng gian khóa 5/ Hệ mã hóa tập thuật tốn, khóa nhằm che giấu thơng tin, làm rõ Có thể chia hệ mã hóa thành hai loại hệ mã hóa khóa đối xứng hệ mã hóa khóa bất đối xứng Hệ mã hóa khóa đối xứng hệ mã hóa mà biết khóa lập mã “dễ” tính khóa giải mã ngược lại Đặc biệt số hệ mã hóa có khóa lập mã khóa giải mã trùng (k e = kd), hệ mã hóa “dịch chuyển” hay DES Hệ mã hóa khóa đối xứng cịn gọi Hệ mã hóa khóa bí mật, hay khóa riêng, phải giữ bí mật khóa Sự mã hóa giải mã hệ thống mã hóa khóa đối xứng biểu thị bởi: Ek: P → C Dk: C → P Hệ mã hóa khóa phi đối xứng hệ mã hóa có khóa lập mã khóa giải mã khác (ke kd), biết khóa “khó” tính khóa Hệ mã hóa cịn gọi Hệ mã hóa khóa cơng khai vì: + Khóa lập mã cho cơng khai, gọi khóa cơng khai (Public key) + Khóa giải mã giữ bí mật, cịn gọi khóa riêng (Private key) hay khóa bí mật 1.2 1.2.1 KHÁI NIỆM GIẤU TIN Khái niệm 1/ Môi trường giấu tin (cover multimedia) (hay gọi vật mang tin) đối tượng dùng để giấu tin văn bản, ảnh, audio, video… Giấu tin ảnh: Thông tin giấu vào liệu ảnh chất lượng ảnh thay đổi “khó” biết đằng sau ảnh mang thơng tin có ý nghĩa Trong ảnh thơng tin giấu cách vơ hình Nó cách truyền thơng tin mật cho mà người khác biết Giấu tin audio: Giấu tin audio lại phụ thuộc vào hệ thống thính giác Giấu thơng tin audio địi hỏi u cầu cao tính đồng tính an tồn thơng tin Các phương pháp giấu thông tin audio lợi dụng điểm yếu hệ thống thính giác người Giấu tin video: Cũng giống giấu tin ảnh hay audio, giấu tin video quan tâm phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng điều khiển truy cập thông tin, xác thực thông tin bảo vệ quyền tác giả Ý tưởng phương pháp phân phối thông tin giấu dàn trải theo tần số liệu gốc 2/ Dữ liệu giấu (information) lượng thơng tin mang ý nghĩa đó, tùy thuộc vào mục đích người sử dụng 3/ Giấu thơng tin nhúng mẩu tin mật vào vật mang tin khác, cho mắt thường “khó” phát mẩu tin mật đó, mặt khác khó nhận biết vật mang tin giấu tin mật 1.2.2 So sánh giấu tin mã hóa Giống nhau: mục đích để đối phương “khó” phát tin cần giấu Khác nhau: “Mã hóa” giấu “ý nghĩa” thông tin “Giấu tin” giấu “sự diện” thông tin 1.3 PHÂN LOẠI CÁC KỸ THUẬT GIẤU TIN Có thể chia kỹ thuật giấu tin làm loại lớn thủy vân (watermarking) giấu tin mật (steganography) Information hiding Giấu thông tin Steganography Watermarking Giấu tin mật Thủy vân Intrinsic Pure Robust Copyright marking Fragile Watermarking Giấu tin có xử lý Giấu tin đơn Thủy vân bền vững Thủy vân”dễ vỡ” Imperceptible Watermarking Visible Watermarking Thủy vân ẩn Thủy vân Hình Phân loại kỹ thuật giấu tin 1/ Thủy vân số (Watermarking): Giấu mẩu tin ngắn, địi hỏi độ bền vững cao thơng tin cần giấu (trước biến đổi thông thường tệp liệu môi trường) Thủy vân bền vững: thường ứng dụng bảo vệ quyền Thủy vân nhúng sản phẩm hình thức dán tem quyền Trong trường hợp này, thủy vân phải tồn bền vững với sản phẩm nhằm chống việc tẩy xóa, làm giả hay biến đổi phá hủy thủy vân Thủy vân dễ vỡ: Là kỹ thuật nhúng thủy vân vào đối tượng (sản phẩm) cho phân bố sản phẩm (trong môi trường mở) có phép biến đổi làm thay đổi sản phẩm gốc thủy vân giấu đối tượng khơng cịn ngun vẹn trước giấu Thủy vân ẩn: Cũng giống giấu tin, mắt thường khơng thể nhìn thủy vân ẩn Thủy vân hiện: Là loại thủy vân sản phẩm người nhìn thấy 2/ Giấu tin mật (Steganography): Che giấu tin (đòi hỏi độ mật cao dung lượng lớn tốt) vào môi trường (đối tượng) gốc Phân biệt Steganography watermarking Steganography Watermarking Tập trung vào việc giấu Không cần giấu nhiều thông tin, nhiều tin tốt, ứng dụng cần lượng thông tin nhỏ đặc trưng truyền liệu mật cho quyền người sở hữu Cố gắng làm ảnh hưởng đến Trong trường hợp thủy vân nhìn chất lượng đối tượng gốc để thấy thủy vân không bị ý đến liệu giấu Thay đổi đối tượng gốc làm Thủy vân phải bền vững với cho liệu giấu bị sai lệch (ứng cơng có chủ đích khơng có dụng xác thực thơng tin) chủ đích vào sản phẩm Bảo mật cho liệu cần giấu Khía Thủy vân số đánh dấu vào cạnh tập trung vào kỹ thuật đối tượng, nhằm khẳng định giấu tin mật, tức giấu tin cho quyền sở hữu hay phát xuyên giấu nhiều người khác khó tạc thơng tin phát thơng tin giấu Vì C[2,3] = 143 có giá trị tuyệt đối lớn C[6,2], theo cơng thức (2,7) ta tính giá trị C[2,3] là: C[2,3] = C[2,3] – (d – INT(0.25a)) = 143 – (14 – INT(0.25 × 26)) = 135 Khi thay đổi hệ số C[2,3] = 135 ta thực phép biến đổi ngược IDCT(C) thu khối B’ sau: B’ = 31 83 67 60 17 160 183 143 27 74 16 38 163 158 136 132 28 59 48 66 193 167 144 138 15 15 15 67 114 123 192 169 88 76 15 102 168 104 200 177 20 10 15 27 139 197 165 141 17 16 15 178 240 235 191 109 17 18 88 178 166 232 191 190 28 2.2.3.2 Quá trình tách thủy vân Input  Ảnh nhúng thủy vân F’  Khóa K (nếu có) Output  Thủy vân nhúng W biểu diễn qua dãy bit bk 1/ Các bước thực Bước 1: Chia ảnh F’ nhúng thủy vân thành khối B’k Bước 2: Biến đổi DCT khối B’k Bk = DCT(B’k.) Bước 3: Lấy vị trí hai hệ số biến đổi Bk[i,j] Bk[p,q] Bước 4: Tính d = | Bk[i,j] - Bk[p,q | mod a với a = 2(2t+1) chọn nhúng thủy vân Bước 5: Nếu d ≥ 2t + bit bk = ngược lại bk = Bước 6: Ghép bit bk tách từ khối để thủy vân đầy đủ W Ảnh nhúng thủy vân Tách khối Lấy khối chọn Biến đổi DCT Khối biến đổi DCT watermarks 29 2/.Ví dụ: Với khối B’ ví dụ trên, trình tách thủy vân sau: Ta thực phép biến đổi ngược IDCT khối B’ để thu khối B sau: B= 869 -438 -102 115 18 -62 -41 -110 64 135 -18 -78 -62 -2 38 30 -4 -37 -7 -67 55 -42 -7 27 22 -10 -3 57 -26 -57 -3 -2 109 -69 -33 41 -23 -27 -26 -29 33 -10 12 -8 -46 -13 33 38 -42 42 33 28 -31 -24 40 Ta lấy hai hệ số B[2, 3] = 135 B[6, 2] = -27 Tính độ lệch d = ||B[2, 3]| - | B[6, 2] || mod 26 = Ta thấy d < 2t + = 13, bit b = giấu vào khối 30 2.2.3.3 Phân tích thuật tốn Kích thước khối ảnh thuật tốn 8, nhiên chọn kích thước khác tùy theo kích thước ảnh gốc kích thước thực tế thủy vân Việc chọn cặp hệ số miền tần số chọn cố định cho tất khối q trình nhúng thủy vân Khi đó, thủy vân dễ bị phát thông qua việc thử cặp hệ số miền tần số Có thể làm tăng độ an tồn khó bị phát thủy vân cách đưa thuật tốn có sử dụng khóa cho lựa chọn cặp hệ số miền tần số cho khối DCT Khi đó, vị trí cặp hệ số chọn cho trình nhúng thủy vân khối sử dụng phụ thuộc vào khóa q trình tách thủy vân Trong thuật tốn này, q trình tách thủy vân khơng cần ảnh gốc Tham số a thuật tốn đóng vai trị hệ số tương quan tính ẩn tính bền vững thủy vân Khi tăng hệ số a lên độ sai lệch thủy vân giảm bền vững Tuy nhiên, tăng a chất lượng ảnh sau giấu tin giảm Điều dễ hiểu a lớn, nghĩa phân lớp khoảng cách hai hệ số lớn nên khoảng cách biến đổi hệ số để thỏa mãn điều kiện giấu lớn, dẫn đến ảnh hưởng nhiều đến chất lượng ảnh 31 Chương 3.1 MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN KHÁI NIỆM PHÂN TÍCH TIN ẨN GIẤU Phân tích tin ẩn giấu hay cịn gọi cơng hệ giấu tin (steganalysis) phương pháp để phát hiện, trích rút, phá hủy hay sửa đổi thơng tin giấu Việc phân tích coi thành cơng hay khơng cịn tùy theo ứng dụng Đối với việc liên lạc bí mật, việc phát chứng minh ảnh có chứa tin mật coi thành công Đối với bảo vệ quyền số hay chống giả mạo việc phân tích coi thành cơng khơng phát thủy vân mà phá hủy hay sửa đổi khơng làm giảm chất lượng ảnh mang Đề tài nghiên cứu ứng dụng hệ giấu tin mật Các kỹ thuật phân tích giấu tin mật tập trung vào việc phát có mặt hay không thông điệp ẩn liệu quan sát Bài tốn trích chọn thơng điệp bí mật bái tốn khó tốn phát hiện, toán phát làm tiền đề cho việc trích chọn Như vậy, xác định hai mục tiêu rõ ràng tốn phân tích hệ giấu tin mật là: Phân tích giấu tin bị động (Passive steganalysis): Phát diện hay khơng thơng điệp bí mật liệu quan sát Phân tích giấu tin chủ động (Active steganalysis): Trích chọn phiên thơng điệp bí mật từ phương tiện chứa tin Trong khuôn khổ báo cáo, em tập trung vào giải vấn đề phát tồn thơng điệp bí mật 32 3.2 PHÂN LOẠI PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN Phân tích trực quan: Đây phương pháp đơn giản kết thường không đáng tin cậy Để phát khả ảnh có giấu tin hay khơng việc phân tích ảnh cách trực quan tìm kiếm “điểm bất thường” Nhiều phương pháp giấu tin mật, bao gồm giấu tin dựa LSB phương pháp dựa DCT loại bỏ biến dạng vùng ảnh mịn cách dễ nhận thấy Thật vậy, việc thay đổi bảng màu (của ảnh màu) dù nhỏ để giấu thơng điệp bí mật dẫn đến kết thay đổi màu sắc lớn ảnh gốc, đặc biệt ảnh gốc có chứa màu sắc khác mức độ cao Cũng thực tế với ảnh màu tự nhiên, thay đổi bit màu Phân tích định dạng ảnh: Có nhiều định dạng tệp tin ảnh khác BMP, GIF, JPEG Mỗi loại có đặc điểm cấu trúc định dạng tệp tin khác Do đó, thực giấu tin, chẳng hạn giấu tin theo LSB, cho thay đổi ảnh kết điểm ảnh khác Và thực phát ảnh giấu tin Ví dụ với ảnh JPG: Ảnh JPG sử dụng phép biến đổi DCT để biến đổi liên tiếp khối điểm ảnh × vào ma trận 64 hệ số DCT Bit LSB hệ số DCT sử dụng bit dư thừa mà ta giấu bit thông điệp ẩn vào Sự thay đổi hệ số DCT đơn lẻ tác động lên tất 64 điểm ảnh Vì lý khơng thể áp dụng việc phân tích trực quan loại ảnh Phân tích thống kê: Theo Plitzman Westfeld, lý thuyết thống kê áp dụng để phân tích thống kê cặp giá trị (cặp giá trị điểm ảnh, cặp hệ số DCT, cặp số bảng màu) để tìm khác biệt bit LSB Trước giấu tin, ảnh chứa thông điệp (cover image), cặp hai giá trị phân phối không Sau giấu tin, giá trị cặp có xu hướng trở nên Hơn nữa, kỹ thuật giấu tin mật giấu bit thông điệp cách vào điểm ảnh (hoặc số bảng màu hệ số DCT) liên tiếp nhau, góc trái ta quan sát thay đổi đột ngột thống kê Một số kỹ thuật thống kê trình bày phần cuối chương 33 3.3 MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN 3.3.1 Kỹ thuật phân tích cặp giá trị điểm ảnh Khái niệm cặp giá trị (PoV – Pairs of Values) Pfitzmann Westfeld đưa Cho ảnh I Gọi j giá trị điểm ảnh (pixel) ảnh I Nếu I ảnh đa cấp xám – bit j [0,255] Nếu j chẵn (j = 2i) sau phép lật bit giá trị j 2i + 1, j lẻ (j = 2i+1) sau phép lật bit giá trị j 2i Như vậy, giá trị điểm ảnh cặp sau giấu tin giá trị nằm cặp có tính chất chẵn lẻ tương tự PoV cặp hai giá trị điểm ảnh (2i, 2i+1) hai giá trị cặp sai khác bit thấp Trong thuật tốn trình bày có liên quan đến khái niệm tần số xuất giá trị điểm ảnh j Đó số lần xuất giá trị điểm ảnh j ảnh Kỹ thuật PoVs gọi phương pháp thống kê X (khi bình phương – Chi_squared) áp dụng thành công việc phát giấu tin mật LSB cách Có nhiều kỹ thuật PoV khác PoV2, PoV2r, PoV3 Trong PoV2 PoV2r kiểm tra tập điểm ảnh chọn người dùng PoV2 kiểm tra phần trăm điểm ảnh (được chọn người dùng) cách tuần tự, góc trái ảnh PoV2r kiểm tra cách phần trăm điểm ảnh chọn người dùng bắt đầu điểm ảnh sau thực phép lật bit điểm cuối chọn PoV3 kiểm tra tổng phần trăm điểm ảnh từ 1% đến 100% trả xác suất tập điểm ảnh ảnh kiểm tra Các điểm ảnh kiểm tra cách tuần tự, góc bên trái ảnh Thực tế PoV3 kiểm tra nhóm điểm ảnh theo trật tự Mục trình bày chi tiết kỹ thuật phát tin giấu PoV3 34 3.3.1.1 Thuật toán PoV3 Tư tưởng Với ảnh I cần kiểm tra, trước tiên ta thống kê tần số giá trị điểm ảnh chẵn, lẻ có mặt ảnh I Ta xác định xác suất giấu tin ảnh thông qua việc áp dụng tiêu chuẩn phân phối tần số cặp PoV Input: Ảnh I cần kiểm tra Output: P: xác suất giấu tin ảnh I Cách thức thực Bước 1: Đọc vào ảnh I Bước 2: Đọc liệu ảnh vào ma trận Mm n Bước 3: Khởi tạo giá trị ban đầu cho vecto X, Y For each k [0, 127] X[k] = 0; Y[k] = Bước 4: Tính X[k] tần số xuất điểm ảnh có giá trị chẵn ảnh Tính Y[k] tần số xuất điểm ảnh có giá trị lẻ ảnh Bước 5: Giả sử ta có N cặp PoV Với k Nếu (X[k] + Y[k]) X[k] = Y[k] = 0; N=N–1; Bước 6: For each k Z[k] = (X[k] + Y[k])/2; Bước 7: Giả sử ta có N cặp PoV, theo phương pháp thống kê Khi – bình phương với N – bậc tự ta tính 127 N ( X [k] Z[k]) Z[k] = k (1) Bước 8: Tính P xác suất việc giấu tin P=1- N N 2 ( x N e 2x N1 dx (2) ) 35 3.3.1.2 Phân tích thuật tốn Thông thường ảnh kiểm tra ảnh đa cấp xám – bit ta có 256 mức xám khác Thuật toán xác định cặp phần tử giá trị mức xám chẵn, lẻ nên số lượng phần tử chẵn, lẻ có không 256/2 = 128 phần tử Ta xây dựng hai vecto X(x0, x1, …, xk), Y(y0, y1, …., yk) để thống kê tần số xuất điểm ảnh, với k 127 Mỗi phần tử X lưu tần số xuất điểm ảnh chẵn (X[k] = 2k), phần tử Y lưu tần số xuất điểm ảnh lẻ (Y[k] = 2k + 1) với k 127 Ban đầu khởi tạo phần tử X Y Sau thuật tốn thực việc thống kê giá trị mức xám có ảnh cần kiểm tra tương ứng tăng giá trị phần tử X[k] Y[k] Giả sử ta có N cặp PoV, có k mức chẵn (lẻ) k 127 Nếu X[k] + Y[k] X[k] = Y[k] = Z[k] = N = N – Nếu ảnh có chứa thơng điệp tin ẩn X[k] = Z[k] k, dx bé từ (2) x N1 phương trình (1) bé tích phân x2 N e2 N suy xác suất p lớn Ngược lại N lớn suy xác suất p bé Căn vào lớn bé xác suất p ta định ảnh có giấu tin hay khơng Hơn Wesfeld Pfitzmann cịn khẳng định 100% điểm ảnh có chứa thơng tin giấu xác suất giấu tin giảm rõ rệt 36 3.3.2 Kỹ thuật phân tích đối ngẫu 3.3.2.1 Khái niệm kỹ thuật đối ngẫu Kỹ thuật đối ngẫu hay gọi kỹ thuật RS (Regular - Singular) Fridrich đưa Phương pháp thực thống kê thay đổi nhóm quy (Regular) nhóm đơn (Singular) ảnh để ước lượng độ dài thông điệp giấu cách xác Phương pháp phù hợp với ảnh màu ảnh đa cấp xám thông điệp giấu cách ngẫu nhiên Kỹ thuật RS số kỹ thuật dựa lý thuyết xác suất thống kê Giả sử ta có ảnh có M × N điểm ảnh Tập P tập tất giá trị điểm ảnh có ảnh Với ảnh đa cấp xám – bit P = {0, 1, …., 255} Định nghĩa 3.3.1 Một hàm độ khác biệt f nhóm G = (x1, x2, …, xn) định nghĩa sau: n F(x1, x2, …, xn) = i |xi – xi+1| Trong x1, x2, …, xn giá trị điểm ảnh nhóm G Hàm ƒ xem độ trơn nhóm G Việc giấu tin LSB làm tăng nhiễu ảnh ta hy vọng giá trị hàm f tăng (hoặc giảm) sau giấu tin LSB Định nghĩa 3.3.2 Việc giấu tin LSB sử dụng kiểu hàm lật (flip) bit Fm(x) với m = -1, 0, x giá trị điểm ảnh Cụ thể sau: F1:0↔1,2↔3,…,254↔255 F-1:-1↔0,1↔2,3↔4, …,253↔254,255↔256 Hay F-1(x) = F(x+1) – với x F0(x) = x, với x P 37 Định nghĩa 3.3.3 Phép lật bit F1 F-1 áp dụng lên nhóm G (x1, x2, x3, …., xn) với mặt nạ M (M n – với thành phần nhận giá trị -1, 1) định nghĩa sau: FM(G) = (FM(1)(x1), FM(2(x2), … , FM(n)(xn)) M(i) {-1, 0, 1} Ví dụ: giá trị điểm ảnh nhóm G (39, 38, 40, 41) cho mặt nạ M = (1, 0, 1, 0) FM(G) = (F1(39), F0(38), F1(40), F0(41)) = (38, 38, 41, 41) Định nghĩa 3.3.4 Cho mặt nạ M, phép lật bit F, hàm khoảng cách ƒ, nhóm G điểm ảnh phân lớp vào ba lớp sau: G R G Sƒ (FM (G)) < ƒ(G) G Uƒ (FM (G)) = ƒ(G) ƒ (FM (G)) > ƒ(G) Trong R gọi nhóm quy (Regular), S nhóm đơn (Singular) U nhóm khơng dùng (Unusable) Định nghĩa 3.3.5 Ta gọi RM số tương đối nhóm R với mặt nạ M khơng âm, M {0, 1} SM số tương đối nhóm S với mặt nạ M không âm, M {0, 1} R -M số tương đối nhóm R với mặt nạ M không dương, M {-1, 0} S-M số tương đối nhóm S với mặt nạ M khơng dương, M {-1, 0} Ta có RM xấp xỉ R-M, S-M xấp xỉ S-M viết sau: RM R-M SM S-M Việc giấu tin LSB tập trung vào khác biệt RM SM Nếu có 50% điểm ảnh bị lật (khi điểm ảnh bị giấu bit thông điệp) ta thu RM SM ảnh hưởng việc giấu tin LSB đến R-M S-M lại ngược lại Dưới trình bày bước cụ thể kỹ thuật RS có sử dụng đến khái niệm định nghĩa vừa trình bày 38 3.3.2.2 Thuật toán RS Tư tưởng: Kỹ thuật RS phân hoạch ảnh cần kiểm tra thành nhóm điểm ảnh cố định Mỗi nhóm lại phân lớp vào nhóm R hay S phụ thuộc vào khác biệt điểm ảnh nhóm bị tăng giảm sau phép lật bit LSB với mặt nạ M Sau tính xác suất việc giấu tin vào số nhóm R, S Input Ảnh I cần kiểm tra n: số phần tử nhóm Mn: mặt nạ vecto có phần tử nhận giá trị tập {-1, 0, 1} Output P: Xác suất giấu tin ảnh I Cách thực Bước 1: Đọc vào ảnh I Bước 2: Đọc giá trị điểm ảnh vào ma trận AM × N Bước 3: P = P {xi} với xi [0, 255] Bước 4: Chia ảnh thành M × N/n nhóm khác Mỗi nhóm n điểm ảnh Với nhóm G = (x1, x2, …, x n) ta thực bước sau: Bước 5: Tính hàm ƒ(G) n ƒ(G) = i |xi – xi+1| Bước 6: Cho mặt nạ M = {M(i)}i = 1, …, n với M(i) {-1, 0, 1} Tính FM(G) = (FM(1)(x1), FM(2)(x2), … , FM(n)(xn)) Bước 7: Phân lớp nhóm G ƒ (FM (G)) > ƒ(G) R = R G; ƒ (FM (G)) < ƒ(G) S = S G; ƒ (FM (G)) = ƒ(G) U = U G 39 Bước 8: Tính RM = số nhóm R tương ứng với mặt nạ M, M {0, 1} SM = số nhóm S tương ứng với mặt nạ M, M {0, 1} R-M = số nhóm R tương ứng với mặt nạ M, M {-1, 0} S-M = số nhóm S tương ứng với mặt nạ M, M {-1, 0} Bước 9: Nếu | RM | = | SM | p =1 Ngược lại thực bước đến bước 12 Bước 10: Tính hệ số d0 = RM (p/2) – SM (p/2); d0 = RM (1 - p/2 )– SM (1 - p/2); d-0 = R-M (p/2) – S-M (p/2); d-1 = R-M (1 - p/2) – S-M (1 - p/2); Bước 11: Tính xp nghiệm phương trình 2(d + d ) x + (d – d - d - 3d ) x + d – d p -0 -1 p -0 P = xp / (xp -1/2) 40 KẾT LUẬN Kể từ đời, giấu tin làm tốt vai trị nhiều lĩnh vực bảo vệ thơng tin an tồn trình trao đổi, bảo vệ quyền tác giả q trình phân phối,…Tuy nhiên, có trường hợp lợi dụng kỹ thuật giấu tin để thực hành vi bất hợp pháp tuyên truyền sản phẩm văn hóa khơng lành mạnh, truyền thơng tin kế hoạch công khủng bố,…Từ sử dụng sai chức giấu tin đặt vấn đề làm để phát phương tiện chứa tin có tiềm ẩn bên tin giấu hay khơng, thơng tin chứa nhằm hỗ trợ việc ngăn ngừa thảm kịch xảy Mặt khác việc nghiên cứu khả phát thông tin ẩn làm tăng mức độ an toàn cho kỹ thuật giấu tin, đặc biệt kỹ thuật giấu tin mật Bài toán đặt phát có tồn tin giấu ảnh hay khơng, sửa đổi hay phá hủy thơng tin giấu hay khơng? Trên giới có nhiều cách tiếp cận khác để giải toán phát tin giấu Trong đồ án em trình bày số kỹ thuật giấu tin thay bit có trọng số thấp nhất, kỹ thuật thủy vân miền biến đổi DCT, em tìm hiểu kỹ thuật phát ảnh có giấu tin theo hướng tiếp cận sử dụng lý thuyết xác suất thống kê Kết đồ án tốt nghiệp là: 1/ Trình bày số khái niệm mã hóa, giấu tin vấn đề liên quan 2/ Trình bày hai phương pháp giấu tin ảnh: giấu tin bit có trọng số thấp nhất, kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DCT 3/ Trình bày kỹ thuật phân tích cặp giá trị điểm ảnh PoV3, kỹ thuật phân tích đối ngẫu RS 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình giấu tin thủy vân ảnh – Nguyễn Xuân Huy – Trần Quốc Dũng [2] Luận văn thạc sĩ “Giấu thông tin ảnh” – Vũ Thị Chung Thủy – năm 2004 [3] Luận văn thạc sĩ: “Bảo mật kỹ thuật mã hóa giấu tin” – Đinh Ngọc Triều – 2004 [4] Giáo trình “An tồn liệu” – Trịnh Nhật Tiến [5] “Nhập môn xử lý ảnh số”- Lương Mạnh Bá, Nguyễn Thanh Thúy, nhà xuất khoa học kỹ thuật [6] Luận văn thạc sĩ “Kỹ thuật giấu tin ảnh nghiên cứu khả để phát ảnh có giấu tin” – Nguyễn Thị Phương Hoa 42 ... Chương MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN 32 3.1 KHÁI NIỆM PHÂN TÍCH TIN ẨN GIẤU 32 3.2 PHÂN LOẠI PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN 33 3.3 MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN. .. giấu tin vào ảnh theo kỹ thuật LSB, lật bit bên phải 21 2.1.3 Phân tích thuật tốn 1/ Đánh giá thuật toán Thuật toán giấu tin coi an tồn thơng tin giấu khơng bị phát thời gian phát thông tin giấu. .. bài, ảnh, … 1.6.2 Giấu tin phụ thuộc ảnh Kỹ thuật giấu tin phụ thuộc vào loại ảnh khác Chẳng hạn ảnh đen trắng, ảnh xám hay ảnh màu, ta có kỹ thuật riêng loại ảnh với đặc trưng khác Ảnh nén ảnh