Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trong ảnh sử dụng phương pháp dịch chuyển histogram

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.45 MB, 23 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG

<small>Hồng Bùi Phong</small>

NGHIÊN CUU KỸ THUẬT GIAU TIN THUẬN NGHỊCH

TRONG ANH DỰA TREN PHƯƠNG PHÁP DỊCH CHUYEN <small>HISTOGRAM</small>

<small>Chuyên ngành : HỆ THONG THONG TIN</small>

<small>TOM TAT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT</small>

<small>NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌCTS. VŨ HỮU TIEN</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<small>Luận văn được hồn thành tại:</small>

<small>HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG</small>

<small>Người hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Hữu Tiến</small>

<small>Phản biện 1: TS. Phạm Văn Cường</small>

<small>Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Cơng nghệ Bưu</small>

<small>chính Viễn thơng</small>

<small>Vào lúc: 15 giờ00 ngày 08 tháng 02 năm 2015</small>

<small>- Thư viện của Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thông</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

MO DAU

1. Lý do chọn dé tài

Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đã đem lại những thay đổi sâu sắc trong xã hội cũng như cuộc sống của chúng ta. Bên cạnh

những lợi ích từ cuộc cách mạng đó, chúng ta khơng thể bỏ qua những hạn chế và tiêu cực sinh ra liên quan tới van dé bảo mật an tồn thơng

tin như nạn ăn cắp bản quyền, xuyên tac thông tin gốc, hay truy cập

<small>thông tin trái phép,... Một trong những cơng nghệ mới trong bảo mật</small>

thơng tin tạo ra đó là giấu tin trong đữ liệu đa phương tiện. Đây là cơng

cho vấn dé bảo vệ bản quyền và điều khiến truy cập.

Trong các công nghệ giấu tin trong đữ liệu đa phương tiện thì

cơng nghệ giấu tin trong ảnh là một bộ phận chiếm tỷ lệ lớn trong các

chương trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin đa phương tiện bởi lượng thông tin được trao đôi bang anh rat lớn và đồng thời đóng vai

trị quan trọng trong các ứng dụng bảo vệ quyên tác giả, xác thực thông

tin hay phát hiện giả mạo, giấu vân tay hay dán nhãn, kiểm soát cho phép, giấu tin mật.

Thời gian gần đây, khi đưa sử dụng công nghệ giấu tin trong

ảnh vào một số lĩnh vực như: y học, quân sự, nghiên cứu năng lượng hoặc hệ thống vệ tinh,... Bài toán đặt ra là phải tach đúng thông tin được giấu trong ảnh và đồng thời chúng ta có thé khơi phục lại ảnh xấp xi

chất lượng ảnh gốc ban đầu.

Các kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trong ảnh hiện tại đa số được đánh giá cao vì độ phức tạp tính tốn thấp, không làm thay đổi nhiều nội dung ảnh nhưng để lại dấu hiệu khơng bình thường trên lược đồ

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<small>histogram của các anh đó. Vì vay dựa trên quan sát một loạt histogram</small>

của ảnh trước và ảnh sau khi giấu tin bằng kỹ thuật giấu tin thuận

nghịch, chúng ta có thé phát hiện và phân tích được tin mật chứa trong

ảnh, đồng thời cũng đánh giá hay định dạng những chỗ yếu của các kỹ

thuật giấu tin thuận nghịch.

Như vậy, có thể thấy rằng vấn đề giấu tin thuận nghịch trong

ảnh dang là van dé rất được quan tâm và có thé ứng dụng vào thực tiễn trong bảo vệ quyên tác giả, xác thực thông tin hay phát hiện giả mạo, giấu vân tay hay đán nhãn, kiểm soát cho phép, giấu tin mật.

Luận văn này sẽ hệ thống lại các kiến thức về các kỹ thuật giấu

tin trong ảnh và nghiên cứu kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trong ảnh sử dụng phương pháp dịch chuyển histogram đê từ đó đánh giá được hạn chế và ưu điểm của các kỹ thuật giấu tin trong ảnh.

Về bố cục của luận văn, luận văn được chia làm 3 chương, bao

gồm các phan chính sau:

Chương 1: Tổng quan kỹ thuật giấu tin trong ảnh

Trong chương này trình bày những kiến thức cơ bản về kỹ thuật giấu tin đa phương tiện. Trình bày tổng quan và phân loại các kỹ thuật giấu tin trong ảnh. Đồng thời chương này cũng đề cập tới đặc trưng giấu

tin trong ảnh và ứng dụng trong thực tế.

Chương 2: Kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trong ảnh

Giấu tin thuận nghịch là kỹ thuật giấu thông điệp sau khi tách lấy thơng điệp ta có thể khơi phục lại xấp xỉ ảnh gốc ban đầu. Trong chương này, một số kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trong ảnh bao gồm kỹ thuật giấu tin trên bit LSB, kỹ thuật giấu tin dựa trên phép biến đổi DCT, kỹ

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

thuật giấu tin dựa trên sự khác biệt và kỹ thuật giấu tin tránh vượt <small>ngưỡng được khảo sát.</small>

Chương 3: Kỹ thuật giấu tin thuận nghịch dựa trên dịch chuyển

Trong chương nay sẽ nghiên cứu sâu về phát hiện anh có giấu

tin sử dụng một số kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trong ảnh sử dụng phương pháp dịch chuyền histogram, sử dụng Matlab để mô phỏng giấu

tin và phát hiện tin bằng phương pháp dịch chuyên histogram.

<small>2. Mục đích nghiên cứu</small>

Tìm hiểu các kỹ thuật giấu tin trong anh, kỹ thuật giấu tin thuận

nghịch trong ảnh bằng phương pháp dịch chuyền Histogram.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

— Đối tượng nghiên cứu: Các kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trong ảnh và tập trung vào phương pháp dịch chuyên histogram.

— Pham vi nghiên cứu: Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trong ảnh dựa trên phương pháp dịch chuyên histogram từ đó đánh giá đưa ra ưu nhược điểm của phương pháp.

<small>4. Phuong pháp nghiên cứu</small>

Dựa trên việc nghiên cứu và tìm hiểu những kết quả nghiên cứu

về các kỹ thuật giấu tin thuật nghịch trong ảnh đã được cơng bồ trên các

tạp chí trong và ngồi nước, đặc biệt chú trọng đến những nghiên cứu về các phương pháp nghiên cứu phát hiện kỹ thuật giấu tin thuật nghịch trên ảnh dựa trên dịch chuyển Histogram. Trên cơ sở những nghiên cứu cơ bản, đánh giá ưu điểm và hạn chế của mỗi kỹ thuật giấu tin thuận nghịch. Đồng thời, trong quá trình nghiên cứu có sự trao đổi, chia sẻ,

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<small>thảo luận với giáo viên hướng dân và các đông nghiệp vê các kêt quả</small>

<small>nghiên cứu.</small>

Chương 1: TONG QUAN KỸ THUAT GIAU TIN TRONG ANH 1.1. Khai niệm kỹ thuật giấu tin

1.1.1. Giới thiệu chung về giấu tin

1.1.2. Khái niệm kỹ thuật giấu tin

Giấu tin là kỹ thuật nhúng (giấu) một lượng thơng tin nào đó

vào trong một đối tượng dữ liệu số khác, khiến cho khơng ai có thể nhận

ra sự tồn tại thông tin được nhúng (giấu). 1.2. Phân loại kỹ thuật giấu tin

1.2.1. Kỹ thuật thủy vân số

Kỹ thuật thủy vân số là kỹ thuật nhúng (giấu) một biểu tượng

hay cịn gọi là thủy vân vào trong mơi trường dữ liệu đa phương tiện dé bảo vệ bản quyền của đối tượng dữ liệu đa phương tiện chứa thủy vân,

kỹ thuật này cho phép đảm bảo nguyên vẹn biểu tượng (thủy vân) khi

mà đối tương đữ liệu đa phương tiện chứa thủy vân bị biến đổi thông thường với các thao tác lọc, nén giữ liệu, hay các phép biến đôi khác,...

1.2.2. Kỹ thuật giấu tin mật

Kỹ thuật giấu tin mật: là kỹ thuật dùng dữ liệu đa phương tiện làm môi trường để lưu trữ và chứa thơng tin mật quan trọng với kích

thước dung lượng lớn một cách an toan, mục đích việc giấu tin mật là

làm cho thông tin mật được giấu trong dữ liệu đa phương tiện trở nên

không quan sát được bằng thị giác con người.

1.3. Mơ hình giấu tin cơ bản

1.3.1. Mơ hình q trình giấu tin

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<small>1.3.2. Mơ hình q trình tách tin</small>

1.4. Các mơi trường giấu tin cơ bản 1.4.1. Giấu tin trong ảnh

1.4.2. Giấu tin trong video 1.4.3. Giấu tin trong audio

1.4.4. Gidu tin trong văn ban

1.5. Một số khái niệm về kỹ thuật giấu tin trong ảnh

1.5.1. Định nghĩa kỹ thuật giấu tin trong ảnh

Giấu tin trong anh là kỹ thuật giấu tin trong dir liệu đa phương

tiện, thông tin mật được nhúng vào dt liệu ảnh nhưng chất lượng dữ liệu

ảnh mang thông tin mật ít thay đơi và khi quan vào ảnh bằng mắt thường

đó chúng ta khơng thể phát hiện ra rằng trong dữ liệu ảnh đó có tồn tại thơng tin được ẩn .

1.5.2. Các khái niệm cơ bản về ảnh đen trắng và ảnh màu

1.5.3. Các định dạng ảnh thường được sử dụng giấu tin <small>1.5.1.1. Định dạng GIF</small>

1.6. Các phương pháp giấu tin trong ảnh

1.6.1. Giấu tin trong miền không gian ảnh

Đây là hướng tiếp cận cơ bản và tự nhiên trong số các kỹ thuật

giấu tin mật. Miền không gian ảnh là miền dữ liệu ảnh gốc như một ma

trận các điểm ảnh, tác động lên miền không gian ảnh chính là tác động

lên các điểm ảnh, thay đổi giá trị trực tiếp của điểm ảnh. Đây là hướng

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

tiếp cận tự nhiên bởi lẽ khi nói đến việc giấu tin trong ảnh người ta thường nghĩ ngay đến việc thay đôi giá trị các điểm anh cua ảnh gốc

1.6.2. Giấu tin trong miền tan số ảnh

Hướng tiếp cận dựa trên miền không gian ảnh như đã trình bày

ở trên là cách tiến hành khảo sát tín hiệu và hệ thống rời rạc một cách

trực tiếp trên miễn giá trị rời rạc của các điểm ảnh gọi là trên miền biến

số độc lập tự nhiên. Nhưng trong nhiều trường hợp, cách khảo sát trực tiếp này gặp phải những khó khăn nhất định hoặc rất phức tạp và hiệu <small>quả không cao.</small>

1.7. Đặc trưng và ứng dung kỹ thuật giấu tin trong ảnh 1.7.1. Đặc trưng và tính chất giấu tin trong ảnh

1.7.2. Ung dung kỹ thuật giấu tin trong ảnh

Chương 2: KỸ THUAT GIAU TIN THUẬN NGHICH TRONG

2.1. KY thuật giấu tin dựa trên miền khơng gian anh LSB

2.1.1. Khái niệm bit có trọng số thấp LSB (Least Significant Bit)

LSB (Least Significant Bit) là bit có ảnh hưởng ít nhất tới màu sắc của mỗi điểm ảnh. Vì vậy khi thay đổi bit ít quan trọng của một điểm anh thi màu sắc của mỗi điểm anh mới sẽ gần tương đổi với điểm

2.1.2. Thuật tốn giấu tin trên bit LSB

Mục đích của phương pháp giấu tin trong ảnh LSB là chọn ra các bit it quan trong (ít làm thay đổi chất lượng của ảnh gốc) và thay thế

chúng bang các bit thông tin cần giấu. Dé khó bị phát hiện, thơng tin

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

giấu thường được nhúng vào những vùng hệ thống thị giác con người

kém nhạy cảm với màu sắc.

Y tuong cua thuat toan giấu tin là chọn một điểm ảnh ngẫu

nhiên, với mỗi điểm ảnh, chọn ngẫu nhiên một byte màu, sau đó giấu bit

thơng tin mật vào bit màu có trọng số thấp nhất. Dé tăng tinh an tồn,

thơng tin giấu thường được được nhúng vào những vùng hệ thống thị

giác con người kém nhạy cảm với màu sắc.

<small>2.1.3. Thuật tốn tách tin2.1.4. Phân tích thuật tốn</small>

Ưu điểm kỹ thuật giấu tin trong ảnh LSB đơn giản, dễ cài đặt và

phát huy hiệu quả tốt trong nhiều ứng dụng tuy nhiên tồn tại hược điểm

của phương pháp này là kém bền vững trước tác động của các phép xử

lý ảnh, nên phương pháp chỉ thích hợp cho giấu tin mật mà khơng thích

hợp cho thủy vân số.

2.2. Kỹ thuật giấu tin dựa trên miền tần số sử dụng biến đổi DCT

2.2.1. Các phép bién doi miền không gian ảnh sang miền tan số

Đề khảo sát hệ thống rời rạc, chúng ta thường sử dụng kỹ thuật biến đổi hệ thống rời rạc đó sang một miền biến số khác. Các kỹ thuật biến đổi nay làm nhiệm vụ chuyển miền biến số độc lập sang các miền

khác và như vậy tín hiệu và hệ thống rời rac sẽ được biéu diễn trong các miền mới với các biến số mới. Sau đó, tìm cách nhúng thơng tin mật vào ảnh bằng cách thay đổi các hệ số biến đổi trong những miền thích hợp để đảm bảo chất lượng ảnh và sự bền vững của thông tin mật sau khi

<small>nhúng.</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Các phép biến đổi được sử dung phổ biến là DCT (Discrete Cosin

<small>Transform), DFT (Discrete Fourier Transform) và DWT (DiscreteWavelet Transform).</small>

2.2.2. Thuật toán giấu tin dựa trên phép biến đổi DCT

DCT- Discrete Cosin Tranform được sử dụng rất phô biến trong nhiều kỹ thuật xử lý ảnh số và tín hiệu số. Trong các kỹ thuật watermark

anh dựa trên biến đổi DCT được sử dụng phổ biến nhất. Ly do ở đây là phép biến đổi DCT đã được dùng trong dạng chuẩn ảnh JPEG. Nếu áp

dụng DCT thì cũng theo chuẩn của JPEG va do đó sẽ tránh được mat

<small>watermark do phép nén JPEG</small>

<small>Các tân số trung bìnhcho watermarking</small>

Hình 2. 1 Các hệ số của phép biến đổi DCT

Trong phương pháp nay, các hệ số DCT của ảnh gốc được thay

đổi theo công thức 2.6:

Trong đó Cyy là hệ số thủy vân , Cy là ban gốc,œ biểu thị cho

<small>mức thủy vân (ví dụ: 0.3), và W, là bit tương ứng của thông điệp dữ</small>

liệu. Công thức này cho ta thấy các hệ số DCT của ảnh gốc được thay

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

đổi tùy theo nội dung của anh nhúng. Mức độ thay đổi tùy theo giá trị

của hệ số DCT.

<small>2.2.3. Phân tích thuật tốn</small>

Thuật tốn này thường được áp dụng trong kỹ thuật giấu tin ảnh ứng dụng đánh dau bản quyền. Tham số a trong thuật tốn đóng vai trị

như là hệ số tương quan giữa tính ân và tính bền vững của tin giấu. Khi

tăng hệ số a lên thì độ sai lệch của giấu tin giảm di và như vậy nó bền

vững hơn. Tuy nhiên, nếu tăng a thì chất lượng ảnh sau khi giấu tin sẽ

giảm. Điều này rất dé hiểu vi a lớn, nghĩa là phân lớp khoảng cách hai hệ số lớn nên khoảng cách biến đổi của một hệ số dé thỏa mãn điều kiện

giấu lớn, dẫn đến ảnh hưởng nhiều đến chất lượng ảnh.

2.3. Kỹ thuật giấu tin dựa trên sự khác biệt 2.3.1. Một số công thức và định nghĩa

2.3.1.1. Một số cơng thức

2.3.1.2. Một số định nghĩa

2.3.2. Thuật tốn giấu tin

Kỹ thuật giấu tin thuận nghịch dựa trên sự khác biệt (Differece

Expansion) do Jun Titan đề suất năm 2002. Kỹ thuật này nhúng thông tin cần giấu vào sự khác biệt của cặp giá tri điểm ảnh.

<small>2.3.3. Thuật toán tách tin</small>

2.4. Kỹ thuật giấu tin thuận nghịch tránh vượt ngưỡng

2.4.1. Ý trồng thuật toán

<small>Bước đâu là chia nhỏ ma trận diém ảnh thành các ma trận nhỏ</small> có kích thước 3 X 3. Xác định điểm ảnh nhỏ nhất (hoặc lớn nhất) trong

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

ma trận nhỏ 3 X 3 và cố định chúng, những điểm anh này có tác dụng

giữ cố định khối ma trận và ngăn ngừa sự cố vượt ngưỡng.

Sau đó tiễn hành giảm hay thay đổi giá trị điểm ảnh bằng cách

trừ giá trị các điểm ảnh cịn lại cho điểm ảnh có giá trị nhỏ nhất (hoặc lớn nhất) rồi nén điểm ảnh và cô lập những điểm ảnh thỏa mãn (theo yêu cầu thuật tốn). Chuỗi bit thơng điệp sẽ được giấu vào những điểm ảnh đã giảm hay thay đổi giá trị, trừ những điểm ảnh cô lập và những điểm

ảnh có giá tri lớn nhất hoặc nhỏ nhất. 2.4.2. Thuật toán giấu tin

<small>2.4.3. Thuật toán tách tin</small>

Chương 3: KỸ THUẬT GIAU TIN THUAN NGHICH DỰA TREN

DỊCH CHUYEN HISTOGRAM

<small>3.1. Giới thiệu chung</small>

Giấu tin thuận nghịch trong ảnh: kỹ thuật giấu thông tin mật,

giấu biểu tượng vào ảnh số, mà sau khi khơi phục thơng tin mật trong

q trình tách tin, ta có thể khơi phục ảnh chứa thơng tin mật có chất

lượng xấp xỉ hoặc giống ảnh gốc ban đầu.

Trong các kỹ thuật giấu tin thuận nghịch vào ảnh trong miền đữ

liệu thì ta khơng thé khơng nhắc đến kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trong

ảnh dựa trên phương pháp dịch chuyển Histogram, các nghiên cứu cho

thấy kỹ thuật này có độ tính tốn thấp và khơng thay đổi nhiều đữ liệu

hay nội dung của ảnh. Đã có rất nhiều kỹ thuật giấu tin thuận nghịch

trong ảnh dựa trên phương pháp dịch chuyển Histogram được công bố:

kỹ thuật NSAS, kỹ thuật HKC, kỹ thuật HKC cải tiến,...

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

3.2. Biểu đồ tần suất (Histogram)

3.2.1. Khái niệm biểu đồ tan suất (Histogram)

3.2.2. Các phép toán biến đổi trên biểu đồ tan suất (Histogram)

3.3. Kỹ thuật giấu tin trong ảnh thuận nghịch NSAS 3.3.1. Một số khái niệm chung

Một kỹ thuật mới giấu tin thuận nghịch trong ảnh sử dụng phương pháp dịch chuyên Histogram đã được ra đời vào năm 2006 bởi Ni và đồng nghiệp, hay còn gọi 1a thuật toán NSAS. Kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trong ảnh nay có ưu điểm là sau khi tách thơng tin mật từ

ảnh đã giấu tin, ta có thé khơi phục ảnh đã giấu tin thành ảnh gốc ban

đầu mà dường như chất lượng ảnh không thay đổi so với ảnh gốc ban

3.3.2. Thuật toán giấu tin kỹ thuật NSAS

Thuật toán giấu tin tổng quát với một cặp điểm minimum và điểm

Lưu ý rằng định nghĩa điểm zero (điểm không) có thể khơng

tồn tại ở một số biéu dé tần suất (histogram). Ta sẽ định nghĩa hai điểm

là điểm mininum (điểm nhỏ nhất) có mức xám là b, giá trị số điểm ảnh

cùng mức xám trong biểu đồ tần suất là nhỏ nhất ký hiệu h(b) và điểm

maxinum (điểm lớn nhất) có mức xám là a, giá trị điểm ảnh cùng mức xám trong biéu đồ tần suất là lớn nhất ký hiệu h(a).

Các bước giấu tin:

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Với ảnh kích cỡ M x N, mỗi điểm ảnh có số mức xám là x €

Bước 1: Tao biéu đồ tần suất (histogram) H(x) .

Bước 2: Trong biểu đồ tần suất H(x), tìm hai điểm đó là điểm mininum (điểm nhỏ nhất) h(b) b € [0,255] và điểm maxinum (điểm

lớn nhất) h(a) a € [0,255].

Bước 3: Nếu điểm mininum có h(b) > 0, thì mã hóa lại tọa độ (i,j) của những điểm ảnh có mức xám là b và lưu lại thành thông tin phụ

(overhead information). Rồi sau đó đặt h(b) = 0.

Bước 4 : Dé khơng mắt tính tổng quát giả sử a < b, dich chuyên biểu đồ tần suất H(x) với x © (a,b) sang phải 1 đơn vị, diéu này tức là tất cả giá trị điểm ảnh có mức xám năm trong khoảng (a,b) được cộng

Bước 5: Toàn bộ ảnh quét lần nữa, néu gặp điểm anh (mức xám là a) ta kiểm tra chuối dữ liệu được nhúng vảo. Nếu dữ liệu nhúng vào

có giá trị bit là "1" thì giá trị điểm ảnh mức xám được tăng lên thành a +

1, nếu dữ liệu nhúng vào có giá trị bit là "0", thì giá trị điểm ảnh vẫn là

Mơ hình thuật tốn giấu tin NSAS thể hiện hình 3.8.

</div>