Một thuật toán giấu tin trong ảnh có bảng màu

Bài viết đề xuất một thuật toán giấu tin mới áp dụng cho ảnh có bảng màu. Theo đó, dữ liệu ảnh được chia thành các khối cùng cấp m×n, mỗi khối có thể giấu được một bít và biến đổi nhiều nhất một phần tử của khối.

Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số (28), tháng 12/2012 Một thuật tốn giấu tin ảnh có bảng màu A New Data Hiding Algorithm in Palette Images Đỗ Văn Tuấn Phạm Văn Ất Abstract: This paper proposes a new algorithm to embed data in palette image In each image block of original image, this algorithm can hide a bit by modifying at most one pixel of block New color of modified pixel resembles the color of its some neighborhood pixels, so the image after hiding very close to the original image The experimental results showed that the invisible of proposed algorithm is better than algorithms Fridrich and Ez Stego Keywords: data hiding, steganography, security watermarking, Palette images I GIỚI THIỆU Ngày nay, mạng Internet đóng vai trị quan trọng việc trao đổi liệu người dùng Bên cạnh thuận lợi, vấn đề bảo mật thông tin Internet thách thức cấp quản lý nhà nghiên cứu Trước đây, phương pháp mã hóa ln lựa chọn để bảo mật thông tin mang lại thành công định Tuy nhiên, việc truyền tải công khai mã tạo ý, thách thức đối thủ, người muốn khám phá nội dung mã cách trái phép Gần đây, bên cạnh phương pháp mật mã truyền thống, kỹ thuật giấu tin giữ vai trò quan trọng tốn bảo mật thơng tin, bảo vệ quyền, xác thực liệu Giấu tin kỹ thuật nhúng thêm thông tin vào liệu đa phương tiện Thơng tin nhúng thơng điệp bí mật cần trao đổi, thông tin sản phẩm Dữ liệu dùng để mang thông tin nhúng thường dạng liệu phổ biến Internet như: ảnh, âm thanh, video Theo [1], kỹ thuật giấu tin cần có số tính chất như: tính che giấu, tính khả nhúng tính bảo mật Theo định dạng ảnh, kỹ thuật giấu chia thành hai loại Loại thứ nhất, gồm kỹ thuật giấu tin ảnh bảng màu [2,9,10] Ảnh khơng có bảng màu thường ảnh có số lượng màu lớn, liệu ảnh giá trị màu điểm ảnh Lợi dụng hạn chế hệ thống thị giác không phát thay đổi nhỏ màu sắc, thuật toán giấu tin dạng ảnh dễ dàng có tính che giấu cao cách thay đổi lượng nhỏ giá trị màu vùng liệu ảnh Loại thứ 2, gồm kỹ thuật giấu tin ảnh có bảng màu [3]-[8] Đối với ảnh có bảng màu, liệu ảnh số màu điểm ảnh Hai số gần tham chiếu tới hai màu khác Do vậy, thuật toán giấu tin dạng ảnh gặp phải khó khăn định, cần có thay đổi nhỏ số màu dẫn đến khác biệt lớn màu sắc điểm ảnh trước sau thay đổi Với ảnh có bảng màu, để nâng cao tính che giấu, kỹ thuật giấu tin thường tìm cách thay màu có số chẵn màu gần có số lẻ ngược lại [3,4,7,8] Dựa ý tưởng này, phương pháp Ez Stego [7] xếp lại màu bảng màu theo cường độ sáng Cường độ sáng màu c với thành phần Rc, Gc, Bc tính theo cơng thức: = 0.299 + 0.587 + 0.144 = ) +( ) +( Sau xếp lại bảng màu, màu giống có số màu gần Tuy nhiên, theo Fridrich[3,4], hai màu khác có cường độ sáng nhau, tác giả sử dụng khoảng cách Euclid để đánh giá khác biệt màu ứng với số màu i j theo công thức: - 14 - ( − − − ) Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Ri, Gi, Bi Rj, Gj, Bj giá trị màu ứng với số i j bảng màu Khi cần thay đổi màu có số chẵn (hay lẻ), Fridrich duyệt màu có số lẻ (hay chẵn) để tìm màu gần (theo khoảng cách Euclid) với màu cần thay đổi Tuy nhiên, chiến thuật thay màu gần thuật tốn tạo màu lập, số trường hợp, ảnh chứa tin giấu dễ bị phát Để nâng cao chất lượng ảnh sau giấu tin, [6] tác giả G Pan, Z Wu, Y Pan đề xuất thuật toán giấu tin cho ảnh màu cách sử dụng tập khối mẫu có kích thước 3×3, khối mẫu có ưu tiên khác trình sử dụng để nhúng tin Mỗi khối mẫu xác định điểm xung quanh điểm tâm khối, chia làm hai phần liên thơng, phần gồm điểm có màu giống gọi màu mẫu, phần lại gồm điểu có màu khác màu mẫu gọi màu tham dự (nominated color) Thuật tốn tìm khối ảnh kích thước 3×3 trùng với mẫu tập mẫu nhúng bít cách biến đổi màu điểm tâm khối thành màu mẫu màu tham dự Với cách thay đổi vậy, thuật tốn có hai tính chất quan trọng: điểm ảnh chọn để thay đổi ln nằm biên hai miền có màu khác không xuất màu Nhờ vậy, thuật tốn có tính che giấu cao Tuy nhiên, khối lượng tin nhúng cịn chưa nhiều nhận xét tác giả Cũng cần nhận xét thêm, ý tưởng chọn điểm biên để thay đổi tác giả M Wu [11] Y C Tseng[12] sử dụng để giấu tin ảnh nhị phân, phương pháp có cách chọn khác Dựa phương pháp giấu tin theo khối bít tính chẵn lẻ, báo đề xuất lược đồ giấu tin ảnh có bảng màu Theo đó, vùng liệu ảnh gốc chia thành khối kích thước Với khối giấu bít biến đổi nhiều phần tử Khi cần biến đổi tính chẵn lẻ khối, thuật toán thay giá trị phần tử giá trị phần tử liền kề khác tính chẵn lẻ Với chiến thuật thay vậy, thuật tốn đề xuất có hai Tập V-1, Số (28), tháng 12/2012 tính chất giống thuật tốn [6], có tính che giấu cao Nội dung báo tổ chức sau: Phần giới thiệu số ký hiệu định nghĩa sử dụng báo Phần trình bày nội dung thuật tốn đề xuất Tính đắn thuật tốn chứng minh Phần Phần trình bày kết thực nghiệm thuật toán đề xuất so sánh với hai thuật toán Fridrich, Ez Stego Cuối cùng, Phần số kết luận II MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ ĐỊNH NGHĨA Để tiện cho việc trình bày, báo sử dụng số ký hiệu định nghĩa sau: - Ký hiệu × tập ma trận ngun khơng âm cấp m×n (m hàng n cột) - Với ∈ × , nói phần tử (i,j) có nghĩa phần tử hàng i cột j (chỉ quan tâm đến vị trí), nói phần tử Fi,j phần tử hàng i, cột j có giá trị Fi,j (quan tâm đến vị trí giá trị) Hai giá trị Fi,j, Fu,v khác tính chẵn lẻ ký hiệu Fi,j# Fu,v Định nghĩa 2.1 Phép nhân đồng vị ⊗ hai ma trận ∈ × , ∈ × ký hiệu C = A ⊗ B xác định theo cơng thức: Ci,j = Ai,j × Bi,j với i=1,2,…,m j = 1,2,…,n Định nghĩa 2.2 Phép toán SUM ma trận ∈ × số nguyên, ký hiệu SUM(A) tính theo cơng thức: !"#( ) = $ $ %& %& , Định nghĩa 2.3 Phép tốn MOD ma trận ngun ∈ × ma trận nhị phân cấp m×n ký hiệu là: C = MOD(F) tính theo cơng thức: Ci,j = Fi,j mod với i =1,2, ,m j = 1,2,…,n Định nghĩa 2.4 Trên ma trận ∈ × , phần tử (u,v) gọi liền kề với phần tử (i,j) ký hiệu là: Định nghĩa 2.5 Ma trận nhị phân ' ∈ × gọi ma trận liên thông với cặp hai phần tử bất - 15 - (i,j) (u,v) Max{|u-i|, |v-j|}= Các công trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số (28), tháng 12/2012 kỳ không kề (i,j) (u,v) có giá trị Ki,j=Ku,v=1 ln tồn dãy phần tử (pt,qt), t=1,…,k cho: 1) Nếu s = s = SUM(K), không giấu tin kết thúc thuật toán K pt ,qt = , t= 1, k 2) Nếu 1≤ s ≤SUM(K)-1, chuyển sang Bước (i,j) (p1,q1) (p2,q2) (pk,qk) Bước 3: Xét hai khả năng: (u,v) 1) Nếu s mod = b, đặt G = F kết thúc thuật tốn III THUẬT TỐN ĐỀ XUẤT Với ảnh có bảng màu, liệu ảnh ma trận gồm số màu có giá trị nguyên từ đến 255 Ma trận liệu ảnh chia thành ma trận cấp thuật toán giấu bít liệu ma trận Để tiện cho việc theo dõi, trình bày thuật tốn giấu bít vào ma trận III.1 Ý tưởng thuật toán đề xuất Giả sử cần nhúng bít tin mật b vào ma trận ∈ × Thuật tốn đề xuất dựa ý tưởng giấu tin Wu-Lee[11], sử dụng ma trân nhị phân ' ∈ × làm khóa bí mật biến đổi nhiều phần tử F để !"#( ⨂') tính chẵn lẻ với b 2) Nếu s mod ≠ b, chuyển sang Bước Bước 4: Xây dựng tập ∏ theo công thức =(>, ?)| ' , = 1, ; = < =(>, ?)|' , = 1, , , AℎăDE, ∃(u, v): (H, I) ⇔ (>, ?)và lẻ, ∃(u, v): (u, v) ⇔ (i, j)và =(>, ?)|' , = 1, ∃(u, v): (u, v) ⇔ (i, j)và M,N # M,N # , Q , P, EêH R = P, EêQH R = !"#(') − X M,N # , P, EêQH 2 ≤ R ≤ !"#(') − Bước 5: Biến đổi F để nhận G, thực sau: 1) Chọn phần tử (i,j) ∈ ∏ 2) Chọn phần tử (u,v) cho: (u,v) (i,j) Fu,v # Fi,j (Theo định nghĩa ∏, tồn (u,v) vậy) 3) Thay Fi,j Fu,v Đặt G = F, kết thúc thuật toán Trong thuật toán Wu-Lee, Fi,j giá trị 1, nên việc biến đổi phần tử F đơn giản chuyển từ sang từ sang Ở đây, Fi,j có giá trị từ đến 255 Vấn đề chọn phần tử để biến đổi chọn giá cho phần tử cần biến đổi để nâng cao chất lượng ảnh sau giấu tin nội dung thuật tốn đề xuất Nhận xét 1: Dễ dàng thấy rằng, thuật tốn thực thành cơng (kết thúc Bước Bước 5), G thỏa mãn điều kiện (3.1) (3.2) Như vậy, để chứng minh tính đắn thuật toán cần ∏ ≠ Ø Điều chứng minh mục Trong thuật tốn đề xuất sử dụng ma trận khóa nhị phân liên thông ' vớ i điê0u kiện SUM(K) ≥ Khi Nhận xét 2: Trong Bước có nhiều cách chọn (i,j) (u,v) Dưới trình bày phương pháp xác định (i,j) (u,v) để thuật toán giấu tin đạt tính che giấu cao thực thành cơng (có giấu tin), thuật tốn cho ma trận G thỏa mãn điều kiện: - 1≤ SUM(MOD(G)⊗K) ≤ SUM(K) – (3.1) - SUM(G⊗K) mod = b F G khác tối đa phần tử (3.2) Đầu tiên chọn (i,j) cho: (i,j) ∈ ∏ g(i,j) = max {g(p,q)| (p,q) ∈ ∏} Các điều kiện (3.1) (3.2) sử dụng để khơi phục tin giấu III.2 Nội dung thuật tốn giấu tin Bước 1: Đặt s = SUM(MOD(F)⊗K) Bước 2: Kiểm tra điều kiện giấu tin, xét hai trường hợp: Ở g(p,q) số phần tử ma trận F liền kề với (p,q) có giá trị Fp,q Sau có (i,j), (u,v) chọn tập Y , gồm phần tử liền kề với (i,j) khác tính chẵn lẻ với Fi,j: Ω i , j = { ( p, q ) | ( p, q ) (i, j ) va ɳ Fp , q # Fi , j } Với (p,q) ∈ Ωi, j , gọi f(p,q) số phần tử Ωi, j có giá trị Fp,q - 16 - Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Giấu b1 =1 vào F1: Chọn (u,v) cho: (H, I) ⇔ (>, ?) và Z(H, I) = max {f(p, q)|(p, q) ∈ Ω , } Cách chọn đảm bảo hai yêu cầu: - Phần tử chọn để biến đổi nằm khóa K xung quanh có nhiều phần tử giá trị với - Giá trị thay khác tính chẵn lẻ với phần tử chọn xung quanh phần tử chọn có nhiều phần tử giá trị với giá trị thay Do phần tử chọn (i,j) nằm khóa K (Ki,j=1), nên sau thay đổi giá trị Fi,j từ chẵn sang lẻ ngược lại SUM(F⊗K) thay đổi tính chẵn lẻ, ma trận G thỏa mãn điều kiện (3.2) Mặt khác cách thay đổi màu điểm (i,j) vậy, khó phát xung quanh ln có điểm màu với màu nhiều khả tồn điểm màu màu cũ điểm (i,j) Điều làm tăng tính che giấu thuật toán III.3 Minh họa thuật toán 1 1 Giấu b2=1 vào F2: s = SUM(MOD(F2)⊗K)= 4, 0