Nghiên cứu về kỹ thuật giấu tin mật trong ảnh kỹ thuật số

CHƯƠNG 3 - MộT Số Kỹ THUậT PHÁT HIệN Để ĐÁNH GIÁ CHấT LƯợNG CÁC THUậT TOÁN GIấU TIN MậT ĐÃ ĐƯợC CÔNG Bố .... 1.3 Các kỹ thuật giấu tin trong ảnh kỹ thuật số Kỹ thuật giấu tin nhằm hai m

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin

Mã số: 60480104

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Hồ Văn Canh

HÀ NỘI - 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng luận văn của tôi là công trình nghiên cứu của bản thân Luận văn hoàn toàn không phải là bản sao chép công trình nghiên cứu của một người khác, nó mang tính độc lập nhất định với tất cả các công trình nghiên cứu trước đây Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp

Nếu có vi phạm gì, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 21 tháng 05 năm 2015

Học viên

Dư Công Thành

Tiếp đến, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến khoa Công nghệ thông tin – Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất để tôi có thể học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn học viên cao học K19, chuyên ngành Hệ thống thông tin đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp của tôi, những người đã động viên, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi học tập và lao động trong suốt thời gian qua

Xin chúc tất cả mọi người luôn mạnh khỏe và công tác tốt Xin chúc các thầy cô đạt được nhiều thành tựu trong nghiên cứu và giảng dạy

Hà Nội, ngày 21 tháng 05 năm 2015

Học viên

Dƣ Công Thành

MỤC LỤC



CHƯƠNG 1 - MộT Số KHÁI QUÁT Về GIấU TIN TRONG ĐA PHƯƠNG TIệN 1

1.1 G IớI THIệU CHUNG 1

1.2 G IớI THIệU ảNH TĨNH VÀ MộT Số KHÁI NIệM 1

1.3 C ÁC Kỹ THUậT GIấU TIN TRONG ảNH Kỹ THUậT Số 2

1.4 P HÂN LOạI Kỹ THUậT GIấU TIN TRONG ảNH 3

1.5 T IÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ Kỹ THUậT GIấU TIN TRONG ảNH 4

1.5.1 Tính vô hình 4

1.5.2 Khả năng giấu thông tin 4

1.5.3 Chất lượng của ảnh có giấu thông tin 4

1.5.4 Tính bền vững của thông tin được giấu 4

1.5.5 Thuật toán và độ phức tạp của thuật toán 4

CHƯƠNG 2 - MộT Số Kỹ THUậT GIấU TIN MậT VÀ PHÁT HIệN GIấU TIN MậT TRONG ảNH Kỹ THUậT Số 5

2.1 G IớI THIệU Về Kỹ THUậT GIấU TIN MậT (S TEGANOGRAPHY ) 5

2.2 P HƯƠNG PHÁP GIấU TIN MậT S TEGANOGRAPHY 5

2.3 T HUậT TOÁN GIấU TIN MậT TRONG ảNH Số 6

2.3.1 Thuật toán giấu tin trong ảnh số sử dụng hai lớp bảo mật 6

2.3.2 Thuật toán giấu tin trong ảnh số bằng phương pháp module năm 9

2.4 Đ ÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP GIấU TIN MậT TRONG ảNH Số E RROR ! B OOKMARK NOT DEFINED CHƯƠNG 3 - MộT Số Kỹ THUậT PHÁT HIệN Để ĐÁNH GIÁ CHấT LƯợNG CÁC THUậT TOÁN GIấU TIN MậT ĐÃ ĐƯợC CÔNG Bố ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

3.1 M ộT Số Kỹ THUậT PHÁT HIệN GIấU TIN MậT TRONG ảNH Số E RROR ! B OOKMARK NOT DEFINED

3.2 P HÂN LOạI CÁC Kỹ THUậT PHÁT HIệN GIấU TIN TRONG ảNH E RROR ! B OOKMARK NOT DEFINED

3.3 K ỹ THUậT PHÁT HIệN GIấU TIN Cụ THể E RROR ! B OOKMARK NOT DEFINED

3.4 K ỹ THUậT PHÁT HIệN GIấU TIN TổNG QUÁT E RROR ! B OOKMARK NOT DEFINED

3.4.4 Ma trận đồng thời xuất hiện Error! Bookmark not defined

3.5 P HÁT HIệN GIấU TIN TRONG ảNH Sử DụNG Kỹ THUậT TấN CÔNG TRựC QUAN E RROR ! B OOKMARK NOT DEFINED

3.6 P HÁT HIệN GIấU TIN TRONG ảNH Sử DụNG Kỹ THUậT TấN CÔNG C HI - SQUARE E RROR ! B OOKMARK NOT DEFINED

3.7 T ổNG QUÁT E RROR ! B OOKMARK NOT DEFINED CHƯƠNG 4 - THựC NGHIệM ĐÁNH GIÁ KếT QUả VÀ HƯớNG PHÁT TRIểN ERROR!

BOOKMARK NOT DEFINED

KếT LUậN VÀ HƯớNG PHÁT TRIểN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED TÀI LIệU THAM KHảO 11

DANH SÁCH HÌNH ẢNH



Hình 1: Sơ đồ phương pháp giấu tin trong ảnh số với hai lớp bảo mật 7Hình 2: Sơ đồ thuật toán giấu tin trong ảnh với 2 lớp bảo mật 8Hình 3: Quá trình trích xuất thông tin bị che giấu trong ảnh 9

Hình 4: Ảnh trước và sau khi biến đổi theo phương pháp module năm Error!

Bookmark not defined.

Hình 5: Ảnh trước và sau khi giấu tin sử dụng phương pháp giấu tin mật hai lớp Error!

Bookmark not defined.

defined.

Hình 8: Phân biệt ảnh trước (bên trái) và sau (bên phải) khi giấu tin sau khi tấn công

trực quan Error! Bookmark not defined.

Hình 9: Tần số xuất hiện của ảnh trước khi giấu tin (trái) và ảnh sau khi giấu tin (phải)

Error! Bookmark not defined Hình 10: Ảnh gốc "beat girl" Error! Bookmark not defined.

Luận văn tốt nghiệp Dư Công Thành

1

phương tiện

1.1 Giới thiệu chung

Sự ra đời và phát triển của Internet kéo theo nhiều lĩnh vực khác trong đó lĩnh vực bảo mật thông tin là một trong những lĩnh vực được quan tâm hàng đầu Ngày nay các dữ liệu số được lan truyền và sao chép rất nhanh chóng, dễ dàng nên vấn đề bảo mật thông tin số ngày càng trở nên cấp bách Thông tin số cần bảo mật có thể được mã hóa theo một cách thức nào đó, cách thức đó cần được bí mật và đạt hiệu quả cao Hiện tại nhiều ngành, nhiều đơn vị trên toàn quốc đã có hệ thống mạng nội bộ thông suốt các tỉnh thành trong cả nước Hệ thống đảm bảo được các thông tin truy ền đi trong mạng không bị lộ lọt ra ngoài nhưng một điểm hệ thống hiện tại chưa đạt được đó là tính cơ động Việc sử dụng mạng Internet sẽ dễ dàng hơn nhiều so với việc sử dụng mạng nội

bộ để truyền tin Tuy nhiên, Internet có thể phát tán thông tin đi bất kỳ đâu trên thế giới Đi kèm với việc truyền tin qua Internet là những rủi ro về mất mát và sai lệch thông tin Do đó, bảo mật thông tin khi truyền trên Internet là một vấn đề cấp thiết trong thực tế

“Giấu tin” là một kỹ thuật nhúng (giấu) một lượng thông tin số nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác Giấu tin trong ảnh số là giấu các mẩu tin cũng là dạng

số trong máy tính vào các tệp ảnh nhị phân sao cho không bị người ngoài phát hiện

1.2 Giới thiệu ảnh tĩnh và một số khái niệm

Ảnh BITMAP (BMP) được phát triển bởi Microsoft Corporation, được lưu trữ dưới dạng độc lập thiết bị cho phép Windows hiển thị dữ liệu không phụ thuộc vào khung chỉ định màu trên bất kỳ phần cứng nào Tên tệp mở rộng mặc định của một tệp ảnh Bitmap là BMP, nét vẽ được thể hiện là các điểm ảnh Qui ước màu đen, trắng tương ứng với các giá trị 0, 1 Ảnh BMP được sử dụng trên Microsoft Windows và các ứng dụng chạy trên Windows từ version 3.0 trở lên BMP thuộc loại ảnh mảnh

Cấu trúc ảnh BITMAP, JPEG

Các thuộc tính tiêu biểu của một tập tin ảnh BMP là: Số bit trên mỗi điểm ảnh thường được ký hiệu bởi n Một ảnh BMP n bit có 2n màu Giá trị n càng lớn thì ảnh càng có nhiều màu và càng rõ nét hơn Giá trị tiêu biểu của n là 1 (ảnh đen trắng), 4

Luận văn tốt nghiệp Dư Công Thành

2

(ảnh 16 màu), 8 (ảnh 256 màu), 16 (ảnh 65536 màu) và 24 (ảnh 16 triệu màu) Ảnh BMP 24 - bit có chất lượng hình ảnh trung thực nhất Chiều cao của ảnh (height), cho bởi điểm ảnh Chiều rộng của ảnh (width), cho bởi điểm ảnh Đặc điểm nổi bật nhất của định dạng BMP là tập tin ảnh thường không được nén bằng bất kỳ thuật toán nào Khi lưu ảnh, các điểm ảnh được ghi trực tiếp vào tập tin một điểm ảnh sẽ được mô tả bởi một hay nhiều byte tùy thuộc vào giá trị n của ảnh Do đó, một hình ảnh lưu dưới dạng BMP thường có kích cỡ rất lớn, gấp nhiều lần so với các ảnh được nén (chẳng hạn GIF, JPEG hay PNG)

Cấu trúc một tệp ảnh BMP gồm có bốn phần:

- Bitmap File Header: Lưu trữ thông tin tổng hợp về tệp ảnh BMP

- Bitmap Information: Lưu trữ thông tin chi tiết về ảnh bitmap

- Color Palette: Lưu trữ định nghĩa của màu được sử dụng cho bitmap

- Bitmap Data: Lưu trữ từng điểm ảnh của hình ảnh thực tế

1.3 Các kỹ thuật giấu tin trong ảnh kỹ thuật số

Kỹ thuật giấu tin nhằm hai mục đích: một là bảo mật cho dữ liệu được đem giấu, hai là bảo vệ cho chính đối tượng mang tin giấu Hai mục đích khác nhau này dẫn đến hai kỹ thuật chủ yếu của giấu tin Đó là giấu tin mật và thủy vân số Nói chung giấu tin trong đa phương tiện là tận dụng “độ dư thừa” của phương tiện giấu để thực hiện việc giấu tin mà người ngoài cuộc “khó” cảm nhận được có thông tin giấu trong đó

Một trong các cách tiếp cận trong bảo mật thông tin đó là giấu tin, có nghĩa là những thông tin số cần được bảo mật sẽ được người dùng giấu vào trong một đối tượng

dữ liệu số khác (môi trường giấu tin) sao cho sự biến đổi của môi trường sau khi giấu tin là khó nhận biết, đồng thời người dùng có thể lấy lại được các thông tin đã giấu khi cần Giấu thông tin số, phát hiện thông tin số ẩn giấu trong dữ liệu đa phương tiện đặc biệt là trong ảnh số đang là một vấn đề đang được quan tâm hiện nay trong nhiều lĩnh vực Để phát hiện và phân biệt được một ảnh số nào đó có mang tin mật hay không đòi hỏi rất nhiều yếu tố và kỹ thuật phức tạp Một ứng dụng điển hình là trong phát triển thương mại điện tử, sự phát triển của thương mại điện tử mang lại rất nhiều lợi ích, tuy nhiên bên cạnh đó thì những mặt tiêu cực của nó như vi phạm bản quyền, giả mạo thương hiệu cũng ngày một gia tăng Phương pháp giấu tin có thể được ứng dụng rộng rãi để gài các thông tin như chữ ký, nhãn thương hiệu để chứng minh sự hợp pháp của sản phẩm, bảo vệ bản quyền…

Luận văn tốt nghiệp Dư Công Thành

3

1.4 Phân loại kỹ thuật giấu tin trong ảnh

Hàng thập kỷ qua, con người đã phát triển đáng kể các phương pháp sáng tạo trong giao tiếp bí mật Trong đó có 3 kỹ thuật có mối tương quan với nhau là giấu tin, thủy vân số và mật mã Có thể coi giấu tin là một nhánh của ngành mật mã với mục tiêu là nghiên cứu các phương pháp che giấu thông tin Giấu tin và mật mã tuy cùng có mục đích là để đối phương không phát hiện ra tin cần giấu, tuy nhiên giấu tin khác với mật mã ở chỗ: Mật mã là giấu đi ý nghĩa của thông tin còn giấu tin là giấu đi sự hiện diện của thông tin Có nhiều cách phân loại giấu tin khác nhau dựa trên những tiêu chí khác nhau Theo Fabien A.P Petitcolas đề xuất năm 1999, có thể chia lĩnh vực giấu tin thành hai hướng lớn, đó là giấu tin mật và thủy vân số

Độ an toàn và bảo mật thông tin của kỹ thuật giấu tin được thể hiện ở hai khía cạnh Một là bảo vệ cho dữ liệu đem giấu và hai là bảo vệ cho chính đối tượng được sử dụng để giấu tin Ứng với hai khía cạnh đó có hai hướng kỹ thuật rõ ràng đó là giấu tin mật và thuỷ vân số Từ “thuỷ vân” có xuất xứ từ kỹ thuật đánh dấu nước thời xưa Kỹ thuật này là kỹ thuật đánh dấu chìm một hình ảnh logo nào đó lên trên giấy nhằm mục đích trang trí và phân biệt được xuất xứ của sản phẩm giấy Trong thuỷ vân số thông tin giấu được gọi là thuỷ vân (watermark)

Luận văn tốt nghiệp Dư Công Thành

1.5.2 Khả năng giấu thông tin

Khả năng giấu thông tin (Hiding Capacity) hay lượng thông tin giấu được (dung lượng) trong một ảnh được tính bằng tỉ lệ giữa lượng thông tin giấu và kích thước của ảnh Các thuật toán giấu tin đều cố gắng đạt được mục tiêu giấu được nhiều tin và gây nhiễu không đáng kể Thực tế, người ta luôn phải cân nhắc giữa dung lượng thông tin cần giấu với các tiêu chí khác như chất lượng (Quality), tính bền vững (Robustness) của thông tin giấu

1.5.3 Chất lượng của ảnh có giấu thông tin

Chất lượng của ảnh có giấu tin được đánh giá qua sự cảm nhận của mắt người Nên chọn những ảnh có nhiễu, có những vùng góc cạnh hoặc có cấu trúc, làm ảnh môi trường vì mắt thường ít nhận biết được sự biến đổi, khi có tin giấu, trên những ảnh này

1.5.4 Tính bền vững của thông tin được giấu

Tính bền vững thể hiện qua việc các thông tin giấu không bị thay đổi khi ảnh mang tin phải chịu tác động của các phép xử lý ảnh như nén, lọc, biến đổi, tỉ lệ,…

1.5.5 Thuật toán và độ phức tạp của thuật toán

Cần nắm được một số kiến thức cơ bản về cấu trúc của ảnh để chọn ra thuật toán tìm miền ảnh thích hợp cho việc giấu tin Độ phức tạp của thuật toán mã hóa và giải mã

là yếu tố quan trọng để đánh giá các phương pháp giấu tin trong ảnh Yêu cầu về độ phức tạp tính toán phụ thuộc vào từng ứng dụng Những ứng dụng theo hướng Watermark thường có thuật toán phức tạp hơn hướng Steganography

Luận văn tốt nghiệp Dư Công Thành

5

2.1 Giới thiệu về kỹ thuật giấu tin mật (Steganography)

Kỹ thuật giấu tin mật Steganography là kỹ thuật để giấu thông tin hoặc dữ liệu vào trong một đối tượng dữ liệu khác

Theo Lou et al [1], giấu tin mật là phương pháp che giấu sự tồn tại của thông tin vào trong các đối tượng mang khác nhau Mục đích chính của việc che giấu là để ngăn chặn việc phát hiện thông tin đã được che giấu Các phương pháp giấu tin mật nổi tiếng nhất của kỹ thuật giấu tin mật truyền thống được thực hiện từ những năm 440 trước Công nguyên Các phương pháp được sử dụng như là che giấu các tài liệu bí mật bằng mực vô hình, giống như sử dụng nướt cốt chanh để che giấu thông tin Phương pháp khác là để đánh giấu tên nhân vật trong tài liệu bằng các lỗ kim và sinh ra các mô hình hoặc chữ ký [2] Tuy nhiên đại đa số việc phát triển và sử dụng giấu tin mật trên máy tính xảy ra từ năm 2000 Ưu điểm chính của phương pháp giấu tin mật là do cơ chế bảo mật đơn giản của nó bởi vì thông tin được giấu được lồng ghép một cách vô hình và được che phủ bên trong một nguồn vô hại khác (như ảnh, âm thanh, video, file…) Rất khó có thể phát hiện ra thông điệp che giấu mà không biết về sự tồn tại của thông tin và lược đồ mã hóa thích hợp [3]

Có một số kỹ thuật cho giấu tin mật là: giấu tin mật hàng loạt (batch steganography), giấu tin mật hoán vị (permutation steganography), sử dụng bit có trọng

số thấp nhất (Least signification bit), phân đoạn phức tạp bit-plane (bit-plane complexity segmentation) và xáo trộn dựa trên sự lan truyền của quang phổ hình ảnh (chaos based spead spectrum image steganography)

2.2 Phương pháp giấu tin mật Steganography

Phương pháp giấu tin mật trong ảnh kỹ thuật số đã được nghiên cứu và thực hiện bởi nhiều nhà nghiên cứu (ví dụ như từ [4] – [8]) Warkentin et al [4] đề xuất một cách tiếp cận để che giấu thôn tin trong một file nghe nhìn Trong thuật toán giấu tin mật của họ, thông tin mật được che giấu bên trong một thông điệp chứa (cover message) El-Elmam [5] đề xuất một phương pháp để che giấu một lương lớn dữ liệu với độ bảo mật cao Thuật toán của El-Elmam dựa trên giâu một số lượng lớn tệp tin

Luận văn tốt nghiệp Dư Công Thành

6

dữ liệu (ảnh, âm thanh, video, chữ ) bên trong một ảnh màu bitmap Chen et al [6] sửa đổi một phương pháp sử dụng trong [7] sử dụng phương pháp kết hợp phụ Họ tập trung vào ẩn chứa các dữ liệu trong phần cạnh của hình ảnh Wu et all [8], mặt khác sử dụng điểm ảnh có giá trị khác nhau bằng cách phân vùng hình ảnh ban đầu thành các khối không chồng chéo của hai khối điểm ảnh liên tiếp

2.3 Thuật toán giấu tin mật trong ảnh số

2.3.1 Thuật toán giấu tin trong ảnh số sử dụng hai lớp bảo mật

Hình 1 là phương pháp giấu tin trong ảnh số sử dụng hai lớp bảo mật để đảm bảo quyền riêng tư, sự bảo mật và độ chính xác của dữ liệu được giấu trong ảnh số Hệ thống có thể giấu dữ liệu vào trong ảnh số và lấy các dữ liệu này ra từ ảnh đã được giấu

Ở hình 1 cho thấy khi giấu dữ liệu vào trong ảnh, bước đầu tiên cần phải cung cấp tên đăng nhập và mật khẩu trước khi sử dụng hệ thống Khi người dùng đã đăng nhập vào hệ thống, họ có thể sử dụng các thông tin cùng với khóa bí mật để ẩn các dữ liệu bên trong các hình ảnh được chọn Sử dụng phương pháp giấu tin mật, các thông tin được nhúng và che giấu trong ảnh mà gần như không làm biến dạng hình ảnh ban đầu Quá trình lấy dữ liệu giấu bên trong ảnh được thực hiện bằng cách sử dụng một khóa bí mật để lấy các thông tin được giấu bên trong ảnh Nếu không có khóa bí mật thì không thể lấy được các thông tin giấu bên trong bức ảnh Điều này giúp đảm bảo tính toàn vẹn và bảo mật của dữ liệu