Phương pháp giấu tin thuận nghịch cho ảnh đã mã hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG -o0o - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HẢI PHÒNG 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG -o0o - PHƢƠNG PHÁP GIẤUTIN THUẬN NGHỊCH CHO ẢNH ĐÃ MÃ HÓA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cơng nghệ Thơng tin HẢI PHỊNG - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG -o0o - PHƢƠNG PHÁP GIẤUTIN THUẬN NGHỊCH CHO ẢNH ĐÃ MÃ HĨA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cơng nghệ Thơng tin Sinhviênthựchiện:NGƠ VĂN HIỆP Giáo viên hƣớng dẫn:TS HỒ THỊ HƢƠNG THƠM Mã số sinh viên:121315 HẢI PHÒNG - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG CỘNG HÒA XA HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độclập - Tự - Hạnhphúc -o0o - NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Sinhviên: NGÔ VĂN HIỆP Lớp: CT 1201 Mã SV: 121315 Ngành: CơngNghệThơng Tin Tênđềtài:Phƣơngphápgiấu tin thuậnnghịchchoảnhđãmãhóa NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI Nội dung vàcácyêucầucầngiảiquyếttrongnhiệmvụđềtàitốtnghiệp a Nội dung - Tổngquanvềmãhóathơng tin vàgiấu tin trongảnhsố - Tìmhiểuphƣơngphápmãhóaảnh - Kỹthuậtgiấu tin thuậnnghịchảnhđãmãhóa, táchthơng giảimãảnhmãhóa - Càiđặt, thửnghiệmchƣơngtrình tin, b Cácyêucầucầngiảiquyết a) Lýthuyết - Hiểuđƣợccấutrúccơbảncủaảnh Bitmap, phƣơngphápmãhóaảnh - Nắmrõtổngquanvềkỹthuậtgiấu tin thuậnnghịchtrongảnh - Hiểuvànắmrõkỹthuậtgiấu tin thuậnnghịchtrênảnhmãhóa, tách tin khơiphụcảnhmãhóa, giảimãảnhmãhóa b) Thựcnghiệm (chƣơngtrình) - CàiđặtđƣợckỹthuậtgiấubằngMatlab, thửnghiệmtrênmộttậpảnhđểcóthểđánhgiáđộtrựcquancủaảnhsauk higiấu tin PSNR, từđóđƣaranhậnxétvềkỹthuậtgiấpdụngchotậpảnhthửnghiệm Cácsốliệucầnthiếtđểthiếtkế, tínhtốn - Tậpảnhđểthửnghiệm Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phòng CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Ngƣờihƣớngdẫnthứnhất: Họvàtên:HồThịHƣơngThơm Họchàm, họcvị: TiếnSĩ Cơquancơngtác: TrƣờngĐạiHọcDânLậpHảiPhịng Nội dung hƣớngdẫn: Ngƣờihƣớngdẫnthứhai: Họvàtên: ……………………………………………………………………… Họchàm, họcvị: ……………………………………………………………… Cơquancôngtác: ……………………………………………………………… Nội dung hƣớngdẫn:Phƣơngphápgiấu tin thuậnnghịchchoảnhđãmãhóa Đềtàitốtnghiệpđƣợcgiaongàythángnăm 2013 ucầuphảihồnthànhtrƣớcngàythángnăm 2013 Đãnhậnnhiệmvụ: Đ.T.T.N Đãnhậnnhiệmvụ: Đ.T.T.N Sinhviên Cánbộhƣớngdẫn Đ.T.T.N TS HồThịHƣơngThơm HảiPhòng, ngày tháng .năm 2013 HIỆU TRƢỞNG GS.TS.NGƯT TrầnHữuNghị Ngô Văn Hiệp – CT1201 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phịng PHẦN NHẬN XÉT TĨM TẮT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN Tinhthầntháiđộcủasinhviêntrongquátrìnhlàmđềtàitốtnghiệp: Đánhgiáchấtlƣợngcủađềtàitốtnghiệp (so vớinội dung yêucầuđãđềratrongnhiệmvụđềtàitốtnghiệp) Cho điểmcủacánbộhƣớngdẫn: ( Điểmghibằngsốvàchữ ) Ngày .tháng .năm 2013 Cánbộhƣớngdẫnchính ( Ký, ghirõhọtên ) Ngơ Văn Hiệp – CT1201 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phòng PHẦN NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ CHẤM PHẢN BIỆN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Đánhgiáchấtlƣợngđềtàitốtnghiệp (vềcácmặtnhƣcơsởlýluận, thuyết minh chƣơngtrình, giátrịthựctế, ) Cho điểmcủacánbộphảnbiện ( Điểmghibằngsốvàchữ ) Ngày .tháng .năm 2013 Cánbộchấmphảnbiện ( Ký, ghi rõ họ tên ) Ngô Văn Hiệp – CT1201 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phòng LỜI CẢM ƠN! Trƣớc hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô giáo hƣớng dẫn Tiến sĩ Hồ Thị Hƣơng Thơm tận tình giúp đỡ em nhiều suốt trình tìm hiểu nghiên cứu hoàn thành báo cáo tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn tin học – trƣờng DHDL Hải Phòng nhƣ thầy cô trƣờng trang bị cho em kiến thức cần thiết để em hoàn 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 Cuối em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ngƣời thân gia đình giành cho em quan tâm đặc biệt động viên em Vì thời gian có hạn, trình độ hiểu biết thân nhiều hạn chế.Cho nên đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến tất thầy cô giáo nhƣ bạn bè để đồ án em đƣợc hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hải phòng, ngày… tháng…năm 2013 Sinh viên thực Ngô Văn Hiệp – CT1201 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phòng MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC HÌNH…… …………………………… …………………4 LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG1.KHÁI NIỆM TỔNG QUAN…………… ……………… 1 U THÔNG TIN………… ………………7 1 Giới thiệu……………… ……………………………………… 1 2Giấu tin mật (Steganography)……… …………………………… 1 Phân loại steaganography……… …………………… 1 2 Ứng dụng steganography…… ……………… 10 1 Các yêu cầu thuật tốn giấu thơng tin…… ………… 10 1 Thủy vân số (Watermarking)… …… ………………………… 11 …………… ………………………… 13 1 …………………… …………… 13 2 Khái niệm………………… .……………………………………… 14 2 Cấu trúc ảnh BMP…………… ……………………………… 14 …………………………… ………… 17 CHƢƠNG KĨ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH TRONG ẢNH 18 KHÁI NIỆN GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH………………… ……… 18 1 Khái niệm………………………………… …………… 18 2 Một số kĩ thuật giấu thuận nghịch điển hình… ……………… 18 2 ……………… …………… 18 2 Thuật toán cải tiến NSAS ……………………… ………… 19 2 ền biến đổi wavelet……… 19 2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM………… …………………………………… 19 2 Kĩ Thuật giấu tin LSB……………… .…………………………… 19 2 Mã hóa ảnh………… .……………………………………… 20 Ngô Văn Hiệp – CT1201 10 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phòng 178 230 157 140 74 201 110 60 74 114 236 19 132 129 142 178 28 64 29 177 214 63 233 70 81 253 220 164 231 135 180 116 101 109 130 Thực tách tin theo thư tự ngược lại sau: Bƣớc 1: Ảnh mã hóa giấu thơng tin 178 230 157 140 74 201 110 60 74 114 236 19 132 129 142 178 28 64 29 177 214 63 233 70 81 253 220 164 231 135 180 116 101 109 130 Chuyển ảnh giấu thông tin sang dạng nhị phân 10110010 11100110 10011101 10001100 01100101 00111100 01001010 11101001 11101100 00010011 10000100 10000001 00011100 00011110 01000000 01010000 10110001 11010110 00000001 10100100 01111111 10110100 01110100 01100101 Với NP = 12 lấy đƣợc giá trị L, M, S 01001010 01000110 10001110 11111101 11100111 01101101 11001001 01110010 10110010 11011100 10000111 10000010 Bƣớc 2: Thực tách tin vào 36-Np =24 pixel lại Chia 24 pixel thành 24/L = nhóm (mỗi nhóm L=6 pixel) ta đƣợc nhóm sau: Nhóm 1: 236 19 132 129 142 178 Nhóm 2: 28 29 Nhóm 3: 177 214 Nhóm 4: 64 81 253 220 164 231 135 63 180 116 101 190 130 Bƣớc 3: Ngô Văn Hiệp – CT1201 38 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phòng Tách bit LSB pixel nhóm ta đƣợc chuỗi bit sau: Chuỗi 1:001100111010 Chuỗi 2: 001000010100 Chuỗi 3: 011001001111 Chuỗi 4: 110000010110 Thực tách tin vị trí lẻ chuỗi, chuỗi S ký tự ta đƣợc thông tin cần tách M= ta đƣợc chuỗi nhị phân 0101 0100 0100 1000 Bƣớc 4: Khôi phục lại ảnh (giải mã) địa vào khóa r ta đƣợc ma trận ảnh: 155 165 166 153 154 166 165 155 162 153 152 154 163 163 163 154 155 156 155 163 145 167 155 159 155 165 136 165 165 162 165 163 137 161 161 160 Ngô Văn Hiệp – CT1201 39 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phòng CHƢƠNG CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM Môi trƣờng thử nghiệm -Ngôn ngữ cài đặt: Ngôn ngữ lập trình Matlab phiên 7 -Mơi trƣờng soạn thảo: Matlab phiên 7 -Môi trƣờng chạy chƣơng trình: Mơi trƣờng giao diện Matlab phiên 7 -Cấu hình tối thiểu để cài đặt Matlap: +Intel AMD x86 processor supporting SSE2 +Windows XP SP2 x64, SP3, … +Dung lƣợng ổ cứng từ 1GB tới 5GB + Bộ nhớ RAM tối thiểu 1GB Giao diện chƣơng trình Giao diện chương trình Hình 3.1 Giao diện chƣơng trình Đây giao diện khởi động, từ ta gọi đến giao diện khác thông qua menu Ngô Văn Hiệp – CT1201 40 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phòng 2 Giao diện chương trình giấu tin Từ giao diện chƣơng trình kích vào giao diện giấu tin, cửa sổ chƣơng trình giấu tin đƣợc Hình 3.2 Giao diện giấu tin Để nhập ảnh gốc cần giấu thông tin ta kích vào nút nhập ảnh cửa sổ thƣ mục chứa ảnh gốc xuất ta chọn ảnh để giấu thơng tin Hình 3.3 Thƣ mục chứa ảnh gốc Ngô Văn Hiệp – CT1201 41 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phòng Sau nhập ảnh gốc ta kích vào nút lƣu khóa, nhập tên khóa mã hóa ảnh.Khóa sinh ngẫu nhiên với kích thƣớc ảnh Hình 3.4 Chọn khóa để mã hóa ảnh Nhập khóa giấu tin M, L, S vào ô, khóa M nằm giá trị từ nhỏ hơn5 Hình 3.5 Nhập khóa giấu tin M, L, S Nhập tên ảnh sau mã hóa giấu thơng tin ta chọn nút lƣu ảnh mã hóa Ngơ Văn Hiệp – CT1201 42 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phịng Hình 3.6 Nhập tên ảnh mã hóa chứa thơng tin Sau nhập xong khóa cần giấu tin ta bắt đầu thực giấu tin kích vào nút “thực hiên giấu tin”, q trình mã hóa giấu thơng tin đƣợc bắt đầu Hình 3.7 Chƣơng trình mã hóa giấu chuỗi thơng tin vào ảnh Khi q trình mã hóa giấu thông tin thực xong xuất hiên thông báo “đã giấu tin xong” ta đƣợc ảnh mã hóa giấu thơng tin hộp “đã mã hóa ảnh giấu tin” Ngô Văn Hiệp – CT1201 43 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phịng Hình 3.8 Chƣơng trình sau thực giấu tin 3 Giao diện tách tin 3 Giao diện giấu tin có khóa giải mã Giao diện chức khơi phục ảnh gốc, khơng tách đƣợc thơng tin Hình 3.9 Giao diện có khóa giải mã 3 Giao diện có khóa tách tin Ngơ Văn Hiệp – CT1201 44 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phòng Giao diện tách chuỗi thông điệp giấu anh mà khơng khơi phục đƣợc ảnh gốc Hình 3.10 Giao diện tách tin có khóa tách tin 3 Giao diện tách tin có khóa mã hóa khóa tách tin Sau thực giấu tin xong, ta quay lại giao diện chọn vào nút tách tin Lựa chọn menu thƣ mục (có đủ khóa mã hóa khóa tách tin), giao diện tách xuất Hình 3.11 Giao diện tách tin có khóa giải mã khóa tách tin Ngơ Văn Hiệp – CT1201 45 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phịng Với giao diện tách tin có khóa giải mã khóa tách tin ta tách đƣợc chuỗi thơng điệp khơi phục lại ảnh gốc Kích vào nút “chọn ảnh” sau lựa chọn ảnh cần tách tin Hình 3.12 Thƣ mục chƣa ảnh giấu tin Kích vào nút chọn khóa giải mã xuất thƣ mục mời chọn khóa giải mã, ta chọn khóa giải mã ảnh cần tách tin Hình 3.13Thƣ mục chứakhóa mã hóa ảnh Ngơ Văn Hiệp – CT1201 46 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phòng Sau chọn khóa xong ta kích vào phần “lƣu ảnh” nhập tên ảnh cần đƣợc khơi phục Hình 3.14 Thƣ mục chứa ảnh khôi phục sau tách tin Sau lựa chọn xong đầu vào đầu cho chƣơng trình, chọn nút “thực tách tin”.Chƣơng trình thực đƣa kết ảnh giấu tin giao diện chƣơng trình Hình 3.15 Ảnh gốc xuất sau thực tách tin Ngô Văn Hiệp – CT1201 47 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phòng 3 Kết thực nghiệm nhận xét 3 Kết thực nghiệm Thực nghiệm cho ta thấy kết giấu tin thuận nghịch cho ảnh mã hóa Bảng 3.1 đánh giá chất lƣợng trung bình PSNR với giá trị M, S khác ảnh lena.png, baboon.png, house.png (với L=10, cho thơng điệp có độ dài 2168 bit nhƣ hình 16) S M 71.2927 56.3465 50.2560 62.2795 54.4783 52.4036 62.3994 55.3479 53.9487 62.3411 54.6745 48.8480 Hình 3.16 Nội dung thông tin cần giấu vào ảnh lena.png, baboon.png, house.png Bảng 3.2 Bảng đánh giá chất lƣợng PSNR ảnh gốc ảnh sau khôi phục ảnh với Tên ảnh Ari plane.png baboon.png Beer.png Elaine.png House.png Lena.png Peppers.png Sailboat.png Tiffny.png Ngô Văn Hiệp – CT1201 Gía trị PSNR 100dB 78.3728 dB 100dB 82.5023 dB 79.8007 dB 82.1915 dB 76.4047 dB 72.9433 dB 83.9911 dB 48 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phòng Ảnh cấp xám bit trƣớc mã hóa Hình 3.17 Tậpảnh gốc trƣớc chƣa mã hóa Ảnh sau tách thơng tin khơi phục Hình 3.18 Tậpảnh sau tách tin khôi phục 3 Nhận xét Đánh giá PSNR(tỉ số tín hiệu nhiễu đỉnh) độ nhiễu ảnh PSNR ≥ 40dBthì hệ thống mắt ngƣời gần nhƣ không phân biệt đƣợc ảnh gốc ảnh khôi phục Thời gian xử lý giấu tin phụ thuộc lớn vào liệu đầu vào nhƣ kích thƣớc ảnh gốc, thơng điệp giấu lớn hay nhỏ Ngô Văn Hiệp – CT1201 49 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phịng Độ an tồn kỹ thuật cao, phụ thuộc vào giá trịma trận mã hóaảnh r khóa giấu tin LSB Qua thử nghiệm em nhận thấy kỹ thuật giấu tin thuận nghịch ảnh mã hóacó ƣu nhƣợc điểm sau Ƣu điểm: + Khả bảo mật cao khóa mãvà khóa giấu thông tin LSB ngƣời nhận ngƣời gửi biết với Phải có đầyđủ khóa mã hóa khóa giải mã thực đƣợc tách tin khơi phụcảnh gốc Nhƣợcđiểm: + Q trình giấu tách tin chậm nhiều thời gian + Khơng có bƣớc tính tốn khóa giấu tin LSB để tăng thêm độ an tồn cho liệu Ngơ Văn Hiệp – CT1201 50 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phòng KẾT LUẬN Kỹ thuật giấu thông tin ảnh hƣớng nghiên cứu thuật tốn giấu thơng tin đạt đƣợc kết khả quan.Đồ án trình bày số khái niệm liên quan đến việc che giấu thông tin ảnh số nhƣ trình bày kỹ thuật giấu tin ảnhđã mã hóa Với kỹ thuật giấu tin ảnhđã mã hóa tính vơ hình thơng tin sau giấu đƣợc đảm bảo, thông qua việc sử dụng ma trận mã hóa khóa mã hóa LSB q trình giấu tách thơng tin Dùng phƣơng pháp đánh giá PSNR để đánh giá chất lƣợng ảnh trƣớc sau khôi phục kết PSNR đạt đƣợc cao Tuy nhiên, giấu tin mật vấn đề phức tạp, cộng với khả kinh nghiệm cịn hạn chế nên em cịn gặp số khó khăn việc tìm hiểu nghiên cứu kỹ thuật giấu tin thuận nghịch ảnhđã mã hóa Vì em mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến quý báu thầy cô giáo nhƣ bạn bè để báo em đƣợc hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Ngô Văn Hiệp – CT1201 51 Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐHDL Hải Phòng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ni, Z., Shi, Y., Ansari, N., Su, W (2003), “Reversible data hiding”, Proc.ISCAS 2003, pp 912–915 [2] J.H Hwang, J W Kim, and J U Choi (2006), “A Reversible WatermarkingBased on Histogram Shifting”, IWDW 2006, pp 384-361 [3] XiNpeng Zhang, Separable Reversible Data Hiding in Encrypted Image,IEEE transactions on information forensics and security, vol 7, no 2, april 2012 [4] Nguyễn Xuân Huy, Trần Quốc Dũng, Giáo trình giấu tin thuỷ vân ảnh, Trung tâm thơng tin tƣ liệu, TTKHTN - CN 2003 [5] Ingemar Cox, Jeffrey Bloom, Matthew Miller, Ton Kalker, Jessica Fridrich, Digital Watermarking and Steganography, Morgan Kaufmann, 2008 [6] Jun Tian, Reversible Watermarking by Difference Expansion, Multimedia and Security Workshop at ACM Multimedia ‟02, December 6, 2002, Juan-les-Pins, France Đồán tốt nghiệp ngành CNTT liên quan đến kỹ thuật giấu tin: [7].Dƣơng Uông Hiên_lớp CT701, “Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin mật vùng biến đổi DWT”, tiểu án tốt nghiệp ngành CNTT – 2008 [8].Đỗ Trọng Phú – CT702, “Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin miềm biến đổi DFT”, tiểu án tốt nghiệp ngành CNTT – 2008 [9] Hoàng Thị Huyền Trang – CT802 ,“Nghiên cứu kỹ thuật phát ảnh giấu tin miền biến đổi ảnh”, đồ án tốt nghiệp ngành CNTT – 2008 [10] Trần Đại Dƣơng, “Kỹ thuật giấu tin thuận nghịch ảnh hiệu chỉnh hệ số wavelet”, đồ án tốt nghiệp ngành CNTT Ngô Văn Hiệp – CT1201 52 ... Hiểuđƣợccấutrúccơbảncủaảnh Bitmap, phƣơngphápm? ?hóa? ??nh - Nắmrõtổngquanvềkỹthuậtgiấu tin thuậnnghịchtrongảnh - Hiểuvànắmrõkỹthuậtgiấu tin thuậnnghịchtrênảnhm? ?hóa, tách tin khơiphụcảnhm? ?hóa, giảimãảnhm? ?hóa b) Thựcnghiệm... Tổngquanvềmãhóathơng tin v? ?giấu tin trongảnhsố - Tìmhiểuphƣơngphápm? ?hóa? ??nh - Kỹthuậtgiấu tin thuậnnghịchảnhđãm? ?hóa, táchthơng giảimãảnhm? ?hóa - Càiđặt, thửnghiệmchƣơngtrình tin, b Cácucầucầngiảiquyết... đƣợc mã hóa Kĩ thuật giấu tin ảnh mã hóa Giới thiệu Đây phƣơng pháp giấu tin LSB ảnh mã hóa XiNpeng Zhang đề xuất năm 2002 [3] Phƣơng pháp kĩ thuật giấu thuận nghịch. Đầu tiên, ảnh gốc (ảnh chƣa