Nghiên cứu một số kỹ thuật phát hiện ảnh giấu tin

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - - HỒ THỊ HƯƠNG THƠM NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN LUẬN ÁN TIẾN SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - - HỒ THỊ HƯƠNG THƠM NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 62 48 05 01 LUẬN ÁN TIẾN SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Hồ Văn Canh PGS TS Trịnh Nhật Tiến HÀ NỘI - 2012 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG 10 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 12 PHẦN MỞ ĐẦU 14 CHƯƠNG GIẤU TIN TRONG ẢNH, PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 21 1.1 GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 21 1.1.1 Khái niệm 21 1.1.2 Phương pháp giấu tin nghiên cứu liên quan 23 1.1.3 Phương pháp đánh giá độ an toàn lược đồ giấu tin 27 1.2 PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 29 1.2.1 Khái niệm 29 1.2.2 Phương pháp phát ảnh có giấu tin 29 1.2.3 Nghiên cứu liên quan hướng phát triển luận án 31 1.2.3.1 Phương pháp phát mù cho ảnh giấu LSB 32 1.2.3.2 Phương pháp phát ảnh có ràng buộc 35 1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 37 1.3.1 Tiêu chuẩn đánh giá 37 1.3.2 Nguồn liệu ảnh thử nghiệm 39 1.3.3 Công cụ hỗ trợ môi trường thực nghiệm 41 KẾT LUẬN CHƯƠNG 41 CHƯƠNG KỸ THUẬT PHÁT HIỆN MÙ CHO ẢNH GIẤU TIN TRÊN LSB 42 2.1 KỸ THUẬT PHÁT HIỆN MÙ TRÊN LSB CỦA MIỀN KHÔNG GIAN 42 2.1.1 Phát phân tích “độ lệch chuẩn” 42 2.1.1.1 Phân tích kỹ thuật giấu LSB 42 2.1.1.2 Phương pháp phát 44 2.1.2 Phát thống kê 2 bậc tự (12) 48 2.1.2.1 Phân tích kỹ thuật “độ lệch chuẩn” 48 2.1.2.2 Phương pháp phát 48 2.1.3 Phát dựa phân tích tỉ lệ xám 52 2.1.3.1 Phát biểu toán 52 2.1.3.2 Phương pháp giải toán 53 2.1.4 Phát phương pháp ước lượng thông tin giấu LSB 62 2.1.4.1 Phương pháp ước lượng có ảnh gốc 63 2.1.4.2 Phương pháp ước lượng không dựa vào ảnh gốc 66 2.2 KỸ THUẬT PHÁT HIỆN MÙ TRÊN LSB CỦA MIỀN TẦN SỐ 70 2.2.1 Phân tích kỹ thuật giấu LSB miền tần số 70 2.2.2 Phương pháp phát 71 2.3 CÁC KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 72 2.3.1 Các kết thử nghiệm miền không gian 72 2.3.1.1 Thử nghiệm 72 2.3.1.2 Nhận xét 76 2.3.2 Các kết thử nghiệm miền tần số 77 2.3.2.1 Thử nghiệm 77 2.3.2.2 Nhận xét 79 KẾT LUẬN CHƯƠNG 79 CHƯƠNG MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN CÓ RÀNG BUỘC 80 3.1 PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN SỬ DỤNG KỸ THUẬT GIẤU HKC 80 3.1.1 Tóm lược kỹ thuật giấu HKC 80 3.1.2 Phương pháp phát ước lượng thông tin giấu ảnh 81 3.1.2.1 Phương pháp phát Kuo Lin 81 3.1.2.2 Phương pháp phát cải tiến từ phương pháp Kuo Lin 83 3.1.2.3 Phương pháp phát HKC khác ước lượng thông tin giấu 86 3.1.3 Các kết thử nghiệm 89 3.1.3.1 Thử nghiệm 89 3.1.3.2 Nhận xét 91 3.2 PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN SỬ DỤNG KỸ THUẬT GIẤU DIH 92 3.2.1 Tóm lược kỹ thuật giấu tin DIH 92 3.2.2 Phương pháp phát ảnh có giấu tin sử dụng kỹ thuật giấu DIH 93 3.2.2.1 Phân tích kỹ thuật giấu DIH 93 3.2.2.2 Phương pháp phát ước lượng thông tin giấu 95 3.2.3 Các kết thử nghiệm 99 3.2.3.1 Thử nghiệm 99 3.2.3.2 Nhận xét 101 3.3 PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN SỬ DỤNG KỸ THUẬT GIẤU IWH 101 3.3.1 Tóm lược kỹ thuật giấu tin IWH 101 3.3.2 Phương pháp phát ảnh có giấu tin sử dụng kỹ thuật giấu IWH 104 3.3.2.1 Phân tích kỹ thuật giấu IWH 104 3.3.2.2 Phương pháp phát ước lượng thông tin 105 3.3.3 Các kết thử nghiệm 109 3.3.3.1 Thử nghiệm 109 3.3.3.2 Nhận xét 110 3.4 PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN SỬ DỤNG KỸ THUẬT GIẤU RVH 111 3.4.1 Tóm lược kỹ thuật giấu tin RVH 111 3.4.2 Phương pháp phát ảnh có giấu tin sử dụng kỹ thuật giấu RVH 114 3.4.2.1 Phân tích vấn đề giấu tin RVH 114 3.4.2.2 Phương pháp phát ước lượng thông tin 117 3.4.3 Các kết thử nghiệm 124 3.4.3.1 Thử nghiệm 124 3.4.3.2 Nhận xét 126 KẾT LUẬN CHƯƠNG 127 KẾT LUẬN CHUNG 128 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO 134 PHỤ LỤC – CHƯƠNG TRÌNH ĐỀ MƠ GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN 145 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT DCT Discrete Cosine Transform DFT Discrete Fourier Transform DWT Discrete Wavelet Transform DIH Difference Image Histogram FIR Finite Impulse Response HVS Human Visual System HKC Kỹ thuật giấu tin ba tác giả J Hwang, J Kim J.Choi IWT Integer Wavelet Transform IDCT Inverse Discrete Cosine Transform IDWT Inverse Discrete wavelet transform i.i.d Independent and Identically Distributed JPEG Joint Photographic Experts Group LLRT Logarithm Likelihood Ratio Test LSB Least Significant Bit MBNS Multiple-Base Notational System MOS Mean Opinion Score MSB Most Significant Bit MSE Mean Squared Error NSAS Kỹ thuật giấu thuận nghịch NSAS Pdf Probability Density Function PNG Portable Network Graphics PMF Probability Mass Function PR Pseudo Random PSNR Peak Signal To Noise Ratio PoV Pair of Value QIM Quantization Index Modulation RS Regular /Singular RVH Reversible Vertical Horizontal Technique RCM Reversible Contrast Mapping SS Spread Spectrum SSIS Spread Spectrum Image Steganography DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Bảng phân lớp đối tượng tập 38 Bảng 2.1 Giá trị t0 ứng với giá trị x0 theo bảng lập sẵn [108] 47 Bảng 2.2 Phân loại ảnh theo t0 tập 0_1, LSB_30, LSB_50, LSB_70, LSB_100 48 Bảng 2.3 Giá trị 12 ứng với giá trị  theo bảng lập sẵn [108] 51 Bảng 2.4 Kết phân loại ảnh ứng với giá trị 12 bảng 2.3 51 Bảng 2.5 Phân loại ảnh 0_1, LSB_30, LSB_50, LSB_70, LSB_100 kỹ thuật “Độ lệch chuẩn” 12 52 Bảng 2.6: Kết thử nghiệm đánh giá c_f theo (2.14) 59 Bảng 2.7: Kết thử nghiệm đánh giá T theo (2.11) 61 Bảng 2.8: Kết thử nghiệm đánh giá T sau ước lượng ảnh “mốc” 61 Bảng 2.9 Bảng thống kê tần suất xuất chữ văn tiếng Anh 64 Bảng 2.10 Thử nghiệm độ chênh lệch |cij – sij| ảnh có giấu tin ảnh gốc 65 Bảng 2.11 Độ sai lệch tần suất ảnh kiểm tra ảnh ước lượng làm “mốc” 67 Bảng 2.12 Kết ước lượng xấp xỉ trung bình thơng tin giấu LSB với tập 10 ảnh 69 Bảng 2.13 Kết ước lượng xấp xỉ theo (2.19) (2.20) tập 10 ảnh chuẩn 69 Bảng 2.14 Kết phân loại ảnh có giấu tin LSB tập 0, LSB_30, LSB_50, LSB_70, LSB_100 số kỹ thuật phát ảnh có giấu tin 73 Bảng 2.15 Kết đánh giá độ đo P, R, F tập ảnh gồm 10440 ảnh ( LSB_30, LSB_50, LSB_70, LSB_100) 73 Bảng 2.16 Kết đánh giá độ đo P, R, F tập ảnh gồm 4176 ảnh (tập 0, LSB_100) 74 Bảng 2.17 Kết ước lượng năm tập 0, LSB_30, LSB_50, Bảng 2.18 Kết thời gian thực phân loại tập LSB_70, LSB_100 75 (2088 ảnh) 75 Bảng 2.19: Tỉ lệ phân loại ảnh kỹ thuật “tỉ lệ xám 3” n2 [71] với tập ảnh 0, 25, 50, 100 78 Bảng 2.20 Kết đánh giá độ đo P, R, F tập ảnh 78 Bảng 2.21 Thời gian thực tập J0 78 Bảng 3.1 Bảng kết phân loại tập 10 HKC_2500 89 Bảng 3.2 Kết đánh giá độ đo P, R, F tập ảnh gồm 4176 ảnh ( HKC_2500) 90 Bảng 3.3 Kết ước lượng thông tin giấu tập HKC_2500 90 Bảng 3.4 Bảng kết phân loại ba kỹ thuật phát hiện: Kuo Lin, Kuo Lin cải tiến kỹ thuật đề xuất tập HKC_R100 91 Bảng 3.5 Kết đánh giá độ đo P, R, F tập ảnh U gồm 4176 ảnh ( HKC_R100) 91 Bảng 3.6 Sử dụng kỹ thuật phát tổng quát miền LSB để phân loại ảnh tập DIH_7168 94 Bảng 3.7 Ước lượng thông tin giấu cho ảnh Lena.bmp trước sau giấu tin sử dụng DIH kỹ thuật ước lượng thông tin miền LSB: RS, DI, “Trùng khớp” 94 Bảng 3.8 Bảng kết phân loại ảnh có giấu tin DIH tập Bảng 3.9 Kết ước lượng thông tin giấu tập DIH_6000 DIH_6000 99 100 Bảng 3.10 Kiểm tra ảnh Lena.bmp trước sau giấu tin sử dụng IWH kỹ thuật phát mù miền LSB hệ số wavelet 104 Bảng 3.11 Kết thử nghiệm ước lượng ảnh Lena nhúng 7168 bit 109 Bảng 3.12 Bảng kết phân loại ảnh có giấu tin IWH tập Bảng 3.13 Kết ước lượng thông tin giấu tập IWH_6000 IWH_6000 109 109 Bảng 3.14 Kiểm tra ảnh stego tập RVH_7168 kỹ thuật phát tổng quát miền LSB 116 Bảng 3.15 Ước lượng thông tin giấu cho tập RVH_7168 kỹ thuật RS, DI “Trùng khớp” 116 Bảng 3.16 Tỉ lệ phân loại ảnh (gốc giấu tin) với số giá trị ngưỡng T 126 Bảng 3.17 Kết ước lượng thông tin giấu tập 11 RVH_7500 126 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ q trình giấu tin ảnh [84] 21 Hình 1.2: Sơ đồ trình tách tin ảnh 22 Hình 1.3 Minh họa giấu thơng tin LSB ảnh cấp xám - bit [84] .24 Hình 1.4 Lược đồ quy trình phát ảnh có giấu tin [84] .29 Hình 1.5 biểu đồ mật độ xác suất: a) tập p, b) tập p sau lọc FIR 34 Hình 2.1: Ảnh thử nghiệm cho kỹ thuật “tỉ lệ xám 1” 59 Hình 2.2 Tập 10 ảnh chuẩn lấy từ [107] 68 Hình 2.3 Biểu đồ tần suất hệ số cosine: a) ảnh cover, b) ảnh stego [94] 71 Hình 3.1 Biểu đồ tần suất: (a) ảnh gốc, (b) ảnh giấu tin HKC 81 Hình 3.2 Điểm Peak: (a) trước giấu tin, (b) sau giấu tin .82 Hình 3.3 Biểu đồ tần suất của: (a) ảnh gốc, (b) ảnh giấu tin HKC 83 Hình 3.4 (a) Ảnh Lena.bmp, (b) thơng tin cần giấu ảnh nhị phân kích cỡ 128 x 56 điểm ảnh, biểu đồ sai phân: (c) ảnh Lena (gốc), (d) dịch chuyển, (e) sau giấu tin 93 Hình 3.5 Tập ảnh thử nghiệm 95 Hình 3.6 Biểu đồ tần suất hệ số sai phân ảnh trước giấu tin DIH: a) Airplane.bmp, b) Beer.bmp, c) Elaine.bmp, d) House.bmp, e) Lena.bmp, f) Peppers.bmp, g) Sailboat.bmp, h) Tiffany.bmp .96 Hình 3.7 Biểu đồ tần suất hệ số sai phân ảnh sau giấu tin DIH: a) Airplane.bmp, b) Beer.bmp, c) Elaine.bmp, d) House.bmp, e) Lena.bmp, f) Peppers.bmp, g) Sailboat.bmp, h) Tiffany.bmp .96 Hình 3.8 Kết ước lượng độ dài thông tin giấu: a) tập ảnh 0, b) tập DIH_6000 100 Hình 3.9 Biểu đồ tần suất hệ số wavelet: (a) Biểu đồ ảnh gốc ban đầu, (b) Biểu đồ sau làm rỗng cột tần suất hệ số có giá trị Z [99] 102 Hình 3.10 Biểu đồ tần suất hệ số wavelet băng tần cao của: (a) ảnh Lena gốc ảnh giấu tin với vị trí ban đầu: (b) T = 3, (c) T = -3, (d) T = 5, (e) T = -6, (f) T = .103 12 Hình 3.11 Biểu đồ tần suất hệ số wavelet băng tần cao ảnh gốc: a) Airplane.bmp, b) Beer.bmp, c) Elaine.bmp, d) House.bmp, e) Lena.bmp, f) Peppers.bmp, g) Sailboat.bmp, h) Tiffany.bmp 105 Hình 3.12 Biểu đồ tần suất hệ số wavelet băng tần cao: (a) ảnh Lena gốc sau giấu tin với vị trí chọn ban đầu: (b) T = 2, (c) T = 4, (d) T = 106 Hình 3.13 Thử nghiệm ước lượng thông tin tập ảnh: a) tập b) tập IWH_6000 110 Hình 3.14 Mơ hình tổng quát trình nhúng RVH .111 Hình 3.15 Ảnh Baboon 115 Hình 3.16 Biểu đồ tần suất của: (a) ảnh cover_Baboon, (b) ảnh stego_Baboon 115 Hình 3.17 Histogram cột: (a) chẵn, (b) lẻ ảnh cover_Baboon Bmp 117 Hình 3.18 Histogram cột: (a) chẵn,(b) lẻ ảnh stego_Baboon Bmp 118 Hình 3.19 Sự phân bố giá trị |PLSB(0) – PLSB(1)| điểm ảnh hàng chẵn tập:a) 0, b) RVH_R25, c) RVH_R50, d) RVH_R75, e) RVH_R100 125 13 ... tiết số kỹ thuật phát mù cho ảnh có giấu tin miền LSB 41 Chương KỸ THUẬT PHÁT HIỆN MÙ CHO ẢNH GIẤU TIN TRÊN LSB Chương đưa số kỹ thuật phát mù cho ảnh có giấu tin LSB miền khơng gian miền tần số. .. dựng phát mù cho kỹ thuật giấu - Hướng thứ hai tìm cách phát ảnh stego biết kỹ thuật giấu tin (phát có ràng buộc) Trong luận án sâu vào nghiên cứu kỹ thuật phát mù cho ảnh có giấu tin LSB kỹ thuật. .. dung ban đầu mã, 16 phát ảnh có giấu tin (image steganalysis2) kỹ thuật đối lập với kỹ thuật giấu tin nhằm dị tìm ảnh số có giấu thơng tin hay khơng Việc nghiên cứu phát ảnh giấu tin ý nghĩa khoa