ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
HỒ THỊ HƯƠNG THƠM
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT
PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN
LUẬN ÁN TIẾN SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
HÀ NỘI - 2012
2
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
HỒ THỊ HƯƠNG THƠM
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT
PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN
Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
Mã số: 62 48 05 01
LUẬN ÁN TIẾN SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. Hồ Văn Canh
2. PGS. TS. Trịnh Nhật Tiến
HÀ NỘI - 2012
6
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 1
LỜI CẢM ƠN 4
MỤC LỤC 6
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT 9
DANH MỤC CÁC BẢNG 10
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 12
PHẦN MỞ ĐẦU 14
CHƯƠNG 1. GIẤU TIN TRONG ẢNH, PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN VÀ CÁC
NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 21
1.1. GIU TIN TRONG 21
21
23
27
N NH GI 29
29
29
31
32
35
C NGHI 37
37
39
41
KT LU 41
CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT PHÁT HIỆN MÙ CHO ẢNH GIẤU TIN TRÊN LSB 42
2.1. K THUA MI 42
42
42
44
2
1
2
) 48
48
48
2. 52
52
7
53
62
63
66
2.2. K THUA MIN TN S 70
70
71
2.3. T QU TH NGHIM 72
72
72
76
77
77
79
KT LUG 2 79
CHƯƠNG 3. MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN CÓ RÀNG BUỘC 80
N U TIN S DNG K THUT GIU HKC 80
80
81
81
83
86
89
89
91
N U TIN S DNG K THUT GIU DIH 92
92
93
thut giu DIH 93
u 95
99
99
101
N U TIN S DNG K THUT GIU IWH 101
101
8
104
thut giu IWH 104
105
109
109
3.3.3.2. 110
N U TIN S DNG K THUT GIU RVH 111
111
114
114
117
t qu th nghim 124
3.4.3.1. Th nghim 124
3.4.3.2. Nh 126
KT LUG 3 127
KẾT LUẬN CHUNG 128
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 133
TÀI LIỆU THAM KHẢO 134
PHỤ LỤC – CHƯƠNG TRÌNH ĐỀ MÔ GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ PHÁT HIỆN
ẢNH CÓ GIẤU TIN 145
9
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
DCT Discrete Cosine Transform
DFT Discrete Fourier Transform
DWT Discrete Wavelet Transform
DIH Difference Image Histogram
FIR Finite Impulse Response
HVS Human Visual System
HKC tin Hwang, J. Kim Choi
IWT Integer Wavelet Transform
IDCT Inverse Discrete Cosine Transform
IDWT Inverse Discrete wavelet transform
i.i.d Independent and Identically Distributed
JPEG Joint Photographic Experts Group
LLRT Logarithm Likelihood Ratio Test
LSB Least Significant Bit
MBNS Multiple-Base Notational System
MOS Mean Opinion Score
MSB Most Significant Bit
MSE Mean Squared Error
NSAS
Pdf Probability Density Function
PNG Portable Network Graphics
PMF Probability Mass Function
PR Pseudo Random
PSNR Peak Signal To Noise Ratio
PoV Pair of Value
QIM Quantization Index Modulation
RS Regular /Singular
RVH Reversible Vertical Horizontal Technique
RCM Reversible Contrast Mapping
SS Spread Spectrum
SSIS Spread Spectrum Image Steganography
10
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bng 1.1. Bi tng trong tp 38
B t
0
ng v x
0
theo bng lp sn trong [108] 47
Bi nh theo t
0
p
0_1
,
LSB_30
,
LSB_50
,
LSB_70
,
LSB_100
48
B
1
2
ng v theo bng lp sn trong [108] 51
Bng 2.4. Kt qu i nh ng v
1
2
trong bng 2.3 51
Bi
0_1
,
LSB_
30
,
LSB_
50
,
LSB_
70
,
LSB_
100
bng
k thu lch
chu
1
2
52
Bng 2.6: Kt qu th nghi 59
Bng 2.7: Kt qu th nghi 61
Bng 2.8: Kt qu th nghic lng 61
Bng 2.9. Bng thn sut xut hin c n ting Anh 64
Bng 2.10. Th nghi ch |c
i
j
s
i
j
| ca nh gc 65
B sai lch gia tn sut ca nh kinh c l 67
Bng 2.12. Kt qu c lng xp x i tp 10 nh 69
Bng 2.13. Kt qu c lng xp x theo (p 10 nh chun 69
Bng 2.14. Kt qu i p
0
,
LSB_
30
,
LSB_
50
,
LSB_
70
,
LSB_
100
bng mt s k thun u tin 73
Bng 2.15. Kt qu p nh gm 10440 nh (
0
LSB_
30
,
LSB_
50
,
LSB_
70
,
LSB_
100
) 73
Bng 2.16. Kt qu p nh gm 4176 nh (tp
0
,
LSB_
100
) 74
Bng 2.17. Kt qu c lp
0
,
LSB
_30
,
LSB
_50
,
LSB
_70
,
LSB
_100
75
Bng 2.18. Kt qu thi gian thc hip
0
(2088 nh) 75
Bng 2.19: T l i nh ca k thu l
n
2
[71] vp nh
0
,
25
,
50
,
100
78
Bng 2.20. Kt qu p nh 78
Bng 2.21. Thi gian thc hip J
0
78
Bng 3.1. Bng kt qu p
0
HKC_2500
89
11
Bng 3.2. Kt qu p nh gm 4176 nh (
0
HKC_2500
) 90
Bng 3.3. Kt qu c lp
0
HKC_2500
90
Bng 3.4. Bng kt qu i bng ba k thun: c
Lin ci ti thu xut mp
HKC_R100
91
Bng 3.5. Kt qu p nh U gm 4176 nh (
0
HKC_R100
) 91
Bng 3.6. S dng k thun t i p
DIH_7168
94
Bng 3.7. c lu cho nh Lena.bmp tru tin s dng
DIH bng k thut c l 94
Bng 3.8. Bng kt qu i u tin bp
0
DIH_6000
99
Bng 3.9. Kt qu c lp
0
DIH_6000
100
Bng 3.10. Kim tra nh Lena.bmp tru tin s dng IWH bng k thut
n LSB c s wavelet. 104
Bng 3.11. Kt qu th nghim c l 109
Bng 3.12. Bng kt qu i u tin bp
0
IWH_6000
109
Bng 3.13. Kt qu c lp
0
IWH_6000
109
Bng 3.14. Kim tra p
RVH_7168
b thun t
min LSB 116
Bng 3.15. c lu cho tp
RVH_7168
bng k thu
kh 116
Bng 3.16. T l i nh (gu tin) vi mt s ngng T 126
Bng 3.17. Kt qu c lp
0
RVH_7500
126
12
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
u tin trong nh [84]. 21
nh. 22
a gia nh c- bit [84]. 24
n u tin [84] 29
m t: a) ca tp p, b) ca tp p sau khi lc bng FIR . 34
nh th nghim cho k thu l 59
p 10 nh chun ly v t [107] 68
tn su s cosine: a) nh cover, b) nh stego [94] 71
tn sut: (a) nh gc, (b) nh giu tin bng HKC 81
m Peak: (a) trc khi giu tin, (b) sau khi giu tin 82
tn sut ca: (a) nh gc, (b) nh giu tin bng HKC 83
n ginh nh 128 x 56
m nh Lena (gc), (d) khi dch chuyn,
(e) sau khi giu tin 93
p nh th nghim 95
tn sut h s a nh trc khi giu tin bng DIH: a)
Airplane.bmp, b) Beer.bmp, c) Elaine.bmp, d) House.bmp, e) Lena.bmp,
f) Peppers.bmp, g) Sailboat.bmp, h) Tiffany.bmp 96
tn sut h s a nh sau khi giu tin bng DIH: a)
Airplane.bmp, b) Beer.bmp, c) Elaine.bmp, d) House.bmp, e) Lena.bmp,
f) Peppers.bmp, g) Sailboat.bmp, h) Tiffany.bmp 96
t qu c l p nh
0
p
DIH_6000
100
tn su s wavelet: (a) Bi nh gu, (b) Biu
ng mt ct tn sut h s Z [99]. 102
tn sut h s wavelen cao ca: (a) nh Lena
gnh giu tin v u: (b) T = 3, (c) T = -3, (d) T = 5,
(e) T = -6, (f) T = 8. 103
13
tn sut h s n cao cnh gc: a)
Airplane.bmp, b) Beer.bmp, c) Elaine.bmp, d) House.bmp, e) Lena.bmp,
f) Peppers.bmp, g) Sailboat.bmp, h) Tiffany.bmp 105
tn sut h s n cao: (a) ca nh Lena
gu tin v u: (b) T = 2, (c) T = 4, (d)
T = 6. 106
nghim c lp nh: a) tp
0
p
IWH_6000
110
111
nh Baboon 115
Bi tn sut ca: (a) nh cover_Baboon, (b) nh stego_Baboon 115
t: (a) chn, (b) l ca nh cover_Baboon. Bmp . 117
t: (a) chn,(b) l ca nh stego_Baboon. Bmp 118
c |P
LSB
(0) P
LSB
(1)| cm
n trong tp:a)
0
, b)
RVH_R
25
, c)
RVH_R
50
, d)
RVH_R
75
, e)
RVH_R
100
125
14
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Steganography
1
quan .
[76] (485-
n. Ha Elder (23-
steganos graphia bản viết [27].
T
ctin
) rong
Jessica Fridrich [32].
1
Steganography
15
Hình 1. Kỹ thuật giấu tin công bố trong giai đoạn 1992 – 2007[32]
hay trong
.
Internet hi
(2).
Hình 2. Tỉ lệ phương tiện được lựa chọn để giấu tin năm 2008 [32]
? Theo [18, 27]
16
1/. trong
.
(undistinguishable)
.
apacity) trong
1/ v yu c 2/ nu trn. Ngo ra, vi gi
thng tin trong c em l kh nng ti ki b nh v th gian truy tin
k. 8
595350 pixel
b
(difference image).
thay
bit LSB
[16, 17, 19, 50, 51, 53 - 55, 65, 67, 69, 75, 77, 91, 100].
SS (Spread Spectrum) [3, 4,
26, 60], QIM
(Quantization Index Modulation) [5, 23, 42, 65, 79], hay
khBNS [101], RCM [25], RVH [45
trong M , T
nhng v n c v s ph tri k thu M ,
17
image steganalysis
2
.
hai
, l: T
; T
an ninh I
t
.
:
t (blind steganalysis)
;
constraint steganalysis).
:
- LSB
gian 31, 38, 84, 95, 102
[71
83 59, 81, 82
66].
- cho
OutGuess), [33] 46] (t
2
image steganalysis
18
HKC), [24] (
tin MBNS).
.
an ninh, hay
.
2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
-
LSB
so
-
tin
.
MAP
19
3. Những đóng góp của luận án
- ba LSB
: n , p
2
(
1
2
), p .
-
- tin
:
- K wavelet.
- K .
- KHKC
- K .
T
Washington [103],
4. Tổ chức luận án
ba
Chương 1
n
(PrecisionRecall), (F-measure)
20
Chương 2
LSB ,
1
2
,
.
2
A. Westfeld [15], LLRT K. Sullivan [80]
: RS [31], DI
X. Ping [102] .
Chương 3 k cho
. C
kết luận chung phụ lục.
Phụ lục
21
Chương 1. GIẤU TIN TRONG ẢNH, PHÁT HIỆN ẢNH CÓ
GIẤU TIN VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
, cho
1.1. GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
1.1.1. Khái niệm
(image steganography)
(cover image)
[18, 27, 32].
tin hai
[27, 45,
74]
tin .
Hình 1.1: Sơ đồ quá trình giấu tin trong ảnh [84].
-1
(
c
(Cover) C
tin s
22
Hình 1.2: Sơ đồ quá trình tách tin trong ảnh.
.1 trong
-1
cosine, wavelet,
(image difference).
-
cosine [43
23, 25,
69, 70, 92, 94, 104].
-
72, 99
HL
42, 73, 91, 99].
-
ij
-
1, -
D ={d
ij
} d
ij
=
tin
(Stego) s
(Cover) C
23
x
i,2j+1
x
i,2j
/2 1 d
ij
= x
i,j-1
x
i,j
i m 1, 0 2
[48, 49, 52, 53, 90, 97].
1.1.2. Phương pháp giấu tin và nghiên cứu liên quan
replacement LSB hiding) n
trong ].
tin tin
. Trong -bit
11101100) bit
bit 1110110) MSBs (Most Significant Bit)
, bit LSB
LSB 0
sang 1 1 sang 0
.
LSB
tin tin
tin
8 bit
,
={x
ij
m,
n, x
ij
. tin B
l
= {b
i
l,
b
i
i
ij
theo
={s
ij
24
n, s
ij
theo
1.3 (gi 117).
Hình 1.3. Minh họa giấu thông tin trong LSB của ảnh cấp xám 8 - bit [84].
tin
24 - bit)
bit .
xoay,
cosine [3, 7, 23, 25, 94, 104], wavelet [91, 99]
[49, 53, 90, 97].
Bit LSB hay
theo thứ tự tuần tự ], Jstego
[104 ], DE [91 theo thứ tự ngẫu nhiên
OutGuess [71], F5 [94], Hide
and Seek [69)
Phương pháp tăng giảm LSB (
1 embedding), btin
25
tin
tin. 78, 49
Phương pháp đồng chẵn lẻ, c
k tin
1
LSB tin 1
0
.
. K
l c phng ph
(phương pháp tuần tự, phương pháp ngẫu nhiên, phương pháp
tăng giảm, phương pháp đồng chẵn lẻ) nh
chèn nhiễu SS hay điều chỉnh hệ số lượng tử QIM
Kỹ thuật giấu tin theo hình thức chèn nhiễu SS:
tin
3, 4, 26, 27, 32, 60
Cox [26x
k
tin
d
k
tin x
k
s
k
= x
k
d
k
, s
k
= x
k
x
k
) d
k
= x
k
d
k
s
k
= x
k
e
d
k
.
tron
26
Kỹ thuật giấu tin điều chỉnh hệ số lượng tử QIM:
h
n
}
N
n=1
n
}
N
n=1
, M
tin )=q
M
bao
tin bao
M) = q(X + D(M)) D(M
M
5, 23, 42, 65, 79].
:
tin V
t
[39] T
21, 24, 25, 35, 41,
45, 48, 49, 52, 53, 58, 90, 91, 93, 98, 99]t
KDE (Difference Expansion) (2002)
[90],
1.1),
.
[91]. 2008,
[93]
DE.
27
N,
62
dDIH [49] (2004)
), HKC [41] ,
IWH [99]
98
Multiple-Base Notational System) [101]:
c
[25
RVH [45]
M
1
M
2
1.1.3. Phương pháp đánh giá độ an toàn của một lược đồ giấu tin
hay Cachin
15].
u s c s dt
lut hip tt c nh gc C, tin mt
M, K giu tin, p tt c nh stego S. M giu
tin (thut cp (S
E
, S
X
), vi S
E
:
S
X
: S
E
to ra mng S
t mi C , M K
X
M S
K.
28
Gi s P
C
t ca C . NK M
E
, S
X
P
C
s t P
S
ng ca S
15
Định nghĩa 1.1 Một lược đồ (thuật toán) giấu tin được gọi là an toàn nếu sai phân
Kullback – Leibler giữa hàm mật độ xác suất của P
C
và P
S
theo (1.1) là bằng 0
D
KL
(P
C
|| P
S
) =
(1.1)
Khi D
KL
(P
C
|| P
S
) < ε
thì
lược đồ giấu tin có độ an toàn
ε (ε - secure), trong
đó ε là một số thực dương đủ nhỏ tùy ý cho trước.
D
KL
(P
C
|| P
S
)
, t l P
C
= P
S
(theo b c b trong
L thuy thng tin) - secure
[25, 45, 49, 52, 62, 90, 91, 93, 99]
89]. PSNR
PSNR
MOS (Mean Opinion Score) .1.
Bảng 1.1.
PSNR [dB]
MOS
> 37
31 -37
25 31
20 25
< 20