Một số kỹ thuật cài tin trong ảnh bitmap

ĐẠI IIỌC QUỐC' G IA IỈẢ NỘI K H O A C Ỏ N G N (ỈH Ệ N g u y ễ n T h ị T h a n h Hình MỘT SỐ KỶ THUẬT CÀI TIN TRONG ẢNH BITMAP Chuyên ngành: Công nghệ thông tin Mã số: 1.01.10 LUẬN V Ă N TI IẠC s ĩ N g i h n g d ầ n k h o a học: P G S T S K H N g u y ễ n X u â n H u y Hà N ộ i 2004 M ộ t s ô k ỹ tliu ậ t c i Im t r o n g ả n h BFI M A P _ _ MỤC LỤC PHẨN M Ở Đ Ầ U C H Ư Ơ N G I: í Ổ n g quan VỂ g iấ u t h ô n g Tí n .7 1.1 Giới thiệu chung giấu thông tin .7 1.2 Vài nét lịch sử giấu t in 1.3 Phân loại kỹ thuật giấu t i n 10 1.4 M hình kỹ thuật giấu tin số thuật ngữ b ả n 13 1.5 Giấu tin liệu đa phương t i ệ n 16 1.5.1 G iấu tin ảnh s ố 16 1.5.2 G iấu tin a u d io ' 18 1.5.3 G iấu thông tin v i d e o 19 1.6 M ột số ứng dụng triển k h a i 19 C H Ư Ơ N G II: G IẤU TIN TRÊN ẢN H T ĨN H 23 11.1 G iấu tin ảnh, đặc trưng tínhc h t 23 11.2 C c yêu cầu kỹ thuật giấu thông tintrong ảnh s ố 26 11.3 S ự khác việc giấu thông tin ảnh đen trắng, ảnh màu ảnh đa cấp x m .27 11.4 Một số kỹ thuật thường dùng hệ giấu tin ả n h .29 11.5 C ấu trúc ảnh B IT M A P 31 CHƯ Ơ NG III: THUỶ V Â N SỐ TRÊN ÀN H TĨNH 35 III Giới thiệu chung kỹ thuật thuỷ v â n 35 111.1.1 Th uỷ vân số giấu tin m ậ t 35 III 1.2 C ác yêu cầu hệ thuỷ vân ả n h 38 111.1.3 Những công hệ thuỷ v â n 40 111.2 Những khuynh hướng tiếp cận kỹ thuật thuỷ v â n 41 111.2.1 Hướng tiếp cận dựa miền không gian ả n h 41 111.2.2 Hướng tiếp cận dựa miền tần số ả n h 42 111.3 Một số kỹ thuật bổ trợ cho kỹ thuật thuỷ vân số ả n h 43 III.3.1 C c phép biến đổi miền không gian ảnh sang miền tần s ố 44 III.3 Kỹ thuật kiểm định thuỷ v â n 48 N ị Ị i i x c n T h ị T h a n h B ì n h - L u ậ n v ă n ló t t ìí ị h iệ p C i i o ÌIỤC M ột M> k ỹ t h u ậ t ( ù i tin t n m \ ị (inh I Ỉ H M A I ' C HƯ Ơ NG IV: M ỘT SÔ KỸ THUẬT GIÃU TINTRONG ẢN H TĨNH 50 IV Một số kĩ thuật xử lý ảnh B IT M A P kỹ thuật giấu tin .50 IV Mơ hình q trình giấu tin giải mã ả n h 57 IV Một số kỹ thuật giấu tin ảnh đen trắng ảnh m u 59 IV.3.1 Kỹ thuật - Giấu tin đơn g i ả n 59 a) Ý tưởng: 59 b) T h u ậ t toán giấu tin : 59 c) Q u trình giải tin: 62 d) P hân tích thuât t o n 63 e) Cải tiến thuật to n 64 IV Kỹ thuật thứ 2- Kỹ thuật giấu tin wu _ L E E 65 a) Một sô khái niệm b ả n 65 b) Ý tưởng thuật toán W u _ L e e 66 c) Th uật to n : 66 d) Minh hoạ thuật t o n 68 e) Phân tích thuật t o n 69 f) Cải tiến thuật to n 70 IV.3.3 Kỹ thuật - Kỹ thuật giấu tin Y U A N _ P A N _ T S E N G 71 a) M ột số khái niệm dùng thuật t o n : 71 b) Ý tưởng thuật to n 72 c) T h u ậ t to n : 72 d) Chứng minh tính đắn thuật t o n : 78 e) Đ ộ an toàn thuật to n 80 f) Phân tích đánh giá thuật t o n 82 g) Cải tiến thuật to n 82 IV G iảm nhiễu ảnh kết q u ả 82 IV Kết thực nghiệm đánh g iá 83 PHẨN KẾT LU ẬN 86 TÀI LIỆU THAM K H Ả O 87 PHỤ LỤ C 88 S i ị i i \ i T i l l T h a n h Bì nh L i u i n wi n t oi ii i í hi cỊ ) Ci i f i I i ọí M l ' / so k x í h i i l c i t i l l i r o i i i Ị l i n h B ĩ Ị M A P ‘l PHẦN MỞ ĐẦU Cuôc cách man iZ thông tin kỹ thuật số đem lại nlũrnu ihay dổi sáu sác xã hội sống cliúnii ta Bén cạnh thuận lợi mà ihõnu tin kỹ thuật số mang lại cũns sinh thách thức cư hội Sự đời phần mềm có tính mạnh, thi0ì bị mứi may anh kỹ thuật số, máy quét chất lượng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật sỏ Y.v thúc đáy kha nâng sáim lạo, xứ lý thướng thức liệu đa phương tiện (m ultimedia data) Công nghệ Internet mạng không dày liên kết nơi ngành, người trcn thố giới lại với - chưa người lại thấy nần gũi đến Môi trường Internet nôi, mánh đấi đô phát trie’ll thương mại điện tử chợ điện tử, báo điện từ, sách điện tử, thư viện điện từ v.v lương lai vỏ vàn dịch vụ điện tử khác đời Thế giới dường nlnr chật hẹp lại, thứ trở thành tài nguyên chung nhàn loại Mạng Internet toàn cầu tạo cấu ảo - nơi diễn q trình trao dổi thơng tin lĩnh vực trị, qn sự, quốc phịng, kinh tế, thưưng mại mơi trường mở tiện nghi thè xuất vấn nạn, tiêu cực dang cán giải pháp hữu hiệu nhàm đảm bảo an tồn thơng tin, chống lại nạn ăn cắp quyền, xuyôn tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép V.V Việc lìm giải pháp cho vấn đỏ không chi giúp ta hiếu thêm vé công nghẹ phức tạp phát triến nhanh mà tạo hội phát triển Giai pháp cho nhữníỊ vẩn (lẽ ? Nỵtxén Tliị Tlianli Bình - l.uựn vãn tot nẠiệp Cao học M ột so k V tliiiiil cài tin iroiiiỊ lìn h lỉíl M A I’ Trong thời gian dài nhieu phương pháp báo vệ thông tin dược dưa ra, dó giải pháp dùng mật mã dược line dụng rộng rãi nhát Các hệ mã tlưực phát triến nhanh chóng ứns dụng phổ biến Thơng tin ban đầu mã hoá thành ký hiệu vô nghĩa, sau đỏ lấy lại thông qua việc giải mã nhờ kliố hệ mã Có nhiều hệ mã phức tạp hiệu sử dụng DES, RSA, KNAPSACK Tuy nhiên mội thơnu điệp bị mã hố dỗ gây ý thơng tin mã hố bị phát tin lặc tìm cách đe giải mã Và chạy đua người bao vệ thông tin bọn tin tặc chưa kết thúc tuyệt đối bên Một công nghệ phần giải khó khăn phương pháp giấu tin (data hiding) - dây phưưng pháp dang xem còng nghệ chìa khố cho vân dề bảo vệ quyền, xác nhận thông tin điều khiển truy cập ứng dụng an tồn bảo mật thơng tin Xét theo khía cạnh tổng qt giấu thơng tin hệ mã mật nhằm dám bảo tính an tồn thông tin, phương pháp ưu điểm chỗ giam khả phát lổn thông tin nguồn mang Không giống mã hóa thơng tin đổ chống truy cập sửa chữa cách trái phép thông tin, mực tiêu giấu thông tin làm cho thông tin trở nẽn vơ hình hay khơng nghe thấy đối phương Điều đánh lừa phát cùa tin tặc làm giảm khả bị giải mã Giấu thông tin kỹ thuật tương dối phát triển nhanh, thu hút quan tâm giới khoa học giới công nghiệp cịn nhiều thách thức Luận vãn trình bày giấu thòng tin nguồn đa phương tiện nói chung, ảnh số nói ricng Cụ thể trình bày số kỹ thuật giàu thông tin ảnh BITMAP, đặc biệt ảnh đen trăng, trịn sở cai liến kỹ thuật đè thực việc giấu thôrm tin N}ỊU\cn Thị 'ỉ'lumh Bình - Luận vùn lịi Hịihiọp Cíio học \ h 'l xó / V i l i i t l c ( ' l i t i n t r ị m ; l ì n h B Í I M M ’ ánh màu ánh đa cấp xám theo hai lurớim: tãnc lượrm tliônu tin gian núim cao chất lượim ánh maim thóiig tin Nội thum cua luận văn iỉồin phán mo đáu bon clnrưim phấn phụ lục Phẩn mở đầu: Giới thiêu chun£ Chương 1: Trình bày khái niệm chung vồ giàu thỏne tin Chương 2: Trình bày số yêu cáu đặc diểm vổ giấu tin mật trons ánh Chương 3: Trình bày số đạc điếm vé thuỷ vàn số iron anh Chương 4: Trình bày số kỹ thuật xử lý ảnh số kỹ thuật giấu tin ánh sỏ Phần kết luận: Kết đạt dược hướng phát triển luận vãn Phần phụ lục: Một số modul chương trình minh hoạ Phần tài liệu tham khảo cuối luận văn nêu rõ tài liệu sử dụng đổ hoàn thành luận văn N v,u\ỉ'n T h ị Tlianli B ình - L u ậ n văn ló ! n ^liic Ị) C a o line M ộ t s ô ' k ỹ iliiiậr c ủ i tin troiìíỊ ả n h B Ĩ T M A P CHUƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẤU THÔNG TIN Torn líll: Trong chương lìm hiếu vấn đe sau đây: • Giấu tin ? • Vài nét lịch sử ui ấu tin • Phân loại kỹ thuật giấu tin • Mơ hình kỹ thuật giấu tin • Giấu tin liệu đa phương tiện • Một số ứng dụng giấu tin • Tổng kết chương 1.1 Giới thiệu chung giấu thông tin Định nghĩa Giấu thông tin kv thuật nhúng (giấu) lượng thông tin sỏ dó vào dối tượng liệu sơ khúc Thuật ngữ giấu thông tin “steganography” , thuật ngữ bát nguồn từ tiếng Hy Lạp có nghĩa “cover writing”, thuật ngữ khác dược sử dụng tương tự “data hiding” Nếu mục đích mã hoá liệu (encryption) ngăn cản việc truy nhập trái phcp hay thay dổi liệu mục đích che giấu thơng tin làm cho liệu trở nên nghe thấy hay nhìn thấy Điều có nghĩa đốiphương khơng nhận thấy tổn liệu nhúng cho dù có lắngnghe cách chăm hay nhìn thật cẩn thận vào mơi trường có giấu liệu Chi tiết hơn, giả sử ta có đối tượng cần bảo mật R (một văn bản, đồ tộp âm chảng hạn) Nếu dùng phương pháp mã hoá đổ bảo mật R ta thu mật mã cùa R ià R ’ chảng hạn Thông thường, R mang giá trị vô nghĩa diều làm cho đói phương nỉỉlii ngờ tìm cách thám mã Ngirợc lại, (iùnc phươns pháp giấu R vào dối tượng khác, ảnh F chảnsĩ hạn ta thu ánh F háu N g u x c n T h ị T h a n h B ì n l i - L u ậ n VŨII l ố t n g h i t ' p C a o h ọ c M ộ t s o k ỹ t h u ậ t c ủ i till t r o n q (ìn h ỈU ỉ'M A P khôn" sai khác với F Sau dó chí cán gửi ánh F’ cho nmrịi nhận Lấy hán lin R tir ánh F ta không cán ánh gốc F Như vậy, đối phươne bát ciưực tâm ánh F nêu ảnh lạ (ánh cá nhân, ảnh phonu cánh nưi không liêng) khó nảy sinh nghi ngờ vổ kha lũum chứa tin mật F Kỹ thuật giấu thông tin nhàm mục (lích dam bảo an tồn b o mật thúng tin rõ ràng hai khía cạnh Một bảo mật cho liệu dược đem giấu, hai báo mật cho đối tượng dùniỊ giấu tin Hai khía cạnh khác dẫn đến hai khuynh hướng kỹ thuật chủ yếu giấu tin Khuynh lurớim thứ giấu tin mặt (steganography) Khuynh hướng tập tru nu vào kỹ thuật giấu tin cho thông tin giấu nhiều quan trọrm nạ ười khác khó phát đối tượna có bị giấu tin hay khơng Khuynh hướng thứ hai thuý vân số (watermarking) Khuynh hưứne thuỷ ván số đánh giấu vào đối tương nhằm khản" định bán quyền SƯ hữu hay phát xuyên tạc thơng tin Thuỷ vân số có miền ứng dụng lớn nên quan tâm nghiên cứu nhiều thực tế có nhiều kỹ thuật dành cho khuynh hướnu Như vậy, khác biệt mã hố thơng tin giấu thơng tin mức độ lộ liễu đối tượng mang tin mật Nếu ta phối hợp hai plnrơng pháp mức độ lộ liễu đưực giảm đến mức tối da, thời độ an toàn nâng cao Chảng hạn, ta có thê mã hố R thành R' sau giấu R ’ vào anh F để thu anh F \ Tóm lại, RÌấu thơng tin hệ mã mật có quan hệ mật thiết với nhau, cùne xây dựng nên hệ thơng un tồn bảo mật thơng tin 1.2 Vài nót lịch sử giấu tin Từ Steganography bắt nguồn từ Hi Lạp sử dụng ngày nay, có Iighĩa tài liệu phu (covered writing) Các câu chuyện kê vổ kỹ thuật giấu thôim tin truyền qua nhicu hệ Có lẽ nlũrnụ ụhi chép X,ÌỊIIVI'II T h ị T h a n h B ì n h - I j i i j n VŨI1 t ót n g h i ệ p C a o l u n M ột sò k ỳ t h u ậ t c i tin tr o n iị lin h B í ! M A P sớm nhát kv thuật íiill'll thơng tin (thơng tin hiểu theo nghĩa nguyên thúy nó) thuộc vé sử gia Hy-Lạp Herodotus Khi bạo chúa Hy-Lạp Histiaeus bị vua Darius bát giữ Susa vào kỷ thứ năm trước Cóng nguycn, ồng ta gửi thơng báo bí mật cho rể Aristagoras Miletus Histiaeus cạo trọc đầu I1Ô lệ tin cậy xăm thông báo da dầu người nơ lệ Khi tóc người nơ lệ mọc đủ dài người nô lệ dược gửi tới Miletus Một câu chuyện khác thời Hy-Lạp cổ đại Herodotus ghi lại Mỏi trường để ghi văn viên thuốc dược bọc sáp ong Demeralus, người Hy-Lạp, cần thông báo cho Sparta Xerxes định xâm chiếm Hy-Lạp Tránh bị phút 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 đe ngỏ lọt qua kiểm tra cách dễ dàng 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 quả, nước tiểu sữa để viết thơng báo bí mật hàng văn tự thơng thường Khi bị hư nóng, thứ mực khơng nhìn thấy trừ nên sẫm màu đọc dễ dàng Mực không màu sử dụng gần đây, thời gian chiến tranh Thố giới II Ý tưởng che giấu thịng tin có từ hàng nghìn năm trước kỹ thuật dùng chủ yếu quán đội quan tình báo Mãi vài thập niên gần đây, giấu thông tin nhận quan tâm nhà nghicn cứu viện công nghệ thơng tin với hàng loạt cơng trình nghiên cứu giá trị Cuộc cách mạng số hố thơng till phát triển nhanh chóng mạng truyền thịnỉỉ nguyên nhân dẫn đốn thay đổi Những phiên chép hoàn hảo kv thuật thay thế, sửa đổi N iịuỵcii T h ị T h a n h B ình - L u ậ n vàn tốt nghiệp C a o h ọ c M o l s ò k ỹ t h u ậ t c i till troiiỊỉ ùiilì I Ỉ Ĩ I M A I linh VI cộng với lưu Ihông phán phoi (lẽn numu liệu da phương tiện dã sinh nhiéu vấn dề nhức nhối nan ãn cắp han quyền, phán phối hát hợp pháp, xuyên lạc trái phép 1.3 Phán loại kỹ thuật giấu tin Do kỹ thuât ni âu thơne tin số hình thành irons thời íiian ỉỊẩn dây nên xu hướng phát triển vần chưa ổn định Nhiều phương pháp mới, theo nhiều khiu cạnh khác đề xuất, định nghĩa xác, đánh má phân loại rõ ràng chưa thê có dược Một số tác ma đưa cách đánh giá phân loại định nghĩa, khơn li lâu san lại có định nghĩa khác, phàn loại klìác đề xuất Mỏi kỹ thuật giấu tin ảnh có đặc điểm định cun quan tâm Chảng hạn có hay khơng mối liên hệ liệu nhúng vứi phương tiện mang? Ai người s ẽ giải mã thơng tin? Có người nhận? Khố dùng chung hay bí mật? Tốc độ nhúng cao hay thấp, việc giải mã có vân đề quan trọng? Có nhiéu cách để phân loại kỹ thuật giàu thông tin, chảng hạn: - Phăn loại theo liệu nguồn: Chẳng hạn liệu nguồn dạng văn bán (Text) liệu nguồn Code chương trình Rõ ràng với liệu nguồn dạng văn bản, thay đổi bit nuười ta không nhận ra, với liệu nguồn chương trình có thê chương trình khổng chạy, ngưừi ta nhận biêt sư thay đổi Nhìn chung dạng liệu nguồn khác nhau, người ta phái sử dụng kỹ thuật giấu tin khác Ví dụ liệu nguồn có thê Audio, anil, Video đổ hoạ 3D, người ta phải lựa chọn kỹ thuật khác đe đảm bảo yêu cầu hộ mail lin /V"Í(VÍ7.’ T h ị t hanh liinh - Liiiin vãn tốt iii>hii‘p C ao học M ộ t i ổ k \ ' th u ậ t cài tm tro ng n h l i í í M A P 97 putc(c l,p3); c l=getc(pl); c2=getc(p2); ) } lTlush(stdin); fclose(pl); fclose(p2); fclose(p3); ) int deml(int a[rnj[n]) { int dem,i,j; dcm=0; for (i=0;i=0;j—) ỉ d= ( b » j ) & l ; // printf(" d = %d\iì",d); gctch(); puic(d.nhiphan); !I (sk— sokhoi) break; ITlush(stdin); íclosc(nhiphan); fclosc(tg); Thù tục thực việc lây B IT thông tin giấu Jĩle ảnh theo thuật toán th ứ Ị Ỷ Ỷ 'Ỳ ' ^ -Ỷ : ỉ ; : f; Ỷ ' Ỷ Ỷ '^ Ỷ Ỷ ^ Ỷ ^ Ỷ Ỷ ^ Ỷ Ỷ ĩ* í # 5ịc % Ỷ Ỷ Ỷ & void Lavlin 1(char *bintext, char *fìletcmp) \ \ u x c / i T l i ị ỉ lia iili B i n l i - l.ihìir will tốt n Ạ i v p C a o h ọ c ^ Ỷ % ĩỊ í jf: Ị Mel sô kỹ ilnuji ( (II liu IIOIH; (inli BITMAP FILli *p,*nhiphan,*tg: lilt s k d I J b c sum d m o d , b o o l ; if ((nhiphan=ropcn(binlcxl."vvb"))==NULL) j rclurn; Ị if ((lg=lbpen(nietemp."rb"))==NULL) {return: Ị bool= 1: sk=0; printlV'So khơi dull thonu tin la %d\n",sokhoi); uetchO; while ( b o o l = = l ) s k + = 1; lor (i=0;i: >f: ^ if: >f:;fí :Ị; >f:>}ị: sfcĩỊ: ;*