Kĩ thuật phát hiện mù cho ảnh có giấu tin bằng LLRT logarithm likelihood ratio test

1 LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới giáo hƣớng dẫn Thạc sỹ Hồ Thị Hƣơng Thơm – giảng viên khoa CNTT trƣờng ĐHDL Hải Phòng ngƣời tận tình giúp đỡ em nhiều suốt trình tìm hiểu nghiên cứu hồn thành đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn công nghệ thông tin – trƣờng ĐHDL hải phịng nhƣ thầy trƣờng trang bị cho em kiến thức cần thiết để em hồn thành báo cáo Xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè ngƣời bên em động viên tạo điều kiện thuận lợi cho em, tận tình giúp đỡ bảo em em cịn thiếu sót q trình làm báo cáo tốt nghiệp Vì thời gian có hạn, trình độ hiểu biết thân cịn nhiều hạn chế Cho nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến tất thầy giáo nhƣ bạn bè để đồ án em đƣợc hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 KHÁI NIỆM GIẤU TIN TRONG ẢNH 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Mơ hình kỹ thuật giấu tin ảnh 1.2 TỔNG QUAN VỀ PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN 1.2.1 Phân tích tin ẩn giấu (Steganalynis) 1.2.2 Các phương pháp phân tích 1.2.2.1 Phân tích trực quan 1.2.2.2 Phân tích định dạng ảnh 1.2.2.3 Phân tích thống kê 1.3 KHÁI NIỆM ẢNH BITMAP 1.3.1 Khái niệm 1.3.2 Cấu trúc ảnh BMP 1.4 KỸ THUẬT GIẤU TIN TRÊN MIỀN LSB 1.4.1 Khái niệm bit có trọng số thấp (LSB- Least significant bit) 1.4.2 Kỹ thuật giấu tin LSB 1.5 LỌC THÔNG THẤP CHƢƠNG 2: KĨ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN TRÊN MIỀN LSB BẰNG PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ LLRT 11 2.1 GIỚI THIỆU 11 2.2 PHƢƠNG PHÁP PHÁT HIỆN 11 2.2.1 Phát biểu lại toán theo toán phân lớp 11 2.2.2 Phân tích 12 2.3 VÍ DỤ MINH HỌA 15 CHƢƠNG 3: CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM 23 3.1 MÔI TRƢỜNG CÀI ĐẶT 23 3.2 MỘT SỐ GIAO DIỆN CHƢƠNG TRÌNH 23 3.3 THỬ NGHIỆM 27 3.4 ĐÁNH GIÁ KĨ THUẬT PHÁT HIỆN 30 3.4.1 Độ đo đánh giá 30 3.4.2 Kết thử nghiệm đánh giá 31 KẾT LUẬN 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ thông tin đặc biệt phát triển hệ thống mạng máy tính tạo nên mơi trƣờng mở phƣơng tiện trao đổi, phân phối tài liệu cách tiện lợi, nhanh chóng Tuy nhiên đặt vấn đề bảo vệ tài liệu, ngăn chặn việc đánh cắp chép tài liệu cách bất hợp pháp Vấn đề an toàn bảo mật thông tin nhận đƣợc quan tâm đặc biệt nhiều nhà nghiên cứu nhiều lĩnh vực Giấu tin ảnh phận chiếm tỷ lệ lớn chƣơng trình ứng dụng, phần mềm, hệ thống giấu tin liệu đa phƣơng tiện lƣợng thông tin đƣợc trao đổi ảnh lớn Hơn nữa, giấu thơng tin ảnh đóng vai trị quan trọng hầu hết ứng dụng bảo vệ an tồn thơng tin nhƣ: nhận thức thơng tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ quyền tác giả, điều khiển truy nhập, giấu thông tin mật… Đồ án trình bày giấu phát ảnh có giấu thơng tin Trình bày kỹ thuật phát ảnh có giấu tin miền LSB phƣơng pháp thống kê LLRT Để nói rõ nội dung này, đồ án em đƣợc tổ chức gồm chƣơng: Chƣơng 1: Một số khái niệm Chƣơng 2: Giới thiệu kỹ thuật phát ảnh có giấu tin miên LSB phân tích thống kê tỉ lệ Logarit Chƣơng 3: Cài đặt thử nghiệm Kết luận: Tài liệu tham khảo: CHƢƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 KHÁI NIỆM GIẤU TIN TRONG ẢNH 1.1.1 Khái niệm Giấu tin ảnh kỹ thuật giấu nhúng lƣợng thông tin số vào ảnh số 1.1.2 Mơ hình kỹ thuật giấu tin ảnh Kỹ thuật giấu tin ảnh bao gồm hai q trình là: Q trình giấu (nhúng) tin vào ảnh Thơng tin giấu Ảnh vỏ bọc Thuật toán/kỹ thuật giấu tin mật Ảnh giấu tin Khóa che giấu Hình 1.1 Mơ hình thuật tốn giấu tin Input: - Thơng tin giấu: Tùy theo mục đích ngƣời sử dụng mà thơng tin giấu thơng điệp, hình ảnh, video, âm - Ảnh vỏ bọc: Là ảnh đƣợc chọn làm môi trƣờng để giấu tin Output: - Ảnh giấu đƣợc giấu tin Quá trình tách tin từ ảnh giấu tin Ảnh giấu tin Thơng tin đƣợc giấu Kiểm tra Thuật tốn/kỹ thuật tách tin Ảnh vỏ bọc Khóa che giấu Hình 1.2 Mơ hình thuật tốn tách tin ẩn giấu Input: - Ảnh giấu tin - Khóa che giấu Output: - Thông tin đƣợc giấu - Ảnh vỏ bọc ban đầu Q trình giải mã đƣợc thực thơng qua thuật toán/kỹ thuật tách tin tƣơng ứng với thuật toán/kỹ thuật nhúng tin với khố che giấu q trình nhúng Kết thu đƣợc gồm ảnh gốc thông tin giấu Thông tin giấu đƣợc kiểm tra so sánh với thông tin ban đầu 1.2 TỔNG QUAN VỀ PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN 1.2.1 Phân tích tin ẩn giấu (Steganalynis) Steganalysis kỹ thuật phát tồn thông tin ẩn giấu multimedia Giống nhƣ thám mã, mục đích steganalysis phát thông tin ẩn phá vỡ tính bí mật vật mang tin ẩn Phân tích ảnh có giấu thơng tin thƣờng dựa vào yếu tố sau: Phân tích dựa vào đối tƣợng mang tin Phân tích so sánh đặc trƣng: So sánh vật mang tin chƣa giấu tin với vật mang tin đƣợc giấu tin, đƣa khác biệt chúng Phân tích dựa vào thơng điệp cần giấu để dị tìm Phân tích dựa vào thuật tốn giấu tin đối tƣợng giấu biết: Kiểu phân tích phải định đặc trƣng đối tƣợng giấu tin, công cụ giấu tin (thuật tốn) sử dụng Phân tích dựa vào thuật toán giấu tin, đối tƣợng gốc đối tƣợng sau giấu tin 1.2.2 Các phương pháp phân tích 1.2.2.1 Phân tích trực quan Đây phƣơng pháp đơn giản nhất, phát khả ảnh có giấu tin hay khơng việc phân tích ảnh cách trực quan tìm kiếm điểm bất thƣờng Thƣờng dựa vào quan sát dùng biểu đồ histogram ảnh gốc ảnh chƣa giấu tin để phát khác biệt hai ảnh đƣa vấn đề nghi vấn Với phƣơng pháp phân tích thƣờng khó phát với ảnh có độ nhiễu cao kích cỡ lớn 1.2.2.2 Phân tích định dạng ảnh Phƣơng pháp rộng thƣờng dựa vào dạng ảnh Bitmap để đoán nhận kỹ thuật giấu hay sử dụng, nhƣ ảnh Bitmap thƣờng hay sử dụng giấu miền LSB Có nhiều định dạng tệp tin ảnh khác nhƣ BMP, GIF, JPEG Mỗi loại có đặc điểm cấu trúc định dạng tệp tin khác Do đó, thực giấu tin, chẳng hạn giấu tin theo LSB, cho thay đổi ảnh kết điểm ảnh khác Và thực phát ảnh giấu tin 1.2.2.3 Phân tích thống kê Theo Plitzman Westfeld, lý thuyết thống kê áp dụng để phân tích thống kê cặp giá trị (cặp giá trị điểm ảnh) để tìm khác biệt bit LSB Trƣớc giấu tin, ảnh chứa thông điệp (cover image) cặp hai giá trị phân phối không Sau giấu tin, giá trị cặp có xu hƣớng trở nên Hơn nữa, kỹ thuật giấu tin mật giấu bit thông điệp cách vào điểm ảnh liên tiếp nhau, góc trái ta quan sát đƣợc thay đổi đột ngột thống kê 1.3 KHÁI NIỆM ẢNH BITMAP 1.3.1 Khái niệm Ảnh BMP (Bitmap) đƣợc phát triển Microsoft Corporation, đƣợc lƣu trữ dƣới dạng độc lập thiết bị cho phép Windows hiển thị liệu không phụ thuộc vào khung định màu phần cứng Tên file mở rộng mặc định file ảnh Bitmap “.BMP” , nét vẽ đƣợc thể điểm ảnh Qui ƣớc màu đen, trắng tƣơng ứng với giá trị 0, 1.3.2 Cấu trúc ảnh BMP Cấu trúc tệp ảnh BMP gồm có bốn phần: Bitmap File Header: Lƣu trữ thông tin tổng hợp tệp ảnh BMP Bitmap Information: Lƣu trữ thông tin chi tiết ảnh bitmap Color Palette: Lƣu trữ định nghĩa màu đƣợc sử dụng cho bitmap Bitmap Data: Lƣu trữ điểm ảnh hình ảnh thực tế 1.4 KỸ THUẬT GIẤU TIN TRÊN MIỀN LSB 1.4.1 Khái niệm bit có trọng số thấp (LSB- Least significant bit) Bit có trọng số thấp bit có ảnh hƣởng tới việc định tới màu sắc điểm ảnh, ta thay đổi bit quan trọng điểm ảnh màu sắc điểm ảnh tƣơng đối gần với điểm ảnh cũ Nhƣ kỹ thuật tách bit xử lý ảnh đƣợc sử dụng nhiều quy trình giấu tin Việc xác định LSB điểm ảnh ảnh phụ thuộc vào định dạng ảnh số bit màu dành cho điểm ảnh Ví dụ: Tách bit cuối bit biểu diễn điểm ảnh ảnh 256 màu 1001110 1001010 1110001 Hình 1.3: Mỗi điểm ảnh biểu diễn bit, bit cuối đƣợc coi bit quan trọng tức bit bên phải 1.4.2 Kỹ thuật giấu tin LSB Các kĩ thật giấu tin miền LSB thuộc vào nhóm giấu tin miền quan sát Phƣơng pháp thƣờng nhúng thông tin vào bít có trọng số thấp ảnh hay đƣợc áp dụng ảnh bitmap không nén, ảnh dùng bảng màu Ý tƣởng phƣơng pháp lấy bít tin mật rải lên ảnh vỏ bọc, thay đổi bít có trọng số thấp ảnh bít tin mật Vì thay đổi bit có trọng số thấp khơng ảnh hƣởng đến chất lƣợng ảnh, mắt ngƣời không cảm nhận đƣợc thay đổi ảnh giấu tin 1.5 LỌC THƠNG THẤP Lọc thơng thấp thƣờng đƣợc sử dụng để làm trơn nhiễu Bộ lọc lọc tuyến tính theo nghĩa điểm ảnh tâm cửa sổ đƣợc thay tổ hợp điểm lân cận chập với mặt nạ Tốn tử trung bình khơng gian lọc thông thấp Mỗi điểm ảnh đƣợc thay trung bình trọng số điểm lân cận đƣợc định nghĩa nhƣ sau: Khi dùng trọng số nhƣ nhau, phƣơng trình trở thành: với : y(m, n): ảnh đầu vào, v(m, n): ảnh đầu ra, a(k, l) : cửa sổ lọc 10 với ak,l = Nw số điểm ảnh cửa sổ lọc W Lọc trung bình có trọng số thực chập ảnh đầu vào với nhân chập H Nhân chập H trƣờng hợp có dạng: Giả sử đầu vào biểu diễn ma trận X[m,n] Ảnh số thu đƣợc lọc thông thấp Y=H⊗X Dễ dàng nhận thấy b =1, Hb nhân chập Ht1 (lọc trung bình) Để hiểu rõ chất khử nhiễu cộng lọc này, viết lại phƣơng trình thu nhận ảnh dƣới dạng: Xqs[m,n] = Xgốc[m,n] + η[m,n] Trong η[m, n] nhiễu cộng có phƣơng sai σ2n Nhƣ vậy, có: Nhƣ vậy, nhiễu cộng ảnh giảm Nw lần 22 Tính hàm D(q||u) Hình 2.15: D(q||u) Tính kq = D(q||u) – D(p||q) Hình 2.16: kq = D(q||u) – D(p||q) So sánh kq với T(α) = 0: Kq > T(α)  ảnh khơng có tin ẩn giấu 23 CHƢƠNG 3: CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM 3.1 MÔI TRƢỜNG CÀI ĐẶT Các thử nghiệm dùng để đánh giá thuật toán kỹ thuật giấu phát đƣợc thực môi trƣờng MATLAP phiên 2009a Chạy máy tính cấu hình Pentium (R) Dual-Core CPU T4200 2.00GHz, nhớ Gb, nhớ ngồi có dung lƣợng trống khả dụng 15GB Quá trình thực nghiệm cần hỗ trợ phần mềm xử lý ảnh Photoshop phiên CS2 8.0 để chuyển đổi liệu ảnh từ màu sang ảnh cấp xám thuận tiện cho thuận tốn 3.2 MỘT SỐ GIAO DIỆN CHƢƠNG TRÌNH Giao diện chƣơng trình bao gồm: - Giấu tin miền LSB o Giấu theo ti lệ o Giấu theo văn - Phát ảnh giấu tin miền LSB o Phát ảnh o Phát tập ảnh Hình 3.1: Form chƣơng trình 24 Hình 3.2: Chức giấu tin Hình 3.3: Chức phát ảnh giấu tin 25 Hình 3.4: Giao diện giấu tin theo tỉ lệ Hình 3.5: Giao diện giấu tin theo văn 26 Hình 3.6: Giao diện kiểm tra giấu tin ảnh Hình 3.7: Giao diện phát giấu tin tập ảnh 27 3.3 THỬ NGHIỆM Thử nghiệm 100 ảnh xám không giấu tin: Hình 3.8: 100 ảnh xám làm thử nghiệm Thử nghiệm 100 ảnh xám giấu tin với tỉ lệ 30%: Hình 3.9: 100 ảnh xám giấu tin với tỉ lệ 30% làm thử nghiệm 28 Thử nghiệm 100 ảnh xám giấu tin với tỉ lệ 50%: Hình 3.10: 100 ảnh xám giấu tin với tỉ lệ 50% làm thử nghiệm Thử nghiệm 100 ảnh xám giấu tin với tỉ lệ 70%: Hình 3.11: 100 ảnh xám giấu tin với tỉ lệ 70% làm thử nghiệm 29 Thử nghiệm 100 ảnh xám giấu tin với tỉ lệ 100%: Hình 3.12: 100 ảnh xám giấu tin với tỉ lệ 100% làm thử nghiệm Kết thử nghiệm: Tỉ lệ 0% 30% 50% 70% 100% Cover 72 29 25 26 18 Stego 28 71 75 74 82 Kết 30 3.4 ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN 3.4.1 Độ đo đánh giá Trong thử nghiệm này, em sử dụng độ đo đánh giá là: precision, recall f-measure thƣờng đƣợc áp dụng phân loại liệu Precision độ đo tính xác đắn việc phân loại Recall độ đo tính toàn vẹn việc phân lớp Cụ thể cho tốn phân loại ảnh có giấu tin ảnh chƣa giấu tin, giả sử ta có tập ảnh đầu vào E (gồm ảnh giấu tin ảnh chƣa giấu tin) cần phân thành tập E1 (ảnh có giấu tin) E2 (ảnh khơng giấu tin) Sau thực phân lớp đƣợc bảng sau: Kết phân lớp đạt E1 E1 (true positive) Kết phân fn lớp đạt E2 đƣợc (false negative) E2 fp (false positive) tn (true negative) Khi precision recall đƣợc tính tốn theo cơng thức sau: Pr ecision Re call tp fp tp fn (3.1) (3.2) Mặc dù precsion recall độ đo đƣợc dùng rộng rãi phổ biến nhất, nhƣng chúng lại gây khó khăn phải đánh giá tốn phân loại hai độ đo lại khơng tăng/giảm tƣơng ứng với Bài tốn đánh giá có recall cao có precision thấp ngƣợc lại Hơn nữa, việc so sánh mà dựa precision recall khơng phải ý hay Với mục tiêu này, 31 độ đo F-measure đƣợc sử dụng để đánh giá tổng quát toán phân loại Fmeasure trung bình điều hồ có trọng số precision recall có cơng thức: F precision.recall precision recall β tham số có giá trị nằm Nếu β = 1, F-measure với precision β = 0, F-measure với recall Giữa đoạn đó, giá trị β cao, độ quan trọng precision cao so với recall Ta sử dụng giá trị thƣờng đƣợc dùng β = 0.5, nghĩa là: F precision.recall precision recall (3.3) 3.4.2 Kết thử nghiệm đánh giá Tập ảnh thử nghiệm D1 gồm 50 ảnh có giấu tin với lƣợng giấu 50%, 100%, kích thƣớc tùy ý D2 gồm 50 ảnh không giấu tin Chọn tập ảnh D50_percent gồm 100 ảnh có 50 ảnh có giấu tin với lƣợng giấu 50% (D1) 50 ảnh không giấu tin (D2) Một tập ảnh khác D100_percent gồm 100 ảnh với 50 ảnh có giấu với lƣợng giấu 100% (D1) 50 ảnh khơng giấu tin(D2) Hình 3.13: 50 ảnh xám khơng giấu tin làm thử nghiệm 32 Hình 3.14: 50 ảnh xám giấu tin với tỉ lệ 50% làm thử nghiệm Hình 3.15: 50 ảnh xám giấu tin với tỉ lệ 100% làm thử nghiệm 33 Kết phân lớp D1 D2 D1 36 12 phân lớp đạt D đƣợc 14 38 Kết Hình 3.16: Bảng tổng hợp kết tập thử nghiệm D50_percent Áp dụng công thức (5.1) (5.2) (5.3) ta có: Precision = = 0,75 Recall = = 0,72 F – measure = 2* = 0,73 Kết phân lớp đạt D1 Kết phân lớp đạt D đƣợc D1 D2 39 13 11 37 Hình 3.17: Bảng tổng hợp kết tập thử nghiệm D100_percent 34 Áp dụng công thức (3.1) (3.2) (3.3) ta có: Precision = Recall = F – measure = 2* Độ đo = 0,75 = 0,78 = 0,76 Precision Recall F – measure 0.75 0.72 0.73 0.75 0.78 0.76 Kỹ thuật Kỹ thuật phát cho lƣợng giấu 50% Kỹ thuật phát cho lƣợng giấu 100% Hình 3.18: Bảng thử nghiệm hai tập ảnh D50_percent D100_percent Nhận xét: Với tỉ lệ phát 70%, phƣơng pháp phát ảnh giấu tin LLRT có độ xác đạt mức trung bình 35 KẾT LUẬN Đồ án em thực nhiệm vụ sau: Trình bày số khái niệm về: Giấu tin ảnh, phát giấu tin ảnh, tổng quan ảnh Bitmap, kĩ thuật giấu tin LSB, lọc nhiễu tín hiệu phƣơng pháp lọc thơng thấp Kỹ thuật phát ảnh có giấu tin miền LSB phƣơng pháp thống kê LLRT Đây phƣơng pháp pháp ảnh có giấu tin phổ biến Với phát triển cách bùng nổ ngành công nghệ thông tin nay, phải bắt kịp phát triển giới để tự bảo vệ quyền lợi thân, quốc gia Do nhiều hạn chế thời gian nghiên cứu nên đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến thầy cô bạn để báo cáo em đƣợc hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Xuân Huy, Trần Quốc Dũng, Giáo trình giấu tin thuỷ vân ảnh, Trung tâm thông tin tƣ liệu, TTKHTN - CN 2003 [2] Ingemar Cox, Jeffrey Bloom, Matthew Miller, Ton Kalker, Jessica Fridrich, Digital Watermarking and Steganography, Morgan Kaufmann, 2008 [3] K Sullivan, O Dabeer, U Madow, B S Manujunath and S Chandrasekaran (Sep 2003), LLRT Based Detection of LSB Hiding, In Proc IEEE International Conference on Image Processing (ICIP), Barcelona, Spain, pp 497–500 [4] http://vi.wikipedia.org/wiki/ ... Cụ thể cho tốn phân loại ảnh có giấu tin ảnh chƣa giấu tin, giả sử ta có tập ảnh đầu vào E (gồm ảnh giấu tin ảnh chƣa giấu tin) cần phân thành tập E1 (ảnh có giấu tin) E2 (ảnh không giấu tin) Sau... thơng tin giấu thơng điệp, hình ảnh, video, âm - Ảnh vỏ bọc: Là ảnh đƣợc chọn làm môi trƣờng để giấu tin Output: - Ảnh giấu đƣợc giấu tin Quá trình tách tin từ ảnh giấu tin Ảnh giấu tin Thơng tin. .. về: Giấu tin ảnh, phát giấu tin ảnh, tổng quan ảnh Bitmap, kĩ thuật giấu tin LSB, lọc nhiễu tín hiệu phƣơng pháp lọc thơng thấp Kỹ thuật phát ảnh có giấu tin miền LSB phƣơng pháp thống kê LLRT