Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin trong ảnh và ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Họ tên tác giả luận văn NGUYỄN VĂN ĐA TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG Chun ngành: Truyền thơng Mạng máy tính LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT TRUYỀN THƠNG VÀ MẠNG MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PSG.TS NGUYỄN THỊ HOÀNG LAN Hà Nội - 2016 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỀU DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT LỜI CAM ĐOAN MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ 1.1 Tổng quan lĩnh vực giấu tin 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Khái niệm giấu tin ảnh số 1.1.3 Lịch sử giấu tin 1.1.4 C c kĩ thuật giấu tin 10 1.1.5 Các chức hệ thống giấu tin 12 1.1.6 Môi trường giấu tin 12 1.1.7 Các thành phần hệ giấu tin ảnh số 13 1.1.8 Yêu cầu thiết yếu hệ thống giấu tin ảnh số 13 1.2 Vấn đề x c định nhiệm vụ 15 1.2.1 Giới thiệu vấn đề 15 1.2.2 Định hướng giải pháp 16 1.2.3 Nhiệm vụ luận văn 16 1.3 Tìm hiểu ảnh số 16 1.3.1 Sơ lược loại ảnh JPEG, GIF, PNG 16 1.3.2 Cấu trúc ảnh Bitmap 18 1.4 Tìm hiểu phương ph p nhúng liệu LSB (Least Significant Bit) 23 1.4.1 Khái niệm bit có trọng số thấp LSB 23 1.4.2 Thuật toán nhúng liệu LSB 24 1.5 Tổng quan mã hóa AES 27 1.5.1 Qúa trình phát triển 27 1.5.2 Nguyên tắc 28 1.5.3 C c bước thực 28 1.5.4 An tồn thuật tốn 29 Chương 2: PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP HỆ THỐNG GIẤU TIN 31 2.1 Phân tích hệ thống giấu tin 32 2.1.1 Yêu cầu người sử dụng 32 2.1.2 Thông tin cần giấu 33 2.1.3 Môi trường giấu tin 33 2.1.4 Thuật toán giấu tin 33 2.1.5 Điều kiện, môi trường an toàn vật mang tin 34 2.2 Giải ph p thực 35 2.2.1 Quy trình giấu tin 36 2.2.2 Quy trình tách tin 37 Chương 3: THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG VÀ KẾT QỦA ĐẠT ĐƯỢC 38 3.1 Môi trường công cụ thử nghiệm 38 3.1.1 Môi trường thử nghiệm 38 3.1.2 Công cụ phần mềm ứng dụng 38 3.1.3 C c độ đo đ nh gi hiệu hệ thống 39 3.2 Các kịch thử nghiệm kết qủa 42 3.2.1 Kịch 43 3.2.2 Kịch 44 3.2.3 Các nhận xét 48 3.3 Khảo s t số dạng công hệ thống giấu tin 49 3.3.1 Tấn công dựa vào phân tích trực quan 49 3.3.2 Tấn cơng phân tích theo dạng ảnh 50 3.3.3 Tấn cơng dựa vào phân tích thống kê 50 3.3.4 Kịch thử nghiệm dạng công 50 3.4 Đề xuất số quy trình sử dụng công cụ phần mềm ứng dụng 53 3.4.1 Quy trình 53 3.4.2 Quy trình 53 3.4.2 Quy trình 53 3.5 So s nh với giải ph p giấu tin cải tiến CPT 55 3.5.1 Giới thiệu giấu tin cải tiến CPT 55 3.5.2 Công cụ phần mềm giấu tin cải tiến CPT 56 3.5.3 Kịch so sánh nhận xét 56 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Tên hình Hình 1.1 Phân loại mơ hình giấu tin Hình 1.2 Ví dụ ảnh đen trắng Hình 1.3 Ví dụ ảnh đa cấp xám Hình 1.4 Ví dụ ảnh màu Hình 1.5 Lưu đồ mơ tả thuật tốn nhúng liệu LSB Hình 2.1 Sơ đồ giải pháp hệ thống giấu tin mật Hình 2.2 Sơ đồ khối chức nhúng tin vào ảnh Hình 2.3 Sơ đồ khối chức t ch tin từ ảnh mang tin Hình 3.1 Giao diện phần mềm Hình 3.2 Thơng báo hai tin đầu vào đầu giống Hình 3.3 Thơng báo hai tin đầu vào đầu khơng hồn tồn giống Hình 3.4 Giao diện chức so s nh hai chuỗi ký tự đầu vào đầu Hình 3.5 Giao diện chưa giấu tin Hình 3.6 Giao diện giấu tin thành cơng Hình 3.7 Giao diện tách tin thành cơng Hình 3.8 Mơ tả kết qủa cơng trực quan phát ảnh mang tin Hình 3.9 Mơ tả kết qủa công thống kê phát ảnh mang tin DANH MỤC BẢNG BIỀU Bảng Tên bảng Bảng 1.1 Ý nghĩa trường vùng Bitmap Header Bảng 1.2 Ý nghĩa trường vùng BitmapInfor Bảng 1.3 Bit cuối coi quan trọng Bảng 1.4 Biểu diễn giấu chữ A vào byte ảnh gốc Bảng 3.1 Thống kê kết qủa thử nghiệm Bảng 3.2 So sánh ảnh trước sau giấu tin trực quan Bảng 3.3 So sánh thuật toán nhúng liệu LSB cải tiến CPT DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Ý nghĩa Từ viết tắt LSB Least Significant Bit Bit quan trọng AES Advanced Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến DL Dữ liệu Ảnh không nén Bitmap BMP Bitmap JPEG Joint Photographic Expert Group Ảnh nén JPEG PNG Portable Network Graphics Ảnh PNG GIF Graphics Interchange Format Định dạng ảnh đồ họa GIF PSNR Peak signal-to-noise ratio MSE Mean squared error Lỗi bình phương DCT Discrete Consine Transform Phép biến đổi cosin rời rạc Tỷ số tín hiệu cực đại nhiễu LỜI CAM ĐOAN Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô Viện Công nghệ thông tin Truyền thông Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, người nhiệt tình giảng dạy truyền đạt kiến thức suốt thời gian em học tập trường để em hồn thành tốt qúa trình học tập Đặc biệt, em xin cảm ơn chân thành sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Lan, người trực tiếp hướng dẫn tận tình bảo em suốt qúa trình làm Luận văn tốt nghiệp Cuối xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè đồng nghiệp, người cổ vũ, quan tâm giúp đỡ suốt thời gian học tập làm luận văn Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Những nội dung nêu luận văn hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2016 Học viên thực Nguyễn Văn Đa MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Từ xa xưa, việc bảo mật thông tin vấn đề quan trọng Có thể x c định việc rị rỉ thơng tin mật, thơng tin nhạy cảm ảnh hưởng lớn tới c nhân, tập thể, đơn vị mức nghiêm trọng ảnh hưởng tới trị, quân quốc gia Ngày nay, với ph t triển mạnh mẽ khoa học, internet trở thành nhu cầu, phương tiện thiếu người, nhu cầu trao đổi thông tin qua mạng internet ngày lớn Với lượng thông tin lớn truyền nguy liệu bị truy cập tr i phép tăng lên vấn đề bảo đảm an tồn bảo mật thơng tin cho liệu truyền internet cần thiết Nhiều kỹ thuật nghiên cứu nhằm giải vấn đề Một kỹ thuật quan trọng mã hóa thơng tin Tuy nhiên thơng điệp bị mã hóa dễ gây ý cho tin tặc, hacker chúng tìm c ch để giải mã thơng tin Cơng nghệ thộng tin ngày phát triển, điều đồng nghĩa với việc ngày thông tin biểu diễn dạng kỹ thuật số nhiều, chúng biểu diễn truyền tải mơi trường giới số vấn đề bảo mật thông tin môi trường giới số ngày trở nên quan trọng Đã có nhiều hệ mật, hệ mã hóa liệu đời ph t triển công nghệ thông tin, c c siêu m y tính cho phép số lượng lớn c c phép tính giải nhanh điều làm giảm tính an tồn c c hệ mật, hệ mã hóa Một hướng tiếp cận bảo mật song song với việc mã hóa thơng tin giấu tin (Data hiding), tức thông tin số, thông tin mật, thông tin nhạy cảm cần bảo mật giấu vào đối tượng liệu số kh c (gọi môi trường giấu tin) cho biến đổi môi trường sau giấu tin khó nhận biết, đồng thời phục hồi lại c c thông tin giấu cần Một ưu điểm hướng tiếp cận giấu tin so với mã hóa thơng tin tiếp cận môi trường giấu tin, đối phương khó x c định có thơng tin giấu hay khơng, giảm nghi ngờ tin tặc, hacker Xuất ph t từ thực tế trên, em chọn đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin ảnh ứng dụng” Mục đích nghiên cứu Đề tài thực với mục đích nghiên cứu giải pháp cho phép giấu tin văn túy ảnh màu 24 bit bitmap mà làm thay đổi chất lượng ảnh sau giấu đồng thời đảm bảo tính an tồn bảo mật thơng tin Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài + Ý nghĩa khoa học Qúa trình nghiên cứu đề tài tạo sở nghiên cứu c c phương ph p, kỹ thuật giấu tin đa phương tiện nói chung ảnh số nói riêng Từ có nhìn tổng quan lĩnh vực Góp phần nâng cao kiến thức an ninh mạng nói chung an tồn bảo mật thơng tin nói riêng + Ý nghĩa thực tiễn Kết qủa nghiên cứu đề tài nhằm đưa giải pháp thích hợp để giải to n đặt ứng dụng thực tế vào nhiệm vụ đơn vị công t c; sở để tiếp tục nghiên cứu phát triển giải pháp tiếp theo, có tính ứng dụng cao Nội dung luận văn trình bày gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan lĩnh vực giấu tin ảnh số Trong chương trình bày tổng quan lĩnh vực giấu tin; nêu vấn đề xác định nhiệm vụ luận văn; tìm hiểu ảnh số tập trung tìm hiểu ảnh màu 24 bit bitmap; tìm hiểu phương ph p nhúng liệu LSB chuẩn mã hóa AES Chương 2: Phân tích giải pháp hệ thống giấu tin Trong chương trình bày giải pháp hệ thống giấu tin, phân tích giải pháp hệ thống, tập trung giải pháp hệ thống giấu tin Chương 3: Thử nghiệm ứng dụng kết qủa đạt Chương thử nghiệm, đ nh gi khả ứng dụng thự tế, đưa quy trình ứng dụng cho giải ph p đưa thông qua công cụ phần mềm mã nguồn mở đề xuất số công cụ, phần mềm hỗ trợ khác, so sánh giải ph p đề xuất với giải pháp khác Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ 1.1 Tổng quan lĩnh vực giấu tin 1.1.1 Giới thiệu chung Với phát triển nhanh chóng thiết bị kỹ thuật mạng Internet, liệu số chép phổ biến dễ dàng Chính vấn đề bảo mật thông tin trở nên cấp bách Các thơng tin cần bảo mật mã hóa theo cách thức Ví dụ: đối tượng R (là đoạn văn bản, đồ file âm thanh…) mã hóa để bảo mật Thơng điệp mã hóa R‟ lại tín hiệu tầm quan trọng liệu đó, nên thu hút ý đối phương Một hướng tiếp cận bảo mật giấu tin (Data Hiding), tức thông tin cần bảo mật giấu vào đối tượng liệu số khác (gọi môi trường giấu tin) cho biến đổi môi trường sau giấu khó nhận biết, đồng thời lấy lại thông tin giấu cần Theo phương ph p này, đối tượng cần bảo mật R giấu vào đối tượng khác, ảnh F chẳng hạn, kết qủa ta thu ảnh F‟ không kh c nhiều so với ảnh gốc ban đầu Khi đối phương bắt ảnh F‟ khó nảy sinh nghi ngờ khả chứa thông tin mật F‟ Như khác biệt mã hóa thơng tin giấu thơng tin mức lộ liễu đối tượng mang tin mật Nếu phối hợp hai phương ph p mức độ lộ liễu giảm tới mức tối đa, đồng thời độ an toàn nâng cao Chẳng hạn, ta mã hóa R thành R‟ sau giấu R‟ vào ảnh F để thu ảnh F‟ 1.1.2 Khái niệm giấu tin ảnh số Giấu thông tin phương ph p giấu lượng thông tin số vào đối tượng liệu số khác Yêu cầu phương ph p phải đảm bảo tính ẩn, tính vơ hình thơng tin giấu không làm ảnh hưởng đến chất lượng liệu gốc Đây phương ph p bảo mật thông tin mới, phức tạp hiệu qủa tính khả thi cao, xem công nghệ lề để bảo mật thông tin, bảo vệ quyền, nhận thực thông tin, điều khiển truy cập Kỹ thuật giấu thông tin nhằm mục đích bảo đảm an tồn bảo mật thơng tin hai khía cạnh: Một là: bảo mật cho liệu đem giấu Hai là: bảo mật cho đối tượng mang tin giấu Có thể nhận thấy hai mục đích kh c dẫn đến phát triển hai kỹ thuật chủ yếu giấu tin Đó giấu tin mật (Steganography) thủy vân số (Watermarking) 1.1.3 Lịch sử giấu tin Giấu tin bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, nghĩa Steganography, tài liệu viết phủ (covered writing) Mục đích giấu mẫu tin mật vào mơi trường truyền tin bình thường cho người thường khơng thể phát mẫu tin mật Trong lịch sử câu chuyện nghệ thuật giấu tin lan truyền từ đời qua đời kh c Đó chuyện giấu tin đầu nguời nô lệ, chuyện giấu tin viên thuốc phủ… Mực không màu phương tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin thời gian dài Người Romans cổ biết sử dụng chất sẵn có nước qủa, nước tiểu sửa để viết thơng báo bí mật hàng văn tự thơng thường Khi họ hơ nóng, thứ mực khơng nhìn thấy trở nên sẫm màu đọc dễ dàng Mực khơng màu sử dụng thời gian gần đây, chiến tranh Thế giới thứ II Trước đây, ý tưởng che giấu thông tin dùng chủ yếu quân đội đơn vị tình báo Mãi vài thập niên gần đây, giấu thông tin nhận quan tâm ngành cơng nghệ thơng tin với hàng loạt cơng trình nghiên cứu giá trị Cuộc cách mạng số hố thơng tin phát triển nhanh chóng mạng truyền thơng nguyên nhân dẫn đến thay đổi Nghệ thuật giấu tin nghiên cứu phục vụ mục đích tích cực bảo vệ quyền, thuỷ ấn số, hay phục vụ giấu thơng tin bí mật quân kinh tế Sự phát triển công nghệ thông tin tạo môi trường giấu tin vô tiện lợi phong phú Người ta giấu tin liệu đa phương tiện file ảnh, file âm thanh, file văn bản,…cũng giấu tin khoảng trống hay phân vùng ẩn môi trường lưu trữ đĩa cứng, đĩa mềm Sau giấu tin thành công điều kiện môi trường an tồn, đầu ta ảnh mang tin có tên “Xinh-nhu-nhung-thien-than-mang-tin.bmp” Ta giả thiết ảnh mang tin chịu số t c động mạng, kênh truyền làm biến đổi ảnh Trong suốt qúa trình, ta sử dụng cơng cụ Paint có sẵn Windows để biến đổi ảnh giả định để thử nghiệm khả t ch tin hệ thống đ nh giá chất lượng tin đầu so với đầu vào 3.2.2.2 Thử nghiệm tách tin ảnh mang tin chịu t c động làm biến đổi Ta thử nghiệm khả t ch tin từ ảnh mang tin hệ thống chất lượng tin đầu so với tin đầu vào: + Ta biến đổi ảnh mang tin định dạng (.bmp) sang ảnh định dạng (.jpg), sau ta biến đổi ảnh định dạng (.jpg) trở lại định dạng ban đầu (.bmp) Kết qủa cuối ta không lấy lại tin + Làm tương tự, ta biến đổi sang định dạng (.png), lại biến đổi định dạng ban đầu (.bmp) Kết qủa cuối ta lấy lại tin không khác biệt với tin gốc + Ta tiến hành xoay ảnh mang tin theo chế độ xoay Paint, sau lại xoay ảnh cũ Kết qủa cuối cùng, ta lấy lại tin không khác biệt so với tin gốc + Ta tăng hay giảm độ sáng ảnh mang tin lên khoảng đơn vị phần mềm Photoshop, sau thực tách tin từ ảnh biến đổi Kết qủa ta không lấy lại tin + Ta làm tăng giảm độ tương phản ảnh mang tin phần mềm Photoshop, sau thực tách tin từ ảnh biến đổi Kết qủa ta không lấy lại tin + Ta vẽ lên ảnh mang tin, sau lưu ảnh lại (ảnh lưu vẽ có định dạng) Ta tách tin từ ảnh biến đổi Kết qủa ta t ch tin, tin tách có ký tự khơng trùng khớp hồn tồn với tin gốc + Ta thay đổi kích thước ảnh mang tin lên xuống tùy ý Ta tiến hành tách tin từ ảnh biến đổi Kết qủa ta không lấy lại tin 46 3.2.2.3 Thử nghiệm số cách thức gửi ảnh mang tin qua internet + Ta thực giấu tin vào ảnh có tên Anhhoa, kích thước lớn, khoảng 34.3 Mb Ta ảnh mang tin có tên Anhhoa-tin định dạng kích thước Ta thực gửi ảnh mang tin qua đường internet mail hay đưa lên trang web sau lấy Ảnh trước gửi nén phần mềm WinRAR Kết qủa sau: Trường hợp ảnh không nén, đưa lên gmail web lấy nhiều thời gian dung lượng lớn Trường hợp nén phần mềm WinRAR dung lượng giảm đ ng kể, từ 34.3 Mb xuống 9.25 Mb, đưa lên gmail web lấy thuận lợi trường hợp nhiều thời gian dung lượng cịn lớn Cả hai trường hợp lấy ảnh mang tin t ch tin hoàn toàn trùng khớp với tin gốc + Ta thực làm tương tự với ảnh có tên Anh5, kích thước 76 Kb Kết qủa sau: Trường hợp ảnh không nén, đưa lên gmail web lấy tương đối nhanh Trường hợp nén phần mềm WinRAR dung lượng giảm đ ng kể, từ 76 Kb xuống 37 Kb, đưa lên gmail web lấy thuận lợi trường hợp nhiều Cả hai trường hợp lấy ảnh mang tin tách tin hoàn toàn trùng khớp với tin gốc Qúa trình truyền tải nhanh hẳn trường hợp thử nghiệm với ảnh kích thước lớn + Ta thử nghiệm chuyển định dạng ảnh (.bmp) sang định dạng (.png) với hai ảnh (kích thước tương ứng 34.3 Mb 76 Kb) thấy kích thước ảnh sau chuyển sang định dạng (.png) tương ứng 20.9 Mb 50 Kb, giảm đ ng kể Thực gửi ảnh định dạng (.png) sau lên lấy về, ảnh sau lấy ta chuyển lại định dạng ban đầu (.bmp) thực tách tin Kết qủa ta lấy lại tin hồn tồn trùng khớp với tin gốc Qúa trình truyền tải thuận lợi nhiều chưa đổi định dạng 47 3.2.3 Các nhận xét  Các kết qủa bảng 3.1 cho thấy: + Hệ thống giấu tin giấu liệu tin muốn giấu vào ảnh tách tin từ ảnh mang tin Khi ta tăng số ký tự tin muốn giấu lên 50% 100% hệ thống giấu t ch tin trường hợp tăng thêm 50%, trường hợp tăng 100% khơng liệu tin trường hợp vượt qúa 12.5% liệu ảnh (hệ thống mặc định cho phép giấu liệu tin tối đa 12.5% liệu ảnh) Kết qủa cho thấy hệ thống giấu tin đảm bảo tốt chức giấu tách tin + Phép đo hệ số PSNR c c trường hợp cho giá trị cao Kết qủa cho thấy chất lượng ảnh đầu tốt, phân biệt ảnh gốc ảnh đầu có khác biệt trực quan + Trong c c trường hợp thử giấu tin, kích thước ảnh đầu không khác biệt với ảnh gốc Kết qủa khẳng định chất lượng ảnh đầu tốt, tiêu chí quan trọng để đ nh gi chất lượng ảnh phương pháp giấu + Khi sử dụng công cụ “Compare Word-2010” để so sánh Kết qủa cho thấy tin đầu khơng có khác biệt so với tin gốc Sử dụng chức so s nh công cụ phần mềm, cho Kq = Kết qủa cho thấy hai tin hoàn toàn trùng khớp Cả hai kết qủa so s nh cho thấy chất lượng tin đầu tốt, khơng có khác biệt so với tin gốc  Các thống kê bảng 3.2 cho thấy phân biệt ảnh mang tin ảnh gốc trực quan Kết qủa khẳng định lại ảnh đầu đạt chất lượng tốt  Các kết qủa thử nghiệm giả định điều kiện mơi trường khơng an tồn (kịch 3) cho thấy ảnh mang tin bị biến đổi sang định dạng (.jpg) biến đổi trở định dạng ban đầu, ảnh mang tin bị thay đổi kích thước, bị làm tăng giảm độ sáng, làm sắc nét mờ nhạt, hay vẽ lên ảnh hệ thống giấu tin không t ch tin hay tin tách khơng hồn tồn trùng khớp với tin gốc (trường hợp vẽ lên ảnh) 48 Kết qủa cho thấy hệ thống giấu tin không thật bền vững số trường hợp, điều ảnh hưởng trực tiếp đến khả phục hồi lại tin ẩn giấu hệ thống chất lượng tin phục hồi ảnh mang tin truyền tải mạng, kênh truyền internet có nguy bị cơng vơ tình hay có chủ đích, dẫn tới làm biến đổi ảnh mang tin theo số trường hợp  Qua thử nghiêm cách thức gửi ảnh mang tin qua internet ta thấy ảnh mang tin có kích thước lớn gửi mạng, kênh truyền internet nhiều thời gian truyền tải, kích thước lớn giới hạn chuẩn truyền tải gmail Do cần phải cân nhắc lựa chọn ảnh gốc có kích thước cho phù hợp 3.3 Khảo sát số dạng công hệ thống giấu tin Tấn công hệ thống giấu tin là phương ph p dùng để phát hiện, trích rút, sửa đổi hay phá hủy thơng tin giấu Việc công coi thành cơng hay khơng cịn tùy thuộc vào mục đích ứng dụng Đối với việc giấu tin để liên lạc bí mật việc phát chứng minh hình ảnh có chứa tin coi thành cơng Hiện có số dạng công phổ biến: 3.3.1 Tấn công dựa vào phân tích trực quan Tấn cơng dựa vào phân tích trực quan, coi dạng công đơn giản việc phát thông tin che giấu, kẻ công kiểm tra tập tin mắt thường hay dùng biểu đồ histogram ảnh gốc ảnh mang tin để phát khác biệt hai ảnh, thay đổi c c đặc tính hình ảnh, làm đưa vấn đề nghi vấn để x c định Sự thành công công thay đổi đ ng kể tùy thuộc vào thuật toán giấu sử dụng định dạng ảnh Thực tế công trực quan không tự động, để chứng minh ảnh tồn nghi ngờ có tin giấu hay khơng họ cần phải nhìn vào hàng ngàn ảnh để xem xét khả hình ảnh bị ngi ngờ có tin giấu Với phương ph p phân tích thường khó phát với ảnh có độ nhiễu cao kích cỡ lớn 49 3.3.2 Tấn cơng phân tích theo dạng ảnh Phương ph p thường dựa vào dạng ảnh bitmap ảnh nén để đo n nhận kỹ thuật giấu hay sử dụng c c ảnh bitmap thường hay sử dụng giấu miền LSB, ảnh nén thường sử dụng kỹ thuật giấu hệ số biến đổi DCT, DWT, DFT 3.3.3 Tấn cơng dựa vào phân tích thống kê Đây phương ph p sử dụng lý thuyết thống kê thống kê toán sau x c định nghi vấn đặc trưng Phương ph p thường đưa độ tin cậy cao đặc biệt cho ảnh liệu lớn Đặc điểm phương ph p không cần biết ảnh sau giấu tin cơng cách chủ động nên ưa thích cơng phân tích trực quan công cấu kết Tuy nhiên để công hiệu qủa phương ph p cần phải có hiểu biết nhiều thuật tốn giấu khác Như vậy, việc công phá vỡ hệ thống giấu tin thơng thuờng gồm: phát hiện, trích rút sửa đổi hay hủy thông tin giấu Một hệ thống giấu tin mật đuợc gọi thực an tồn kẻ cơng khơng phát đuợc tồn thông tin giấu đối tuợng chứa Vấn đề đặt liệu tồn hệ giấu tin bền vững truớc tân cơng trên? Ðến nay, chưa tìm đuợc hệ giấu tin bền vững truớc tất kiểu công Ta thử nghiệm số kịch công hệ thống giấu tin 3.3.4 Kịch thử nghiệm dạng công Qua khảo sát có dạng cơng phổ biến Mỗi cách cơng lại vào thuật tốn giấu hay loại ảnh Khi kẻ thám tin có nghi ngờ ảnh có chứa nội dung thơng điệp đó, chúng tìm cách để đọc thơng tin giấu Nếu khơng thể đọc chúng tìm c ch để phá hủy Ta đưa số kịch ảnh mang tin bị cơng sau ta thử nghiệm tách tin từ ảnh mang tin để đ nh gi tính bền vững hệ thống ưu nhược điểm hệ thống 50 3.3.4.1 Mô tả kịch Ta giấu tin khoảng Kb vào ảnh gốc có tên “Anh-ngay-8-3”, kích thước ảnh 550 Kb, ảnh lấy từ mạng internet có hình ảnh đẹp mắt trung thực Sau thực giấu thành công ta ảnh đầu mang tin dạng có tên “Anh-ngay-8-3-tin” Bây ta tiến hành gửi ảnh mang tin đơn vị qua internet gmail cá nhân Trong qúa trình gửi kênh truyền, lý ảnh bị kẻ thám tin chặn thu được, chúng nghi ngờ ảnh có ẩn giấu thơng điệp chúng thực số cách thức khác để chứng minh nghi ngờ theo số kịch giả định: Kịch 1: công trực quan sử dụng phần mềm WinRAR hỗ trợ Từ ảnh chặn thu chúng tra mạng internet có tay ảnh gốc Nhìn trực quan chúng thấy khác biệt ảnh gốc ảnh nghi vấn Chúng sử dụng phần mềm phổ biến để hỗ trợ, phân tích khác hai ảnh WinRAR Kịch 2: công thống kê sử dụng phần mềm Chi-Square hỗ trợ Vì lý đó, ảnh khơng phải phổ biến internet nên kẻ thám tin khơng có tay ảnh gốc Chúng sử dụng phần mềm để hỗ trợ Chi-Square Đây phần mềm hỗ trợ cơng dạng thống kê, lấy từ internet 3.3.4.2 C c bước thực Kịch 1: Bước 1: ta để hai ảnh vào thư mục có tên “Kiem-Tra” Bước 2: ta nén thư mục có tên bước phần mềm WinRAR Bước 3: mở thư mục nén quan s t trực quan c c trường thư mục nén, để nhận biết khác biệt trực quan Kịch 2: Bước 1: mở ảnh nghi vấn phần mềm ta biểu đồ Bước 2: phân tích số thống kê biểu đồ Bước 3: đưa kết luận cuối số thống kê biểu đồ 51 3.3.4.3 Kết qủa thử nghiệm kịch Kịch 1: Hình 3.8: Mơ tả kết qủa công trực quan phát ảnh mang tin Từ kết qủa thử nghiệm kẻ thám tin nhận thấy trường “Packed” có khác biệt rõ ảnh gốc ảnh nghi vấn Như vậy, từ kết qủa trực quan chúng kết luận: ảnh nghi vấn có mang tin, sở quan trọng để chúng tiến hành xử lý bước Kịch 2: Hình 3.9: Mơ tả kết qủa công thống kê phát ảnh mang tin Thống kê cho thấy: + Đường màu đỏ phía mức cao tối đa sau khoảng gần ô vuông màu xanh lam, giảm dần Thống kê ngày cho ta biết ảnh chứa khoảng gần Kb liệu ẩn + Đường cong màu xanh ô vuông dọc gần 0.5, sau giảm dần Thống kê cho biết liệu ảnh ngẫu nhiên, mà giấu c i 52 + Mỗi dịng màu xanh lam dọc đại diện cho khoảng Kb liệu giấu Nhìn biều đồ ta thấy có khoảng Kb liệu ẩn giấu ảnh Như vậy, từ kết qủa thống kê chúng kết luận: ảnh nghi vấn có mang tin, cụ thể khoảng Kb liệu, sở quan trọng để chúng tiến hành xử lý bước 3.4 Đề xuất số quy trình sử dụng cơng cụ phần mềm ứng dụng Căn vào số kết qủa thử nghiệm, đ nh gi chương trình trên, kết qủa số kịch giả định thử nghiệm, số thử nghiệm gửi liệu kênh truyền internet, khảo sát số dạng công phổ biến Để gửi tin an toàn hiệu qủa đơn vị, tơi có đề xuất số quy trình sau: 3.4.1 Quy trình + C c bước thực hiện: Bước 1: Giấu tin cần gửi vào ảnh gốc, đầu ảnh mang tin Bước 2: Coppy ảnh mang tin vào thiết bị mang tin USB, đĩa CD, DVD… Bước 3: Gửi đơn vị thiết bị mang tin hình thức chuyển tay trực tiếp 3.4.2 Quy trình + C c bước thực hiện: Bước 1: Giấu tin cần gửi vào ảnh gốc, đầu ảnh mang tin Bước 2: Đưa ảnh mang tin vào lên mạng nội (mạng LAN) gửi đơn vị 3.4.2 Quy trình + C c bước thực hiện: Bước 1: Chọn tin muốn gửi, ảnh gốc giữ bí mật ảnh gốc: ảnh gốc tự chụp, ảnh không phổ biến mạng internet, ảnh gốc tin chọn cho kích thước tin lớn 12.5% kích thước ảnh gốc, nên chọn ảnh có kích thước từ (512 x 512) trở lên, ảnh thật sặc sỡ, nhiều màu sắc khác thật tình cờ, ảnh khơng qúa lớn dễ gây ý cho kẻ th m tin, không qúa nhỏ ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh đầu vào, đầu ra, dễ bị công, phá hủy phải đảm bảo ảnh phải giấu hết tin muốn gửi 53 Bước 2: Mã hóa tin gốc thành tin mã ký tự, có xác nhận mật thuật toán AES, đầu tin mã ký tự Bước 3: Giấu tin mã ký tự vào ảnh gốc có xác nhận mật Đầu ta ảnh mang tin Bước 4: Đưa ảnh mang tin vào thiết bị mang tin, đưa đến máy tính có kết nối internet cho máy tính kết nối internet, đưa lên gmail hay trang web gửi đơn vị Chú ý: qúa trình thực từ bước đến bước phải thực máy tính hay thiết bị khơng kết nối internet Xử lý xong, đến bước ta cho máy tính kết nối internet copy liệu sang máy tính trung gian có kết nối internet để thực gửi Mật dùng qúa trình mã qúa trình giấu ký tự ngẫu nhiện, nhập từ bàn phím, nhập cho đủ dài phải dễ nhớ Vì qúa trình tách tin giải mã tin mã ký tự cần dùng đến mật xác nhận  Vai trò mật quy trình giấu tách tin; mã hóa giải mã: - Xuất phát từ thực tiễn nhiệm vụ, thành viên nhóm đơn vị bên ngồi giao mảng thu thập thông tin khác nhau, công việc ai, người phải giứ bí mật cơng việc nội dung thơng tin thu thập được, cần thiết có xác nhận mật để tăng cường bảo mật thuận tiện qúa trình làm việc - Khi thực gửi ảnh qua đường truyền internet, ảnh bị số yếu tố t c động cơng có chủ đích kẻ th m tin, cần thiết có xác nhận mật để tăng cường thêm tính bảo mật an tồn cho thơng tin trường hợp hệ thống giấu tin bị phá vỡ Nhận xét: Với quy trình 1: Với quy trình an tồn tuyệt đối qúa trình giấu tin gửi ảnh mang tin thiết bị mang tin chịu nguy cơ, t c động vơ tình hay cơng có chủ đích Tuy nhiên cách không thật tiện dụng thời đại công nghệ thông tin Nhưng cách có 54 thể vận dụng tốt điều kiện làm việc pham vi không qúa xa, phạm vi thành phố, nội dung thông tin cần chuyển tuyệt mật Với quy trình 2: Mạng nội bộ, mạng LAN mạng phục vụ cho việc quản lý liệu nội thuận lợi, đảm bảo tính an tồn, bảo mật liệu Do vây, quy trình đề xuất ứng dụng tốt thực tế Tuy nhiên, mạng LAN mạng lắp đặt phạm vi hẹp, khoảng cách nút mạng nhỏ 10 km Do thực nhiệm vụ phạm vi xa phải cân nhắc chi phí khơng cho phép triển khai hệ thống mạng phạm vị rộng Với quy trình 3: Ta khẳng định nay, chưa có cách thức cơng phá vỡ hệ thống giấu tin, chưa có hệ thống giấu tin an tồn tuyệt đối trước công Một công phương ph p, cách thức nào, tốt đến đâu, phải vào c c phương pháp, thuật toán, dạng sử dụng hệ thống giấu tin để đưa c ch thức công cho phù hợp, hiệu qủa Để làm điều việc đầu tiên, kẻ thám tin phải tìm ảnh nghi ngờ hàng ngàn, hàng vạn ảnh trực quan, tiếp chứng minh ảnh có tin ẩn giấu cách thức đó, đưa c ch thức công cho phù hợp Đây việc dễ dàng mà lượng liệu ảnh truyền tải kênh truyền internet lớn Các kết qủa thử nghiệm cho thấy, chất lượng ảnh mang tin tốt, nhận khác biệt ảnh mang tin ảnh gốc trực quan quy trình đề xuất ứng dụng thực tế tuân thủ c c bước quy trình 3.5 So sánh với giải pháp giấu tin cải tiến CPT 3.5.1 Giới thiệu giấu tin cải tiến CPT Thuật toán giấu bit tin vào khối ảnh nhị phân M.Y WU J.H.LEE đề xuất năm 1998, viết tắt WL Trong thuật to n WL, môi trường giấu tin ảnh nhị phân (có thể coi ma trận nhị phân, phần tử ma trận bit) chia thành khối mxn bit, khối giấu bit thông tin c ch thay đổi nhiều bit khối [2,3,5] 55 Trên sở phát triển ý tưởng nhóm M.Y.WU J.H.LEE, tác giả YU.YUAN.CHEN, HSIANG PAN, YU.CHEE.TSENG viết tắt (CPT), năm 2000 đề xuất phương ph p giấu thông tin ảnh nhị phân, theo ảnh phân hoạch thành nhiều khối có kích thước mxn Với khối liệu ảnh giấu tối đa r bit thông tin, với r  [log2(mn +1)] c ch thay đổi không qúa bit khối liệu ảnh Nói cách khác, thuật tốn CPT giấu giá trị miền [0, 1, 2, …, 2r-1] [2,3,5] Một nhóm giáo viên Học viện Kỹ Thuật Quân Sự đề xuất phương pháp cải tiến CPT, cải tiến thuật to n CPT chứng minh giấu giá trị miền Rmn = {2r, 2r + 1, …, mn-1} vào khối ảnh F mà cần thay đổi tối đa không qúa bit F Chẳng hạn, khối F có kích thước 10x16 giấu khơng qúa bit theo thuật to n CPT, mở rộng giá trị giấu từ 128 đến 159 mà mức độ ảnh hưởng, an tồn rõ ràng tăng dung lượng đ ng kể Việc mở rộng giá trị giấu khơng tăng thêm dung lượng giấu mà cịn làm cho việc sử dụng thuật toán mềm dẻo hơn, khơng bị gị bó vào số bit thơng tin cần giấu khối Việc lựa chọn khối mềm dẻo hơn, khơng phụ thuộc vào việc lựa chọn khối có kích thước phù hợp với lũy thừa [2,3,5] 3.5.2 Công cụ phần mềm giấu tin cải tiến CPT Công cụ phần mềm tác giả giảng viên Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự nghiên cứu, phát triển với thuật toán nhúng giải nhúng liệu cải tiến CPT trình bày Ứng dụng nhiều học viên cao học tìm hiểu, nghiên cứu, thử nghiêm, đ nh gi đưa vào b o c o luận văn cao học [2,3] 3.5.3 Kịch so sánh nhận xét So sánh thuật toán nhúng liệu LSB CPT cải tiến điều kiện mơi trường an tồn khơng an tồn Mơ tả kịch bản: Trong kịch thử nghiệm ta cài đặt hai thuật toán nhúng liệu cải tiến CPT LSB để nhúng tin văn túy 800 ký tự mã ASCII (800 byte liệu tin) vào ảnh màu 24 bit bitmap có tên “Xinh-nhu-nhung- 56 thien-than.bmp”, kích thước ảnh 1952 Kb, độ phân giải ảnh 72 pixels/inch để so sánh hai thuật to n nhúng điều kiện mơi trường an tồn khơng an tồn Trong điều kiện mơi trường an tồn ta so sánh khả nhúng, khả tách, chất lượng ảnh, chất lượng tin đầu Trong điều kiện môi trường khơng an tồn ta so sánh khả t ch tin chất lượng tin đầu ảnh mang tin chịu số phép biến đổi C c phép đo để so sánh, phép biến đổi ảnh sử dụng công cụ thử nghiêm kịch Kết qủa thử nghiệm môi trường an tồn khơng an tồn sau: Trong điều kiện mơi trường an tồn nhau: Thuật tốn (Cải tiến) CPT LSB Chất lượng tin đầu Ký tự nhúng Khả nhúng Khả tách PSNR 800 Được Được Tăng 50% Không Không Tăng 100% Không Không 800 Được Tăng 50% Tăng 100% Compare Kq(0, ±1) 57.44 Trùng khớp Được 228.09 Trùng khớp Được Được 223 Trùng khớp Được Được 219.22 Trùng khớp Bảng 3.3: So sánh thuật toán nhúng liệu LSB cải tiến CPT Trong điều kiện mơi trường khơng an tồn nhau: Trong phần ta thử nghiệm, đ nh gi với LSB, phần ta thử nghiệm, đ nh gi cải tiến CPT: 57 + Ta biến đổi ảnh mang tin định dạng (.bmp) sang ảnh định dạng (.jpg), sau ta biến đổi ảnh định dạng (.jpg) trở lại định dạng ban đầu (.bmp) Kết qủa cuối ta không lấy lại tin + Làm tương tự, ta biến đổi sang định dạng (.png), lại biến đổi định dạng ban đầu (.bmp) Kết qủa cuối ta lấy lại tin không khác biệt với tin gốc + Ta tiến hành xoay ảnh mang tin theo chế độ xoay Paint, sau lại xoay ảnh cũ Kết qủa cuối cùng, ta lấy lại tin không khác biệt so với tin gốc + Ta tăng hay giảm độ sáng ảnh mang tin không qúa đơn vị phần mềm Photoshop, sau thực tách tin từ ảnh biến đổi Kết qủa ta lấy lại tin tin gốc + Ta làm tăng giảm độ tương phản ảnh mang tin phần mềm Photoshop không qúa đơn vị Kết qủa lấy tin tin khơng khớp hồn tồn với tin gốc; tiếp tục tăng hay giảm từ đơn vị, sau thực tách tin từ ảnh biến đổi Kết qủa ta không lấy lại tin + Ta vẽ lên ảnh mang tin, sau lưu ảnh lại (ảnh lưu vẽ có định dạng) Ta tách tin từ ảnh biến đổi Kết qủa ta t ch tin, tin tách có ký tự khơng trùng khớp hồn tồn với tin gốc + Ta thay đổi kích thước ảnh mang tin lên xuống tùy ý Ta tiến hành tách tin từ ảnh biến đổi Kết qủa ta không lấy lại tin Nhận xét kết qủa thử nghiệm: - Kết qủa thống kê bảng 3.3 cho thấy thuật toán nhúng liệu LSB tốt cải tiến CTP dung lượng liệu giấu được, chất lượng ảnh đầu trung thực - Khi ảnh mang tin bị phép biến đổi hai trường hợp cho kết qủa tương đối giống nhau; thuật toán nhúng CPT cho thấy bền vững LSB số trường hợp tăng giảm độ sáng tối, độ tương phản giới hạn x c định 58 KẾT LUẬN Luận văn nghiên cứu, tìm hiểu vấn đề chung lĩnh vực giấu tin, ảnh số, kỹ thuật nhúng liệu mã hóa bảo mật có liên quan Trên sở lý thuyết tìm hiểu đưa giải pháp cho vấn đề luận văn Giải ph p đưa có kết hợp giấu tin với mã hóa tin trước giấu, sở tập trung phân tích giải pháp hệ thống giấu tin Cụ thể, đề xuất sử dụng công cụ phần mềm mã nguồn mở, chỉnh sửa, phát triển để phù hợp nội dung luận văn nghiên cứu Trên công cụ phần mềm này, thử nghiệm, đ nh gi khả ứng dụng thực tế hệ thống giấu tin Luận văn đưa số kịch thử nghiệm ứng dụng điều kiện mơi trường an tồn khơng an tồn, kịch giả định cơng hệ thống giấu tin, sâu phân tích kịch bản, từ đưa đề xuất quy trình ứng dụng công cụ phần mềm Công cụ phần mềm ứng dụng cho giấu tin mật ảnh đảm bảo yêu cầu vấn đề luận văn đưa ra, ứng dụng thực tế tuân thủ quy trình đề xuất Luận văn đưa so s nh giải ph p đề xuất với giải pháp khác, cải tiến thuật toán CPT Giải pháp luận văn đưa cho thấy tốt hẳn so với giải pháp cải tiến CPT, đ nh gi cao nay: dung lượng giấu, chất lượng ảnh đầu Tuy nhiên giải ph p đưa lại bền vững ảnh mang tin chịu só t c động biến đổi cụ thể Hướng phát triển luận văn: Trên sở kế thừa ưu điểm giải ph p đưa ra, thời gian tới cần tìm hiểu, nghiên cứu giải pháp đảm bảo ph t huy tối đa ưu điểm, khắc phục mặt hạn chế giải ph p trước Cụ thể giải pháp cho phép giấu nhiều liệu, chất lượng ảnh đầu tốt, đồng thời ảnh đầu phải bền vững trước phép biến đổi ảnh 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt: [1] Nguyễn Văn Tảo, “Một số thuật toán giấu tin áp dụng giấu tin mật ảnh”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Số 4(44) tập - 2007, Trường Đại Học Thái Nguyên [2] Trần Tuấn Tú, “Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin ảnh 24 bit màu, giảm thiểu ảnh hưởng số t c động lên ảnh”, luận văn tốt nghiệp ngành HTTT-2013, Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự [3] Đào Thanh Tĩnh, Tống Minh Đức (2008), “Một cải tiến thuật toán giấu tin ảnh nhị phân”, Tập san Khoa học Kỹ thuật - Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự [4] Ngô Nhật Nguyên, Lê Trọng Thắng, “ Xây dựng ứng dụng giấu tin ảnh”, Bài báo khoa học - CNTT - 2013, Trường Đại học Lạc Hồng Tiếng Anh: [5] Yu Yan Chen, Hsiang Kuang Pan and Yu Chee Tseng (2000), “A Secure Data Hiding Scheme for Two color Images”, IEEE Symp.on Computer and Communication [6] Yu Chee Tseng and Hsiang Kuang Pan (2001), “Secure and Invisible Data Hiding in - Color Images”, INFOCOM Các trang web: [7] Https://vi.wikipedia.org/wiki/AES, truy nhập tháng 4/2016 [8] Http://www.devx.com/dotnet/Article/22667, truy nhập tháng 10/2015 60 ... nghiệp ? ?Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin ảnh ứng dụng? ?? Mục đích nghiên cứu Đề tài thực với mục đích nghiên cứu giải pháp cho phép giấu tin văn túy ảnh màu 24 bit bitmap mà làm thay đổi chất lượng ảnh. .. theo dạng ảnh Phương ph p thường dựa vào dạng ảnh bitmap ảnh nén để đo n nhận kỹ thuật giấu hay sử dụng c c ảnh bitmap thường hay sử dụng giấu miền LSB, ảnh nén thường sử dụng kỹ thuật giấu hệ... 1.1.4.2 Giấu tin mật Với mục đích đảm bảo an tồn bảo mật thông tin giấu C c kỹ thuật giấu tin mật tập trung cho thông tin giấu nhiều người kh c khó ph t thơng tin có giấu ảnh 10 Giấu tin mật