Kỹ thuật giấu tin dựa trên biến đổi contourlet

1 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành chương trình đại học, luận văn em nhận dạy bảo, hướng dẫn giúp đỡ nhiệt tình quý thầy cô, nhà trường Đại học Dân Lập Hải Phòng Trước tiên em xin cảm ơn tới q thầy trường ĐHDL Hải Phịng, người tận tình dạy bảo em suốt thời gian theo học trường Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới cô giáo hướng dẫn Thạc sỹ Hồ Thị Hương Thơm người dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Em xin cảm ơn tất bạn bè, anh chị, gia đình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi em hồn thành tốt luận văn Mặc dù có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn tất nhiệt tình lực mình, nhiên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp q báu thầy bạn Em xin chân thành cảm ơn ! MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT CHƢƠNG MỘT SỐ KHÁI NIỆM TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG ẢNH 1.1.1 Định nghĩa giấu tin ảnh 1.1.2 Mục đích giấu tin 1.1.4 Đặc trưng tính chất kỹ thuật giấu tin ảnh 1.1.5 Các phương pháp giấu tin 1.1.6 Mơ hình kỹ thuật giấu tin ảnh 10 1.1.7 Phân loại kỹ thuật giấu tin ảnh 12 1.2 CẤU TRÚC CHUNG CỦA ẢNH BITMAP .14 1.2.1 Tổng quan ảnh Bitmap 14 1.2.2 Cấu trúc ảnh PNG 16 1.3 BIẾN ĐỔI CONTOURLET (CONTOURLET TRANSFORM) .17 1.3.1 Biến đổi Contourlet 17 1.3.2 Cách thực 18 1.3.3 Tháp Laplacian - Laplacian Pyramid (LP) .18 1.4 ĐỘ ĐÁNH GIÁ PSNR 22 CHƢƠNG KỸ THUẬT GIẤU TIN TRÊN MIỀN CONTOURLET .23 2.1.GIỚI THIỆU 23 2.1.1 Kỹ thuật giấu tin miền contourlet .23 2.1.2 Sơ đồ trình giấu tin 24 2.1.3 Sơ đồ tách tin 25 2.2 THUẬT TOÁN GIẤU VÀ TÁCH TIN TRỀN MIỀN CTT 25 2.2.1 Thuật toán giấu tin 25 2.2.1.1 Các bước thực .25 2.2.1.2 Sơ đồ thuật toán 26 2.2.1.3 Sơ đồ giấu tin phương pháp LSB ngưỡng 27 2.2.2 Thuật toán tách tin 28 2.2.2.1 Các bước thực .28 2.2.2.2 Sơ đồ thuật toán 29 2.2.2.3 Sơ đồ tách tin khôi phục ảnh phương pháp LSB ngưỡng 30 2.2.3 Ví dụ minh họa 31 CHƢƠNG CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM 32 3.1 Đề xuất 32 3.2 Môi trường cài đặt .32 3.3 Một số giao diện chương trình 32 3.4 Tập ảnh thử nghiệm 34 3.5 Kết thử nghiệm .35 KẾT LUẬN 36 Tài liệu tham khảo 37 LỜI MỞ ĐẦU Giấu tin mật (Steganography) lĩnh vực khoa học liên lạc “khơng nhìn thấy được”, có ý nghĩa vơ quan trọng việc bảo mật thông tin liên lạc ngày nay, đặc biệt với bùng nổ internet Nó khác với khoa học mật mã chỗ: Trong khoa học mật mã người ta tìm cách biến đổi thơng điệp có ý nghĩa thành dãy giả ngẫu nhiên để liên lạc với mạng công cộng mà người ngồi ( người khơng phép chia sẻ thơng tin thơng điệp đó) thu hữu dãy ngẫu nhiên khó lịng chuyển dãy thành thơng điệp ban đầu khơng có “khóa” tay Trong lúc kỹ thuật giấu tin mật(steganography) lại tìm cách ẩn giấu thơng điệp vào phương tiện số khác (như audio, video, images…) mà người ngồi khó phát hữu thông điệp phương tiện số đó, người ta có phương tiện tay Phương tiện dùng để giấu tin gọi phương tiện gốc (Cover-objects) Cịn phương tiện gốc chứa thơng tin cần giấu gọi phương tiện mang tin (Stego-Objects) Trong viết em xin trình bày trình giấu tin ảnh dựa biến đổi contourlet, nội dung gồm chương : Chương Tổng quan kỹ thuật giấu tin ảnh Chương Kỹ thuật giấu tin dựa biến đổi contourlet Chương Cài đặt thử nghiệm DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT CTT Contourlet Transform Biến đổi contourlet LSBs Least Significant Bits Các bit quan trọng MSBs Most Significant Bits Các bit quan trọng DCT Discrete Consine Transform Phép biến đổi cosin rời rạc IMG Image Ảnh đen trắng img PCX Personal Computer Exchange Ảnh xám PCX GIF Graphics Interchange Format Định dạng ảnh đồ họa GIF BMP Bitmap Ảnh không nén Bitmap PNG Portable Network Graphics Ảnh PNG JPEG Joint Photographic Expert Group Ảnh nén JPEG PSNR Peak signal-to-noise ratio Tỉ số tín hiệu cực đại nhiễu MSE Mean squared error Lỗi bình phương CHƢƠNG MỘT SỐ KHÁI NIỆM TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG ẢNH 1.1.1 Định nghĩa giấu tin ảnh Giấu tin ảnh kỹ thuật giấu nhúng lượng thơng tin số vào ảnh số 1.1.2 Mục đích giấu tin Có mục đích giấu thơng tin: Bảo mật cho thơng tin giấu Bảo mật cho đối tượng giấu tin Có thể nhận thấy khác biệt hai mục đích Trong thực tế hai mục đích phát triển thành hai lĩnh vực với yêu cầu tính chất khác Data Hiding Giấu thông tin Watermarking Steganography Thủy vân số Giấu tin mật Hình 1.1: Hai lĩnh vực kỹ thuật giấu tin  Kỹ thuật giấu tin mật (Steganography) [4]: Với mục đích đảm bảo an tồn bảo mật thông tin giấu Các kỹ thuật giấu tin mật tập trung vào việc cho thông tin giấu nhiều người khác khó phát thơng tin có giấu  Kỹ thuật thủy vân số (Watermarking): Với mục đích bảo mật cho đối tượng giấu tin đánh dấu Đảm bảo số yêu cầu đảm bảo tính bền vững, khẳng định quyền sở hữu hay phát xuyên tạc thông tin 1.1.3 Các yêu cầu giấu tin ảnh Những yêu cầu giấu tin ảnh : Tính ẩn giấu tin chèn vào ảnh: Sự diện giấu tin ảnh không làm ảnh hưởng tới chất lượng ảnh chèn tin Tính bền giấu tin: Cho phép tin tồn qua phép biến đổi ảnh, biến dạng hình học hay hình thức cơng cố ý khác Tính an tồn: khơng thể xố tin khỏi ảnh trừ ảnh biến đổi tới mức không cịn mang thơng tin 1.1.4 Đặc trƣng tính chất kỹ thuật giấu tin ảnh Giấu tin ảnh chiếm vị trí chủ yếu kỹ thuật giấu tin, mà kỹ thuật giấu tin phần lớn tập trung vào kỹ thuật giấu tin ảnh Các phương tiện chứa khác có kỹ thuật giấu khác Đối tượng ảnh đối tượng liệu tĩnh có nghĩa liệu tri giác không biến đổi theo thời gian Dữ liệu ảnh có nhiều định dạng, định dạng có tính chất khác nên kỹ thuật giấu tin ảnh thường ý đặc trưng tính chất sau đây: Phương tiện có chứa liệu tri giác tĩnh Dữ liệu gốc liệu tĩnh, dù giấu thơng tin vào ảnh hay chưa ta xem ảnh thị giác, liệu ảnh không thay đổi theo thời gian, điều khác với liệu âm liệu băng hình ta nghe hay xem liệu gốc thay đổi liên tục với tri giác người theo đoạn, hay cảnh… Kỹ thuật giấu phụ thuộc ảnh Kỹ thuật giấu tin phụ thuộc vào loại ảnh khác Chẳng hạn ảnh đen trắng, ảnh xám hay ảnh màu ta có kỹ thuật riêng cho loại ảnh có đặc trưng khác Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống thị giác người Giấu tin ảnh nhiều gây thay đổi liệu ảnh gốc Dữ liệu ảnh quan sát hệ thống thị giác người nên kỹ thuật giấu tin phải đảm bảo yêu cầu thay đổi ảnh phải nhỏ cho mắt thường khó nhận thay đổi có đảm bảo độ an tồn cho thông tin giấu Rất nhiều kỹ thuật lợi dụng tính chất hệ thống thị giác để giấu tin chẳng hạn mắt người cảm nhận biến đổi độ chói biến đổi màu hay cảm nhận mắt màu xanh da trời ba màu Giấu thông tin ảnh tác động lên liệu ảnh khơng thay đổi kích thước ảnh Các thuật tốn thực cơng việc giấu thơng tin thực liệu ảnh Dữ liệu ảnh bao gồm phần header, bảng màu (có thể có) liệu ảnh Do mà kích thước ảnh trước hay sau giấu thông tin Đảm bảo chất lượng sau giấu tin Đây yêu cầu quan trọng giấu tin ảnh Sau giấu tin bên trong, ảnh phải đảm bảo u cầu khơng bị biến đổi để bị phát dễ dàng so với ảnh gốc Yêu cầu dường đơn giản ảnh màu ảnh xám điểm ảnh biểu diễn nhiều bit, nhiều giá trị ta thay đổi giá trị nhỏ chất lượng ảnh thay đổi không đáng kể, thông tin giấu khó bị phát hiện, ảnh đen trắng điểm ảnh đen trắng, ta biến đổi bit từ trắng thành đen ngược lại mà khơng khéo dễ bị phát Do đó, yêu cầu thuật tốn giấu thơng tin ảnh màu hay ảnh xám giấu thông tin ảnh đen trắng khác Trong ảnh màu thuật toán trọng vào việc giấu nhiều thơng tin tốt thuật tốn áp dụng cho ảnh đen trắng lại tập trung vào việc làm để thơng tin giấu khó bị phát Thông tin ảnh bị biến đổi có biến đổi ảnh Vì phương pháp giấu thông tin ảnh dựa việc điều chỉnh giá trị bit theo quy tắc giải mã theo giá trị để tìm thơng tin giấu Theo đó, phép biến đổi ảnh làm thay đổi giá trị bit làm cho thông tin giấu bị sai lệch Nhờ đặc điểm mà giấu thơng tin ảnh có tác dụng nhận thực phát xuyên tạc thông tin Vai trò ảnh gốc giải tin Các kỹ thuật giấu tin phải xác định rõ ràng trình lọc ảnh để lấy thơng tin giấu cần đến ảnh gốc hay không cần Đa số kỹ thuật giấu tin mật thường khơng cần ảnh gốc để giải mã Thông tin giấu ảnh mang với liệu ảnh, giải mã cần ảnh mang thông tin giấu mà không cần dùng đến ảnh gốc để so sánh đối chiếu 1.1.5 Các phƣơng pháp giấu tin  Các phương pháp giấu tin ảnh thuộc vào ba nhóm: Giấu tin miền quan sát Phương pháp thường nhúng thơng tin vào bít có trọng số thấp ảnh hay áp dụng ảnh bitmap không nén, ảnh dùng bảng màu Ý tưởng phương 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 hưởng đến chất lượng ảnh, mắt người không cảm nhận thay đổi ảnh giấu tin  ác phương pháp dựa vào kỹ thuật biến đổi ảnh, ví dụ biến đổi từ miền C không gian sang miền tần số Các phương pháp sử dụng mặt nạ giác quan Dựa nguyên lý đánh lừa hệ thống giác quan người "Mặt nạ" ám tượng mắt người khơng cảm nhận tín hiệu bên cạnh tính hiệu định  Nếu phân chia phương pháp theo định dạng ảnh có hai nhóm chính: Nhóm phương pháp phụ thuộc định dạng ảnh: đặc điểm nhóm thông tin giấu dễ bị "tổn thương" phép biến đổi ảnh Trong nhóm lại chia theo dạng ảnh, có phương pháp cho: ảnh dựa vào bảng màu; ảnh JPEG Các phương pháp độc lập với định dạng ảnh: đặc trưng phương pháp nhóm lợi dụng vào việc biến đổi ảnh để giấu tin vào đó, ví dụ giấu vào hệ số biến đổi Như có phép biến đổi ảnh có nhiêu phương pháp giấu ảnh Các phép biến đổi như: Phương pháp biến đổi theo miền không gian Phương pháp biến đổi theo miền tần số (DCT) Các biến đổi hình học Các phương pháp nhóm thứ hai có nhiều ưu điểm tính bền vững, lượng thơng tin giấu cài đặt phức tạp 10  Nếu phân chia phương pháp theo đặc điểm kỹ thuật có: Phương pháp thay Thay bit liệu đồ bit Thay bảng màu Phương pháp xử lý tín hiệu Các phương pháp biến đổi ảnh Các kỹ thuật điều chế dải phổ Các phương pháp mã hố: Lượng hóa; mã hóa sửa lỗi Các phương pháp thống kê - kiểm thử giả thuyết Phương pháp sinh mặt nạ 1.1.6 Mơ hình kỹ thuật giấu tin ảnh Kỹ thuật giấu tin ảnh bao gồm hai q trình là: Q trình 1: Giấu (nhúng) tin vào ảnh Thông tin giấu Ảnh vỏ bọc Thuật tốn/kỹ thuật giấu tin mật Khóa che giấu Hình 1.2 Mơ hình giấu tin mật Ảnh giấu tin 23 CHƢƠNG KỸ THUẬT GIẤU TIN TRÊN MIỀN CONTOURLET 2.1.GIỚI THIỆU 2.1.1 Kỹ thuật giấu tin miền contourlet Kỹ thuật giấu tin miền contourlet (CTT) Sushil Kumar S.K.Muttoo đề xuất tháng năm 2011, ý tưởng kỹ thuật nhúng thông tin vào băng tần hệ số CTT phương pháp LSB ngưỡng Kỹ thuật giấu tin miền contourlet (CTT) thực hiện: ban đầu thông tin mật đươc mã hóa T-mã trước nhúng vào băng (subbands) theo chiều ngang dọc hình ảnh CTT mức phương pháp LSB Ngưỡng Sau nhúng hết liệu thực biến đổi ngược CTT ta thu ảnh ảnh mang thơng tin mật (stego) Hệ số contourlet Hình 2.1 hệ số thực CTT mức Kỹ thuật LSB đưa để nhúng liệu vào quan trọng điểm ảnh để phương pháp nhúng không làm ảnh hưởng nhiều chất lượng ảnh : Công thức x' = x - x mod 2^ k + b đó: k số bit LSB thay b thông tin mật đem giấu, x giá trị ban đầu, x' giá trị biến đổi tương ứng Thông tin mật tách b= x' mod 2^k 24 Kỹ thuật ngưỡng đưa Xuân at al.[11], trước tiên xác định giá trị ngưỡng T Để nhúng liệu vào subbands hệ số CTT ta so sáng giá trị hệ số x với T đươc đưa công thức Trong T ngưỡng b bit thơng điệp x hệ số tần số ban đầu x' hệ số tần số thay đổi Để khôi phục lại hình ảnh ban đầu, hệ số tần số cao khơi phục lại giá trị ban đầu cách áp dụng cơng thức sau: 2.1.2 Sơ đồ trình giấu tin Ảnh gốc Biến đổi Contourlet mức Nhúng liệu dùng phương pháp LSB ngưỡng Thông điệp Thông điệp mã Biến đổi ngược hóa contourlet mức T-mã Ảnh giấu tin 25 2.1.3 Sơ đồ tách tin Biến đổi Ảnh giấu Contourlet tin mức Dữ liệu Khôi phục hệ số CTT Tách lấy thông điệp Giải mã T-mã Thông điệp pp ngưỡng Biến đổi ngược contourlet mức Ảnh gốc 2.2 THUẬT TOÁN GIẤU VÀ TÁCH TIN TRỀN MIỀN CTT 2.2.1 Thuật toán giấu tin Input : o Ảnh xám bit o Thông điệp cần giấu Output : o Ảnh giấu tin 2.2.1.1 Các bƣớc thực Bước : Đọc ảnh Bước : Mã hóa thơng điệp T-mã Bước : Đọc mã hóa, chuyển đổi thành mã ASCII, chuyển sang dạng nhị phân lưu vào mảng b lấy chiều dài chuỗi bit L chuyển L thành chuỗi bit lưu vào mảng c Bước : Thực biến đổi contourlet mức thu tần thấp -lowpass (y0) băng -subbands (y1,y2,y3,y4) 26 Bước : Lấy miền giá trị hệ số ,thực nhúng vào – subbands ( y1, y2 ,y3, y4), làm tròn hệ số Bước : Nhúng chiều dài L vào y1 phương pháp LSB ngưỡng Bước : Nhúng thơng điệp vào – subbands cịn lại y2, y3,y4 phương pháp LSB ngưỡng Bước : Thực biến đổi ngược contourlet ta thu ảnh mang thơng điệp 2.2.1.2 sơ đồ thuật tốn Bắt đầu Đọc ảnh Thực Miền giá trị CTT mức –subbands y1,y2,y3,y4 L=length (b) Chuyển thành Mã hóa thơng chuyển L sang nhị phân lưu điệp nhị phân lưu vào mảng b T-mã vào mảng c Giấu c vào miền y1 pp LSB ngưỡng Giấu b vào miền y2,y3,y4 pp LSB ngưỡng Kết thúc Ảnh giấu tin Thực hiên biến đổi CTT ngược 27 2.2.1.3 Sơ đồ giấu tin phƣơng pháp LSB ngƣỡng Bắt đầu x : Hệ số contourlet b : Chuỗi bít thơng điệp T : Ngưỡng x, b, T ; abs(x)=T yes x=x+T; x Kết thúc no x= x - (T-1) ; 28 2.2.2 Thuật toán tách tin Imput : o Ảnh giấu tin Output : o Ảnh gốc o Thông điệp 2.2.2.1 Các bƣớc thực Bước : Đọc ảnh giấu tin Bước : Thực CTT mức Bước : Lấy giá trị băng (subbands), y1, y2, y3, y4 làm tròn hệ số Bước : Tách lấy chiều dài L từ y1 phương pháp LSB ngưỡng , chuyển L từ nhị phân sang thập phân Bước : Tách lấy thơng điệp từ – subbands cịn lại (y2,y3,y4) phương pháp LSB ngưỡng, chuyển chuỗi bit thông điệp thành dạng thập phân ,chuyển dạng thập phân thành ký tự (ASCII), giải mã T-mã thu thông điệp Bước : Khôi phục hệ số CTT phương pháp ngưỡng Bước : Thực CTT ngược ta thu ảnh gốc 29 2.2.2.2 Sơ đồ thuật toán Bắt đầu Đọc ảnh Thực Miền giá trị CTT mức –subbands y1,y2,y3,y4 Chuyển b từ Tách chuỗi bit thông Tách lấy L từ dạng nhị phân điệp từ y2,y3,y4 y1, chuyển L sang ký tự (thu (bằng pp LSB sang hệ thập mã) ngưỡng ) lưu vào b Giải mã phân Khôi phục hệ số pp ngưỡng T-mã thu đươc thông điệp Thông điệp Thực hiên biến đổi CTT ngược Kết thúc Ảnh gốc 30 2.2.2.3 Sơ đồ tách tin khôi phục ảnh phƣơng pháp LSB ngƣỡng Bắt đầu x : Hệ số contourlet b : Bít thơng điệp T : Ngưỡng x, T ; no no 2*T+1