Tìm hiểu về một số thuật toán giấu tin và phát hiện ảnh có giấu tin

LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hƣớng dẫn PGS.TS Trịnh Nhật Tiến, thầy tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ em nhiều trình tìm hiểu nghiên cứu để em hồn thành tốt đề tài tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Thầy giáo Trƣờng Đại học Dân Lập Hải Phịng giảng dạy chúng em suốt năm học, cung cấp cho chúng em kiến thức chuyên môn cần thiết quý báu giúp chúng em hiểu rõ lĩnh vực nghiên cứu để hoàn thành đề tài đƣợc giao Xin cảm ơn bạn bè gia đình động viên cổ vũ, đóng góp ý kiến, trao đổi suốt trình học tập nhƣ làm tốt nghiệp, giúp em hoàn thành đề tài thời hạn Hải Phòng, tháng năm 2009 Sinh viên Nguyễn Thị Mai MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC GIỚI THIỆU DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Chương CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 KHÁI NIỆM MÃ HÓA 1.2 KHÁI NIỆM GIẤU TIN 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 So sánh giấu tin mã hóa 1.3 PHÂN LOẠI CÁC KỸ THUẬT GIẤU TIN 1.4 MƠ HÌNH KỸ THUẬT GIẤU TIN 10 1.5 MỘT SỐ ỨNG DỤNG 11 1.6 TÍNH CHẤT, ĐẶC TRƢNG CỦA GIẤU TIN TRONG ẢNH 12 1.6.1 Phƣơng tiện chứa có liệu tri giác tĩnh 12 1.6.2 Giấu tin phụ thuộc ảnh 12 1.6.3 Giấu tin lợi dụng khả thị giác ngƣời 12 1.6.4 Giấu tin không làm thay đổi kích thƣớc ảnh .12 1.6.5 Đảm bảo chất lƣợng ảnh sau giấu tin 12 1.7 CÁC ĐỊNH DẠNG ẢNH THÔNG DỤNG 13 1.7.1 Định dạng ảnh: IMG (Image) 13 1.7.2 Định dạng ảnh: PCX (Personal Computer Exchange) 13 1.7.3 Định dạng ảnh: GIF (Graphics Interchanger Format) 13 1.7.4 Định dạng ảnh: BMP (Bitmap) 14 1.7.5 Định dạng ảnh: JPEG (Joint Photographic Expert Group) 15 1.8 CÁC TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ 16 1.8.1 Tính vơ hình .16 1.8.2 Khả giấu thông tin 16 1.8.3 Chất lƣợng ảnh có giấu thơng tin 16 1.8.4 Tính bền vững thơng tin đƣợc giấu .16 1.8.5 Thuật tốn độ phức tạp tính tốn 16 1.9 CÁC HƢỚNG TIẾP CẬN CỦA GIẤU TIN TRONG ẢNH 17 1.9.1 Tiếp cận miền không gian ảnh .17 1.9.2 Tiếp cận miền tần số ảnh .17 Chương MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP GIẤU TIN TRONG ẢNH 18 2.1 GIẤU TIN BẰNG THAY THẾ BIT CÓ TRỌNG SỐ THẤP NHẤT 18 2.1.1 Phƣơng pháp giấu tin 19 2.1.2 Phƣơng pháp tách tin 20 2.1.3 Phân tích thuật tốn .22 2.2 GIẤU TIN TRÊN MIỀN BIẾN ĐỔI DCT 23 2.2.1 Biến đổi DCT thuận nghịch 23 2.2.2 Đặc điểm phép biến đổi DCT ảnh hai chiều 24 2.2.3 Kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DCT 25 2.2.3.1 Quá trình nhúng thủy vân .25 2.2.3.2 Quá trình tách thủy vân 29 2.2.3.3 Phân tích thuật tốn 31 Chương MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN 32 3.1 KHÁI NIỆM PHÂN TÍCH TIN ẨN GIẤU 32 3.2 PHÂN LOẠI PHƢƠNG PHÁP PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN 33 3.3 MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN 34 3.3.1 Kỹ thuật phân tích cặp giá trị điểm ảnh .34 3.3.1.1 Thuật toán PoV3 .35 3.3.1.2 Phân tích thuật tốn 36 3.3.2 Kỹ thuật phân tích đối ngẫu .37 3.3.2.1 Khái niệm kỹ thuật đối ngẫu .37 3.3.2.2 Thuật toán RS 39 KẾT LUẬN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 GIỚI THIỆU 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 Một giải pháp đƣợc sử dụng tỏ hiệu cho việc đảm bảo an tồn thơng tin giấu tin vào đối tƣợng khác Đối tƣợng đƣợc áp dụng để chứa tin phổ biến ảnh Giải pháp giấu tin đƣợc đƣa nhằm hai mục tiêu bảo mật cho thông tin đƣợc đem giấu (giấu tin mật) bảo mật cho đối tƣợng đƣợc dùng để chứa tin (thủy vân số) Giấu tin mật (steganography) lĩnh vực khoa học nghệ thuật giấu thông tin đa phƣơng tiện Hệ thống steganography giấu thông tin mật số vào đối tƣợng số khác mà khó bị phát kỹ thuật thông thƣờng Trƣớc ngƣời sử dụng ẩn hình xăm mực vơ hình để truyền thơng điệp mật Ngày nhờ có máy tính cơng nghệ mạng cơng việc truyền thông tin mật trở nên dễ dàng hiệu Thủy vân ảnh số (watermarking) kỹ thuật nhúng lƣợng thông tin số vào ảnh số cho ngƣời khơng đƣợc phép, khó lấy đƣợc thông tin khỏi ảnh mà không phá hủy ảnh gốc Trong kỹ thuật thủy vân số thơng tin nhúng đƣợc gọi thủy vân Thủy vân chuỗi ký tự hay hình ảnh Tuy nhiên kỹ thuật giấu tin làm nảy sinh nguy khác lợi dụng việc giấu tin để thực hành vi bất hợp pháp nhƣ truyền kế hoạch công khủng bố, sản phẩm văn hóa khơng lành mạnh,… Từ đặt vấn đề làm để phát ảnh có giấu tin hay khơng, thơng tin chứa Hiện có số phƣơng pháp giấu tin phát tin đƣợc nghiên cứu rộng rãi Đồ án em nhằm tìm hiểu số thuật toán giấu tin phát ảnh có giấu tin DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Phép biến đổi cosin rời rạc DCT Discrete Consine Transform IDCT Inverted Discrete Consine Transform LSB Least Significant Bit Bit quan trọng PoV Pair of Values Cặp giá trị RS Regular – Singular Kỹ thuật quy - đơn 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 JPEG Joint Photographic Expert Group Ảnh nén JPEG RLC Run Length Coding LZW Lampel Ziv Welch DES Data Encryption Standard Phép biến đổi consin rời rạc ngƣợc Phƣơng pháp nén liệu ảnh loạt dài RLC Phƣơng pháp nén liệu ảnh LZW Chuẩn mã liệu Audio Âm Video Âm hình ảnh nhìn thấy Chương 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN KHÁI NIỆM MÃ HĨA 1/ Mã hóa q trình chuyển thơng tin đọc đƣợc (gọi rõ) thành thơng tin “khó” đọc đƣợc theo cách thơng thƣờng (gọi mã) Đó kỹ thuật để bảo mật thông tin 2/ Giải mã q trình chuyển thơng tin ngƣợc lại từ mã thành rõ 3/ Thuật tốn mã hóa hay giải mã thủ tục tính tốn để thực mã hóa hay giải mã 4/ Khóa mã hóa giá trị làm cho thuật tốn mã hóa thực theo cách riêng biệt sinh mã riêng Thơng thƣờng khóa lớn mã an tồn Phạm vi giá trị có khóa đƣợc gọi Khơng gian khóa 5/ Hệ mã hóa tập thuật tốn, khóa nhằm che giấu thơng tin, nhƣ làm rõ Có thể chia hệ mã hóa thành hai loại hệ mã hóa khóa đối xứng hệ mã hóa khóa bất đối xứng Hệ mã hóa khóa đối xứng hệ mã hóa mà biết đƣợc khóa lập mã “dễ” tính đƣợc khóa giải mã ngƣợc lại Đặc biệt số hệ mã hóa có khóa lập mã khóa giải mã trùng (ke = kd), nhƣ hệ mã hóa “dịch chuyển” hay DES Hệ mã hóa khóa đối xứng cịn gọi Hệ mã hóa khóa bí mật, hay khóa riêng, phải giữ bí mật khóa Sự mã hóa giải mã hệ thống mã hóa khóa đối xứng biểu thị bởi: Ek: P → C Dk: C → P Hệ mã hóa khóa phi đối xứng hệ mã hóa có khóa lập mã khóa giải mã khác (ke kd), biết đƣợc khóa “khó” tính đƣợc khóa Hệ mã hóa cịn đƣợc gọi Hệ mã hóa khóa cơng khai vì: + Khóa lập mã cho cơng khai, gọi khóa cơng khai (Public key) + Khóa giải mã giữ bí mật, cịn gọi khóa riêng (Private key) hay khóa bí mật 1.2 KHÁI NIỆM GIẤU TIN 1.2.1 Khái niệm 1/ Mơi trƣờng giấu tin (cover multimedia) (hay cịn gọi vật mang tin) đối tƣợng đƣợc dùng để giấu tin nhƣ văn bản, ảnh, audio, video… Giấu tin ảnh: Thông tin đƣợc giấu vào liệu ảnh nhƣng chất lƣợng ảnh thay đổi “khó” biết đƣợc đằng sau ảnh mang thơng tin có ý nghĩa Trong ảnh thơng tin đƣợc giấu cách vơ hình Nó cách truyền thông tin mật cho mà ngƣời khác biết đƣợc Giấu tin audio: Giấu tin audio lại phụ thuộc vào hệ thống thính giác Giấu thơng tin audio đòi hỏi yêu cầu cao tính đồng tính an tồn thơng tin Các phƣơng pháp giấu thông tin audio lợi dụng điểm yếu hệ thống thính giác ngƣời Giấu tin video: Cũng giống nhƣ giấu tin ảnh hay audio, giấu tin video đƣợc quan tâm đƣợc phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng nhƣ điều khiển truy cập thông tin, xác thực thông tin bảo vệ quyền tác giả Ý tƣởng phƣơng pháp phân phối thông tin giấu dàn trải theo tần số liệu gốc 2/ Dữ liệu đƣợc giấu (information) lƣợng thơng tin mang ý nghĩa đó, tùy thuộc vào mục đích ngƣời sử dụng 3/ Giấu thông tin nhúng mẩu tin mật vào vật mang tin khác, cho mắt thƣờng “khó” phát mẩu tin mật đó, mặt khác khó nhận biết đƣợc vật mang tin đƣợc giấu tin mật 1.2.2 So sánh giấu tin mã hóa Giống nhau: mục đích để đối phƣơng “khó” phát tin cần giấu Khác nhau: “Mã hóa” giấu “ý nghĩa” thông tin “Giấu tin” giấu “sự diện” thông tin PHÂN LOẠI CÁC KỸ THUẬT GIẤU TIN 1.3 Có thể chia kỹ thuật giấu tin làm loại lớn thủy vân (watermarking) giấu tin mật (steganography) Information hiding Giấu thông tin Steganography Watermarking Giấu tin mật Thủy vân Intrinsic Pure Robust Copyright marking Fragile Watermarking Giấu tin có xử lý Giấu tin đơn Thủy vân bền vững Thủy vân”dễ vỡ” Imperceptible Watermarking Visible Watermarking Thủy vân ẩn Thủy vân Hình Phân loại kỹ thuật giấu tin 1/ Thủy vân số (Watermarking): Giấu mẩu tin ngắn, nhƣng đòi hỏi độ bền vững cao thông tin cần giấu (trƣớc biến đổi thông thƣờng tệp liệu môi trƣờng) Thủy vân bền vững: thƣờng đƣợc ứng dụng bảo vệ quyền Thủy vân đƣợc nhúng sản phẩm nhƣ hình thức dán tem quyền Trong trƣờng hợp này, thủy vân phải tồn bền vững với sản phẩm nhằm chống việc tẩy xóa, làm giả hay biến đổi phá hủy thủy vân Thủy vân dễ vỡ: Là kỹ thuật nhúng thủy vân vào đối tƣợng (sản phẩm) cho phân bố sản phẩm (trong mơi trƣờng mở) có phép biến đổi làm thay đổi sản phẩm gốc thủy vân đƣợc giấu đối tƣợng khơng cịn ngun vẹn nhƣ trƣớc giấu Thủy vân ẩn: Cũng giống nhƣ giấu tin, mắt thƣờng khơng thể nhìn đƣợc thủy vân ẩn Thủy vân hiện: Là loại thủy vân sản phẩm ngƣời nhìn thấy đƣợc 2/ Giấu tin mật (Steganography): Che giấu tin (đòi hỏi độ mật cao dung lƣợng lớn tốt) vào môi trƣờng (đối tƣợng) gốc Phân biệt Steganography watermarking Steganography Watermarking Tập trung vào việc giấu đƣợc Không cần giấu nhiều thông tin, nhiều tin tốt, ứng dụng cần lƣợng thông tin nhỏ đặc trƣng truyền liệu mật cho quyền ngƣời sở hữu Cố gắng làm ảnh hƣởng đến Trong trƣờng hợp thủy vân nhìn chất lƣợng đối tƣợng gốc để thấy thủy vân khơng bị ý đến liệu đƣợc giấu Thay đổi đối tƣợng gốc làm Thủy vân phải bền vững với cho liệu giấu bị sai lệch (ứng cơng có chủ đích khơng có dụng xác thực thơng tin) chủ đích vào sản phẩm Bảo mật cho liệu cần giấu Khía Thủy vân số đánh dấu vào cạnh tập trung vào kỹ thuật đối tƣợng, nhằm khẳng định giấu tin mật, tức giấu tin cho quyền sở hữu hay phát xuyên giấu đƣợc nhiều ngƣời khác khó tạc thông tin phát thông tin đƣợc giấu 1.4 MƠ HÌNH KỸ THUẬT GIẤU TIN Mơ hình kỹ thuật giấu tin đƣợc trình bày hình vẽ sau: M I E S C K Hình 2: Lược đồ chung cho trình giấu thơng tin Hình vẽ biểu diễn q trình giấu thông tin Đối tƣợng đƣợc dùng làm môi trƣờng để giấu tin nhƣ văn bản, ảnh, audio, video,… Dữ liệu giấu lƣợng thông tin mang ý nghĩa đó, tùy thuộc vào mục đích ngƣời sử dụng Thông tin đƣợc giấu vào phƣơng tiện chứa nhờ nhúng, nhúng chƣơng trình, thuật tốn để giấu tin đƣợc thực với khóa bí mật giống nhƣ hệ mật mã cổ điển Sau giấu tin, ta thu đƣợc phƣơng tiện chứa mang thông tin phân phối sử dụng mạng Trên hình vẽ:  Secret Message (M): thông tin cần giấu  Cover Data (I): liệu phủ, môi trƣờng giấu tin  Embeding Algorithm (E): thuật tốn nhúng tin  Key (K): Khóa bí mật, sử dụng giấu tin  Stego Data (S): liệu mang tin mật, hay môi trƣờng chứa tin mật  Control (C): Kiểm tra thông tin sau tách tin 10 Vì C[2,3] = 143 có giá trị tuyệt đối lớn C[6,2], theo công thức (2,7) ta tính giá trị C[2,3] là: C[2,3] = C[2,3] – (d – INT(0.25a)) = 143 – (14 – INT(0.25 × 26)) = 135 Khi thay đổi hệ số C[2,3] = 135 ta thực phép biến đổi ngƣợc IDCT(C) thu đƣợc khối B’ nhƣ sau: B’ = 31 83 67 60 17 160 183 143 27 74 16 38 163 158 136 132 28 59 48 66 193 167 144 138 15 15 15 67 114 123 192 169 88 76 15 102 168 104 200 177 20 10 15 27 139 197 165 141 17 16 15 178 240 235 191 109 17 18 88 178 166 232 191 190 28 2.2.3.2 Quá trình tách thủy vân Input  Ảnh nhúng thủy vân F’  Khóa K (nếu có) Output  Thủy vân nhúng W biểu diễn qua dãy bit bk 1/ Các bước thực Bƣớc 1: Chia ảnh F’ nhúng thủy vân thành khối B’k Bƣớc 2: Biến đổi DCT khối B’k Bk = DCT(B’k.) Bƣớc 3: Lấy vị trí hai hệ số biến đổi Bk[i,j] Bk[p,q] Bƣớc 4: Tính d = | Bk[i,j] - Bk[p,q | mod a với a = 2(2t+1) chọn nhúng thủy vân Bƣớc 5: Nếu d ≥ 2t + đƣợc bit bk = ngƣợc lại bk = Bƣớc 6: Ghép bit bk tách đƣợc từ khối để đƣợc thủy vân đầy đủ W Ảnh nhúng thủy vân Tách khối Lấy khối chọn Biến đổi DCT DCT Khối biến đổi DCT watermarks 29 2/.Ví dụ: Với khối B’ ví dụ trên, q trình tách thủy vân nhƣ sau: Ta thực phép biến đổi ngƣợc IDCT khối B’ để thu đƣợc khối B sau: B = 869 -438 -102 115 18 -62 -41 -110 64 135 -18 -78 -62 -2 38 30 -4 -37 -7 -67 55 -42 -7 27 22 -10 -3 57 -26 -57 -3 -2 109 -69 -33 41 -23 -27 -26 -29 33 -10 12 -8 -46 -13 33 38 -42 42 33 28 -31 -24 40 Ta lấy hai hệ số B[2, 3] = 135 B[6, 2] = -27 Tính độ lệch d = ||B[2, 3]| - | B[6, 2] || mod 26 = Ta thấy d < 2t + = 13, bit b = đƣợc giấu vào khối 30 2.2.3.3 Phân tích thuật tốn Kích thƣớc khối ảnh thuật toán 8, nhiên chọn kích thƣớc khác tùy theo kích thƣớc ảnh gốc kích thƣớc thực tế thủy vân Việc chọn cặp hệ số miền tần số đƣợc chọn cố định cho tất khối trình nhúng thủy vân Khi đó, thủy vân dễ bị phát thông qua việc thử lần lƣợt cặp hệ số miền tần số Có thể làm tăng độ an tồn khó bị phát thủy vân cách đƣa thuật tốn có sử dụng khóa cho lựa chọn cặp hệ số miền tần số cho khối DCT Khi đó, vị trí cặp hệ số đƣợc chọn cho trình nhúng thủy vân khối đƣợc sử dụng phụ thuộc vào khóa q trình tách thủy vân Trong thuật tốn này, q trình tách thủy vân không cần ảnh gốc Tham số a thuật tốn đóng vai trị nhƣ hệ số tƣơng quan tính ẩn tính bền vững thủy vân Khi tăng hệ số a lên độ sai lệch thủy vân giảm nhƣ bền vững Tuy nhiên, tăng a chất lƣợng ảnh sau giấu tin giảm Điều dễ hiểu a lớn, nghĩa phân lớp khoảng cách hai hệ số lớn nên khoảng cách biến đổi hệ số để thỏa mãn điều kiện giấu lớn, dẫn đến ảnh hƣởng nhiều đến chất lƣợng ảnh 31 Chương 3.1 MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN KHÁI NIỆM PHÂN TÍCH TIN ẨN GIẤU Phân tích tin ẩn giấu hay cịn gọi công hệ giấu tin (steganalysis) phƣơng pháp để phát hiện, trích rút, phá hủy hay sửa đổi thơng tin giấu Việc phân tích đƣợc coi thành cơng hay khơng cịn tùy theo ứng dụng Đối với việc liên lạc bí mật, việc phát chứng minh ảnh có chứa tin mật đƣợc coi thành công Đối với bảo vệ quyền số hay chống giả mạo việc phân tích đƣợc coi thành công không phát thủy vân mà cịn phá hủy hay sửa đổi nhƣng khơng làm giảm chất lƣợng ảnh mang Đề tài nghiên cứu ứng dụng hệ giấu tin mật Các kỹ thuật phân tích giấu tin mật tập trung vào việc phát có mặt hay khơng thông điệp ẩn liệu đƣợc quan sát Bài tốn trích chọn thơng điệp bí mật bái tốn khó tốn phát hiện, nhƣng tốn phát làm tiền đề cho việc trích chọn Nhƣ vậy, xác định hai mục tiêu rõ ràng tốn phân tích hệ giấu tin mật là: Phân tích giấu tin bị động (Passive steganalysis): Phát diện hay không thông điệp bí mật liệu đƣợc quan sát Phân tích giấu tin chủ động (Active steganalysis): Trích chọn phiên thơng điệp bí mật từ phƣơng tiện chứa tin Trong khuôn khổ báo cáo, em tập trung vào giải vấn đề phát tồn thơng điệp bí mật 32 3.2 PHÂN LOẠI PHƢƠNG PHÁP PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN Phân tích trực quan: Đây phƣơng pháp đơn giản kết thƣờng không đáng tin cậy Để phát khả ảnh có giấu tin hay khơng việc phân tích ảnh cách trực quan tìm kiếm “điểm bất thƣờng” Nhiều phƣơng pháp giấu tin mật, bao gồm giấu tin dựa LSB phƣơng pháp dựa DCT loại bỏ biến dạng vùng ảnh mịn cách dễ nhận thấy Thật vậy, việc thay đổi bảng màu (của ảnh màu) dù nhỏ để giấu thông điệp bí mật dẫn đến kết thay đổi màu sắc lớn ảnh gốc, đặc biệt ảnh gốc có chứa màu sắc khác mức độ cao Cũng thực tế với ảnh màu tự nhiên, thay đổi bit màu Phân tích định dạng ảnh: 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 Ví dụ nhƣ với ảnh JPG: Ảnh JPG sử dụng phép biến đổi DCT để biến đổi liên tiếp khối điểm ảnh × vào ma trận 64 hệ số DCT Bit LSB hệ số DCT đƣợc sử dụng nhƣ bit dƣ thừa mà ta giấu bit thơng điệp ẩn vào Sự thay đổi hệ số DCT đơn lẻ tác động lên tất 64 điểm ảnh Vì lý khơng thể áp dụng việc phân tích trực quan loại ảnh 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, cặp hệ số DCT, cặp số bảng màu) 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 (hoặc số bảng màu hệ số DCT) liên tiếp nhau, góc trái ta quan sát đƣợc thay đổi đột ngột thống kê Một số kỹ thuật thống kê đƣợc trình bày phần cuối chƣơng 33 3.3 MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN 3.3.1 Kỹ thuật phân tích cặp giá trị điểm ảnh Khái niệm cặp giá trị (PoV – Pairs of Values) đƣợc Pfitzmann Westfeld đƣa Cho ảnh I Gọi j giá trị điểm ảnh (pixel) ảnh I Nếu I ảnh đa cấp xám – bit j [0,255] Nếu j chẵn (j = 2i) sau phép lật bit giá trị j 2i + 1, j lẻ (j = 2i+1) sau phép lật bit giá trị j 2i Nhƣ vậy, giá trị điểm ảnh cặp sau giấu tin giá trị nằm cặp có tính chất chẵn lẻ tƣơng tự PoV cặp hai giá trị điểm ảnh (2i, 2i+1) hai giá trị cặp sai khác bit thấp Trong thuật tốn trình bày dƣới có liên quan đến khái niệm tần số xuất giá trị điểm ảnh j Đó số lần xuất giá trị điểm ảnh j ảnh Kỹ thuật PoVs đƣợc gọi phƣơng pháp thống kê X2 (khi bình phƣơng – Chi_squared) đƣợc áp dụng thành công việc phát giấu tin mật LSB cách Có nhiều kỹ thuật PoV khác nhƣ PoV2, PoV2r, PoV3 Trong PoV2 PoV2r kiểm tra tập điểm ảnh đƣợc chọn ngƣời dùng PoV2 kiểm tra phần trăm điểm ảnh (đƣợc chọn ngƣời dùng) cách tuần tự, góc trái ảnh PoV2r kiểm tra cách phần trăm điểm ảnh đƣợc chọn ngƣời dùng nhƣng bắt đầu điểm ảnh sau thực phép lật bit điểm cuối đƣợc chọn PoV3 kiểm tra tổng phần trăm điểm ảnh từ 1% đến 100% trả xác suất tập điểm ảnh ảnh kiểm tra Các điểm ảnh đƣợc kiểm tra cách tuần tự, góc bên trái ảnh Thực tế PoV3 kiểm tra nhóm điểm ảnh theo trật tự Mục dƣới trình bày chi tiết kỹ thuật phát tin giấu PoV3 34 Thuật toán PoV3 3.3.1.1 Tư tưởng Với ảnh I cần kiểm tra, trƣớc tiên ta thống kê tần số giá trị điểm ảnh chẵn, lẻ có mặt ảnh I Ta xác định xác suất giấu tin ảnh thông qua việc áp dụng tiêu chuẩn phân phối tần số cặp PoV Input: Ảnh I cần kiểm tra P: xác suất giấu tin ảnh I Output: Cách thức thực Bƣớc 1: Đọc vào ảnh I Bƣớc 2: Đọc liệu ảnh vào ma trận Mm n Bƣớc 3: Khởi tạo giá trị ban đầu cho vecto X, Y For each k [0, 127] X[k] = 0; Y[k] = Bƣớc 4: Tính X[k] tần số xuất điểm ảnh có giá trị chẵn ảnh Tính Y[k] tần số xuất điểm ảnh có giá trị lẻ ảnh Bƣớc 5: Giả sử ta có N cặp PoV Với k Nếu (X[k] + Y[k]) X[k] = Y[k] = 0; N = N – 1; Bƣớc 6: For each k Z[k] = (X[k] + Y[k])/2; Bƣớc 7: Giả sử ta có N cặp PoV, theo phƣơng pháp thống kê Khi – bình phƣơng với N – bậc tự ta tính 127 N = k ( X [k ] Z [k ]) Z [k ] (1) Bƣớc 8: Tính P xác suất việc giấu tin P=1- N N ( ) 2 N x e x N 1 dx (2) 35 3.3.1.2 Phân tích thuật tốn Thơng thƣờng ảnh kiểm tra ảnh đa cấp xám – bit ta có 256 mức xám khác Thuật toán xác định cặp phần tử giá trị mức xám chẵn, lẻ nên số lƣợng phần tử chẵn, lẻ nhƣ có khơng q 256/2 = 128 phần tử Ta xây dựng hai vecto X(x0, x1, …, xk), Y(y0, y1, …., yk) để thống kê tần số xuất điểm ảnh, với k 127 Mỗi phần tử X lƣu tần số xuất điểm ảnh chẵn (X[k] = 2k), phần tử Y lƣu tần số xuất điểm ảnh lẻ (Y[k] = 2k + 1) với k 127 Ban đầu khởi tạo phần tử X Y Sau thuật toán thực việc thống kê giá trị mức xám có ảnh cần kiểm tra tƣơng ứng tăng giá trị phần tử X[k] Y[k] Giả sử ta có N cặp PoV, có k mức chẵn (lẻ) Nếu X[k] + Y[k] k 127 X[k] = Y[k] = Z[k] = N = N – Nếu ảnh có chứa thơng điệp tin ẩn X[k] = Z[k] k, phƣơng trình (1) N bé tích phân suy xác suất p lớn Ngƣợc lại N N x e x N 1 dx bé từ (2) lớn suy xác suất p bé Căn vào lớn bé xác suất p ta định đƣợc ảnh có giấu tin hay khơng Hơn Wesfeld Pfitzmann cịn khẳng định 100% điểm ảnh có chứa thơng tin đƣợc giấu xác suất giấu tin giảm rõ rệt 36 3.3.2 Kỹ thuật phân tích đối ngẫu 3.3.2.1 Khái niệm kỹ thuật đối ngẫu Kỹ thuật đối ngẫu hay gọi kỹ thuật RS (Regular - Singular) Fridrich đƣa Phƣơng pháp thực thống kê thay đổi nhóm quy (Regular) nhóm đơn (Singular) ảnh để ƣớc lƣợng độ dài thơng điệp giấu cách xác Phƣơng pháp phù hợp với ảnh màu ảnh đa cấp xám thông điệp đƣợc giấu cách ngẫu nhiên Kỹ thuật RS số kỹ thuật đƣợc dựa lý thuyết xác suất thống kê Giả sử ta có ảnh có M × N điểm ảnh Tập P tập tất giá trị điểm ảnh có ảnh Với ảnh đa cấp xám – bit P = {0, 1, …., 255} Định nghĩa 3.3.1 Một hàm độ khác biệt f nhóm G = (x1, x2, …, xn) đƣợc định nghĩa nhƣ sau: n F(x1, x2, …, xn) = i |xi – xi+1| Trong x1, x2, …, xn giá trị điểm ảnh nhóm G Hàm ƒ đƣợc xem nhƣ độ trơn nhóm G Việc giấu tin LSB làm tăng nhiễu ảnh ta hy vọng giá trị hàm f tăng (hoặc giảm) sau giấu tin LSB Định nghĩa 3.3.2 Việc giấu tin LSB sử dụng kiểu hàm lật (flip) bit Fm(x) với m = -1, 0, x giá trị điểm ảnh Cụ thể nhƣ sau: F1: ↔ 1, ↔ 3, … , 254 ↔ 255 F-1: -1 ↔ 0, ↔ 2, ↔ 4, … , 253 ↔ 254, 255 ↔ 256 Hay F-1(x) = F(x+1) – với x F0(x) = x, với x P 37 Định nghĩa 3.3.3 Phép lật bit F1 F-1 đƣợc áp dụng lên nhóm G (x1, x2, x3, …., xn) với mặt nạ M (M n – với thành phần nhận giá trị -1, 1) đƣợc định nghĩa nhƣ sau: FM(G) = (FM(1)(x1), FM(2(x2), … , FM(n)(xn)) M(i) {-1, 0, 1} Ví dụ: giá trị điểm ảnh nhóm G (39, 38, 40, 41) cho mặt nạ M = (1, 0, 1, 0) FM(G) = (F1(39), F0(38), F1(40), F0(41)) = (38, 38, 41, 41) Định nghĩa 3.3.4 Cho mặt nạ M, phép lật bit F, hàm khoảng cách ƒ, nhóm G điểm ảnh đƣợc phân lớp vào ba lớp nhƣ sau: G R ƒ (FM (G)) > ƒ(G) G S ƒ (FM (G)) < ƒ(G) G U ƒ (FM (G)) = ƒ(G) Trong R gọi nhóm quy (Regular), S nhóm đơn (Singular) U nhóm khơng dùng đƣợc (Unusable) Định nghĩa 3.3.5 Ta gọi RM số tƣơng đối nhóm R với mặt nạ M khơng âm, M {0, 1} SM số tƣơng đối nhóm S với mặt nạ M không âm, M {0, 1} R -M số tƣơng đối nhóm R với mặt nạ M không dƣơng, M {-1, 0} S-M số tƣơng đối nhóm S với mặt nạ M khơng dƣơng, M {-1, 0} Ta có RM xấp xỉ R-M, S-M xấp xỉ S-M đƣợc viết nhƣ sau: RM R-M SM S-M Việc giấu tin LSB tập trung vào khác biệt RM SM Nếu có 50% điểm ảnh bị lật (khi điểm ảnh bị giấu bit thông điệp) ta thu đƣợc RM SM nhƣng ảnh hƣởng việc giấu tin LSB đến R-M S-M lại ngƣợc lại Dƣới trình bày bƣớc cụ thể kỹ thuật RS có sử dụng đến khái niệm định nghĩa vừa trình bày 38 Thuật tốn RS 3.3.2.2 Tư tưởng: Kỹ thuật RS phân hoạch ảnh cần kiểm tra thành nhóm điểm ảnh cố định Mỗi nhóm lại đƣợc phân lớp vào nhóm R hay S phụ thuộc vào khác biệt điểm ảnh nhóm bị tăng giảm sau phép lật bit LSB với mặt nạ M Sau tính xác suất việc giấu tin vào số nhóm R, S Input Ảnh I cần kiểm tra n: số phần tử nhóm Mn: mặt nạ vecto có phần tử nhận giá trị tập {-1, 0, 1} Output P: Xác suất giấu tin ảnh I Cách thực Bƣớc 1: Đọc vào ảnh I Bƣớc 2: Đọc giá trị điểm ảnh vào ma trận AM × N Bƣớc 3: P = P {xi} với xi [0, 255] Bƣớc 4: Chia ảnh thành M × N/n nhóm khác Mỗi nhóm n điểm ảnh Với nhóm G = (x1, x2, …, xn) ta thực bƣớc sau: Bƣớc 5: Tính hàm ƒ(G) n ƒ(G) = i |xi – xi+1| Bƣớc 6: Cho mặt nạ M = {M(i)}i = 1, …, n với M(i) {-1, 0, 1} Tính FM(G) = (FM(1)(x1), FM(2)(x2), … , FM(n)(xn)) Bƣớc 7: Phân lớp nhóm G ƒ (FM (G)) > ƒ(G) R = R G; ƒ (FM (G)) < ƒ(G) S = S G; ƒ (FM (G)) = ƒ(G) U = U G 39 Bƣớc 8: Tính RM = số nhóm R tƣơng ứng với mặt nạ M, M {0, 1} SM = số nhóm S tƣơng ứng với mặt nạ M, M {0, 1} R-M = số nhóm R tƣơng ứng với mặt nạ M, M {-1, 0} S-M = số nhóm S tƣơng ứng với mặt nạ M, M {-1, 0} Bƣớc 9: Nếu | RM | = | SM | p =1 Ngƣợc lại thực bƣớc đến bƣớc 12 Bƣớc 10: Tính hệ số d0 = RM (p/2) – SM (p/2); d0 = RM (1 - p/2 )– SM (1 - p/2); d-0 = R-M (p/2) – S-M (p/2); d-1 = R-M (1 - p/2) – S-M (1 - p/2); Bƣớc 11: Tính xp nghiệm phƣơng trình 2(d1 + d0) x 2p + (d-0 – d-1- d1- 3d0) xp + d0 – d-0 Bƣớc 12: Tính ƣớc lƣợng độ dài thông điệp p P = xp / (xp -1/2) 40 KẾT LUẬN Kể từ đời, giấu tin làm tốt vai trị nhiều lĩnh vực nhƣ bảo vệ thông tin an tồn q trình trao đổi, bảo vệ quyền tác giả q trình phân phối,…Tuy nhiên, có trƣờng hợp lợi dụng kỹ thuật giấu tin để thực hành vi bất hợp pháp nhƣ tuyên truyền sản phẩm văn hóa khơng lành mạnh, truyền thơng tin kế hoạch công khủng bố,…Từ sử dụng sai chức giấu tin đặt vấn đề làm để phát đƣợc phƣơng tiện chứa tin có tiềm ẩn bên tin giấu hay khơng, thơng tin chứa nhằm hỗ trợ việc ngăn ngừa thảm kịch xảy Mặt khác việc nghiên cứu khả phát thông tin ẩn làm tăng mức độ an toàn cho kỹ thuật giấu tin, đặc biệt kỹ thuật giấu tin mật Bài toán đặt phát có tồn tin giấu ảnh hay khơng, nhƣ sửa đổi hay phá hủy thông tin giấu hay không? Trên giới có nhiều cách tiếp cận khác để giải toán phát tin giấu Trong đồ án em trình bày số kỹ thuật giấu tin thay bit có trọng số thấp nhất, kỹ thuật thủy vân miền biến đổi DCT, em tìm hiểu kỹ thuật phát ảnh có giấu tin theo hƣớng tiếp cận sử dụng lý thuyết xác suất thống kê Kết đồ án tốt nghiệp là: 1/ Trình bày số khái niệm mã hóa, giấu tin vấn đề liên quan 2/ Trình bày hai phƣơng pháp giấu tin ảnh: giấu tin bit có trọng số thấp nhất, kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DCT 3/ Trình bày kỹ thuật phân tích cặp giá trị điểm ảnh PoV3, kỹ thuật phân tích đối ngẫu RS 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình giấu tin thủy vân ảnh – Nguyễn Xuân Huy – Trần Quốc Dũng [2] Luận văn thạc sĩ “Giấu thông tin ảnh” – Vũ Thị Chung Thủy – năm 2004 [3] Luận văn thạc sĩ: “Bảo mật kỹ thuật mã hóa giấu tin” – Đinh Ngọc Triều – 2004 [4] Giáo trình “An tồn liệu” – Trịnh Nhật Tiến [5] “Nhập môn xử lý ảnh số”- Lƣơng Mạnh Bá, Nguyễn Thanh Thúy, nhà xuất khoa học kỹ thuật [6] Luận văn thạc sĩ “Kỹ thuật giấu tin ảnh nghiên cứu khả để phát ảnh có giấu tin” – Nguyễn Thị Phƣơng Hoa 42 ... thuật tốn 31 Chương MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN 32 3.1 KHÁI NIỆM PHÂN TÍCH TIN ẨN GIẤU 32 3.2 PHÂN LOẠI PHƢƠNG PHÁP PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN 33 3.3 MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT... bài, ảnh, … 1.6.2 Giấu tin 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 loại ảnh với đặc trƣng khác Ảnh nén ảnh. .. định giấu tin mật, tức giấu tin cho quyền sở hữu hay phát xuyên giấu đƣợc nhiều ngƣời khác khó tạc thơng tin phát thơng tin đƣợc giấu 1.4 MƠ HÌNH KỸ THUẬT GIẤU TIN Mơ hình kỹ thuật giấu tin đƣợc