Tìm hiểu các kỹ thuật giấu tin trong ảnh

[Type text] ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TT Phạm Trung Thành TÌM HIỂU CÁC KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Thế Hồng Thái Nguyên - 2011 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ GIẤU THÔNG TIN 1.1 Giới thiệu chung: 1.2 Giấu thông tin vài nét lịch sử 1.2.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin: .7 1.2.3 Vài nét lịch sử giấu tin: .9 1.3 Mơ hình kỹ thuật giấu tin 10 1.4 Một số ứng dụng đƣợc triển khai: 12 1.5 Giấu thông tin liệu đa phƣơng tiện: .14 1.5.1 Giấu thông tin ảnh: 14 1.5.2 Giấu thông tin audio: 15 1.5.3 Giấu thông tin video 16 1.6 Độ an toàn hệ thống giấu tin 17 1.7 Các công hệ giấu tin 18 CHƢƠNG CÁC TÍNH CHẤT VÀ ĐẶC TRƢNG CỦA GIẤU THƠNG TIN TRONG ẢNH 19 2.1 Giấu thông tin ảnh, đặc trƣng tính chất .19 2.2 Giấu thông tin ảnh đen trắng, ảnh màu ảnh đa cấp xám .21 2.3 Hệ thống thị giác ngƣời mơ hình màu ảnh .23 2.4 Biểu diễn ảnh máy tính: 27 2.4.1 Ảnh vector 29 2.4.2 Ảnh mành 30 2.5 Các định dạng ảnh thông dụng 32 2.5.1 Định dạng ảnh IMG .32 2.5.2 Định dạng ảnh PCX .33 2.5.3 Định dạng ảnh TIFF (Targed Image File Format) 33 2.5.4 Định dạng ảnh GIF (Graphics Interchanger Format) 34 2.6 Nén ảnh 34 2.6.1 Tỉ lệ nén (Compression rate) 35 2.6.2 Một số phƣơng pháp nén ảnh 35 2.7 Một số tiêu chí đánh giá kỹ thuật giấu thơng tin ảnh số 38 2.7.1 Tính vơ hình 38 2.7.2 Khả giấu thông tin 38 2.7.3 Chất lƣợng ảnh có giấu thơng tin 38 2.7.4 Tính bền vững thông tin đƣợc giấu .39 2.7.5 Thuật toán độ phức tạp tính tốn 39 2.8 Một số chƣơng trình giấu tin ảnh 40 2.8.1 Hide And Seek V4.1 40 2.8.2 Stego Dos 40 2.8.3 White Noise Storm 40 2.8.4 S – Tools for Windows 40 2.9 Các kỹ thuật xử lí điểm ảnh: 41 CHƢƠNG MỘT SỐ THUẬT TỐN GIẤU THƠNG TIN 43 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.1 Giới thiệu 43 3.2 Thuật tốn giấu thơng tin khối bit 45 3.2.1 Kỹ thuật giấu tin ngây thơ 45 3.2.2 Kỹ thuật giấu tin Wu - Lee 50 3.2.3 Kỹ thuật giấu tin Chen – Pan – Tseng 53 3.3 Thuật tốn giấu thơng tin thay bit có trọng số thấp 57 3.3.1 Thuật toán 59 3.3.2 Phân tích, đánh giá thuật toán 61 3.4 Một số kỹ thuật giấu tin khác 61 3.4.1 Kỹ thuật giấu tin dựa bảng màu 62 3.4.2 Kỹ thuật trải phổ (Spread Spectrum Communication) 62 3.4.3 Kỹ thuật dùng hệ số DCT (Discrete Cosine Transform) .63 CHƢƠNG TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG 64 4.1 Phân tích định rõ yêu cầu 64 4.2 Yêu cầu cấu hình hệ thống 64 4.3 Thiết kế chƣơng trình .64 4.4 Hƣớng dẫn sử dụng chƣơng trình 65 4.5 Kết thử nghiệm 67 4.6 Hƣớng phát triển 69 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 Tiếng Việt 71 Tiếng Anh 71 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Sự đời tiến vƣợt bậc công nghệ thông tin đƣợc đánh giá động lực thay đổi, bƣớc ngoặt lịch sử phát triển xã hội, đƣa giới chuyển từ kỷ nguyên công nghiệp sang kỷ nguyên thông tin phát triển kinh tế tri thức Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đem lại thay đổi sâu sắc sống nhân loại Hàng loạt máy móc thiết bị số đại nhƣ máy tính cá nhân, máy ảnh kỹ thuật số, máy quét, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số đời đem lại nhiều tiện ích cho ngƣời sử dụng Đi kèm theo phần mềm xử lý tiện ích vấn nạn vi phạm quyền, ăn cắp thông tin, truy cập trái phép ngày tinh vi khó kiểm sốt Hiện có số kỹ thuật đƣợc đề xuất để khắc phục vấn đề ví dụ nhƣ mã hóa thông tin, chữ ký số, RSA, giấu tin sản phẩm đa phƣơng tiện Kỹ thuật giấu tin đƣợc biết đến hai lĩnh vực chủ yếu Steganography (giấu tin mật) Watermarking (thủy vân) Steganography kỹ thuật giấu tin mật vào liệu truyền thông (Ảnh, văn bản, nhạc, phim ) để chuyển tải đến ngƣời nhận mà thứ ba biết đến tồn thơng tin mật q trình truyền Kỹ thuật Steganography làm thay đổi tƣ lĩnh vực bảo mật thơng tin tính khả thi việc ẩn lƣợng thông tin mật liệu thơng thƣờng mà khó bị phát giác quan ngƣời Bên cạnh Watermarking đƣợc sử dụng chủ yếu lĩnh vực bảo vệ quyền sản phẩm số cách đƣa thông tin quyền nhƣ tên tác giả, logo vào sản phẩm Với tồn thông tin thủy vân nhà sản xuất chứng minh đƣợc nguồn gốc sản phẩm sản phẩm đƣợc phát tán không hợp pháp Cả hai kỹ thuật đƣợc sử dụng với mục đích khác song chúng có đặc điểm chung giấu thông tin vào sản phẩm số cho không bị phát ngƣời thứ ba trình trao đổi thơng tin mạng Hiện kỹ thuật giấu thông tin mật đƣợc quan tâm, nghiên cứu đƣợc triển khai ứng dụng rộng rãi quan quân sự, ngoại giao, an ninh, giáo dục doanh nghiệp cần trao đổi thơng tin quan trọng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Xuất phát từ nhu cầu trên, học viên định lựa chọn đề tài “Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin ảnh” nhằm nghiên cứu, đánh giá kỹ thuật giấu tin ảnh chọn lựa vài kỹ thuật giấu tin tốt để cài đặt thử nghiệm so sánh đánh giá Nội dung luận văn trình bày bốn chương: Chƣơng trình bày số khái niệm kỹ thuật giấu thông tin; phân loại kỹ thuật giấu tin; ứng dụng bản; mơ hình tổng qt kỹ thuật giấu tin vài phần mềm giấu tin có Chƣơng trình bày nghiên cứu kỹ thuật giấu tin môi trƣờng ảnh; khác biệt kỹ thuật giấu tin loại ảnh khác nhau; tính chất yêu cầu hệ giấu tin ảnh Chƣơng khảo sát, đánh giá, so sánh số kỹ thuật giấu thông tin Chƣơng phát triển chƣơng trình giấu tin thử nghiệm sử dụng hai kỹ thuật giấu tin “Ngây Thơ” Chen - Pan - Tseng Đánh giá so sánh chất lƣợng hai kỹ thuật Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ GIẤU THÔNG TIN 1.1 Giới thiệu chung: Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đem lại thay đổi sâu sắc xã hội sống Những thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại sinh thách thức hội cho trình đổi Sự đời phần mềm có tính mạnh, thiết bị nhƣ máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lƣợng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số, v.v , đƣợc sáng tạo sở thoả mãn giới tiêu dùng rộng lớn, để xử lý thƣởng thức liệu đa phƣơng tiện (multimedia data) Mạng Internet tồn cầu hình thành xã hội ảo nơi diễn trình trao đổi thơng tin lĩnh vực trị, qn sự, quốc phịng, kinh tế, thƣơng mại…Chính mơi trƣờng mở tiện nghi nhƣ xuất vấn nạn, tiêu cực cần đến giải pháp hữu hiệu cho vấn đề an tồn thơng tin nhƣ nạn ăn cắp quyền, nạn xuyên tạc thông tin, truy nhập thơng tin trái phép v.v Tìm giải pháp cho vấn đề nêu không tạo điều kiện sâu vào lĩnh vực công nghệ phức tạp phát triển nhanh mà dẫn đến hội phát triển kinh tế Giải pháp cho vấn đề ? Trong trình phát triển lâu dài, nhiều phƣơng pháp bảo vệ thông tin đƣợc đƣa ra, giải pháp dùng mật mã học giải pháp đƣợc ứng dụng rộng rãi Các hệ mật mã đƣợc phát triển nhanh chóng đƣợc ứng dụng phổ biến tận ngày Thông tin ban đầu đƣợc mã hố thành ký hiệu vơ nghĩa, sau đƣợc lấy lại thơng qua việc giải mã nhờ khố hệ mã Đã có nhiều hệ mã phức tạp đƣợc sử dụng nhƣ DES, RSA, Các phƣơng pháp thực tế tỏ hiệu đƣợc ứng dụng phổ biến Tuy nhiên luận văn không sâu nghiên cứu hệ mật mã mà tiếp cận với phƣơng pháp đƣợc nghiên cứu, phát triển nhiều nƣớc giới, phƣơng pháp che giấu thơng tin Phƣơng pháp cịn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn phức tạp, ứng dụng an toàn bảo mật thông tin, đƣợc xem nhƣ công nghệ chìa khố cho vấn đề bảo vệ quyền, nhận thực thông tin điều khiển truy cập … Để bảo đảm an tồn cho nội dung thơng tin, ngƣời ta thƣờng sử dụng phƣơng pháp mã hoá thơng tin, nhằm giấu ý nghĩa Để giữ bí mật cho thơng tin, ngƣời ta tìm cách che giấu diện Xu hƣớng kết hợp hai kỹ thuật: mã hóa thơng tin sau che giấu thơng tin Mã hố che giấu thơng tin có quan hệ chặt chẽ với Nhiều ý tƣởng kỹ thuật mật mã (Cryptography) hữu ích cơng việc che giấu hữu thông tin Nghiên cứu việc kết hợp hai kỹ thuật mật mã che giấu liệu, nhằm khắc phục nhƣợc điểm hạn chế loại, cho phép xây dựng hệ thống bảo mật, an toàn cho việc chuyển tải liệu phƣơng tiện thông tin đại chúng Cryptology Ngành mật mã Cryptography Mật mã Steganography Giấu tin mật Hình Phân cấp lĩnh vực nghiên cứu mật mã học Giấu thơng tin, xét theo khía cạnh tổng quát hệ mã mật, nhằm đảm bảo tính an tồn thơng tin Phƣơng pháp ƣu điểm làm vơ hình nội dung thơng tin đƣợc chứa ảnh, biện pháp hữu hiệu, hạn chế tối đa đƣợc phá hoại tên tin tặc (hacker) Việc gửi ảnh thơng thƣờng khơng gây tị mò, ý tên tin tặc 1.2 Giấu thơng tin vài nét lịch sử 1.2.1 Định nghĩa giấu thơng tin[16]: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Giấu thông tin kỹ thuật nhúng (giấu) lượng thơng tin số vào đối tượng liệu số khác Kỹ thuật giấu thông tin nhằm hai mục đích đảm bảo an tồn bảo mật thông tin: bảo mật cho liệu đƣợc đem giấu, hai bảo mật cho đối tƣợng đƣợc dùng để giấu tin Hai mục đích khác dẫn đến hai khuynh hƣớng kỹ thuật chủ yếu giấu tin Khuynh hƣớng thứ giấu tin mật (steganography) Khuynh hƣớng tập trung vào kỹ thuật giấu tin cho thông tin giấu đƣợc nhiều quan trọng làm ngƣời khác khó phát đƣợc đối tƣợng có bị giấu tin bên hay không Khuynh hƣớng thứ hai thuỷ vân số (watermarking) Khuynh hƣớng thuỷ vân số có miền ứng dụng lớn nên đƣợc quan tâm nghiên cứu nhiều thực tế có nhiều kỹ thuật thuộc khuynh hƣớng Thuỷ vân số tập trung vào việc sử dụng kỹ thuật giấu tin, dùng thông tin giấu để bảo vệ sản phẩm thông tin số nhƣ ảnh, audio hay video Nổi bật ứng dụng bảo vệ quyền 1.2.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin: Do kỹ thuật giấu thông tin số đƣợc hình thành thời gian gần nên xu hƣớng phát triển chƣa ổn định Nhiều phƣơng pháp mới, theo nhiều khía cạnh khác đƣợc đề xuất, chƣa thể có đƣợc định nghĩa xác, đánh giá phân loại rõ ràng Một số tác giả đƣa cách đánh giá phân loại, chí định nghĩa, nhƣng khơng lâu sau lại có định nghĩa khác, phân loại khác đƣợc đề xuất Sơ đồ phân loại hình đƣợc Fabien A P Petitcolas đƣa năm 1999, sau hội nghị quốc tế lần thứ hai giấu tin năm 1998 đƣợc chấp nhận rộng rãi giới nghiên cứu [3] Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Information hiding Giấu thông tin watermarking Thuỷ vân số steganography Giấu tin mật Intrinsic Giấu tin có xử lý Robust Copyright marking Thuỷ vân bền vững Pure Giấu tin đơn Imperceptible Watermarking Thuỷ vân ẩn Fragile Watermarking Thuỷ vân “dễ vỡ” Visible Watermarking Thuỷ vân Hình Phân loại kỹ thuật giấu thông tin Sơ đồ phân loại nhƣ tranh khái quát ứng dụng kỹ thuật giấu thông tin Dựa việc thống kê xếp khoảng 100 cơng trình cơng bố số tạp chí, với thơng tin tên tóm tắt nội dung khoảng 200 cơng trình cơng bố internet, chia lĩnh vực giấu liệu làm hai hƣớng lớn, watermarking steganography Nếu nhƣ watermark quan tâm nhiều đến ứng dụng giấu mẩu tin ngắn nhƣng đòi hỏi độ bền vững lớn thông tin cần giấu (trƣớc biến đổi thơng thƣờng tệp liệu mơi trƣờng) steganography lại quan tâm tới ứng dụng che giấu tin đòi hỏi mật độ dung lƣợng lớn tốt Đối với hƣớng lớn này, q trình phân loại theo tiêu chí khác tiếp tục đƣợc thực hiện, ví dụ dựa theo ảnh hƣởng tác động từ bên ngồi chia watermark thành hai loại, loại bền vững với tác động chép trái phép, loại thứ hai lại cần tính chất hồn tồn đối lập, phải dễ bị phá huỷ trƣớc tác động nói Cũng chia watermark theo đặc tính, loại cần đƣợc che dấu để có số ngƣời tiếp xúc với thấy đƣợc thơng tin, loại thứ hai đối lập, cần đƣợc ngƣời nhìn thấy Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Steganography - Tập trung vào việc giấu đƣợc nhiều thông tin tốt, ứng dụng truyền liệu thông tin mật - Cố gắng làm nhỏ ảnh hƣởng đến chất lƣợng đối tƣợng vỏ để không bị ý đến liệu đƣợc giấu - Thay đổi stego-object làm cho liệu giấu bị sai lệch (nhất ứng dụng nhận thực thông tin) Watermarking - Không cần giấu nhiều thông tin, cần lƣợng thông tin nhỏ đặc trƣng cho quyền ngƣời sở hữu - Trong trƣờng hợp thuỷ vân nhìn thấy thuỷ vân - Thuỷ vân phải bền vững với cơng có chủ đích khơng có chủ đích vào sản phẩm Bảng Phân biệt Steganography Watermarking 1.2.3 Vài nét lịch sử giấu tin: Từ Steganography bắt nguồn từ thời Hi Lạp cổ đƣợc sử dụng ngày nay, có nghĩa tài liệu đƣợc phủ (covered writing) Các câu chuyện kể kỹ thuật giấu thông tin đƣợc truyền qua nhiều hệ Có lẽ ghi chép sớm kỹ thuật giấu thông tin (thông tin đƣợc hiểu theo nghĩa nguyên thủy nó) thuộc sử gia Hi Lạp Herodotus Khi bạo chúa Hi Lạp Histiaeus bị vua Darius bắt giữ Susa vào kỷ thứ năm trƣớc Công Nguyên, ông ta gửi thơng báo bí mật cho rể Aristagoras Miletus Histiaeus cạo trọc đầu nô lệ tin cậy xăm thông báo da đầu ngƣời nô lệ Khi tóc ngƣời nơ lệ mọc đủ dài ngƣời nô lệ đƣợc gửi tới Miletus Câu chuyện khác thời Hi Lạp cổ đại Herodotus ghi lại Mơi trƣờng để ghi văn viên thuốc đƣợc bọc sáp ong Demeratus, ngƣời Hi Lạp, cần thông báo cho Sparta Xerxes định xâm chiếm Hi Lạp Để tránh bị phát hiện, bóc lớp sáp khỏi viên thuốc khắc thông báo lên bề mặt viên thuốc này, sau bọc lại viên thuốc lớp sáp Những viên thuốc đƣợc chuyển công khai lọt qua kiểm soát cách dễ dàng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 59 Thực giấu tin vào ảnh theo kỹ thuật LSB, lật bit bên phải 0 0 11111111 00000000 00000000 00000000 11111111 00000000 00000000 00000000 11111111 00000001 00000001 00000000 11111110 00000000 00000000 00000001 11111111 Kết 11111110 Hình 36 Giấu thông tin theo kỹ thuật LSB Thử nghiệm máy tính cho thấy, thay đổi giá trị màu thành phần từ trở lên (theo lý thuyết, màu phân biệt dựa màu sắc, cách biệt bƣớc sóng màu khác từ 10 nm) mắt ngƣời phát thay đổi 3.3.1 Thuật toán Sự đa dạng với ƣu, nhƣợc điểm phƣơng pháp giấu tin ảnh màu cho phép ngƣời lập trình lựa chọn thuật toán phù hợp với nhiệm vụ đặt Hiện nay, thuật toán LSB đƣợc ứng dụng rộng rãi có ƣu điểm nhƣ: dễ cài đặt, không cần quan tâm nhiều đến việc chọn điểm giấu tin, chất lƣợng ảnh bị thay đổi sau giấu tin Tƣ tƣởng thuật toán chọn ngẫu nhiên điểm ảnh, với điểm ảnh, chọn ngẫu nhiên byte màu, sau giấu bit tin vào bit màu có trọng số thấp Để tăng tính bảo mật, thơng tin thƣờng đƣợc nhúng vào vùng ảnh mà mắt ngƣời nhạy cảm (ví dụ nhƣ vùng có màu xanh tím) Đối với ảnh 24 bit mầu, điểm ảnh đƣợc chứa byte, nhƣ mầu đƣợc xác định số nguyên có giá trị miền từ đến 256 Thuật toán thay k bit có trọng số nhỏ sử dụng ảnh 24 bit mầu biểu diễn qua bƣớc sau: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 60 B1 Thông tin cần giấu đƣợc biểu thị luồng bit luồng bit đƣợc chia nhỏ thành cụm k bit EiB, EiG, EiR Điểm ảnh thứ i ký hiệu Hi chứa 24 bit đƣợc tách làm byte riêng Bi , Gi, Ri ứng mầu xanh lục, xanh lam, đỏ từ byte lại tách khối k bit cuối kí hiệu Bik , Gik, Rik B2 Thay Bik , Gik, Rik giá trị tƣơng ứng EiB, EiG, EiR Mỗi điểm ảnh nhận đƣợc, ký hiệu Hi' mang x (8 - k) bit có trọng số cao cho thơng tin ảnh x k bit trọng số thấp cho thông tin giấu Gọi ảnh nhận đƣợc sau thay H' B3 Tách thông tin cách tách từ điểm ảnh cụm k bit từ byte B i , Gi, Ri chắp lại thành tin giấu Kỹ thuật đơn giản nhƣng tin trƣớc giấu đƣợc mã hoá trật tự giấu thông tin đƣợc chọn theo quy luật việc tách thơng tin từ H' không đơn giản B1 đƣợc gọi bƣớc rải tin Thơng tin đƣợc mã hố, sau tạo hàm băm ngẫu nhiên (Ramdommize [seed]) Tham số seed hạt giống để sinh số ngẫu nhiên Nếu dùng hạt giống, sinh chuỗi số ngẫu nhiên giống nhau, điểm chọn để giấu tin ảnh Quá trình rải tin phải đƣợc kiểm tra để chọn điểm chƣa có tin giấu (Collection) Đặc tính hàm Collection không lƣu giá trị trùng lặp, nên điểm sinh B2 bƣớc giấu thông tin vào ảnh Mỗi lần chọn byte thông tin, trích bit từ đến 8, giấu bit tin vào điểm ảnh chƣa dùng Có thể giấu tối đa bit tin điểm ảnh Ví dụ chọn vùng có màu lam để giấu tin: 00001110 00000000 00000000 20 15 29 21 33 28 12 15 14 36 44 44 20 15 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 61 27 12 31 37 12 16 16 14 Hình 37 Phân tích giá trị điểm ảnh ngẫu nhiên đƣợc chọn B3 bƣớc giải mã, qui trình đƣợc thực nhƣ sau: B3.1 Cung cấp hạt giống seed nhƣ B1 dùng, tìm điểm ảnh byte có chứa thơng tin Trích bit tin mật B3.2 Ghép bit tin mật thành byte thông tin, chắp byte thành tin mã hoá B3.3 Giải mã, thu đƣợc thơng tin giấu 3.3.2 Phân tích, đánh giá thuật toán Thuật toán nhúng tin đƣợc coi an tồn thơng tin đƣợc nhúng khơng bị phát thời gian phát đƣợc thông tin giấu đủ lâu, bảo đảm đƣợc bí mật Kỹ thuật LSB cho phép giấu tối đa [log2(mn+1)] bit liệu vào khối ảnh kích thƣớc m x n Hàm f (tỉ lệ giấu tin) đƣợc tính theo cơng thức [3]: f  log ( mn 1) mn Vậy f có giá trị giảm theo tích m x n, kích thƣớc khối ảnh chia nhỏ giấu đƣợc nhiều tin Tuy nhiên, độ an tồn thơng tin lại phụ thuộc tỉ lệ thuận vào kích thƣớc khối ảnh: kích thƣớc khối lớn, độ an tồn cho thơng tin giấu cao Vì việc chọn kích thƣớc khối giấu tin lớn làm tăng độ an toàn nhƣng lại giảm tỉ lệ tin giấu đƣợc ngƣợc lại, kích thƣớc khối nhỏ làm tăng tỉ lệ tin giấu nhƣng lại làm giảm độ an tồn Thơng thƣờng ta nên chọn kích thƣớc khối cho [log2(m x n + 1)] = 4, tức giấu đƣợc tối đa bit hay bit liệu vào khối ảnh kích thƣớc m x n 3.4 Một số kỹ thuật giấu tin khác Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 62 3.4.1 Kỹ thuật giấu tin dựa bảng màu Phƣơng pháp giấu tin sử dụng kỹ thuật LSB thƣờng đƣợc áp dụng cho loại ảnh có bảng màu Vấn đề nảy sinh thay đổi giá trị bit LSB tức làm thay đổi trỏ đến bảng màu Nếu bảng màu không đƣợc xếp, xảy trƣờng hợp màu đối lập đứng kề nhau, dẫn đến tình trạng bit có giấu tin dễ bị phát Có thể giải vấn đề theo hai cách:  Sắp xếp lại bảng màu, gam màu giống đƣợc đặt kề  Mở rộng bảng màu cách đƣa thêm số màu lân cận vào bảng màu Hai cách dễ bị phát ngƣời thám tin dò đƣợc bảng màu Cải tiến phƣơng pháp xếp màu theo độ chói, mắt thƣờng khó nhận biết 3.4.2 Kỹ thuật trải phổ (Spread Spectrum Communication) Kỹ thuật [11] đƣợc ứng dụng rộng rãi thông tin vô tuyến quân đội, khả giấu tin lớn (1/5 - 1/50), độ bền vững cao (không hƣ tin mật dùng phép nén, cộng nhiễu) Tuy nhiên, dùng phép lọc nhiễu, ngƣời thám tin phá hỏng tin mật Để truyền thông tin M từ máy phát A đến máy thu B, ngƣời ta chia M thành gói nhỏ {s1, s2, , sm} Mỗi gói tin nhỏ si đƣợc trải phổ trƣớc đƣa lên kênh truyền mã trải phổ (dùng chung cho bên phát bên thu) Kết phổ tín hiệu đƣợc trải rộng gấp hàng trăm lần so với ban đầu mật độ lƣợng phổ thấp xuống, làm cho tín hiệu tin mật giống với nhiễu có sẵn ảnh, nên khó dị tìm Coi ảnh tin mật nhƣ dải phổ, việc giấu tin đƣợc thực cách trải dải phổ có lƣợng thấp (tin mật) vào dải phổ có lƣợng cao (các điểm ảnh) Phƣơng pháp đƣợc nghiên cứu kỹ lƣỡng nhằm đạt mục tiêu bảo mật, an toàn cho thơng tin Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 63 3.4.3 Kỹ thuật dùng hệ số DCT (Discrete Cosine Transform) Kỹ thuật dùng cho ảnh JPEG, ảnh phổ biến mạng, kích thƣớc ảnh gọn Ảnh JPEG khơng dùng phƣơng pháp xử lý bit mà dùng phƣơng pháp biến đổi cosin rời rạc Phép biến đổi cosin rời rạc làm liệu lỗi làm tròn giá trị cosin Độ lệch liệu gốc liệu phục hồi sau biến đổi phụ thuộc vào phƣơng pháp sử dụng để tính giá trị cosin Ảnh JPEG đƣợc chia thành khối x Sau tính hệ số biến đổi cosin rời rạc cho ma trận Các hệ số tính đƣợc đem nhân với ma trận lƣợng hoá Kết thu đƣợc làm tròn đến số nguyên gần nhất, nén lƣu lại Các cấu tử DCT nơi cho phép giấu liệu Có thể chọn hệ số DCT lớn, có lƣợng cao nên làm thay đổi ảnh, đem sửa chút (giấu tin) Cách khác chọn DCT vùng mắt ngƣời nhạy cảm Hai cách không bị phát mắt thƣờng nhƣng bị phát phƣơng pháp phân tích thống kê Vùng lƣợng cao, thích hợp cho giấu tin, bền vững thấp Vùng lƣợng thấp, bền vững cao, khả giấu tin Hình 38 Phân chia hai vùng lƣợng khối DCT x Các hệ số DCT vùng lƣợng cao không bền vững trƣớc phép xử lý ảnh nhƣ tịnh tiến dịch chuyển Ngoài kỹ thuật đƣợc đề cập, nhiều kỹ thuật khác [11, 21] nhƣ phƣơng pháp biến đổi Fourier, mã khối bề mặt, giấu tin dựa vào kỹ thuật xử lý ảnh, Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 64 CHƢƠNG TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG 4.1 Phân tích định rõ yêu cầu Thông tin cần giấu để thử nghiệm văn dạng text Ảnh đƣợc chọn để giấu thử nghiệm ảnh có định dạng Bmp Ảnh sau giấu tin cần đƣợc đánh giá đạt hay không đạt chất lƣợng ảnh, dung lƣợng tin giấu, so sánh chất lƣợng hai kỹ thuật giấu tin 4.2 Yêu cầu cấu hình hệ thống Chƣơng trình khơng địi hỏi nhiều phần cứng hệ thống nhƣng đƣợc xây dựng phần mềm Matlab, hệ thống cần đáp ứng yêu cầu tối thiểu công nghệ này: - CPU Pentum III - Ram 256 MB trở lên - Hệ điều hành Windows XP - Đã cài đặt chƣơng trình Matlab chép cài CRInstaller.exe thƣ mục cài đặt Matlab 4.3 Thiết kế chƣơng trình Thuật tốn đƣợc triển khai xây dựng chƣơng trình kỹ thuật giấu tin Ngây thơ Chen – Pan - Tseng đƣợc đánh giá thuật toán lĩnh vực giấu tin (đã đề cập phần chƣơng III) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 65 Giao diện chƣơng trình giấu tin: 4.4 Hƣớng dẫn sử dụng chƣơng trình 4.4.1 Quá trình giấu thông tin: B1 Chọn ảnh cần giấu tin cách nhắp chuột vào nút B2 Chọn khóa bí mật (đã tạo sẵn theo thuật toán) B3 Chọn nội dung cần giấu B4 Lựa chọn thuật tốn để giấu thơng tin Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 66 B5 Lựa chọn đƣờng dẫn để lƣu file ảnh giấu thông tin B6 Lựa chọn đƣờng dẫn để lƣu file khóa bí mật sau giấu xong nội dung vào ảnh B7 Sau thực xong bƣớc ta chọn vào nút Embeb để chƣơng trình thực giấu thơng tin ảnh theo thuật toán lựa chọn 4.4.2 Q trình khơi phục thơng tin giấu: B1 Chọn File ảnh giấu thông tin B2 Lựa chọn file khóa bí mật ảnh B3 Lựa chọn đƣờng dẫn để lƣu nội dung sau thực khôi phục thơng tin giấu B4 Lựa chọn thuật tốn để khơi phục thơng tin (Chọn thuật tốn giấu tin) B5 Sau thực xong bƣớc ta chọn vào nút Decode để chƣơng trình thực khơi phục thơng tin giấu theo thuật tốn lựa chọn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 67 4.5 Kết thử nghiệm - Đối với kỹ thuật giấu tin ngây thơ: Ảnh gốc đƣợc xử dụng ảnh có định dạng ảnh Bitmap “Monalisa.bmp” có kích thƣớc 717x1101, kích thƣớc khối m x n chọn 4x4 Thông tin cần giấu ảnh có kích thƣớc 16 bytes 190 bytes có định dạng kiểu text Ảnh gốc Ảnh có chứa 16 bytes PSNR = 43.280 Ảnh có chứa 190 bytes PSNR = 41.625 - Đối với kỹ thuật giấu tin Chen – Pan – Tseng: Ảnh gốc đƣợc xử dụng ảnh có định dạng ảnh Bitmap “Monalisa.bmp” có kích thƣớc 717x1101, hệ số k đƣợc sử dụng 4, Thông tin cần giấu ảnh có kích thƣớc 16 bytes 190 bytes có định dạng kiểu text Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 68 Ảnh gốc Ảnh có chứa 16 bytes PSNR = 36.320 Ảnh có chứa 190 bytes PSNR = 33.425 Để đánh giá chất lƣợng ảnh sau giấu tin đƣợc đánh giá thông qua giá trị tỉ số PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) ảnh gốc I ảnh có chứa thơng tin giấu K có kích thƣớc m x n Nếu giá trị PSNR ảnh gốc ảnh sau giấu nằm khoảng từ 30 đến 50 dB, ảnh sau giấu đƣợc đánh giá đạt chất lƣợng Tuy nhiên giá trị dB cao tốt Cơng thức tỉ số PSNR: Trong đó, Ảnh gốc sau giấu thơng tin mật có sai khác với ảnh gốc phạm vi chấp nhận đƣợc Tỉ số PSNR giảm từ 43.280 đến 33.425, yếu tố đảm bảo chất lƣợng ảnh ứng dụng giấu thông tin mật Nội dung thông tin giấu sau đƣợc giải tin không sai lệnh so với nội dung gốc ban đầu Sự thay đổi ảnh sau giấu tin gần nhƣ không cảm nhận đƣợc hệ thống thị giác ngƣời Kỹ thuật giấu tin Ngây thơ đảm bảo chất lƣợng ảnh, thực phép tính nhanh kỹ thuật giấu tin Chen – Pan – Tseng giấu tin khôi phục thông tin giấu thời gian tính tốn độ phức tạp phép tính nhiều Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 69 4.6 Hƣớng phát triển Cần nghiên cứu sâu kỹ thuật đồ hoạ, cụ thể phƣơng pháp xử lý ảnh nhƣ nén Fractal hay biến đổi Wavelet xuất phát điểm cho nhiều hƣớng nghiên cứu giấu tin mới, mục đích giảm kích thƣớc tập tin ảnh mà không làm mát thông tin Mã hố thơng tin trƣớc giấu biện pháp hữu hiệu để bảo đảm an tồn cho thơng tin Mã hoá sử dụng kỹ thuật mật mã khố cơng khai (khố lập mã cơng khai, khố giải mã bí mật) Lý thuyết chứng minh, cơng bố phƣơng pháp mã hố, cơng khai khố lập mã, giữ bí mật khố giải mã, mà giữ đƣợc bí mật thơng tin, việc tìm khố giải mã tốn nan giải, theo nghĩa có độ phức tạp thời gian lớn [8] Chƣơng trình thử nghiệm đƣợc xây dựng chƣơng trình Matlab cịn nhiều hạn chế nhƣ thông tin giấu không đƣợc dài, giao diện chƣa hỗ trợ đƣợc font chữ tiếng việt, Thực phép tính cịn nhiều thời gian Cần tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện tốn giấu tin loại liệu khác nhƣ Audio, Video để tăng độ bảo mật nội dung thông tin tránh nghi ngờ kẻ thám tin Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 70 KẾT LUẬN Luận văn trình bày đánh giá kỹ thuật giấu tin cài đặt thử nghiệm chƣơng trình giấu tin mật sử dụng hai kỹ thuật Ngây thơ kỹ thuật giấu tin mật Chen – Pan – Tseng để trao đổi thơng tin mật Chƣơng trình thử nghiệm giấu tin mật mơi trƣờng ảnh Có thể dụng tốt thuật toán với ảnh đa mức xám định dạng ảnh sử dụng bảng màu nói chung Cài đặt, tiến hành thử nghiệm thuật tốn môi trƣờng định dạng ảnh Bitmap phù hợp với xu hƣớng thực tế trao đổi thông tin Thuật toán cho kết thử nghiệm tốt với mẫu ảnh thu đƣợc từ mạng Internet Sự thay đổi ảnh sau giấu tin gần nhƣ không cảm nhận đƣợc hệ thống thị giác ngƣời, cho thấy thuật tốn áp dụng thực tế Chƣơng trình sử dụng hệ thống khóa bí mật, ma trận trọng số kết hợp với phƣơng pháp kiểm soát chất lƣợng ảnh giấu tin nhằm xây dựng lƣợc đồ giấu tin ảnh đảm bảo tính mật, tính an tồn cao lƣợng tin giấu, đồng thời ảnh chứa tin giấu thay đổi bất thƣờng so với ảnh gốc Trên ý kiến chủ quan, tác giả luận văn mong muốn nhận đƣợc quan tâm đóng góp ý Thày, Cơ, ngƣời quan tâm đến lĩnh vực Giấu tin ảnh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Bùi Thế Hồng (2005), “Một vài tiến lược đồ giấu liệu an toàn [1] vơ hình ảnh hai màu”, Tạp chí Tin học điều khiển học, tập 21, số 4-2005 Lƣơng Mạnh Bá, Nguyễn Thanh Thuỷ (1999), “Nhập môn xử lý [2] ảnh số”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Nguyễn Xuân Huy, Trần Quốc Dũng (2003), “Một số kỹ thuật giấu tin [3] thuỷ ấn ảnh”, Giáo trình Nguyễn Văn Vỵ (2002), “Phân tích thiết kế hệ thống thông tin đại”, [4] Nhà xuất Thống kê Nguyễn Văn Tảo, “Một số kỹ thuật giấu tin áp dụng giấu tin mật [5] ảnh”, Tạp chí khoa học Cơng nghệ, Đại học Thái Nguyên Ngô Quốc Tạo (2003), “Xử lý ảnh”, Bài giảng [6] Tiếng Anh [7] Ben Lee (2002), "Steganography", A Powerpoint Presentation about Technical of Data Hiding, ECE 487, pp 1-10 [8] Danley Harrisson (2002), “An Introduction to Steganography”, Lecture Notes, pp – [9] Fabien A.P Peticolas, Ross J.Anderson and Markus G.Kuhn (1998) “Attack on Copyright Marking System”, Second workshop on information hiding, in vol.1525 of Lecture, Notes in Computer Science, Portland, Oregon, USA 14 – 17, pp 218 – 238 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 72 [10] J.Fridrich, "Applications of data hiding in digital images", Center for Intelligent System, SUNY Binghamton, NY 13902 – 6000, USA, and Mission Research Corporation [11] Lisa M.Marvel, Charles G.Boncelet, Charles T Retter (8.1999), "Spread Spectrum Image Steganography", IEEE Transactions On Image, Vol.8, No.8, 1075-1083 [12] M.Y.Wu J.H.Lee (2001), “Proceedings of international Symposium on Multimedia Information Processing”, Princeton University [13] Mahalingam Ramkurmar and Ali N Akansu, “Theoretical Capacity Measures for Data Hiding in Compressed Images”, Department of Electrical and Computer Engineering, New Jersey Institute of Technology, New Jersey Center for Multimedia Research, University Heights, Newark, NJ 07102 [14] Min Wu (2001), "Multimedia Data Hiding", Princeton University [15] R Z Wang, C F Lin, and J C Lin (1998), "Image Hiding by LSB Substitution and Genetic Algorithm", Proceedings of International Symposium on Multimedia Information Processing, Chung-Li, Taiwan, R.O.C, 671-683 [16] Stefan Katzenbeisser, Fabien A.P Peticolas (1999), "Information Hiding Techniques for Steganography and Digital Watermarking", Artech House, Boston - London, pp - 40 [17] W Bender, D Gruhl, N Morimoto, A Lu (1996), "Techniques for data hiding", IBM System Journal Vol 35, No 3&4, MIT Media Lab [18] Yu-Yuan Chen, Hsiang-Kuang Pan, Yu-Chee Tseng (2000), "A Secure Data Hiding Scheme for Two-Color Images", IEEE Symp On Computer and communication, 2000 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 73 BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Ý nghĩa IMG, PCX, TIFF, BMP, Các loại định dạng ảnh GIF, JPEG CMY, HSV, RGB, YIQ Các hệ màu dùng đồ hoạ CPT, LSB Các thuật toán giấu thông tin ảnh DCT hệ số phép biến đổi cosin rời rạc DES, RSA Các kiểu mã hố thơng tin DOS hệ điều hành dùng cho máy tính EOF Kết thúc tập tin HAS, HVS hệ giác quan ngƣời LZW, RLC Các kiểu nén thơng tin PSNR Tỷ số tín hiệu cực đại nhiễu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... loại kỹ thuật giấu tin; ứng dụng bản; mơ hình tổng qt kỹ thuật giấu tin vài phần mềm giấu tin có Chƣơng trình bày nghiên cứu kỹ thuật giấu tin môi trƣờng ảnh; khác biệt kỹ thuật giấu tin loại ảnh. .. thông tin ảnh với kỹ thuật giấu thông tin audio hay video Kỹ thuật giấu phụ thuộc ảnh Kỹ thuật giấu tin phụ thuộc vào loại ảnh khác Chẳng hạn nhƣ ảnh đen trắng, ảnh xám hay ảnh màu ta có kỹ thuật. .. trúc ảnh Bitmap, PCX, IMG  Một số kỹ xử lí ảnh kỹ thuật giấu thơng tin mật (Seganography) 2.1 Giấu thông tin ảnh, đặc trƣng tính chất Các kỹ thuật giấu tin phần lớn tập trung vào giấu thông tin