Kỹ thuật giấu tin thuận nghịch

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ THỊ MỪNG KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 60 48 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRỊNH NHẬT TIẾN Hà Nội - 2012 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 11 TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 11 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 11 1.1.1 Khái niệm giấu tin 11 1.1.2 Lịch sử kỹ thuật giấu tin 11 1.1.3 Phân loại kỹ thuật giấu tin 13 1.1.4 Mơ hình kỹ thuật giấu tin 14 1.1.5 Các ứng dụng kỹ thuật giấu tin 16 1.2 TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG MỘT SỐ MÔI TRƯỜNG 17 1.2.1 Giấu tin văn 17 1.2.2 Giấu tin ảnh số 17 1.2.3 Giấu tin audio 18 1.2.4 Giấu tin video 19 1.3 ĐẶC TRƯNG CỦA KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ 19 1.3.1 Kỹ thuật giấu tin dựa vào đặc điểm hệ thống thị giác người 19 1.3.2 Giấu thông tin ảnh khơng thay đổi kích thước ảnh 20 1.3.3 Đảm bảo chất lượng ảnh sau giấu tin 20 1.3.4 Thơng tin mật bị sai lệch có biến đổi ảnh 20 1.4 THỦY VÂN SỐ TRÊN ẢNH 21 1.4.1 Sơ lược thủy vân số 21 1.4.2 Các yêu cầu hệ thuỷ vân 23 1.4.3 Mơ hình hệ thống thuỷ vân 24 1.4.4 Những công hệ thuỷ vân 26 1.4.5 Đánh giá chất lượng ảnh thuỷ vân 26 CHƯƠNG 29 MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ 29 2.1 CÁC HƯỚNG TIẾP CẬN CỦA GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ 29 2.2 CẤU TRÚC ẢNH BITMAP 32 2.2.1 Khái niệm 32 2.2.2 Định dạng tệp ảnh bitmap 33 2.3 KỸ THUẬT GIẤU TIN THEO KHỐI BIT 38 2.3.1 Ý tưởng 38 2.3.2 Bài toán giấu tin 38 2.3.3 Phân tích toán 39 2.4 KỸ THUẬT GIẤU TIN WU-LEE 41 2.4.1 Thuật toán giấu tin 41 2.4.2 Phân tích thuật toán 44 2.4.3 Thí dụ minh họa thuật tốn Wu-Lee 45 2.4.4 Một số nhận xét thuật toán Wu-Lee 46 2.5 KỸ THUẬT GIẤU TIN CHEN-PAN-TSENG 48 2.5.1 Ý tưởng 49 2.5.2 Thuật toán CPT 49 2.5.3 Chứng minh tính đắn thuật tốn 51 2.5.4 Ví dụ minh họa thuật toán CPT 53 2.5.5 Phân tích thuật toán 56 CHƯƠNG 57 KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH 57 3.1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH 57 3.2 KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH NSAS 59 3.3 KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH HKC 61 3.4 KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH TYC 63 3.4.1 Bài toán giấu tin theo thuật toán TYC 64 3.4.2 Thuật toán giấu tin TYC 64 3.4.3 Thuật toán tách tin TYC 65 3.4.4 Ví dụ mơ tả thuật toán TYC 65 3.4.5 Phân tích thuật tốn giấu tin thuận nghịch TYC 719 CHƯƠNG 73 CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM CHƯƠNG TRÌNH GIẤU TIN 73 4.1 CẤU HÌNH HỆ THỐNG 73 4.2 MỘT SỐ GIAO DIỆN CHÍNH CỦA CHƯƠNG TRÌNH 73 4.3 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 Mục đích luận văn Giấu thơng tin (sau gọi tắt giấu tin) lĩnh vực quan tâm nghiên cứu có nhiều ứng dụng quan trọng Nội dung luận văn tập trung vào việc tìm hiểu phương pháp luận, sở tốn học, xây dựng mơ hình tốn học cho tốn giấu tin Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin ảnh số, kỹ thuật giấu tin thuận nghịch Những đóng góp luận văn - Luận văn trình bày nội dung tổng quát đầy đủ hệ thống giấu tin - Trình bày kỹ thuật giấu tin thuận nghịch (Reversible Data Hiding) ảnh số Kỹ thuật có khả khơi phục xác ảnh mơi trường (Host data) sau tách thông tin giấu - yêu cầu quan trọng ứng dụng lĩnh vực quân sự, y tế - Xây dựng phần mềm giấu tin ảnh số Chƣơng TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1.1 Khái niệm giấu tin Giấu tin hiểu nhúng mẩu tin vào vật mang tin khác, cho mắt thường khó phát mẩu tin mật đó, mặt khác khó nhận biết vật mang tin giấu tin mật [3] 1.1.2 Lịch sử kỹ thuật giấu tin Trong lịch sử, có nhiều câu truyện “giấu tin” phục vụ mục đích quân sự: Giấu tin cách dùng “mực không mầu” để viết tin mật Để xem tin mật, người nhận dùng thủ thuật cho mầu Người ta “khắc” đồ kho báu lên đầu thuỷ thủ, để tóc mọc che kín Qn Hy lạp thơng báo cho âm mưu kẻ địch, cách “khắc tin” lớp sáp viên thuốc Trung hoa thời trung cổ, người ta ghi hình tượng vào vị trí định thư gửi 1.1.3 Phân loại kỹ thuật giấu tin Hình 1.1 Phân loại kỹ thuật giấu tin 1.1.4 Mô hình kỹ thuật giấu tin Mơ hình kỹ thuật giấu tin mơ tả Hình 1.2 1.3 Thơng tin giấu Ảnh giấu tin Thuật tốn/ Kỹ thuật giấu tin Ảnh gốc Khóa che giấu Hình 1.2 Lược đồ q trình giấu tin Thơng tin giấu Ảnh giấu tin Thuật tốn/ Kỹ thuật giấu tin Khóa che giấu Hình 1.3 Lược đồ tách tin giấu Kiểm định Ảnh gốc 1.1.5 Các ứng dụng kỹ thuật giấu tin Giấu tin mật Bảo vệ quyền tác giả Xác thực thông tin Giấu vân tay hay dán nhãn Kiểm soát chép 1.2 TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG MỘT SỐ MÔI TRƢỜNG 1.2.1 Giấu tin văn 1.2.2 Giấu tin ảnh số 1.2.3 Giấu tin audio 1.2.4 Giấu tin video 1.3 ĐẶC TRƢNG CỦA KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ 1.3.1 Kỹ thuật giấu tin dựa vào đặc điểm hệ thống thị giác người 1.3.2 Giấu thông tin ảnh không thay đổi kích thước ảnh 1.3.3 Đảm bảo chất lượng ảnh sau giấu tin 1.3.4 Thông tin mật bị sai lệch có biến đổi ảnh 1.4 THỦY VÂN SỐ TRÊN ẢNH 1.4.1 Sơ lược thủy vân số Có thể chia kỹ thuật thủy vân theo nhóm hình 1.4 Hình 1.4 Phân loại kỹ thuật thủy vân 1.4.2 Các yêu cầu hệ thuỷ vân - Hệ thuỷ vân số ảnh hệ giấu tin nên có số đặc điểm tính chất giống giấu tin ảnh Đó là: - Phương tiện chứa ảnh hai chiều tĩnh - Thủy vân ảnh tác động lên liệu ảnh khơng làm thay đổi kích thước ảnh - Thông tin giấu vào ảnh không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng ảnh - Kỹ thuật giấu phụ thuộc vào chất hệ thống thị giác người 1.4.3 Mơ hình hệ thống thuỷ vân Một mơ hình hệ thống thuỷ vân tổng quát xem xét theo hai trình: Quá trình nhúng thuỷ vân Mơ hình q trình nhúng thuỷ vân thể qua hình 1.5 Hình 1.5 Mơ hình trình nhúng thủy vân Quá trình tách thuỷ vân Mơ hình q trình tách thuỷ vân hệ thống thuỷ vân trình bày hình 1.6 Hình 1.6 Mơ hình q trình tách kiểm định thuỷ vân 1.4.4 Những công hệ thuỷ vân - Biến đổi tín hiệu, làm sắc nét, thay đổi độ tương phản, màu, gam màu - Nhiễu cộng, nhiễu nhân - Lọc tuyến tính - Nén thơng tin - Giảm liệu: cropping, sửa histogram - Thuỷ vân nhiều lần 1.4.5 Đánh giá chất lượng ảnh thuỷ vân 1.4.5.1 Chất lượng ảnh gốc ảnh chứa thuỷ vân 1.4.5.2 So sánh thuỷ vân tách với thủy vân gốc Chƣơng MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ 2.1 CÁC HƢỚNG TIẾP CẬN CỦA KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ Các phương pháp giấu tin ảnh số chia thành ba nhóm sau: + Giấu tin miền không gian (miền quan sát): + Các phương pháp dựa vào kỹ thuật biến đổi toán học: + Các phương pháp sử dụng mặt nạ giác quan: 2.2 CẤU TRÚC ẢNH BITMAP 2.2.1 Khái niệm Ảnh Bitmap định dạng ảnh Microsoft đề xuất, có phần mở rộng BMP DIB (device – independent bitmap), định dạng ảnh dùng để lưu trữ ảnh số, phổ biến máy tính sử dụng hệ điều hành Windows, OS/2, thiết bị điện tử khác Dữ liệu ảnh bitmap ma trận điểm ảnh, điểm ảnh biểu diễn số bit Ảnh bitmap chia thành ba dạng: Ảnh đen trắng, ảnh đa mức xám ảnh màu 2.2.2 Định dạng tệp ảnh bitmap Ảnh Bitmap lưu trữ dạng nhị phân, tệp định dạng bitmap chia thành phần như: BITMAP HEADER BITMAP INFORMATION COLOR PALETTE BITMAP DATA Hình 2.1 Minh hoạ cấu trúc tệp ảnh bitmap 2.3 KỸ THUẬT GIẤU TIN THEO KHỐI BIT 2.3.1 Ý tưởng 2.3.2 Thuật toán giấu tin  Q trình giấu tin Tóm tắt thuật toán Input: - Một ảnh Bitmap đen trắng F - Dãy bit cần giấu b1 b2 bN Output Tệp ảnh G giấu dãy bit b1 b2 … bN Nội dung thuật toán Bước 1: Chia ảnh gốc F thành ma trận điểm ảnh Fi có kích thước m  n Khơng giảm tính tổng qt, giả sử F chia thành N khối kích thước m  n Bước 2: Với khối Fi (i = 1,2, ….,N) tiến hành giấu bit bi (bi = bi =1) cách biến đổi Fi thành Gi cho Gi thỏa mãn bất biến sau: m n   G (u , v) mod  b i i u  1v  | u  m, v  n (2.7) Bước 3: Kết hợp khối Gi ta thu ảnh G chứa dãy bit b1 b2 bN  Quá trình giải tin Giải tin thao tác tách thông tin mật ảnh giấu tin, trình giải mã tin thực theo bước sau đây: Chia ảnh thành khối có kích thước giống kích thước khối sử dụng thực giấu, khố để giải mã Với khối việc giải tin theo quy tắc: đếm số bit khối, tổng số bit lẻ thu bit 1, ngược lại thu bit Và tiếp tục hết khối giấu 2.3.3 Phân tích thuật tốn 2.4 KỸ THUẬT GIẤU TIN WU-LEE 2.4.1 Thuật toán giấu tin Bƣớc 1: đặt s = SUM(FK) Bƣớc 2: if < s < SUM(K) then // biến đổi F thành G thoả mãn bất biến 2.9 2.10 Xét trường hợp sau: Trường hợp if s mod = b then G = F // giấu mà không cần biến đổi Trường hợp if s = SUM(K) - then - Chọn ngẫu nhiên phần tử (i,j) thoả Fi,j = Ki,j =1 - Fi,j = -G=F Trường hợp if s = then - Chọn ngẫu nhiên phần tử (i,j) thoả Fi,j = Ki,j =1 - Fi,j = -G=F Trường hợp if (s >1) and (s P - Giấu chuỗi bit thông tin mật “100100100” vào điểm ảnh xi ứng với di  P : Hình 3.12 Mơ tả giấu tin mật điểm ứng với di=P - Sau trình thực thuận toán, ta ảnh Y ảnh giấu tin b) Q trình tách tin: - Khơi phục ảnh gốc X từ ảnh giấu tin Y: Hình 3.13 Mơ tả q trình phục hồi ảnh gốc - Tách bit thơng tin mật b giấu điểm yi ứng với d i  P d i  P  Hình 3.14 Mơ tả q trình tách tin phục hồi ảnh gốc 3.5 ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH TYC Trong kỹ thuật TYC, thấy dung lượng tin mật giấu ảnh, phụ thuộc vào tần suất xuất P Tuy nhiên, qua nghiên cứu kỹ thuật giấu tin Wei-Liang Tai, Chia-Ming Yeh, Chin-Chen Chang đề xuất [8], thấy kỹ thuật cịn tồn nhược điểm cần khắc phục sau: (1) Để tách thơng tin mật, cần phải biết thơng tin P Tuy nhiên [8], nhóm tác giả khơng trình bày cách thức truyền thơng tin P từ người gửi đến người nhận (2) Trong kỹ thuật TYC, bước thuật toán giấu tin thực dịch giá trị di  P xi ứng với theo công thức: if i  or d i  P;  xi ,  x  1, if d  P and x  x ; yi   i i i i 1   xi  1, if d i  P and xi  xi 1 (*) Và bước thuật toán thực giấu bit tin mật bi vào điểm ảnh xi ứng với d i  P theo công thức:  x  b, if di  P and xi  xi 1; yi   i  xi  b, if di  P and xi  xi 1 Dễ nhận thấy rằng, cơng thức (*) xi  b xi  [0 255] xi  b nên công thức (**) với giá trị cho phép điểm ảnh Tương tự, công thức (**) với (**) xi  thực phép toán xi  b  , làm cho giá trị xi  1 , vượt dải xi  255 , thực phép tốn xi  cơng thức (*) b  , làm cho giá trị xi  256 , vượt dải giá trị cho phép điểm ảnh Do đó, điểm ảnh có giá trị “biên”, thuật tốn giấu tin thực hiện khơng xác, q trình tách thơng tin mật khôi phục ảnh gốc thực Để khắc phục nhược điểm nêu kỹ thuật TYC, tác giả đề xuất cải tiến sau: (1) Giá trị P coi phần thông tin mật giấu vào ảnh mang (2) Để khắc phục trường hợp gây lỗi thực công thức (*) (**), phải dịch giá trị điểm ảnh cho không tồn giá trị “biên” thành khối điểm ảnh thành khối 64 điểm ảnh xi  255, xi  Ta chia ảnh gốc Fi  {x0 , x1 , , x63} Khối điểm ảnh Fi không tồn điểm ảnh có giá trị “biên” 255, khối giấu tin (hình 3.15a) Ngược lại khối Fi có điểm ảnh mang giá trị 255 khối khơng giấu tin (hình 3.15b) Hình 3.15a Histogram khối khơng thể giấu tin Hình 3.15b Histogram khối giấu tin Áp dụng cải tiến đề xuất trên, thuật toán giấu tin tách tin trình bày sau: 35.1 Thuật toán giấu tin Bước 1: Quét ảnh gốc theo thứ tự chiều mũi tên hình 3.7.a, ta dãy điểm ảnh biểu diễn hình 3.7.b Bước 2: Tính mảng d: Từ mảng giá trị điểm ảnh X, tính khoảng cách hai điểm ảnh liền kề theo công thức: if i  x di   i | xi 1  xi | otherwise Bước 3: Tìm P: Xác định giá trị P có tuần suất xuất mảng d lớn Bước 4: Chia ảnh gốc F thành thành khối ảnh F1 , F2 , , Fn Bước 5: Nhúng tin vào khối Fi  F Bước 5.1 Dịch giá trị xi khối giấu tin: ứng với di  P theo công thức: if i  or di  P;  xi ,  x  1, if d  P and x  x ; yi   i i i i 1   xi  1, if di  P and xi  xi 1 Bước 5.2 Giấu bit tin mật: Bit tin mật b vào điểm ảnh xi ứng với d i  P theo công thức  x  b, if di  P and xi  xi 1; yi   i  xi  b, if di  P and xi  xi 1 Bước 5.3: Đánh giấu khối giấu tin 3.5.2 Thuật toán tách tin Bước 1: Tách thông tin P đồ định vị khối giấu tin Bước 2: Tách tin khối Fi  F khối giấu tin Bước 2.1: Khơi phục khối ảnh nguồn từ khối ảnh giấu tin theo công thức:  yi 1, if | yi  xi 1 | and yi  xi 1 ;  xi   yi 1, if | yi  xi 1 | and yi  xi 1 ;  y , otherwise  i Bước 2.2: Tách bit thông tin mật di  P 1 b giấu điểm yi ứng với d i  P theo công thức: 0, if | yi  xi 1 |  P ; b 1, if | yi  xi 1 |  P  Chƣơng CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM CHƢƠNG TRÌNH GIẤU TIN 4.1 CẤU HÌNH HỆ THỐNG Yêu cầu phần cứng:  Bộ vi xử lý Pentium trở lên  Ram 1GB  Ổ cứng dung lượng tối thiểu 40GB Yêu cầu phần mềm:  Máy tính cài đặt hệ điều hành Window XP/ Vista/ Window  Ngôn ngữ cài đặt: C#  Môi trường cài đặt: Microsoft Visual Studio 2008 4.2 MỘT SỐ GIAO DIỆN CHÍNH CỦA CHƢƠNG TRÌNH 4.3 HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG CHƢƠNG TRÌNH KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận a Những nội dung giải - Luận văn trình bày nội dung tổng quát đầy đủ giấu tin - Trình bày số thuật tốn giấu tin ảnh số - Trình bày kỹ thuật giấu tin thuận nghịch (reversible data hiding) ảnh số Kỹ thuật có khả khơi phục xác ảnh môi trường (host data) sau tách thông tin giấu - yêu cầu quan trọng ứng dụng lĩnh vực quân sự, y tế - Đề xuất cải tiến cho kỹ thuật giấu tin TYC - Xây dựng phần mềm giấu tin tin ảnh số sử dụng thuật toán CPT sử dụng thuật tốn giấu tin TYC b Những đóng góp khoa học thực tiễn luận văn - Đề xuất cải tiến cho kỹ thuật giấu tin TYC - Xây dựng phần mềm giấu tin ảnh số đáp ứng yêu cầu trao đổi thông tin mật qua Internet c Những hạn chế luận văn - Số lượng kiến thức lĩnh vực giấu tin lớn liên tục cập nhật bổ sung công nghệ nên luận văn chắn có nhiều thiếu sót - Luận văn thực cài thuật toán giấu tin CPT, TYC ảnh Bitmap 24 bit màu Kiến nghị Luận văn trình bày kỹ thuật giấu tin thuận nghịch Nghiên cứu phát triển ứng dụng thuật toán ứng dụng thực tế: bảo mật liệu để truyền thơng tin an tồn mạng gửi đề thi giáo dục…, ứng dụng xác thực quyền bảo vệ sản phẩm số, chống fishing cho người dùng mạng nhờ công nghệ xác thực ảnh số nhúng thủy vân - Nghiên cứu biện pháp nhằm nâng cao dung lượng thông tin giấu, tăng độ bền vững chất lượng ảnh sau giấu - Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin ảnh vector mơ hình 3D Thank you for evaluating AnyBizSoft PDF Splitter A watermark is added at the end of each output PDF file To remove the watermark, you need to purchase the software from http://www.anypdftools.com/buy/buy-pdf-splitter.html ... loại kỹ thuật giấu tin Hình 1.1 Phân loại kỹ thuật giấu tin 1.1.4 Mơ hình kỹ thuật giấu tin Mơ hình kỹ thuật giấu tin mơ tả Hình 1.2 1.3 Thơng tin giấu Ảnh giấu tin Thuật toán/ Kỹ thuật giấu tin. .. THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH 57 3.1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH 57 3.2 KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH NSAS 59 3.3 KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH HKC 61 3.4 KỸ THUẬT... giấu tin Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin ảnh số, kỹ thuật giấu tin thuận nghịch Những đóng góp luận văn - Luận văn trình bày nội dung tổng quát đầy đủ hệ thống giấu tin - Trình bày kỹ thuật giấu tin