Báo cáo tốt nghiệp nghiên cứu một số thuật toán giấu tin và giải pháp tăng cường hiệu quả của việc giấu tin trong ảnh

Nghiên cứu một số thuật toán giấu tin và giải pháp tăng cường hiệu quả của việc giấu tin trong ảnh Nghiên cứu một số thuật toán giấu tin và giải pháp tăng cường hiệu quả của việc giấ

Trang 1

Nghiên cứu một số thuật toán giấu tin

và giải pháp tăng cường hiệu quả của việc

giấu tin trong ảnh

Nghiên cứu một số thuật toán giấu tin

và giải pháp tăng cường hiệu quả của việc

giấu tin trong ảnh

Giáo viên hướng dẫn:

Khoa CNTT

Trang 2

Một số phương pháp giấu tin theo

khối dữ liệu môi trường

4

Kết quả đạt được và hướng phát triển

5

Trang 3

1 Đặt vấn đề

 Yêu cầu bảo mật các ứng dụng ngày càng cao.

 Giấu tin(information hiding)- giải pháp đầy triển vọng

 Có rất nhiều phương pháp giấu tin trong ảnh, tuy nhiên không phải phương pháp nào cũng có thể chống lại khả năng thay đổi định dạng ảnh (nén ảnh có mất mát thông tin, thay đổi kích thước, co giãn, cắt xén ảnh…)

 Yêu cầu đưa ra giải pháp tăng cường tính bền vững của thông tin giấu khi nén ảnh mất dữ liệu (chuyển từ BMP sang JPEG)

Trang 4

2 Kết quả đạt được

 Kết quả đạt được:

 Nghiên cứu tổng quan các phương pháp giấu tin đã có.

 Tìm hiểu kỹ một số phương pháp giấu tin

 Đề xuất một số phương pháp giấu tin trong ảnh số theo “khối

dữ liệu” nhằm tăng tính bền vững thông tin giấu khi nén ảnh.

 Cài đặt 4 pp đã tìm hiểu và đề xuất 4 giải pháp tăng cường.

Trang 5

3 Những khái niệm cơ bản (1/6)

 Giấu tin: Là kỹ thuật nhúng một lượng thông tin số nào đó vào

trong một đối tượng dữ liệu số khác

 Phân loại: Theo Fabien A P Petitcolas đề xuất năm 1999:

 Đồ án tập trung giải quyết một số vấn đề về giấu tin mật

Giấu tin (Information hiding)

Gi u tin m t (Steganography)

vân s (Digital watermarking)

vân b n v ng (Robust watermarking)

vân d v (Fragile watermarking)

Trang 6

 Các thành phần của bài toán giấu tin:

tin để tăng tính bảo mật

khi đã giấu tin.

Trang 7

 Mô hình tổng quát:

Thu t n

gi u tin Tin m t (M)

Khóa K (Stego-key)

Khóa K (Stego-key) Môi tr ng đ

Trang 8

 Yêu cầu:

 Chất lượng môi trường vẫn đảm bảo, tin nhúng khó phát hiện.

 Tin mật cần được mã hoá trực tiếp vào thông tin của môi trường.

 Tin mật phải bền vững với các phép biến đổi, tấn công.

 Kết hợp các pp kiểm soát lỗi

 Quá trình trích rút tin không cần sử dụng môi trường gốc.

 Ứng dụng:

 Copyright protection:

 Authentication and tamper detection:

 Fingerprinting for Traitor Tracking

 Watermarking for Image Authentication

Trang 9

 Steganography:

 Steganography cơ sở (Pure Steganography)

 Steganography cơ sở là một bộ gồm <C, M, D, E>;

 |C| ≥ |M|,

 E : C × M → C,

 D : C → M ,

 D( E(c,m) ) = m với mọi m  M và c  C,

Giấu tin mật (Steganography)

Steganography cơ sở

Pure-Steganography

Steganography nâng cao

Secret Key Steganography (Steganography khóa bí mật)

Public Steganography (Steganography khóa công

khai)

Trang 10

 Steganography nâng cao

• Steganography với khóa bí mật là một bộ gồm <C, M, K, DK,

EK>,

• |C| ≥ |M|,

• EK : C×M×K → C,

• DK : C×K → M,

• DK( EK(c, m, k), k ) = m với mọi m Є M, c Є C và k Є K

2 khoá (bí mật và công khai)

Trang 11

4 Một số pp giấu tin trong ảnh số (1/4)

 Phương pháp ”BPCS Steganography” - Eiji Kawaguchi.

 PP nhúng không mất mát thông tin RS – Salomon.

 Phương pháp mảnh chắp của Bender

 Phương pháp LSB (Least significant bit)

Trang 12

4 Một số pp giấu tin trong ảnh số

(2/4)

 Giấu đơn giản:

Trang 13

4 Một số pp giấu tin trong ảnh số

(3/4)

 Giấu Stego-key:

đối với các phép biến đổi

byte Key 150 =

Gi u bit 1

Gi u bit 0

Trang 14

4 Một số pp giấu tin trong ảnh số (4/4)

 Giấu luân phiên: luân phiên giấu các bit thông tin

 Giấu ngẫu nhiên: Dùng một hàm sinh số ngẫu nhiên xác định vị trí giấu các byte ảnh.

số ngẫu nhiên nên tính bảo mật được tăng lên

Trang 15

5 Một số pp giấu tin theo khối dữ liệu môi trường

 Nhận xét:

Dựa vào tính chất của một điểm ảnh

• Ưu điểm:

– Dung lượng lớn, – Bảo mật cao nếu không biết hàm trích rút thông tin

• Hạn chế:

– Không bền với các phép biến đổi thông thường, nén ảnh

– Hiệu quả giấu tin chỉ dựa vào thuật toán

• Kết hợp cả thuật toán giấu tin và môi trường giấu tin.

→ Tăng tính mềm dẻo của phương pháp và tăng tính bền vững.

Trang 16

a Giấu tin theo khối dữ liệu môi trường (1/8)

 Trên ma trận màu Red, quét ảnh từ trên xuống dưới, trái qua phải.

 Chọn kích thước khối 3x3, 5x5 hoặc 7x7…Khối thỏa mãn:

• Các khối không được chồng lên nhau.

• Tiêu chuẩn đồng nhất về mức xám (mức xám của các

điểm ảnh trong khối lệch nhau không quá một giá trị 2α).α).).

 Kiểm tra số lượng khối thoả mãn, không đủ chọn môi trường khác.

 Mỗi khối giấu một bit thông tin

 Vị trí giấu bit trong khối: trên tất cả các điểm ảnh của khối hoặc chọn một vài điểm thích hợp.

Trang 17

 Quá trình giấu tin: Chọn ảnh môi trường Tin mật → chuỗi bit.

 Quét mặt phẳng màu Red, chọn kích thước khối là nxn.

 Tìm các khối nxn “khá đồng nhất” về mức xám, theo α)

 Thực hiện giấu tin vào các khối với yêu cầu:

• Mỗi khối giấu một bit của tin mật,

• Giấu vào tất cả các điểm ảnh trên khối hoặc chọn một vài

điểm thích hợp,

• Bit cần giấu được thay thế vào bit LSB của các điểm ảnh

được chọn trên.

 Thực hiện giấu lần lượt vào các khối tìm được đến khi hết thông tin cần giấu.

Trang 18

 Xác định khóa của phương pháp, giá trị n - kích thước khối.

 Tìm các khối nxn thoả mãn yêu cầu “khá đồng nhất” về mức xám.

 Trong mỗi khối, lấy một bit cho chuỗi tin mật Ví trí lấy bit này tùy thuộc vào sự thống nhất trong quá trình giấu tin.

 Xét lần lượt các khối cho đến khi hết lượng thông tin cần.

 Chuyển chuỗi bit thu được thành dạng thông tin ban đầu.

Trang 19

 Chứng minh tính khả thi của thuật toán: 4 vấn đề

1 Có thể xác định được khối “khá đồng nhất” hay không?

2 Số khối có đủ để giấu tin hay không?

3 Khi thay đổi bit LSB tại khối giấu tin, có làm thay đổi

tính “khá đồng nhất” hay không?

4 Khi chuyển định dạng của ảnh đầu vào của quá trình trích rút thông tin, một số pixel trên ảnh sẽ bị thay đổi, vậy có thể lấy lại thông tin chính xác không?

Trang 20

 Vấn đề 3: Xét khối 3x3 sau

 Đặt pmax = MAX {pi}, pmin = MIN {pi} với i = 1, 2, , 9

pmax - pmin ≤ 2α (1)

* nếu pi chẵn:

 Giấu bit 1: pi tăng 1 đơn vị, pi trở thành lẻ; Giấu bit 0: pi giữ nguyên

* nếu pi lẻ:

 Giấu bit 1: pi giữ nguyên; Giấu bit 0: pi giảm 1 đơn vị, pi trở thành lẻ,

 Trường hợp 1: pmax và pmin cùng tính chất chẵn (hoặc lẻ).

pmax - pmin không đổi sau khi giấu

 Trường hợp 2α).: pmax và pmin khác tính chất chẵn lẻ.

Đặt d = pmax - pmin ≤ 2α, suy ra d lẻ Mà 2α là chẵn:

d ≤ 2α – 1

Trang 21

1 pmax = 91 và pmin = 87, độ lệch α = 2

pmax - pmin = 4 = 2α

2 pmax = 90 và pmin = 86, pmax - pmin = 4 = 2α

Vẫn thoả mãn là khối “khá đồng nhất”

3 pmax = 91 và pmin = 87, pmax - pmin = 4 = 2α

Vẫn thoả mãn là khối “khá đồng nhất”

Trang 22

 Ưu điểm:

• Ảnh ít bị thay đổi

• Phương pháp dựa trên dữ liệu môi trường, coi kích thước khối là “khóa”

nên tính bảo mật được tăng lên.

 Nhược điểm:

• Số khối thỏa mãn tìm được phụ thuộc vào ảnh, và thường không nhiều, do đó lượng thông tin giấu được là không nhiều.

Trang 23

 Mở rộng: Thay vì sử dụng độ lệch tối đa giữa các pixel trong khối,

sử dụng khái niệm trung bình cộng và phương sai

 Xét khối 3x3, Khi đó, giá trị một màu trung bình của khối là:

 Gọi d là phương sai của các pixel trong khối, ta có :

 Khối là “khá đồng nhất” nếu d bé hơn một giá trị λ nào đó, ví dụ λ = 2

p p

p p d









Trang 24

b Giấu tin dựa vào đặc điểm của khối dữ liệu môi trường

1 Cơ sở và ý tưởng

- Xét ảnh MxN, chia thành

các khối 8x8,

- Chuyển ảnh sang Jpeg.

Xét mặt phẳng bit thứ i của

các pixel ảnh trong khối.

→ chọn plane 1 hoặc 2α)

hoặc 3 để đánh giấu khối.

Trang 25

 Chọn plane ảnh nào để

giấu tin ?

 Theo bảng thống kê, ta

có thể chọn plane ảnh

3, 4, 5

→ Để ảnh hưởng ít nhất

ta thường chọn giấu

vào plane 5.

Trang 26

 Ví dụ:

Ta dùng plane 1 để đánh giấu,

plane 5 để giấu tin.

1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1

0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 1 0 1 0 0 0 1 0

1 1 1

150 143 130 137 152 160 132 133 136

175 155 139 134 143 130

Trang 27

 Quá trình giấu tin: Đầu vào là ảnh BMP Tin cần giấu được biến thành chuỗi bit kết hợp với chuỗi bit kiểm soát lỗi.

 Chọn plane 1 để xác định “khối ổn định” và chọn plane 5

để giấu tin.

 Tìm các khối 8x8 thoả mãn yêu cầu của “khối ổn định”

(giống nhau ở plane 1)

 Thực hiện việc thế tại plane 5 bằng một bit của tin mật

cho cả khối.

 Thực hiện việc này cho đến khi hết chuỗi bit.

Trang 28

 Quá trình trích rút thông tin: Ảnh đã chuyển BMP→JPEG.

 Tìm các khối 8x8 thoả mãn yêu cầu “khối ổn định”.

 Trong các khối vừa tìm được, trích thông tin tại plane 5

Khi lấy ta sẽ lấy giá trị bit chiếm đa số trong khối.

 Lấy lần lượt các khối cho đến khi hết lượng thông tin cần

 Kết hợp các bit đã lấy thành chuỗi Sử dụng thuật toán kiểm soát lỗi để phục hồi lại các bit bị sai (nếu có)

 Trích luợng bit đã giấu và chuyển chuỗi bit thành tin mật.

Trang 29

1 1 1 1

0 0 1 1 0

1 1 1 1 0 1 1 1 0

1 1 1 1 0 0

211 211 229 229 200 200

0 0 0 0 0 0

211 211 225 225 200 200

208 212 224 224 201 201

0 1 0 0 0 0

Trang 30

 Xác định vị trí khối và giấu tin là hai công đoạn khác nhau:

• Vị trí đánh giấu có thể ở các bit thấp (bit thứ nhất, thứ hai, )

• Vị trí giấu tin lựa chọn các bit cao (bit thứ tư, bit thứ năm,…)

 Thám mã sẽ phức tạp hơn, vì cần biết rõ thuật toán và vị trí của

“khối ổn định” (cả thứ tự bit được xác định để làm tiêu chuẩn ổn

định)

 Khi nén mất thông tin bằng JPEG với tỷ lệ nén lớn (khoảng 30%

đến 99%), kết quả trích rút thông tin chính xác 98%

 Phương pháp này chưa cho kết quả tốt đối với các phép biến đổi

hình học (co giãn, quay, dịch, …)

Trang 31

 Thông tin lấy lại toàn vẹn với khoảng nén JPEG rộng,

 Tính bảo mật của thông tin giấu khá cao Thuật toán không khó cài đặt

 Dung lượng không nhiều, tối đa là bit khi giấu trên một màu

 Giấu vào plane 4, hoặc 5 sẽ làm ảnh hưởng tương đối đến dữ liệu ảnh.

Kh i c(%) 98,1 99,8 99,7 99,2 99,2 308x480

(433kb) 1845 1845 100 1842 99,8

533 100

537 537

243x347 (248kb)

1500 100

1511 1511

308x480 (433kb)

966 100

969 969

DEPT 3

630 100

631 631

240x375 (244kb)

831 100

815

815 (kh i)

250x375 (275kb)

Sau n

Kh i c(%) Sau gi u

Tr c gi u

ch th c

ng th ng kê đ n đ nh a c kh i qua c thao c

Tên nh nh1.bmp nh2.bmp nh3.bmp nh4.bmp nh5.bmp nh6.bmp

250x375 (275kb)

M/8   N/8

Trang 32

 Mở rộng:

 Xác định được chính xác

khối dữ liệu cần lấy chưa?

→plane1 đánh giấu đã bị đổi.

• Pixel không có các bit 1 liên tiếp nhau (tránh vùng giá trị quanh 127 và 255)

• Giấu bit tin vào plane 4,

Trang 33

 Kết quả thực nghiệm của pp:

Kh i c(%) 99,1

99,5

99,4

99,5

99,6 308x480

(433kb) 1251 1251 100 1246 99,6

466 100

464 464

243x347 (248kb)

1106 100

1112 1112

308x480 (433kb)

790 100

795 795

DEPT 3

551 100

554 554

240x375 (244kb)

773 100

766

766 (kh i)

250x375 (275kb)

Sau n

Kh i c(%) Sau gi u

Tr c gi u

ch th c

ng th ng kê đ n đ nh a c kh i qua c thao c

Tên nh nh1.bmp

Trang 34

 Bảng so sánh các pp:

Trang 35

6 Đề mô chương trình

 Để tăng tính bảo mật cho chương trình, thêm một số thủ thuật:

• Mã hoá đối xứng, cụ thể là mã hoá cổ điển - mã hoán vị với kích thước khoá là 5 để mã hoá tin cần giấu

• Đánh giấu phương pháp đã giấu sử dụng phương pháp giấu đơn giản để giấu thông tin đánh giấu vào vị trí cuối file ảnh cho từng phương pháp

– Xác định được thông tin có phải được giấu bằng các phương pháp của chương trình hay không;

– Giúp chúng ta tìm kiếm thông tin một cách nhanh nhất.

 Đánh giấu kết thúc xâu bằng ký hiệu đặc biệt “#” trước khi giấu tin

 Kết hợp tin cần giấu với các bit kiểm tra để kiểm soát lỗi bit (nếu có)

Trang 36

6 Đề mô chương trình

 Quá trình giấu tin, chương trình thực hiện:

 Quá trình trích rút thông tin, chương trình thực hiện :

trí cuối của tin đã giấu và tách được thông tin ra,

Trang 37

HVKTQS

Khoa CNTT

Tiêu đề	Nghiên cứu một số thuật toán giấu tin và giải pháp tăng cường hiệu quả của việc giấu tin trong ảnh
Người hướng dẫn	Giáo viên hướng dẫn: 1/37
Trường học	Khoa Công Nghệ Thông Tin, Đại Học Công Nghệ Thông Tin - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
Chuyên ngành	Khoa học máy tính, Công nghệ thông tin
Thể loại	Đề tài nghiên cứu
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	37
Dung lượng	2,39 MB