Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một thuật toán giấu tin mật ST trên ảnh có bảng màu trên ý tưởng biến đổi bảng màu cho thỏa mãn tối ưu về cảm nhận sự thay đổi của ảnh. Với th[r]
(1)52(4): 52 - 55 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 4 - 2009
1
MỘT THUẬT TOÁN GIẤU TIN TRONG ẢNH CÓ BẢNG MÀU VÀ ÁP DỤNG GIẤU TIN MẬT TRONG ẢNH GIF
Trần Quang Sơn, Nguyễn Văn Tảo(Khoa Công nghệ thông tin - ĐH Thái Nguyên) Tóm tắt
Ngày nay, nhu cầu trao đổi thơng tin mạng lớn Theo đó, vấn đề bảo đảm an tồn cho thơng tin mật trở nên cấp thiết Có nhiều giải pháp nhằm đảm bảo an tồn cho thơng tin trao đổi, giấu tin ảnh giải pháp nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Bài báo đề xuất thuật tốn giấu tin ảnh có bảng màu Giới thiệu việc áp dụng thuật toán cho giấu tin định dạng ảnh GIF
Từ khoá: Giấu thơng tin, an tồn thơng tin, ảnh số, bảng màu I.TỔNG QUAN
Trong môi trường phân phối điện tử phát triển nay, việc bảo vệ cho thơng tin quan trọng q trình trao đổi trở nên cấp thiết Theo phương pháp truyền thống, thông tin mật trước truyền mã hóa, q trình truyền, người ngồi quan sát tin mã hóa biết tầm quan trọng tin trao đổi, điều làm tăng tị mị muốn khám phá để tìm nội dung thực tin
Gần đây, phương pháp nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu nhúng thơng tin mật vào đối tượng liệu khác (phương tiện chứa) ảnh, audio, video,… sử dụng phương tiện chứa bao gồm thông tin mật để trao đổi
Bài báo đề xuất thuật tốn giấu tin mật ảnh có bảng màu với thay đổi cảm nhận ảnh Từ thuật tốn này, chúng tơi xây dựng lược đồ giấu tin ảnh áp dụng với định dạng ảnh GIF
II.MỘT SỐ LƯỢC ĐỒ GIẤU TIN TRONG ẢNH CÓ BẢNG MÀU
1.Cấu trúc bảng màu
Mỗi màu sắc máy tính sử dụng 24 bit để biểu diễn: bit cho màu đỏ (Red), bit cho màu lục (Green), bit cho màu lam (Blue) Một
ảnh định dạng 24 bit (sử dụng màu sắc thực) chứa tối đa 224
= 16777216 màu sắc khác Như vậy, để biểu diễn thông tin điểm ảnh (pixel)
cần phải sử dụng byte: byte Red, byte Green, byte Blue Tuy nhiên thực tế ảnh chứa tối đa 16777216 màu sắc
Có nhiều màu sắc giống xuất ảnh, thay cho chép lặp lại thông tin màu sắc người ta sử dụng cấu trúc bảng màu Với cấu trúc bảng màu, người ta sử dụng byte lưu trữ cho điểm ảnh giá trị tương ứng màu bảng màu Một bảng màu thực chất vector có số phần tử tối đa 256 phần tử khác phần tử bao gồm thông tin ba thành phần Red, Green, Blue (RGB) Như vậy, thấy ảnh có
bảng màu chứa tối đa 256 màu sắc khác
2.Giấu tin bảng màu đơn giản (BS)
Một cấu trúc ảnh có bảng màu thơng thường gồm ba phần chính: Phần thông tin mô tả ban đầu
(Header), phần thông tin bảng màu (Palette/Color Table), phần liệu ảnh (Image Data) Ý tưởng
cơ kỹ thuật tiến hành giấu tin vào vị trí bit quan trọng (Least Significant Bit - LSB) phần tử bảng màu
Quá trình giấu tin:
Với ảnh gốc I, lấy phần thông tin bảng
màu P Bảng màu bao gồm ba thành phần RGB tương ứng với tất màu ảnh
Thông điệp mật dạng nhị phân chuỗi k bit b = b1,b2,…,bk
Mỗi bit bi giấu vào vị trí LSB
của ba thành phần RGB tương ứng bảng màu theo thuật toán giấu tin
Sau q trình giấu tin thu bảng màu P’ chứa thông tin cần giấu
Quá trình tách tin:
(2)52(4): 52 - 55 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 4 - 2009
2 Đọc ảnh chứa tin, lấy phần thông tin
bảng màu P’
Mỗi bit bi trích từ vị trí LSB
của ba thành phần RGB tương ứng bảng màu
Như vậy, sau xét hết thành phần bảng màu ta thu chuỗi bit, chuỗi thông tin nhị phân giấu cần phải lấy
a Lược đồ giấu tin Romana Machado (EZStego)
Kỹ thuật giấu tin bảng màu đơn giản BS dễ thực Tuy nhiên, kích thước tin giấu ln cố định không phụ thuộc vào liệu ảnh
Lược đồ giấu tin Romana Machado [1] dựa ý tưởng cải tiến xếp lại toàn bảng màu theo thứ tự độ chói Từ đó, đề xuất phương pháp giấu tin vào khối liệu ảnh Mỗi giá trị điểm ảnh (pixel) mang bit
thông tin giấu Dưới lược đồ mơ tả q trình giấu bit thông tin b vào điểm ảnh k:
Quá trình giấu tin:
Sắp xếp lại bảng màu gốc P theo thứ tự độ chói bảng màu Ps
Độ chói Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B Tìm phần tử tương ứng Is điểm ảnh k bảng màu Ps
Thay bit thông tin giấu b vào LSB Is thu Is’
Tìm phần tử I bảng màu gốc P tương ứng với Is’ bảng màu Ps
Thay giá trị điểm ảnh k I
Q trình trích tin:
Sắp xếp lại bảng màu gốc P theo thứ tự độ chói bảng màu Ps
Tìm phần tử tương ứng Is điểm ảnh k bảng màu Ps
Trích LSB Is thu bit thông tin b
b.Lược đồ giấu tin Jessica Fridrich Du Rui (FR)
Kỹ thuật giấu tin ảnh có bảng màu Romana Machado khắc phục nhược điểm lược đồ BS Tuy nhiên, lược đồ EZ bước thực phức tạp thực tế cho thấy hai thành phần màu độ
chói lại khác nhận biết Để khắc phục nhược điểm tính tốn phức tạp ngoại lệ xảy J.Fridrich D.Rui [2] đề xuất kỹ thuật cải tiến giảm q trình tính tốn tăng chất lượng ảnh sau giấu tin
Lược đồ giấu tin FR dựa tư tưởng giấu bit thông tin vào điểm ảnh khắc phục vấn đề ý tưởng khoảng cách hai màu C1=(R1, G1, B1)
và C2=(R2, G2, B2) tìm cặp màu gần Dưới lược đồ mô tả q trình giấu bit thơng tin b vào điểm ảnh k:
Quá trình giấu tin:
Với bit thông tin b chọn ngẫu nhiên điểm ảnh k có màu C1 (R1, G1, B1) Tìm bảng
màu P màu gần C2 (R2, G2, B2) với C1 thỏa
mãn khoảng cách D1,2 hai màu nhỏ đồng thời thỏa mãn điều kiện chẵn lẻ (parity) bit:
D1,22 = (R1 – R2)2 + (G1 – G2)2 + (B1 – B2)2 (D1,22 > 0) b = (R2 + G2 + B2) Mod
Thay giá trị màu C1 điểm ảnh k giá trị màu C2
Quá trình trích tin:
Đọc giá trị màu điểm ảnh k C1 (R1, G1, B1) tiến hành trích bit thơng tin b theo biểu thức:
b = (R1 + G1 + B1) Mod
III.ĐỀ XUẤT LƯỢC ĐỒ GIẤU TIN TRONG ẢNH CÓ BẢNG MÀU
1.Ý tưởng
(3)52(4): 52 - 55 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 4 - 2009
3 trình biến đổi bảng màu đảm bảo thay đổi
về cảm nhận nhỏ
2.Q trình phân tích bảng màu (thuật tốn ST)
Với đề xuất trên, chúng tơi đưa lược đồ phân tích bảng màu với mục tiêu giảm thiểu thay đổi cảm nhận sau giấu tin
Phân tích ảnh, thống kê xác suất xuất màu bảng màu Sắp xếp lại bảng thống kê theo thứ tự giảm dần tần số xuất Thay màu có tần số xuất q (nhỏ 10) màu gần với màu có tần số xuất nhiều Màu gần
C1 = (R1, G1, B1) C2 tính sau:
C2 = (R1, G1, B1 ± 1)
Làm mịn dần trình biến đổi bảng màu: Tính Di (i = 255), Di = j với Min |Ci - Cj| j = 255, j <> i khoảng cách |Ci - Cj| = (Ri - Rj)
2 + (Gi - Gj)2 + (Bi - Bj)2
Sắp xếp cặp i, Di (i = 255) theo thứ tự tăng dần khoảng cách
C = , lặp lại trình sau C chứa tất màu bảng màu: Nếu tồn cặp i, Di với i C, Di C thỏa mãn (Ri + Gi + Bi) <> (RDi + GDi + BDi) Mod 2 kết nạp vào tập C cặp giá trị i, Di Ngược lại, với i C, Di C thỏa mãn
(Ri + Gi + Bi) = (RDi + GDi + BDi) Mod thì tiến
hành biến đổi (Ri + Gi + Bi) <> (RDi + GDi + BDi) Mod 2 kết nạp vào tập C cặp giá trị i, Di a. Quá trình giấu tin
Tiến hành nhúng chuỗi k bit b = (b1, b2, …, bk) vào chuỗi n điểm ảnh p=(p1, p2, …, pn) với pi = Ri, Gi, Bi thu chuỗi p’ theo bước [3]:
Đọc bảng màu biến đổi bảng màu theo thuật tốn ST
Tính ( ) ()
1x dbi
x f i n i
, db(i) biểu
diễn nhị phân i, xi = (Ri + Gi + Bi) Mod 2 Tính s = bf(x)
Nếu s = lấy p’ = p, ngược lại thay ps
bởi ps’ thỏa mãn
Dss’2 = (Rs – Rs’)2 + (Gs – Gs’)2 + (Bs – Bs’)2 nhỏ
Rs + Gs + Bs <> Rs’ + Gs’ + Bs’.
Sắp xếp lại bảng màu thu sau biến đổi theo thứ tự độ chói khoảng cách màu
b.Q trình trích tin
Q trình lọc tìm lại b từ chuỗi p’ với p’i = R’i,
G’i, B’i thực theo công thức:
b = f(x’) với x’i = (R’i + G’i + B’i) Mod 2
IV.ÁP DỤNG THUẬT TOÁN ST ĐỂ GIẤU TIN TRONG ẢNH GIF
GIF (Graphics Interchange Format) đời vào năm 1980 CompuServe phương tiện hiệu để trao đổi hình ảnh mạng
Vào đầu năm 1990, GIF xuất World Wide Web nhanh chóng trở lên quen thuộc với người sử dụng Gần phần lớn hình ảnh Web GIF, trình duyệt Web hỗ trợ định dạng GIF GIF file hệ thống nén để kích thước file nhỏ nhất, có giới hạn bit màu (256 màu khác nhau) Một vài loại khác GIF hỗ trợ màu
trong suốt (transparents) và kết hợp nhiều hình
ảnh file tạo ảnh động (animation) Chính lý thực tế nêu trên, lựa chọn thực thuật tốn giấu tin mơi trường định dạng ảnh GIF GIF định dạng ảnh có bảng màu nên hồn tồn áp dụng ý tưởng đề xuất cho trình giấu tin lọc tin Hệ thống nén GIF nén bảo toàn – LZW [4] (Lempel Zev Welch) áp dụng kỹ thuật nén giải nén kết hợp với trình thực giấu tin lọc tin Dưới số kết thử nghiệm thu qua đánh giá tỉ lệ PSNR [5](Peak Signal To Noise Ratio – thể tương quan sai khác ảnh gốc ảnh chứa tin giấu, PSNR lớn thể sai khác nhỏ) áp dụng với hai thuật toán FR ST ảnh gốc kích thước 120x120:
Kích thước liệu ảnh
Kích thước tin giấu (byte)
Giá trị PSNR Lược đồ
FR
(4)52(4): 52 - 55 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 4 - 2009
4 Hình 1 So sánh ảnh trước sau giấu tin
Ảnh gốc Ảnh sau giấu tin
Lược đồ FR Lược đồ ST
V.KẾT LUẬN
Trong báo này, chúng tơi đề xuất thuật tốn giấu tin mật ST ảnh có bảng màu ý tưởng biến đổi bảng màu cho thỏa mãn tối ưu cảm nhận thay đổi ảnh
Với thuật tốn sở nêu trên, chúng tơi xây dựng lược đồ giấu tin mật ảnh áp dụng trao đổi thơng tin mật Hồn tồn áp dụng tốt thuật toán với ảnh đa cấp xám định dạng ảnh sử dụng bảng màu nói chung
Chúng tơi tiến hành thử nghiệm thuật tốn mơi trường định dạng ảnh GIF phù hợp với xu hướng thực tế trao đổi thông tin Thuật toán cho kết thử nghiệm tốt với mẫu ảnh thu từ mạng Internet Sự thay đổi ảnh sau giấu tin gần không cảm nhận hệ thống thị giác người, cho thấy thuật tốn áp dụng thực tế
Chúng nghiên cứu sử dụng hệ thống khóa bí mật, kết hợp với phương pháp kiểm soát chất lượng ảnh giấu tin nhằm xây dựng lược đồ giấu tin mật ảnh đảm bảo tính mật, tính an tồn cao tin giấu, đồng thời ảnh chứa tin giấu khơng có thay đổi bất thường so với ảnh gốc Vì khn khổ viết nên nội dung sử dụng kết hợp hệ thống khóa, đánh giá độ an tồn tin giấu trình bày viết
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1].EZStego,http://www.fqa.com/romana/; http://www.stego.com/
[2].Fridrich J A New Steganographic Method for Palette-Based Images Proc of the IS&T PICS conference, April 1998, Savannah, Georgia (1998) pp 285289
[3] Nguyễn Văn Tảo, Một số thuật toán giấu tin áp
dụng giấu tin mật ảnh Tạp chí Khoa học Cơng
nghệ, Đại học Thái Nguyên, 4(2), tr 25-32
[4].LZW, http://en.wikipedia.org/wiki/Lempel-Ziv-Welch
(5)52(4): - 12 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 4 - 2009
5
Summary
A COLOR IMAGE DATA HIDING ALGORITHM APPLIED IN THE GIF IMAGE DATA HIDING
The applications of information communication are now fast increased Therefore, information security is essential in many communication applications There are many information security solutions were proposed, image data hiding is a solution attracting many scientists This paper proposes a color image data hiding and introduces its application in GIF image
go,