Xây dựng thuật toán giấu tin mật trong ảnh số

Bài viết tập trung tìm hiểu về kỹ thuật giấu tin mật trong ảnh kỹ thuật số dạng bitmap. Các tác giả giới thiệu thuật toán giấu tin đã được công bố, thuật toán cải tiến của nó và từ đó đề xuất 1 thuật toán giấu tin mật khác có hiệu quả cao hơn.

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN DẤU TIN MẬT TRONG ẢNH SỐ Lê Hải Triều *, Hồ Văn Canh+ * Viện Kỹ thuật điện tử khí nghiệp vụ, Bộ Cơng an + Cục Kỹ thuật nghiệp vụ, Bộ Công an Abstract—Kỹ thuật giấu tin (còn gọi bảo mật tin) trong ảnh số yêu cầu cần thiết phát triển kỹ thuật mật mã Hiện có có hướng giấu tin kỹ thuật giấu tin mật (steganography) kỹ thuật thủy vân số (watermark) Trong báo tác giả tập trung tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật ảnh kỹ thuật số dạng bitmap Các tác giả giới thiệu thuật tốn giấu tin cơng bố, thuật tốn cải tiến từ đề xuất thuật tốn giấu tin mật khác có hiệu cao Keywords—giấu tin, watermark, LBS, BMP ảnh số, steganography, I ĐẶT VẤN ĐỀ A Nguyên lý bảo mật tin ảnh bitmap Có nhiều thuật tốn giấu thông tin ẩn vào file ảnh Nhưng phổ biến ứng dụng rộng rãi giới thuật tốn chèn thơng tin ẩn vào bit có ý nghĩa thấp(Least Significant Bit - LSB) phần liệu ảnh ảnh bitmap 24 bit màu, việc thay đổi bit LSB gây thay đổi nhỏ thành phần màu mà mắt thường khó nhận biết đượcsự thay đổi Hiện người ta thấy khơng bit LSB mà bit Most LSB(Với M=1,2) phần liệu ảnh bimap không làm thay đổi đáng kể mà mắt thường khó phân biệt thay đổi Tuy nhiên việc phát ảnh có chứa thơng tin ẩn thuật tốn thống kê cấp cấp lại tỏ hiệu quả.Do cần phải lưu ý đến vấn đề [3] B Các tham số cần tính tốn áp dụng thuật tốn chèn bit LSB Kích cỡ liệu ẩn: Khi muốn nhúng(ẩn) văn file liệu số vào file ảnh bitmap(BMP) trước hết cần đảm bảo chất lượng kích cỡ file ảnh khơng bị thay đổi Vì độ dài tối đa thông báo file Số 02 & 03 (CS.01) 2017 liệu ẩn so với độ dài LSB file liệu ảnh BMP là: Lmax ≈ 12,5%LLSB Trong Lmax độ dài tối đa liệu ẩn LLSB độ dài LSB file liệu ảnh BMP Nếu tính tất bit file liệu ảnh BMP độ dài Lmax ≈ 100% L-BMP (không vượt 100% liệu ảnh ảnh BMP) Xác định vị trí liệu ẩn: Mỗi muốn đặt bit thông tin ẩn vào file ảnh BMP vấn đề phải xem đặt thông tin ẩn vị trí file ảnh tốt Để tăng độ bảo mật cho liệu ản liệu ẩn nên bắt đầu chèn vào phần liệu ảnh vị trí ngẫu nhiên liên quan đến mật khẩu: f(x) = f(C1,C2, Cn), (C1,C2, ,Cn) dãy dãy ký tự mật độ dài n Thông thường người ta mã hóa tin trước nhúng vào ảnh số Việc mã hóa nhằm đảm báo độ an tồn cao cho tin cần giấu, đặc biệt thông tin liên quan đến an ninh - quốc phịng v.v Khi cho dù đối phương phát tin giấu cịn lớp mã hố bảo vệ [9] II PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG GIẤU TIN TRONG ẢNH BITMAP A Đánh giá khả giấu tin ảnh Kết thực nghiệm cho thấy r�(m) Y = y(1) y(2) (y[ ] + 1) (2) Bước 5: Với i = 1, 2, , [l(m)/5] + 1, thực ZT(i ) = yT(i) ⊕ HCT(i) (trong CT véc tơ chuyển vị véc tơ C) Bước 6: Với i = 1, 2, ,[l(m)] + 1;Tìm ma trận H, tồn j0, với j0 = 1, 2, , 31 cho yT(i)= hj0 ta thực đảo bit véc tơ C0(i) vị trí j0: X’j0 = Xj0 + thay X’j0 vào vị trí Xj0 véc tơ C0(i) Sau thay X’j0 ta có C0(i) = X’0(i), với X0(i) + 1, , X0(i) + 31 Nếu không tồn j0 cho yT(i)= hj0 bỏ qua quay lại Bước Bước 7: Ảnh thứ cấp mà ta thực ký hiệu C1 Bước 8: Trả lại ảnh thức cấp C1 vào vị trí ban đầu ta trích chọn C0 Cuối ta nhận ảnh Stego S E Ví dụ: Đầu vào: Bản tin m cần giấu “K/g ông X” ảnh cover C Đầu ra: Bản tin m ảnh C khôi phục a Q trình giấu: M=”K/g ơng X” 11010 00000 11110 = (m1,m2,m3) Giả sử có dãy LSB ảnh C là(với giả thiết khởi điểm giấu i0=1): C0(1)=010011 00111 01000 11010 11100 10001 C0(2)=100110 10100 01101 10000 10100 11010 C0(3)=101110 10110 00111 10101 01101 10010 Ta có: y1T=m1T⊕HC0T(1)=(11010)T⊕HC0T(1)=(11010)T⊕ (11010)T⊕(01111)T=(10101)T Tồn y1T trùng với cột thứ 23 ma trận H, ta thực đảo bit C0(1) vị trí 23 ta có: C0’(1)= 010011 00111 01000 11010 10100 10001 y2T=m2T⊕HC0T(2)=m2T⊕HC0T(2)=(00000)T⊕HC0T (2)=(00000)T⊕(11010)T⊕(01010)T=(01010)T Tiếp tục tồn y7Tcột thứ H thành phần thứ C0(2) đảo bit ta nhận được: C0’(2)= 100110 00100 01101 10000 10100 11010 TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG Tương tự, vị trí cột 22 C0(3) đảo bít: C0’(3)=101110 10110 00111 10101 11101 10010 Đó ảnh thứ cấp ảnh Stego S giấu thông báo M= “K/g ông X” Sau trả lại LSB tương ứng ảnh Cover C, ta nhận ảnh Stego S b Q trình trích chọn: Đầu vào : ảnh Sstego S Đầu ra: Bản tin M ảnh C khơi phục Tính miT= HC0’(i) với i=1,2,3 Ta nhận 11010 0000 11110↔“Kính gửi ơng X” F Đánh giá, nhận xét Thuật tốn vừa trình bày đơn giản cho việc nhúng trích chọn Có thể cải tiến thuật tốn để giảm tỷ lệ làm thay đổi ảnh gốc Khả chịu công phương pháp thống kê cấp cấp hiệu quả, tỷ lệ nhúng thấp Trong trường hợp ví dụ trên, tỷ lệ nhúng khoảng 3,2% (≈1/31) Chúng tiếp tục cải tiến bảng mã để giảm tỷ lệ nhúng xuống 1,5% từ đưa ứng dụng thực tế công tác ngành An ninh V TÀI LIỆU THAM KHẢO [2] [3] [4] [5] Moller, S A Pfitzmann and I Stirand, “Computer Based Stenography: How It Works and Why Therefore Any Restrictions on Cryptography Are Nonsense At Best”, In Information Hiding Notes in Computer Science, Springer, pp 7-21, 1996 [7] Rongyue Zhang, Vasiliy Sachnev, Hyoung-Joong Kim Fast “BCH Syndrome Coding for Steganography”,Lecture Notes in Computer Science, Volume 5806, CIST, Graduate School of Information Management and Security Korea University, Seoul, Korea, pp 48-58, 2009 [8] Stephen B Wicker,“Error Control Systems for Digital Communication and Storage”, Prentice Hall - New Jersey, 2009 [9] Stephan Katzenbeisser, Fabien A P Petitcolas : " Information Hiding Techniques for Steganography and Digital Watermarking "Artech House Boston - London 2000 [10] Y Kim, Z Duric, D Richards,“Modified matrix encoding technique for minimal distortion steganography”, In: Camenisch, J.L., Collberg, C.S.,Johnson, N.F., Sallee, P (eds.) IH, 2006 (LNCS, vol 4437, Springer, Heidelberg, 2007) [11] Luận án TS Hồ Thị Hương Thơm, Hà Nội, 2012 [12] Lê Hải Triều, Hồ Văn Canh “Kỹ thuật giấu tin mật truyền ảnh số”, Kỷ yếu Hội thảo quốc gia lần thứ XIX: Một số vấn đề chọn lọc Công nghệ thông tin truyền thông, Đại học Sư phạm – ĐH Quốc gia Hà Nội, trang 187-193, 10/2016 NHẬN XÉT, KẾT LUẬN Thuật toán giấu tin đề xuất phần IV đơn giản có ưu điểm lượng thông tin giấu lớn LSB mã thay đổi Đây tỷ lệ cho phép chống lại thuật tốn cơng thơng kê cấp cấp Các thuật toán công phát hiệu mù LSB miền không gian, thuật tốn phát có ràng buộc [10] thuật tốn cơng cơng bố [1] Nếu tỷ lệ nhúng 2% phương pháp dị tìm thuật tốn thống kê khơng có hiệu Cho đến nay, tác giả chưa tìm thấy thuật tốn có tỷ lệ tin giấu thấp 3% mà lượng thông tin giấu lại lớn Ngồi ra, thuật tốn này, ma trận H mở rộng, chẳng hạn ma trận H có kích cỡ x 255 tỷ lệ nhúng (số bit pixel bị đảo) bé mà đảm bảo lượng thông tin nhúng lớn (có thể xuống cỡ 0,004) Trong phạm vi chúng tơi dừng lại kích cỡ ma trận H x 31 coi hài hịa tốc độ tính tốn phức tạp thuật tốn Hiện nay, chúng tơi tiếp tục nghiên cứu cho trường hợp ma trận H với kích cỡ 6x63 để giảm tỷ lệ tin giấu xuống 1,5% [1] [6] Chunfang Yang, Xiangyang Luo, Fenlin Liu, “Embedding Ratio Estimating for Each Bit Plane of Image”, SpringerVerlag Berlin Heidelberg, 2009 Foley, J.etal,”Computer Graphic: principles and practice” MA Addison Wesley, 1990 Ker, A.D.,“Steganalysis of Embedding in Two LeastSignificant Bits”, IEEE Transactions on Information Forensics and Security 2,pp 46-54, 2007 Lương Viết Nguyên, Nguyễn Thị Thu Thủy, Hồ Văn Canh, "Solving language recognition problems ", Tập san Hội nghị vấn đề chọn lọc công nghệ thông tin – truyền thông, trường Đại học Cần Thơ, pp 171-179, 2011 M Wu, E Tang, and B Liu (2000), “Data Hiding in Digital Images”, IEEF International Conference on Multimedia, Expo (ICME), 2000 Số 02 & 03 (CS.01) 2017 Lê Hải Triều sau tốt nghiệp Học viện Kỹ thuật Quân sự, anh bắt đầu làm việc Cục TC-ĐL-CL, Bộ Quốc Phòng từ năm 1996 – 2001 Hiện anh Trưởng Phòng Kỹ thuật nghiệp vụ, Viện Kỹ thuật Điện tử Cơ khí nghiệp vụ, Bộ Công an Hướng nghiên cứu chủ yểu anh ứng dụng công nghệ cao, nghiên cứu, chế tạo thiết bị khống chế điện thoại di động, thiết bị liên lạc tin hình ảnh text có bảo mật vơ tuyến, thiết bị nhận dang vân tay, thiết bị thu thập truyền âm hình ảnh dạng vơ tuyến hữu tuyến Anh có Kỹ sư Vơ tuyến Điện tử Học viện KTQS CNTT ĐHBK Hà Nội Năm 2004 anh tốt nghiệp Thạc sỹ Xử lý thông tin Truyền thông, ĐHBK Hà Nội Hồ Văn Canh sinh năm 1944, nhận học vị tiến sỹ Tốn-Lý năm 1986 Ơng nghiên cứu viên bảo mật thám mã Ơng ngun Phó Trưởng phịng phụ trách Đơn vị nghiên cứu phát triển Nghiệp vụ, thuộc Cục Kỹ thuật nghiệp vụ I, Bộ Cơng an Ơng tham gia nhiều hoạt động khoa học phục vụ lĩnh vực an ninh-quốc phịng; Lĩnh vực nghiên cứu ông thám mã an ninh, an toàn bảo mật thông tin, liệu đa phương tiện, thông tin số Ông xuất nhiều sách, tài liệu tham khảo tham gia giảng dạy, hướng dẫn sinh viên cao học, nghiên cứu sinh trường đại học ĐH Công nghệ, ĐH Mật mã, ĐH Hàng hải Hải phịng, ĐH Kỹ thuật – Hậu cần Cơng an, ĐH Thái Nguyên,v Đến nay, ông đào tạo 40 Thạc sĩ chuyên ngành ATTT có 32 báo khoa học cơng bố ngồi nước nay… TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG BẢNG MA TRẬN H Số 02 & 03 (CS.01) 2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ... 10010 Đó ảnh thứ cấp ảnh Stego S giấu thông báo M= “K/g ông X” Sau trả lại LSB tương ứng ảnh Cover C, ta nhận ảnh Stego S b Q trình trích chọn: Đầu vào : ảnh Sstego S Đầu ra: Bản tin M ảnh C khơi... 2012 [12] Lê Hải Triều, Hồ Văn Canh “Kỹ thuật giấu tin mật truyền ảnh số? ??, Kỷ yếu Hội thảo quốc gia lần thứ XIX: Một số vấn đề chọn lọc Công nghệ thông tin truyền thông, Đại học Sư phạm – ĐH Quốc... XÉT, KẾT LUẬN Thuật toán giấu tin đề xuất phần IV đơn giản có ưu điểm lượng thông tin giấu lớn LSB mã thay đổi Đây tỷ lệ cho phép chống lại thuật tốn cơng thơng kê cấp cấp Các thuật tốn cơng