Nhưng kỹ thuật họ đề xuất chỉ có thể phát hiện khi ảnh được giấu với lượng thông điệp giấu lớn 100% khả năng của kỹ thuật HKC, trong một số trường hợp khác nó không thể phát hiện.. Vì v[r]
(1)PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN SỬ DỤNG MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU THUẬT NGHỊCH DỰA TRÊN DỊCH CHUYỂN HISTOGRAM
Trong thời gian gần giấu thuận nghịch quan tâm cách đặc biệt Vào năm 2007, Hwang đồng nghiệp đề xuất kỹ thuật giấu thuận nghịch (HKC) [9] cải tiến phương pháp giấu Ni (NSAS) [7] dựa dịch chuyển histogram ảnh Tuy nhiên kỹ thuật giấu tạo phân bố khơng bình thường histogram ảnh sau thông điệp giấu Kuo đồng nghiệp ông nêu vấn đề khơng an tồn kỹ thuật đề xuất kỹ thuật phát tương ứng Nhưng kỹ thuật họ đề xuất phát ảnh giấu với lượng thông điệp giấu lớn 100% khả kỹ thuật HKC, số trường hợp khác khơng thể phát Vì nhóm tác giả đưa số cải tiến phù hợp để phát cho trường hợp giấu với lượng thông điệp giấu khác sử dụng kỹ thuật giấu HKC
Dưới báo khoa học “Phát ảnh có giấu tin sử dụng số kỹ thuật giấu thuận nghịch dựa chuyền Histogram” ThS Hồ Thị Hương Thơm - Khoa Công Nghệ Thông Tin, Đại học Dân lập Hải Phòng
SUMMARY
Steganalysis of Reversible Data Hidings Based on Histogram Shift
Recently, some reversible data hiding schemes have been published, Ni et al(NSAS), Hwang et al (HKC), Kuo et al proposed some simple reversible data hiding schemes based on the histogram shift However, they create an informal distribution in the histogram when the secret massage is hidden in a cover image In this paper, we propose some steganalytic scheme to detect stego image for the steganographies
1. Mở đầu
Trong thời gian gần giấu tin mật đa phương tiện ngày trở nên phổ biến môi trường truyền thông công cộng Khác với mã hố thơng tin làm cho thơng điệp biết rõ bị mã hoá, ngược lại giấu tin đa phương tiện làm cho đối tượng mang tin mật khó bị phát kỹ thuật thơng thường khơng làm thay đổi nhiều nội dung ban đầu đối tượng mang thông điệp Phương pháp giấu tin đơn giản thông điệp dạng nhị phân nhúng “thay thế” vào bit LSB (Least Signification Bit – Bit quan trọng nhất) ảnh kỹ thuật công bố [1], [2], [3], [4], [5] Tuy nhiên, kỹ thuật sau tách thông điệp không khôi phục lại ảnh gốc ban đầu
Một vài lĩnh vực y học, quân đội nghiên cứu thực nghiệm vật lý phân tử lượng cao, địi hỏi khơng tách thơng điệp mà cịn khôi phục ảnh gốc ban đầu Vào năm 2001, phương pháp giấu thuật nghịch đề xuất Honsinger đồng nghiệp [6], từ đến nhiều kỹ thuật giấu thuật nghịch công bố với hai hình thức giấu miền biến đổi miền liệu
Gần đây, kỹ thuật giấu thuận nghịch (NSAS) dựa dịch chuyển histogram ảnh đề xuất Ni đồng nghiệp [7], họ kỹ thuật giấu có độ phức tạp thấp thời gian thực nhỏ, không làm thay đổi nhiều nội dung ảnh Sau để nâng cao lượng thơng điệp giấu ảnh Hwang đồng nghiệp để xuất kỹ thuật HKC [8] dựa cải tiến kỹ thuật Ni Đến năm 2008, Kuo đồng nghiệp cải thiện lượng thông điệp giấu cách cải tiến kỹ thuật giấu HKC dựa hình thức chia khối [10]
Tuy nhiên kỹ thuật không làm thay đổi nhiều nội dung vật mang tin để lại dấu hiệu khơng bình thường lược đồ histogram ảnh Vì dựa quan sát loạt histogram ảnh sau giấu tin kỹ thuật chúng tơi thấy dễ dàng phát ảnh có giấu tin sử dụng kỹ thuật
Trong phần chúng tơi trình bày lại thuật tốn giấu tin NSAS, HKC HKC cải tiến, phương pháp phát ảnh có giấu tin trình bày chi tiết phần 3., phần đưa số kết thực nghiệm cuối phần kết luận trình bày phần
2. Một số lược đồ giấu tin dựa
(2)Vào năm 2006, Ni đồng nghiệp đề xuất lược đồ giấu tin thuật nghịch NSAS ảnh dựa dịch chuyển histogram ảnh [7] Theo kỹ thuật đề xuất Ni trình giấu tin gồm bước đây:
Thuật toán giấu thuật nghịch NSAS
Bước 1. Tìm điểm zero (điểm không)
điểm peak (điểm đỉnh) Điểm zero điểm peak điểm có giá trị cấp xám pixel lược đồ histogram ảnh nhỏ cực đại Hình ví dụ minh hoạ cho kỹ thuật (a) histogram ảnh lena trước giấu tin Để đơn giản ví dụ điểm zero vị trí 255 (h(255)=0) điểm peak 154 (h(154)=2859)
Bước 2. Quét toàn ảnh theo trình tự từ trái
sang phải, từ xuống Các pixel có giá trị xám nằm khoảng [155 254] tăng lên giá trị Nó làm cho tần số 155
Bước 3 Nhúng bit thông điệp “0” “1”
vào giá trị xám 154 155 theo nguyên tắc sau: Giả sử pixel xét 154 kiểm tra bit cần nhúng bit “1” pixel 154 tăng lên 1, ngược lại bit cần nhúng bit “0” pixel 154 giữ nguyên Hình (b) Histogram ảnh sau giấu tin
-50 50 100 150 200 250 300
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
(a)
-50 50 100 150 200 250 300
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
(b) Hình (a) Histogram ảnh gốc, (b) Histogram ảnh giấu tin
Cuối nhận ảnh stego-image, sau chuyển đến người nhận thơng qua internet Người nhận khôi phục lại trực tiếp thông điệp ảnh gốc kỹ thuật biến đổi ngược
Trong kỹ thuật NSAS thấy khả giấu thông điệp phụ thuộc vào độ lớn điểm peak, với ví dụ khả giấu lượng thơng điệp ảnh không 2859 bit ảnh Tuy nhiên làm để truyền thông tin điểm zero điểm
peak hay thông tin bổ sung thông điệp giấu từ người gửi đến người nhận không đề cập tài liệu Để cải tiến vấn đề Hwang đồng nghiệp ông đề xuất kỹ thuật giấu thuật nghịch HKC [8]
Thuật toán giấu thuật nghịch HKC
Bước 1. Tìm điểm peak (đó vị trí 154
trong ảnh ví dụ) hai điểm (đó vị trí 273 23 ảnh ví dụ) Điểm peak điểm tương ứng với số pixel chúng lớn nhỏ ảnh (xem hình 2.1 (b))
Bước 2. Nhằm để khơi phục xác ảnh gốc,
một đồ vị trí đề xuất dùng để lưu trữ thơng tin vị trí pixel (như điểm peak, điểm bên trái điểm peak, điểm bên phải điểm peak) lược đồ HKC
Bước 3. Khởi tạo không gian để nhúng thông
điệp Các pixel định vị histogram nằm bên trái điểm peak điểm bên trái dịch sang trái pixel Tương tự, pixel định vị nằm bên phải điểm peak điểm bên phải dịch sang phải pixel
Bước 4 Nhúng thông tin mật vào ảnh
-50 50 100 150 200 250 300
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Histogram cua anh
(a)
-50 50 100 150 200 250 300
500 1000 1500 2000 2500
3000 thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
(b) Hình (a) Histogram ảnh gốc (b) Histogram ảnh giấu tin
Do lược đồ HKC khơng nói làm để tăng số cặp (điểm peak, điểm min) đồ định vị vị trí để tăng dung lượng giấu nhiều Để làm điều Kuo đồng nghiệp (2008) để xuất kỹ thuật giấu cải tiến HKC [10] phương pháp chia khối, thuật toán sau:
-50 50 100 150 200 250 300
0 500 1000 1500
Histogram cua anh
-50 50 100 150 200 250 300
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Histogram cua anh
peak
zero
peak
(3)-50 50 100 150 200 250 300
200 400 600 800 1000 1200 1400
Histogram cua anh
-50 50 100 150 200 250 300
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Histogram cua anh
Hình (a) Histogram ảnh với khối chia
-50 50 100 150 200 250 300
500 1000 1500
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
-50 50 100 150 200 250 300
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
-50 50 100 150 200 250 300
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
-50 50 100 150 200 250 300
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
Hình (b) Histogram ảnh có giấu tin khối
Thuật tốn giấu thuận nghịch HKC cải tiến:
Bước 1: Chia miền liệu ảnh cover thành
khối (tác giả ví dụ chia thành khối – hình 3)
Bước 2: Tính histogram cho khối Sau
tìm điểm Max hai điểm khối Đồng thời, tạo không gian nhúng thông điệp cách dịch chuyển hai mặt điểm max sang bên trái bên phải đơn vị
Bước 3: Một đồ vị trí tạo để lưu trữ
thơng tin pixel (điểm max, điểm bên trái, điểm bên phải khối)
Bước 4: Nhúng thông tin mật vào ảnh
(minh hoạ hình (a) histogram ảnh trước giấu với khối chia, histogram ảnh sau giấu tin khối chia)
3. Phương pháp phát ảnh có giấu tin
Với kỹ thuật giấu thuật nghịch NSAS, HKC HKC cải tiến dùng để truyền thông điệp người gửi người nhận Mặc dù nhận ảnh stego tương tự ảnh cover, kỹ thuật để lại dấu hiệu khơng bình thường histogram ảnh gốc sau nhúng thông điệp vào ảnh
Vào năm 2008, Kuo đồng nghiệp ông đề xuất kỹ thuật phát ảnh có giấu tin [9] kỹ thuật HKC Nhóm tác giả quan sát histogram dựa vào đỉnh peak trước sau giấu thấy hai giá trị lân
cận hai bên đỉnh peak bị tụt xuống giấu tin mơ tả hình (a) (b), họ đưa định lý để xây dựng kỹ thuật phát Ở ký hiệu (xi, yi) cặp giá trị yi= h(xi)
(với pixel xi có tần số tương ứng yi ảnh)
145 146 147 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
144145146147148 500
1000 1500 2000 2500 3000 3500
Hình (a) Ảnh gốc, (b) ảnh sau giấu tin
Định lý 1: Có cặp giá trị liên tiếp (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3), (x4, y4), (x5, y5) (x3, y3) cặp giá trị điểm peak Tỉ lệ thay đổi điểm liên tục mối quan hệ láng giềng định nghĩa biểu thức (1) (2):
(1)
(2)
Với giá trị ngưỡng (trong [9] tác giả lấy t2 =
0.1)
Do đó, Kuo đưa thuật tốn phát ảnh có giấu tin kỹ thuật HKC theo bước sau:
Bước 1. Tìm cặp giá trị điểm peak (xmax, ymax)
Bước 2. Tính tỉ lệ thay đổi mối quan hệ láng
giềng cách sử dụng định lý
Bước 3. Nếu cặp giá trị liên tiếp lân cập (xmax,
ymax) thoả mãn biểu thức (1) (2) kết luận ảnh có
giấu tin vùng này, ngược lại ảnh không giấu tin
145 146 147 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
144145146147 500
1000 1500 2000 2500
143144145146147148149 500
1000 1500 2000 2500 3000 3500
Hình Biểu đồ histogram của: (a) ảnh gốc, (b) ảnh giấu tin NSAS, (c) ảnh giấu tin HKC
(4)Mặt khác, kỹ thuật phát áp dụng với kỹ thuật giấu NSAS với kỹ thuật giấu sau giấu lượng thơng điệp làm tụt giá trị peak hình thành peak giá trị lân cận Ví dụ hình (a) điểm peak 146, sau giấu tin điểm peak 147 hình (b), cịn giá trị peak cũ bị tụt xuống giấu tin
Vì đề xuất kỹ thuật phát phù hợp với hai kỹ thuật Chúng ta dựa vào mối quan hệ láng giềng pixel để phát ảnh stego Chúng đưa cách khác áp dụng định lý dùng để phát vùng nhúng liệu mật sau:
Định lý 2: Có cặp giá trị liên tiếp nhau: (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3), (x4, y4) với điểm Peak (điểm max)
(x1, y1) (x4, y4) Khi mối quan hệ láng giềng
bốn điểm liên tiếp định nghĩa sau: (3)
Áp dụng định lý 2, xây dựng thuật tốn phát ảnh có giấu tin kỹ thuật NSAS, HKC HKC cải tiến
Thuật toán phát ảnh có giấu tin kỹ thuật giấu NSAS HKC:
Bước 1: Thống kê tần số pixel ảnh
Bước 2: Tìm giá pixel có tần số lớn (ký hiệu
(xmax, ymax)), tìm cặp điểm liên tiếp bên trái (x
max-3,ymax-3), (xmax-2,ymax-2), (xmax-1,ymax-1) liên tiếp phải
(xmax+1, ymax+1), (xmax+2,ymax+2), (xmax+3,ymax+3)
Bước 3. Nếu điểm (xmax-3,ymax-3), (xmax-2,ymax-2),
(xmax-1,ymax-1) (xmax, ymax) (xmax, ymax), (xmax+1,
ymax+1), (xmax+2,ymax+2) (xmax+3,ymax+3) không thoả
mãn biểu thức (3) phát thơng điệp giấu vùng Ngược lại, kết luận ảnh khơng giấu tin
Thuật tốn phát ảnh có giấu tin kỹ thuật giấu HKC cải tiến:
Bước Chia miền liệu ảnh thành khối
bằng
Bước 2 Thống kê tần số pixel khối Sau
đó khối thực lần lược bước bước để kiểm tra
Bước 3. Tìm giá pixel có tần số lớn (ký hiệu
(xmax, ymax)), tìm cặp điểm liên tiếp bên trái (x
max-3,ymax-3), (xmax-2,ymax-2), (xmax-1,ymax-1) liên tiếp phải
(xmax+1, ymax+1), (xmax+2,ymax+2), (xmax+3,ymax+3)
Bước 4. Nếu điểm (xmax-3,ymax-3), (xmax-2,ymax-2),
(xmax-1,ymax-1) (xmax, ymax) (xmax, ymax), (xmax+1,
ymax+1), (xmax+2,ymax+2) (xmax+3,ymax+3) không thoả
mãn biểu thức (3) phát thông điệp giấu vùng Ngược lại, kết luận ảnh khơng giấu tin
Vì khơng biết trước số khối chia, lên bước phải thử chia nhiều lần với lần số khối chia khác để kiểm tra ảnh có giấu tin với số khối chia hay không
4. Kết thực nghiệm
Để thử nghiệm chương trình, chúng tơi cài đặt Matlap phiên R2007b với tập liệu ảnh gồm ảnh xám kích cỡ 512x512 pixel gồm Lena, Baboon Peppers hình 6.1-3 (a) nạp từ [5], hình 6.1 – (b) histogram ảnh ban đầu, hình 6.1-3 (c) histogram ảnh sau giấu tin sử dụng kỹ thuật giấu NSAS, hình 6.1-3 (d) histogram ảnh sau giấu tin sử dụng kỹ thuật giấu HKC hình 6.1-3 (e) histogram ảnh sau giấu tin sử dụng kỹ thuật giấu HKC cải tiến
Hình 6.1(a) Lena
-1000 100 200 300
500 1000 1500 2000 2500 3000
Hình 6.1 (b) Histogram
Hình 6.2 (a) Baboon
-50 50 100 150 200 250 300
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Hình 6.2 (b) hisgram
Hình 6.3 (a) Peppers
-50 50 100 150 200 250 300
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Hình 6.3 (b) histogram
-50 50 100 150 200 250 300
0 1000 2000 3000
Hình 6.1 (c) NSAS - histogram
-50 50 100 150 200 250 300
500 1000 1500 2000 2500 3000
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
Hình 6.1 (d) HKC - histogram
-50 50 100 150 200 250 300
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Hình 6.2 (c) NSAS - histogram -500 50 100 150 200 250 300 1000
2000 3000 4000
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
(5)-50 50 100 150 200 250 300
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Hình 6.3 (c) NSAS - histogram-500 50 100 150 200 250 300 500
1000 1500 2000 2500 3000 3500
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
Hình 6.3 (d) HKC - histogram
-50 50 100 150 200 250 300
0 500 1000 1500
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
-50 50 100 150 200 250 300
0 1000 2000
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
-50 50 100 150 200 250 300
0 500 1000 1500
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
-50 50 100 150 200 250 300
0 500 1000 1500
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
Hình 6.1 (e) HKC cải tiến – histogram (4 khối chia)
-50 50 100 150 200 250 300
0 500 1000
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
-50 50 100 150 200 250 300
0 500 1000
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
-50 50 100 150 200 250 300
0 500 1000 1500
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
-50 50 100 150 200 250 300
0 500 1000 1500
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
Hình 6.2 (3) HKC cải tiến – histogram (4 khối chia)
-50 50 100 150 200 250 300
0 500 1000 1500
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
-50 50 100 150 200 250 300
0 500 1000 1500
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
-50 50 100 150 200 250 300
0 500 1000 1500
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
-50 50 100 150 200 250 300
0 500 1000
thong ke tan suat cua anh sau giau thong diep
Hình 6.3 (e) HKC cải tiến – histogram (4 khối chia)
5. Kết luận
Từ thực nghiệm phần thấy có khác biệt rõ nét histogram ảnh gốc ảnh có giấu tin Chúng tơi dựa vào đặc điểm đề xuất kỹ thuật phát ảnh có giấu tin sử dụng kỹ thuật giấu NSAS, HKC HKC cải tiến Công việc tiếp theo, nghiên cứu số kỹ thuật phát ảnh có giấu tin sử dụng kỹ thuật giấu thuận nghịch khác
Tài liệu tham khảo
[1] C C Chang, J.Y Hsiao, and C S Chan, “Finding optimal LSB Substitution in image hiding by dynamic programming strategy,” Pattern Recognition, vol 36, no 7, pp 1583 -1595, 2003
[2] Z M Lu, J S Pan, and S H Sun, “VQ-based digital image watermarking method,” Electron Lett, Vol 36, no 14, pp 1201 – 1202, 2000
[3] H C Wu, N I Wu, C S Tsai, M S Hwang, “Image Steganographic scheme based on pixel-value differencing and LSB replacement methods,” IEE Proc.-Vis Image Signal Process., Vol 152, Issue 5, pp 611 – 615, 2005
[4] S H Liu, T H Chen, H X Yao and W Gao, “A variable depth LSB data hiding technique in images,” Machine Learning and Cybernetics, 2004, pp 3990-3994, 2004
[5] C I Podilchuk and E J Delp, “Digital watermarking: Algorithms and applications”, IEEE Signal Process Mag., vol 18, no 4, pp 33-34, Jul 2001
[6] C W Honsinger, P Jones, M Rabbani, and J C Stoffel, “Lossless recovery of an original image containing embedded data”, US Patent application, Docket no: 77102/E-D, 2001
[7] Zhicheng Ni, Yun-Qing Shi, Nirwan Ansari, and Wei Su, “Reversible Data Hiding”, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, Vol 16, No.3, pp 354-362, 2006
[8] J.H Hwang, J W Kim, and J U Choi, “A Reversible Watermarking Based on Histogram Shifting”, IWDW 2006, LNCS 4283, pp 384-361, 2006
[9] Wen-Chung Kuo, Yan-Hung Lin, “On the Security of Reversible Data Hiding Based-on Histogram Shift”, ICICIC 2008, ISSN/ISBN 9780-769531618, pp 174-177, 2008
[10] Wen-Chung Kuo, Dong-Jin Jiang, Yu-Chih Huang, “A Reversible Data Hiding Scheme Based on Block Division”, Vol 1, CISP., pp 365-369, 2008
[11] USC-SIPI Image Database,
“http://sipi.usc.edu/services/-database/Database.html”.