Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin trong ảnh

Lời cảm ơn Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Thạc sỹ Lê Thụy tận tình giúp đỡ em nhiều suốt trình tìm hiểu nghiên cứu hoàn thành báo cáo thực tập Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình anh, chị Công ty cổ phần Hà Duy q trình em thực tập cơng ty Em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn tin thầy cô trường trang bị cho em kiến thức cần thiết để em hồn thành báo cáo Cuối cùng, em xin cảm ơn tất bạn động viên, góp ý trao đổi hỗ trợ cho em suốt thời gian vừa qua Trong trình nghiên cứu tìm hiểu đề tài Em khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận thơng cảm, góp ý tận tình bảo Thầy cô Em xin chân thành cảm ơn! Hải phòng, ngày 20 tháng năm 2009 Sinh viên Đặng Đức Hiệp MỤC LỤC Lời nói đầu Chương TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN 1.1 Định nghĩa giấu tin mục đích việc giấu tin 1.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin 1.2.1 Giấu tin mật (Seganography ) 1.2.2 Thủy vân số (Watermaking ) 1.3 Một số ứng dụng Chương Các đinh dạng ảnh 2.1 Định dạng ảnh BITMAP 2.1.1 Tổng quan 2.1.2 Bảng mầu 2.1.3 Mô tả ảnh 10 2.1.4 Cấu trúc ảnh 11 2.2 Định dạng ảnh JPEG 16 Chương Giấu tin ảnh 20 Các kĩ thuật giấu tin ảnh BITMAP 20 1 Ảnh nhỏ bit màu: 20 Ảnh 16 bit màu 21 3 Ảnh 24 bit màu 21 Các phương pháp giấu tin 21 Các kĩ thuật giấu tin ảnh JPG 24 3.2.1 Kĩ thuật dùng hệ số DCT : 24 3.2.2 Kỹ thuật giấu tin miền biến đổi DCT 26 3.2.2.1 Mơ tả thuật tốn: 26 3.2.2.2 Quá trình Watermarking: 27 Chương 4: Kết thử nghiệm 31 CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 Lời nói đầu Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ ngành khoa học công nghệ thông tin, internet trở thành nhu cầu, phương tiện thiếu người, nhu cầu trao đổi thông tin qua mạng ngày lớn Và với lượng thông tin lớn truyền qua mạng nguy liệu bị truy cập trái phép tăng lên vấn đề bảo đảm an tồn bảo mật thơng tin cho liệu truyền mạng cần thiết Nhiều kỹ thuật nghiên cứu nhằm giải vấn đề Một kỹ thuật quan trọng mã hóa thơng tin Tuy nhiên thơng điệp bị mã hóa dễ gây ý thơng tin mã hóa bị phát tin tặc tìm cách để giải mã Một cơng nghệ phần giải khó khăn giấu thông tin nguồn đa phương tiện nguồn âm thanh, hinh ảnh … Xét theo khía cạnh tổng qt giấu thơng tin dạng mật mã nhằm đảm bảo tính an tồn thơng tin, phương pháp ưu điểm chổ giảm khả phát tồn thông tin nguồn mang Giấu thơng tin kỹ thuật cịn tương đối đanh phát triển nhanh, thu hút quan tâm giới khoa học giới cơng nghiệp cịn nhiều thách thức Nội dung báo cáo chủ yếu nghiên cứu kỹ thuật giấu tin nói chung giấu tin văn nói riêng Chương TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN 1.1 Định nghĩa giấu tin mục đích việc giấu tin - Giấu tin kỹ thuật nhúng lượng thơng tin số vào đối tượng liệu số khác Trong q trình giấu tin để tăng bảo mật, phải dùng khóa viết mật Đó loại giấu tin có xử lý Nếu khơng dùng khóa viết mật để Giấu tin, tức dấu tin đơn vào mơi trường phủ Đó loại Giấu tin đơn - Mục đích việc giấu tin đảm bảo an tồn bảo mật thơng tin Có khía cạnh cần quan tâm là: + Bảo mật cho liệu đem giấu + Bảo mật cho đối tượng đem giấu thơng tin - Ngày nghệ thuật giấu tin nghiên cứu để phục vụ mục đích tích cực như: bảo vệ quyền tài liệu số hóa (dùng thuỷ ấn số), hay giấu thơng tin bí mật quân kinh tế -Sự phát triển công nghệ thông tin tạo môi trường giấu tin vô tiện lợi phong phú Người ta giấu tin văn bản, hình ảnh, âm Cũng giấu tin khoảng trống hay phân vùng ẩn môi trường lưu trữ đĩa cứng, đĩa mềm Các gói tin truyền mạng môi trường giấu tin thuận lợi Các tiện ích phần mềm môi trường lý tưởng để gài thông tin quan trọng, để xác nhận quyền 1.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin Có thể chia kỹ thuật giấu tin làm : steganography watermarking Infomation hiding Giấu thông tin Watermarking Thuỷ vân số Steganography Giấu tin mật Robust Copyright marking Thuỷ vân bền vững Imperceptible Watermarking Thuỷ vân ẩn Fragile Watermarking Thuỷ vân “dễ vỡ” Visible Watermarking Thuỷ vân hiển Các lĩnh vực nghiên cứu mật mã Trong lĩnh vực bảo mật thông tin, giấu tin bao gồm vấn đề sau: Các nhánh giấu tin 1.2.1 Giấu tin mật (Seganography ) quan tâm tới việc giấu tin cho thông tin giấu nhiều tốt quan trọng người khác khó phát đối tượng có bị giấu tin bên hay không kỹ thuật thông thường 1.2.2 Thủy vân số (Watermaking ) đánh giấu vào đối tượng nhằm khẳng định quyền sở hữu hay phát xuyên tạc thông tin Thủy vân số phân thành loại thủy vân bền vững thủy vân dễ vỡ - Thuỷ vân bền vững: thường ứng dụng ứng dụng bảo vệ quyền Thuỷ vân nhúng sản phẩm hình thức dán tem quyền Trong trường hợp này, thuỷ vân phải tồn bền vững với sản phẩm nhằm chống việc tẩy xoá, làm giả hay biến đổi phá huỷ thuỷ vân + Thuỷ vân ẩn: giống giấu tin, mắt thường nhìn thấy thuỷ vân + Thuỷ vân hiện: loại thuỷ vân sản phẩm người dùng nhìn thấy - Thủy vân dễ vỡ: kỹ thuật nhúng thuỷ vân vào ảnh cho phân bố sản phẩm môi trường mở có phép biến đổi làm thay đổi đối tượng sản phẩm gốc thuỷ vân giấu đối tượng khơng cịn nguyên vẹn trước dấu (dễ vỡ) So sánh steganography watermarking Steganography Watermaking - Che giấu hữu -Thêm vào thông tin quyền Mục đích thơng điệp - Thơng tin che giấu độc lập -Che giấu thông tin gắn với vỏ bọc với đối tượng vỏ bọc Yêu cầu Không phát thông điệp bị che giấu Tiêu chuẩn bền vững Dung lượng tin dấu Phát thơng điệp bí mật Tấn công thành công bị che giấu 1.3 Một số ứng dụng *Ứng dụng thủy vân số(Watermaking): Watermaking bị phá vỡ - Tự động giám sát theo dõi sao, viết tài liệu web (Ví dụ robot tìm kiếm web với tài liệu đánh dấu có tiềm xác đinh vấn đề bất hợp pháp) - Tự động kiểm tra đài phát truyền đi() Chương Các đinh dạng ảnh 2.1 Định dạng ảnh BITMAP Đối tượng ảnh mà chương trình giấu tin nhắm tới ảnh Bitmap Vì ảnh phổ biến mạng Internet, dung lượng giấu tin cao phương pháp giấu tin đơn giản 2.1.1 Tổng quan Các ảnh số thường lưu dạng tệp ảnh 24-bit hay 8-bit cho điểm ảnh Ảnh 24-bit gọi ảnh true colour cung cấp nhiều chỗ giấu thông tin hơn; nhiên ảnh 24-bit lớn, ví dụ ảnh 24-bit cỡ 1024 x 768 pixels có kích thước MB, nên dễ bị gây ý tải qua mạng Thường ảnh cần nén, nén ảnh làm tin mật Một phương án khác dùng ảnh 8-bit mầu để giấu thơng tin Trong ảnh 8-bit (như ảnh GIF), điểm ảnh thể byte Mỗi điểm đơn trỏ đến bảng mục mầu (palette), với 256 khả mầu Điểm ảnh chứa trị nằm 255 Các phần mềm đơn vẽ mầu cần biểu thị lên hình vị trí lựa chọn Nếu dùng ảnh 8-bit làm ảnh phủ, nhiều chuyên gia giấu tin ảnh khuyên nên dùng ảnh 256 cấp xám bảng mầu ảnh xám thay đổi đồng làm tăng khả giấu tin Giấu tin ảnh 8-bit cần xem xét ảnh lẫn bảng mầu Một ảnh có khối lớn mầu đồng kho giấu dễ bị nhận biết Sau chọn ảnh phủ, bước chọn phương pháp mã hoá ảnh 2.1.2 Bảng mầu Bảng mầu mảng chiều chứa mục mầu ảnh Sau điểm ảnh việc trỏ đến mầu mục bảng mầu Hình 1: Bảng mầu điểm ảnh dùng bảng mầu Trong bảng mầu, mầu ứng với ba hay bốn Kích thước bảng mầu tính từ độ sâu điểm ảnh (pixel depth): 4-bit pixel: byte/mầu * 16 (= 24) mầu = 48 byte 8-bit pixel: byte/mầu * 256 mầu = 768 byte 15-bit pixel: byte/mầu * 32768 mầu = 96 kbyte 16-bit pixel: byte/mầu * 65536 mầu = 192 kbyte Một số loại ảnh giảm bớt số mầu bảng mầu, khơng phải tất mầu dùng ảnh (CGM, TGA) Các giá trị điểm cất byte (16 bit): 16 bit = byte = (8 bit, bit) -> (5,6,5) = (R,G,B) Có cách bố trí:  Theo điểm ảnh (pixel-orientiert) (RGB) (RGB) (RGB) (RGB) (RGB)  Theo mặt phẳng mầu (plane-orientiert) (RRRRR GGGGG BB BB B) Hình 2: Các cách bố trí bảng mầu Một số phương pháp giấu tin ảnh dựa vào việc xếp lại bảng mầu, phương pháp khác thêm bớt mầu vào bảng mầu 2.1.3 Mô tả ảnh Để xử lý nghiên cứu ảnh người ta phải mơ hình hố chúng Tuỳ theo quan điểm, mơ hình mà áp dụng phép xử lý khác mơ hình Ảnh đồ bít: quan điểm ảnh mành đồ bít tạo tảng để áp dụng phép toán bit Ảnh hàm toán học: để xử lý ảnh máy tính dùng cơng cụ tốn học, người ta tìm cách biểu diễn ảnh hàm rời rạc f(x,y) x, y toạ độ điểm ảnh f giá trị xám độ sáng ảnh f nhận giá trị rời rạc khoảng từ đến fmax Trong ảnh bit fmax = 28 = 256 Trong ảnh mầu người ta mơ tả mầu qua ba hàm biểu diễn thành phần đỏ, lục lam Ví dụ r(x,y); g(x,y); b(x,y) Ảnh môi trường vật lý: Một ảnh f(x,y) môi trường vật lý nên dùng áp dụng phép biến đổi vật lý ảnh Ví dụ mức lượng điểm ảnh, dải tần số nhiễu ảnh, dải phổ, Mô tả ảnh mơ hình thống kê: Các giá trị điểm ảnh (mức xám, độ sáng hay trị mầu) coi biến ngẫu nghiên, tính phân bố xác suất chúng Ví dụ người ta dùng biểu đồ cột (histogram) để biểu diễn độ xám hay trị mầu Trong xử lý ảnh người ta dùng biểu đồ cột để làm việc lọc nhiễu 10 Chương Giấu tin ảnh Các kĩ thuật giấu tin ảnh BITMAP Việc giấu tin ảnh màu có nhiều thuận lợi so với việc giấu tin ảnh đen trắng có ưu điểm sau: Giấu nhiều thơng tin so với ảnh đen trắng kích cỡ Độ an toàn cao so với ảnh đen trắng có thay đổi so với ảnh gốc ban đầu Đối với loại ảnh màu ta lại có kỹ thuật khác nhau: 1 Ảnh nhỏ bit màu: Không phải tất ảnh nhỏ bit màu có bảng màu xếp, việc xếp LSB khó khăn Ta cần xếp lại bảng màu: Chọn màu giả sử màu có dạng: A(x, y, z) ta đưa vào vị trí Duyệt tất màu B(m, n, p) cịn lại tính: S(A, B) =sqrt((x-m)2 +(y-n)2 +(z-p)2) Ta chọn màu B có S(A, B) nhỏ để xếp cạnh màu A sau lại tiếp tục bước Quy trình kết thúc bảng màu xếp Lưu ý: Các điểm ảnh có số màu 15 phải đổi thành số 85 20 Ảnh 16 bit màu Thực tế có 15 bit dùng để biểu diễn cho điểm ảnh : bit dùng để biểu diễn cường độ tương đối màu đỏ bit dùng để biểu diễn cường độ tương đối màu xanh lơ bit dùng để biểu diễn cường độ tương đối màu xanh lam Cịn bit khơng dùng đến bit cao byte thứ 2, bit LSB ảnh 16 bit màu Nếu lấy bit lượng thơng tin giấu cần lầy thêm số bit 3 Ảnh 24 bit màu Mỗi điểm ảnh biểu diễn byte byte dùng để biểu diễn cường độ tương đối màu đỏ byte dùng để biểu diễn cường độ tương đối màu xanh lơ byte dùng để biểu diễn cường độ tương đối màu xanh lam Trong byte bít nằm cuối ảnh hưởng đến phần liệu ảnh Thông thường để tăng lượng thơng tin giấu người ta thường lấy bít cuối byte để giấu thông tin Bằng thực nghiệm cho thấy thay tồn bít cuối byte ảnh kết qủa khơng khác nhiều so với ảnh ban đầu Điều vô có ý nghĩa ta giấu nhiều thông tin ảnh Các phương pháp giấu tin Phương pháp Nhúng vào bít có trọng số thấp (Least Significant Bit) Các phương pháp dựa vào kỹ thuật biến đổi ảnh, ví dụ biến đổi từ miền không gian sang miền tần số Các phương pháp sử dụng mặt nạ giác quan 21 Ví dụ: Kỹ thuật gài vào bít có trọng số thấp  Nền tảng kĩ thuật: Khi chuyển ảnh tương tự sang ảnh số người ta thường chọn ba cách thể mầu: 24-bit mầu: điểm nhận 2^24 mầu, mầu tạo từ ba mầu bản: red (R), green (G) blue (B), mầu nhận trị từ đến 255 (8 bit) 8-bit mầu: điểm nhận 256 mầu, chọn từ bảng mầu (palette) 8-bit dải xám: điểm nhận 256 (2^8) sắc thái xám Phương pháp LSB sửa bít hay bít có trọng số thấp (ít quan để tạo nên mầu điểm ảnh), gài thông tin mật vào Các thơng tin giấu lẩn vào giống nhiễu ảnh Giấu tin vào bít quan trọng điểm ảnh Áp dụng kỹ thuật LSB, điểm ảnh 24-bit giấu ba bit thơng tin (vì điểm thể ba byte) Mọi thay đổi điểm ảnh có trọng số thấp không gây nên ý mắt người  Ví dụ minh họa Chữ A có mã ASCII 65 hệ thập phân (1000001 hệ nhị phân) Các điểm ảnh trước giấu Để giấu chữ 'A' cần ba điểm ảnh liên tiếp 22 Ví dụ điểm ảnh trước giấu là: 00100111 11101001 11001000 00100111 11001000 11101001 11001000 00100111 11101001 Chèn giá trị nhị phân chữ 'A' vào ba điểm ảnh byte bên trái cho kết quả: 00100110 11101001 11001000 00100110 11001000 11101000 11001000 00100110 11101001 Các bit gạch chân bit bị lật Có thể dùng hai bit có trọng số thấp để giấu tin mà chất lượng không thay đổi mắt thường Từ ví dụ ta suy dùng LSB xác suất phải lật bít 50%, nên lượng nhiễu gây cho ảnh Đối với ảnh mầu 24 bit, đơi dùng đến chí bít thấp mà không để lộ thông tin mật Đối với ảnh bit điều khơng thể, người ta dùng bít thấp để giấu tin 23 Các kĩ thuật giấu tin ảnh JPG Kỹ thuật dùng hệ số DCT (JPEG) Kỹ thuật mặt nạ lọc Kỹ thuật dùng hệ số phép chiếu trực giao 3.2.1 Kĩ thuật dùng hệ số DCT : a) Nền tảng kỹ thuật Các ảnh JPEG có tỷ lệ nén cao, chất lượng tốt, chúng sử dụng nhiều mạng Tuy nhiên tệp ảnh JPEG khơng phù hợp với xử lý bít ảnh dựa bảng mầu, dùng chúng để giấu liệu Ảnh JPEG sử dụng biến đổi Cosin rời rạc để thực nén ảnh Biến đổi cosin rời rạc phép biến đổi liệu khơng thể tính xác giá trị cosin, có lỗi làm tròn Độ lệch liệu gốc liệu phục hồi lại sau biến đổi phụ thuộc vào giá trị phương pháp sử dụng để tính trị cosin rời rạc Cũng xử lý ảnh dùng biến đổi Fourier nhanh biến đổi sóng (wavelet transformation) Thuật tốn JPEG làm việc cách chia ảnh thành ma trận 8x8 Sau tính hệ số biến đổi cosin rời rạc cho ma trận Bước hệ số nhân với ma trận lượng hoá Kết thu làm tròn đến số nguyên gần nhất, cuối số nguyên nén lưu lại Các cấu tử DCT nơi giấu liệu Cách tiếp cận phổ biến chọn hệ số DCT lớn sử chút Vì hệ số lớn tức mức "năng lượng" cao nên làm thay đổi ảnh Một hướng khác chọn hệ số DCT vùng mà mắt người khơng nhìn thấy Các thuật toán JPEG tiếng áp dụng F5 JSteg dùng cách sửa DCT để nhúng liệu Cả hai phương pháp qua mắt thường khơng qua phương pháp phân tích thống kê b) Dung lượng giấu Dung lượng giấu không cao, phù hợp với thuỷ ấn c) Phép biến đổi cosin rời rạc: Biến đổi cosin rời rạc viết tắt DCT-Discrete Cosine Transform đưa Ahmed đồng nghiệp ông vào năm 1974 Phép biến đổi DCT dùng dạng chuẩn ảnh JPEG 24  Định nghĩa biến đổi cosin rời rạc hai chiều: - Biến đổi DCT hai chiều tổng quát biến đổi khối hai chiều MxN, khối kích thước 8*8, 16*16 sử dụng nhiều Tuy nhiên, tìm hiểu phép biến đổi DCT khối 8*8 sử dụng chuẩn nén ảnh JPEG - Phép biến đổi thuận DCT 8*8 định nghĩa sau: I(u,v)= (u ) (v) 7 X (k , l ) cos( ( 2k k l 1)u (2l 1)v ) cos( )s 16 16 I(u.v) gọi hệ số DCT số thực - Biến đổi ngược DCT định nghĩa sau: X (k , l ) = 7 k l (u ) (v) (2k 1)u (2l 1)v I (u, v) cos( ) cos( ) 16 16 0=2t+1 s i =0 Ta biến đổi hai hệ số DCT b’(i,j) b’(p,q) sau: max(|b’(i,j)| , |b’(p,q)|) - (d-INT(0.25*a)) Khi giá trị d : d’ = (||b’(i,j)| -|b’(p,q)| |- (d-INT(0.25*a)) mod a  d’ = (|b’(i,j)| - |b’(p,q)|| mod a)+ (INT(0.25*a)mod a)-(d mod a)  d’ = d-d + 0.25*a= 0.75*a)> 0.5*a=2t+1(dfcm) 30 Chương 4: Kết thử nghiệm Giao diện chương trình Đọc ảnh liệu đầu vào q trình giấu tin LBS: 31 Viết thơng tin cần giấu nhập khóa: 32 Đọc thơng tin giấu: Thông tin nhận lại: 33 CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Xuân Huy, Trần Quốc Dũng, “ Giáo trình giấu tin thuỷ vân ảnh” [2] 34 ... chung giấu tin văn nói riêng Chương TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN 1.1 Định nghĩa giấu tin mục đích việc giấu tin - Giấu tin kỹ thuật nhúng lượng thơng tin số vào đối tượng liệu số khác Trong. .. Chương TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN 1.1 Định nghĩa giấu tin mục đích việc giấu tin 1.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin 1.2.1 Giấu tin mật (Seganography ) ... lĩnh vực nghiên cứu mật mã Trong lĩnh vực bảo mật thông tin, giấu tin bao gồm vấn đề sau: Các nhánh giấu tin 1.2.1 Giấu tin mật (Seganography ) quan tâm tới việc giấu tin cho thông tin giấu nhiều