Kỹ thuật giấu tin thuận nghịch

2 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƢƠNG 11 TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 11 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 11 1.1.1 Khái niệm giấu tin 11 1.1.2 Lịch sử kỹ thuật giấu tin 11 1.1.3 Phân loại kỹ thuật giấu tin 13 1.1.4 Mơ hình kỹ thuật giấu tin 14 1.1.5 Các ứng dụng kỹ thuật giấu tin 16 1.2 TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG MỘT SỐ MÔI TRƢỜNG 17 1.2.1 Giấu tin văn 17 1.2.2 Giấu tin ảnh số 17 1.2.3 Giấu tin audio 18 1.2.4 Giấu tin video 19 1.3 ĐẶC TRƢNG CỦA KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ 19 1.3.1 Kỹ thuật giấu tin dựa vào đặc điểm hệ thống thị giác người 19 1.3.2 Giấu thông tin ảnh khơng thay đổi kích thước ảnh 20 1.3.3 Đảm bảo chất lượng ảnh sau giấu tin 20 1.3.4 Thông tin mật bị sai lệch có biến đổi ảnh 20 1.4 THỦY VÂN SỐ TRÊN ẢNH 21 1.4.1 Sơ lược thủy vân số 21 1.4.2 Các yêu cầu hệ thuỷ vân 23 1.4.3 Mơ hình hệ thống thuỷ vân 24 1.4.4 Những công hệ thuỷ vân 26 1.4.5 Đánh giá chất lượng ảnh thuỷ vân 26 CHƢƠNG 29 MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ 29 2.1 CÁC HƢỚNG TIẾP CẬN CỦA GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ 29 2.2 CẤU TRÚC ẢNH BITMAP 32 2.2.1 Khái niệm 32 2.2.2 Định dạng tệp ảnh bitmap 33 2.3 KỸ THUẬT GIẤU TIN THEO KHỐI BIT 38 2.3.1 Ý tưởng 38 2.3.2 Bài toán giấu tin 38 2.3.3 Phân tích tốn 39 2.4 KỸ THUẬT GIẤU TIN WU-LEE 41 2.4.1 Thuật toán giấu tin 41 2.4.2 Phân tích thuật tốn 44 2.4.3 Thí dụ minh họa thuật tốn Wu-Lee 45 2.4.4 Một số nhận xét thuật toán Wu-Lee 46 2.5 KỸ THUẬT GIẤU TIN CHEN-PAN-TSENG 48 2.5.1 Ý tưởng 49 2.5.2 Thuật toán CPT 49 2.5.3 Chứng minh tính đắn thuật tốn 51 2.5.4 Ví dụ minh họa thuật toán CPT 53 2.5.5 Phân tích thuật tốn 56 CHƢƠNG 57 KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH 57 3.1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH 57 3.2 KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH NSAS 59 3.3 KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH HKC 61 3.4 KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH TYC 63 3.4.1 Bài toán giấu tin theo thuật toán TYC 64 3.4.2 Thuật toán giấu tin TYC 64 3.4.3 Thuật toán tách tin TYC 65 3.4.4 Ví dụ mơ tả thuật tốn TYC 65 3.4.5 Phân tích thuật tốn giấu tin thuận nghịch TYC 719 CHƢƠNG 73 CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM CHƢƠNG TRÌNH GIẤU TIN 73 4.1 CẤU HÌNH HỆ THỐNG 73 4.2 MỘT SỐ GIAO DIỆN CHÍNH CỦA CHƢƠNG TRÌNH 73 4.3 HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG CHƢƠNG TRÌNH 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu BMP Diễn giải Bitmap Ý nghĩa Định dạng tệp tin lưu trữ liệu ảnh Microsoft đề xuất Kỹ thuật giấu tin ba tác giả CPT Y Chen, H Pan, Y Tseng Y Chen, H Pan, Y Tseng đề xuất DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi Cosin rời rạc DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc Kỹ HKC thuật giấu tin thuận J.H Hwang, J W Kim, J U nghịch ba tác giả J.H Choi Hwang, J W Kim, J U Choi đề xuất JPEG Joint Photographic Experts Chuẩn nén ảnh ủy Group JPEG quốc tế Kỹ NSAS Zhicheng Ni, Yun-Qing Shi, Nirwan Ansari, Wei Su thuật nghịch giấu bốn tin tác thuận giả Zhicheng Ni, Yun-Qing Shi, Nirwan Ansari, Wei Su đề xuất PSNR Peak Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu cực đại nhiễu Kỹ TYC thuật Wei-Liang Tai, Chia-Ming Yeh, nghịch Chin-Chen Chang giấu ba tin tác thuận giả Wei-Liang Tai, Chia-Ming Yeh, Chin-Chen Chang đề xuất DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Ý nghĩa trường vùng Bitmap Header 34 Bảng 2.2 Ý nghĩa trường vùng Bitmap Information 35 Bảng 2.3 Cấu trúc nội dung color palette 36 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phân loại kỹ thuật giấu tin 13 Hình 1.2 Lược đồ trình giấu tin 14 Hình 1.3 Lược đồ tách tin giấu 15 Hình 1.4 Phân loại kỹ thuật thủy vân 21 Hình 1.5 Mơ hình q trình nhúng thủy vân 24 Hình 1.6 Mơ hình q trình tách kiểm định thuỷ vân 25 Hình 2.1 Minh hoạ cấu trúc tệp ảnh bitmap 33 Hình 2.2 Mơ tả tốn tử  hai ma trận 41 Hình 2.3 Mơ tả tốn tử SUM ma trận 42 Hình 2.4 Minh hoạ thuật tốn giấu tin Wu-Lee 45 Hình 2.5 Ma trận F ma trận K trước thay đổi 47 Hình 2.6 Minh hoạ thay đổi ngẫu nhiên thay đổi có định hướng 47 Hình 2.7 Mơ tả tốn tử  hai ma trận 48 Hình 2.8 Ví dụ ma trận số 48 Hình 2.9 Minh hoạ thuật toán CPT trường hợp thay đổi bit 53 Hình 2.10 Minh hoạ trình trích thơng tin giấu 54 Hình 2.11 Thí dụ minh họa trường hợp thay đổi hai bit 55 Hình 3.1 Histogram tương ứng ảnh đa mức xám 58 Hình 3.2 Histogram thành phần R, G, B ảnh màu 58 Hình 3.3 Histogram ảnh gốc 59 Hình 3.4 Histogram ảnh giấu tin 59 Hình 3.5 Histogram ảnh gốc 61 Hình 3.6 Histogram ảnh giấu tin 61 Hình 3.7 a - Ảnh nguồn 63 Hình 3.7 b – Thứ tự tuyến tính điểm ảnh nguồn 63 Hình 3.8 Ảnh mang 65 Hình 3.9 Hình mơ tả tính d 66 Hình 3.10 Histogram d 66 Hình 3.11.Mơ tả dịch ảnh mang X ứng với di>P 67 Hình 3.12 Mơ tả giấu tin mật điểm ứng với di=P 67 Hình 3.13 Mơ tả q trình phục hồi ảnh gốc 68 Hình 3.14 Mơ tả q trình tách tin phục hồi ảnh gốc 68 Hình 3.15a Histogram khối khơng thể giấu tin 70 Hình 3.15b Histogram khối giấu tin 70 Hình 4.1 Giao diện chương trình giấu tin áp dụng thuật toán CPT 73 Hình 4.2 Giao diện chương trình giấu tin áp dụng thuật tốn TYC 74 Hình 4.3 Giao diện chương trình giấu tin 74 Hình 4.4 Giao diện chương trình sau giấu tin mật 75 Hình 4.5 Giao diện chương trình tách tin mật 75 Hình 4.6 Giao diện chương trình sau phục hồi ảnh gốc 76 Hình 4.7 Giao diện tải ảnh để giấu tin 77 Hình 4.8 Giao diện giấu tin 78 Hình 4.9 Giao diện tải ảnh để giấu tin 78 Hình 4.10 Giao diện tách tin giấu 79 Hình 4.11 Giao diện tải ảnh để giấu tin 80 Hình 4.12 Giao diện giấu tin mật 81 Hình 4.13 Giao diện lưu ảnh giấu tin 81 Hình 4.14 Giao diện tách tin mật giấu 82 Hình 4.15 Giao diện tải ảnh để tách tin mật giấu ảnh 82 Hình 4.16 Giao diện tin mật tách khỏi ảnh 83 Hình 4.17 Giao diện lưu ảnh phục hồi ảnh gốc 83 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ ngành khoa học công nghệ thông tin, Internet trở thành nhu cầu, phương tiện thiếu người Tuy nhiên, với lượng thông tin truyền qua mạng nhiều nguy liệu bị truy cập trái phép, ăn cắp quyền, xuyên tạc thơng tin … tăng theo, địi hỏi phải tìm giải pháp mới, hữu hiệu đảm bảo cho an tồn bảo mật thơng tin Các cơng nghệ giải pháp để bảo vệ thông tin nghiên cứu, phát triển phù hợp với dạng lưu trữ thông tin cách thức truyền tin Giải pháp bảo mật thông tin sử dụng phổ biến hệ mật mã Với giải pháp này, thông tin ban đầu (bản rõ) mã hóa thành mật mã (bản mật) thường mang giá trị “vơ nghĩa” Chính điều làm cho đối phương nghi ngờ tìm cách thám mã, công Một hướng tiếp cận khác đem giấu thông tin quan trọng vào đối tượng “mang”, cho người ngồi khó nhận biết việc giấu Lĩnh vực nghiên cứu kỹ thuật giấu tin nhiều dạng liệu môi trường khác nhau, sở liệu, văn bản, hình ảnh, âm thanh, video, đối tượng hình học đạt thành tựu, ứng dụng thực tiễn quan trọng 10 Mục đích luận văn Giấu thơng tin (sau gọi tắt giấu tin) lĩnh vực quan tâm nghiên cứu có nhiều ứng dụng quan trọng Nội dung luận văn tập trung vào việc tìm hiểu phương pháp luận, sở tốn học, xây dựng mơ hình tốn học cho tốn giấu tin Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin ảnh số, kỹ thuật giấu tin thuận nghịch Những đóng góp luận văn - Luận văn trình bày nội dung tổng quát đầy đủ hệ thống giấu tin - Trình bày kỹ thuật giấu tin thuận nghịch (Reversible Data Hiding) ảnh số Kỹ thuật có khả khơi phục xác ảnh mơi trường (Host data) sau tách thông tin giấu - yêu cầu quan trọng ứng dụng lĩnh vực quân sự, y tế - Xây dựng phần mềm giấu tin ảnh số 11 Chƣơng TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1.1 Khái niệm giấu tin Giấu tin hiểu nhúng mẩu tin 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 [3] Kỹ thuật giấu thơng tin nhằm mục đích đảm bảo an tồn bảo mật thơng tin theo hai khía cạnh: Một bảo mật cho liệu đem giấu, hai bảo vệ cho đối tượng giấu tin liệu mang (host data) Hai mục đích khác dẫn đến hai kỹ thuật chủ yếu giấu tin Hướng thứ giấu tin mật (steganogaphy), nhằm tập trung vào kỹ thuật giấu tin cho người khác khó phát đối tượng có chứa thơng tin mật bên Hướng thứ hai thuỷ vân số (watermarking), hướng thuỷ vân số có miền ứng dụng lớn nên quan tâm nghiên cứu nhiều thực tế có nhiều kỹ thuật đề xuất [4] 1.1.2 Lịch sử kỹ thuật giấu tin Lịch sử loài người cho thấy, người ln có nhu cầu trao đổi, truyền thơng điệp, hình ảnh (Information) từ nơi đến nơi khác cách an toàn bảo mật Một cách tự nhiên người nghĩ đến, để đảm bảo tính “mật” thơng điệp q trình truyền tải giấu (ẩn) nội dung thơng điệp vào vật mang Trong lịch sử, có nhiều câu truyện “giấu tin” phục vụ mục đích quân sự: Giấu tin cách dùng “mực không mầu” để viết tin mật Để xem tin mật, người nhận dùng thủ thuật cho mầu Người ta “khắc” đồ kho báu lên đầu thuỷ thủ, để tóc mọc che kín Quân Hy lạp thông báo cho âm mưu kẻ địch, cách “khắc tin” lớp sáp viên thuốc 72 3.4.5.2 Thuật toán tách tin Bước 1: Tách thông tin P đồ định vị khối giấu tin Bước 2: Tách tin khối Fi  F khối giấu tin Bước 2.1: Khơi phục khối ảnh nguồn từ khối ảnh giấu tin theo công thức:  yi  1, if | yi  xi 1 |  P and yi  xi 1 ;  xi   yi 1, if | yi  xi 1 |  P and yi  xi 1 ;  y , otherwise  i Bước 2.2: Tách bit thông tin mật b giấu điểm yi ứng với d i  P d i  P  theo công thức: 0, if | yi  xi 1 |  P ; b 1, if | yi  xi 1 |  P  73 Chƣơng CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM CHƢƠNG TRÌNH GIẤU TIN 4.1 CẤU HÌNH HỆ THỐNG Yêu cầu phần cứng:  Bộ vi xử lý Pentium trở lên  Ram 1GB  Ổ cứng dung lượng tối thiểu 40GB Yêu cầu phần mềm:  Máy tính cài đặt hệ điều hành Window XP/ Vista/ Window  Ngôn ngữ cài đặt: C#  Môi trường cài đặt: Microsoft Visual Studio 2008 4.2 MỘT SỐ GIAO DIỆN CHÍNH CỦA CHƢƠNG TRÌNH Luận văn thực cài đặt thuật toán giấu tin: Thuật toán giấu tin CPT thuật toán giấu tin thuận nghịch TYC  Giao diện chương trình giấu tin áp dụng thuật tốn CPT Hình 4.1 Giao diện chương trình giấu tin áp dụng thuật tốn CPT 74  Giao diện chương trình giấu tin thuận nghịch áp dụng thuật tốn TYC: Hình 4.2 Giao diện chương trình giấu tin áp dụng thuật tốn TYC  Giao diện chương trình giấu tin: Ảnh chưa giấu tin thơng tin mật cần giấu Hình 4.3 Giao diện chương trình giấu tin 75  Giao diện chương trình sau giấu tin mật: Ảnh sau giấu tin mật Hình 4.4 Giao diện chương trình sau giấu tin mật  Giao diện chương trình tách tin mật: Thông tin mật tách khỏi ảnh giấu Hình 4.5 Giao diện chương trình tách tin mật 76  Giao diện chương trình tách tin phục hồi ảnh gốc Hình 4.6 Giao diện chương trình sau phục hồi ảnh gốc 77 4.3 HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG CHƢƠNG TRÌNH 4.3.1 Chƣơng trình giấu tin CPT a) Giấu tin Bước 1: Khởi động chương trình Microsoft Visual Studio 2008 Mở Project CPT chạy Form2.cs Giao diện chương trình giấu tin CPT hình 4.1 Bước 2: Nhấp chuột vào nút Tải ảnh chọn ảnh cần giấu (lưu ý chọn ảnh có phần mở rộng *.bmp) Hình 4.7 Giao diện tải ảnh để giấu tin 78 Bước 3: Nhập mật vào ô Mật khẩu, nhập thông tin cần giấu vào ô chuỗi ký tự Sau nhấn vào nút Giấu tin Hình 4.8 Giao diện giấu tin Bước 4: Sau thực chức giấu tin, ta lưu ảnh giấu tin tệp cách nhấp chuột vào nút Lưu ảnh, hộp thoại lưu tệp ta nhập tên tệp ảnh cần tạo nhấp chuột vào nút lệnh Save Hình 4.9 Giao diện tải ảnh để giấu tin 79 b) Tách tin Bước 1: Nhấp chuột vào nút Tách tin chọn ảnh giấu tin (lưu ý chọn ảnh có phần mở rộng *.bmp) Bước 2: Nhập mật để tách tin, nhấp chuột vào nút Tách tin Hình 4.10 Giao diện tách tin giấu 80 4.3.2 Chƣơng trình giấu tin thuận nghịch TYC a) Giấu tin Bước 1: Nhấp chuột vào nút Mở ảnh chọn ảnh cần giấu (lưu ý chọn ảnh có phần mở rộng *.bmp) Hình 4.11 Giao diện tải ảnh để giấu tin Bước 2: Nhập thông tin mật cần giấu vào hộp văn thơng tin mật, sau nhấp chuột vào nút Giấu tin 81 Hình 4.12 Giao diện giấu tin mật Bước 3: Nhấp chuột vào nút lệnh Lưu ảnh để lưu ảnh giấu tin tệp có phần mở rộng *.Bmp Hình 4.13 Giao diện lưu ảnh giấu tin b) Tách tin Bước 1: Nhấp chuột vào nút chọn Tách tin để bật chức tách tin phần mềm 82 Hình 4.14 Giao diện tách tin mật giấu Bước 2: Nhấp chuột vào nút Mở ảnh chọn ảnh cần tách tin mật (lưu ý chọn ảnh có phần mở rộng *.bmp) Hình 4.15 Giao diện tải ảnh để tách tin mật giấu ảnh Bước 3: Nhấp chuột vào nút Tách tin để tách tin mật 83 Hình 4.16 Giao diện tin mật tách khỏi ảnh Bước 4: Nhấp chuột vào nút Lƣu ảnh để lưu lại ảnh sau tách tin Hình 4.17 Giao diện lưu ảnh phục hồi ảnh gốc 84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Kết luận văn gồm có: 1/ Nghiên cứu tài liệu để hệ thống lại vấn đề sau: + Tổng quan giấu tin + Một số kỹ thuật giấu tin ảnh số + Kỹ thuật giấu tin thuận nghịch 2/ Thử nghiệm chương trình giấu tin Kiến nghị Luận văn trình bày kỹ thuật giấu tin thuận nghịch Nghiên cứu phát triển ứng dụng thuật toán ứng dụng thực tế: bảo mật liệu để truyền thơng tin an tồn mạng gửi đề thi giáo dục…, ứng dụng xác thực quyền bảo vệ sản phẩm số, chống fishing cho người dùng mạng nhờ công nghệ xác thực ảnh số nhúng thủy vân - Nghiên cứu biện pháp nhằm nâng cao dung lượng thông tin giấu, tăng độ bền vững chất lượng ảnh sau giấu - Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin ảnh vector mơ hình 3D 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Hồ Thị Hương Thơm, Hồ Văn Canh, Trịnh Nhật Tiến (2010), phát ảnh giấu tin sử dụng kỹ thuật giấu thuận nghịch dựa dịch chuyển Histogram, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26 (2010) 261-267 Vũ Ba Đình, Nguyễn Xuân Huy, Đào Thanh Tĩnh (2002), Đánh giá khả giấu liệu đồ số, tạp chí Tin học Điều khiển học, số 4, 347-353 Trịnh Nhật Tiến (2008), Giáo trình an tồn liệu Phạm Văn Ất, Nguyễn Hữu Cường, Đỗ Văn Tuấn (2007),Giấu tin ảnh nhị phân ứng dụng, Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, số 19 tháng năm 2007 Nguyễn Ngọc Hà (2007), Phát triển số kỹ thuật giấu liệu ảnh ứng dụng trao đổi thơng tin, Luận án Tiến sĩ Tốn Học, Năm 2007 Nguyễn Xuân Huy, Nguyễn Quốc Cương, Trần Nam Trung (2009), thuật toán sửa bit ma trận ứng dụng xử lý tin, thông báo khoa học 2009, đại học Đà Lạt 294 – 303 Phan Trung Huy, Nguyễn Mạnh Thắng, Trương Đức Mạnh, Vũ Phương Bắc, Vũ Tiến Đức, Nguyễn Tuấn Nam, A new CPT extension scheme for high data embedding ratio in binary images 86 Tiếng Anh Wei-Liang Tai, Chia-Ming Yeh, and Chin-Chen Chang, Reversible Data Hiding Based on Histogram Modification of Pixel Differences, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technolog, Volume 19 Issue3, 2009 M Wu, J Lee (1998), A novel data embedding method for two-color fascimile images In Proceedings of international symposium on multimedia information processing Chung-Li, Taiwan, R.O.C 10 Y Chen, H Pan, Y Tseng (2000) A secure data hiding scheme for two-color images In IEEE symposium on computers and communications, 11 HIOKI Hirohisa (2003), A modified CPT scheme for embedding data into binary images, Proc of Pacific Rim Workshop on Digital Steganography 2003, pp.32-44,Jul 12 Zhicheng Ni, Yun-Qing Shi, Nirwan Ansari, and Wei Su (2006), Reversible Data Hiding, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, Vol 16, No.3 (2006) 354 13 J.H Hwang, J W Kim, J U Choi (2006), A Reversible Watermarking Based on Histogram Shifting, IWDW 2006, LNCS 4283 pp 384-361 14 www.watermarkingworld.org 15 J.Tian, Reversible Data embedding using a difference expansion, IEEE-2003 vol 13 No