Nghiên cứu về kỹ thuật giấu tin mật trong ảnh kỹ thuật số
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.68 MB, 49 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
DƢ CÔNG THÀNH
NGHIÊN CỨU VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN MẬT
TRONG ẢNH KỸ THUẬT SỐ
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Hà Nội - 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
DƢ CÔNG THÀNH
NGHIÊN CỨU VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN MẬT
TRONG ẢNH KỸ THUẬT SỐ
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
Mã số: 60480104
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƢỜI HƢỚNG 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 ngƣời
khác, nó mang tính độc lập nhất định với tất cả các công trình nghiên cứu trƣớc đây.
Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và đƣợc 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
Dƣ Công Thành
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cán bộ hƣớng dẫn khoa học TS. Hồ
Văn Canh, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn cho tôi từ những buổi đầu tiên khi tiếp cận với
đề tài luận văn tốt nghiệp. TS. Hồ Văn Canh đã hƣớng dẫn, chỉ bảo cho tôi về phƣơng
pháp nghiên cứu khoa học, cách làm việc khoa học trong suốt thời gian qua.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến toàn thể các thầy cô giáo trƣờng Đại
học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy và tạo điều kiện cho
tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề tài luận văn này. Tôi cũng đã đƣợc học hỏi ở
các thầy cô tinh thần làm việc khoa học, đầy trách nhiệm, các thầy cô cũng đã cung cấp
cho tôi những kiến thức nền tảng trong suốt quá trình học tập. Chính vì thế, qua đây tôi
xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới các thầy cô.
Tiếp đến, tôi xin đƣợc 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 ngƣời 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 ngƣời luôn mạnh khỏe và công tác tốt. Xin chúc các thầy cô
đạt đƣợc nhiều thành tựu trong nghiên cứu và giảng dạy.
Hà Nội, ngày 21 tháng 05 năm 2015
Học viên
Dƣ Công Thành
MỤC LỤC
CHƢƠNG 1 - MộT Số KHÁI QUÁT Về GIấU TIN TRONG ĐA PHƢƠNG TIệN........................ 1
1.1 GIớI THIệU CHUNG ............................................................................................................................. 1
1.2 GIớI THIệU ảNH TĨNH VÀ MộT Số KHÁI NIệM........................................................................................ 1
1.3 CÁC Kỹ THUậT GIấU TIN TRONG ảNH Kỹ THUậT Số .............................................................................. 2
1.4 PHÂN LOạI Kỹ THUậT GIấU TIN TRONG ảNH......................................................................................... 3
1.5 TIÊU 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
CHƢƠNG 2 - MộT Số Kỹ THUậT GIấU TIN MậT VÀ PHÁT HIệN GIấU TIN MậT TRONG
ảNH Kỹ THUậT Số ................................................................................................................................. 5
2.1 GIớI THIệU Về Kỹ THUậT GIấU TIN MậT (STEGANOGRAPHY) ............................................................... 5
2.2 PHƢƠNG PHÁP GIấU TIN MậT STEGANOGRAPHY ................................................................................ 5
2.3 THUậT 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 ĐÁNH GIÁ PHƢƠNG PHÁP GIấU TIN MậT TRONG ảNH Số.................................................................... 13
CHƢƠNG 3 - MộT Số Kỹ THUậT PHÁT HIệN Để ĐÁNH GIÁ CHấT LƢợNG CÁC THUậT
TOÁN GIấU TIN MậT ĐÃ ĐƢợC CÔNG Bố .................................................................................... 19
3.1 MộT Số Kỹ THUậT PHÁT HIệN GIấU TIN MậT TRONG ảNH Số ............................................................... 19
3.2 PHÂN LOạI CÁC Kỹ THUậT PHÁT HIệN GIấU TIN TRONG ảNH .............................................................. 19
3.3 Kỹ THUậT PHÁT HIệN GIấU TIN Cụ THể .............................................................................................. 20
3.3.1
Phát hiện giấu tin trong chữ ký .................................................................................................. 20
3.3.2
Phát hiện giấu tin dựa trên thống kê cụ thể ............................................................................... 21
3.4 Kỹ THUậT PHÁT HIệN GIấU TIN TổNG QUÁT ...................................................................................... 23
3.4.1
Đặc trưng markov ...................................................................................................................... 23
3.4.2
Metric chất lượng hình ảnh ........................................................................................................ 24
3.4.3
Đặc trưng sóng biến đổi wavelet................................................................................................ 24
3.4.4
Ma trận đồng thời xuất hiện ....................................................................................................... 25
3.4.5
Đặc trưng Histogram ................................................................................................................. 25
3.5 PHÁT HIệN GIấU TIN TRONG ảNH Sử DụNG Kỹ THUậT TấN CÔNG TRựC QUAN ..................................... 26
3.6 PHÁT HIệN GIấU TIN TRONG ảNH Sử DụNG Kỹ THUậT TấN CÔNG CHI-SQUARE ................................... 28
3.7 TổNG QUÁT ...................................................................................................................................... 30
CHƢƠNG 4 - THựC NGHIệM ĐÁNH GIÁ KếT QUả VÀ HƢớNG PHÁT TRIểN ..................... 32
KếT LUậN VÀ HƢớNG PHÁT TRIểN ............................................................................................... 37
TÀI LIệU THAM KHảO ...................................................................................................................... 39
DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1: Sơ đồ phƣơng pháp giấu tin trong ảnh số với hai lớp bảo mật ........................... 7
Hình 2: Sơ đồ thuật toán giấu tin trong ảnh với 2 lớp bảo mật ........................................ 8
Hình 3: Quá trình trích xuất thông tin bị che giấu trong ảnh ........................................... 9
Hình 4: Ảnh trƣớc và sau khi biến đổi theo phƣơng pháp module năm ........................ 11
Hình 5: Ảnh trƣớc và sau khi giấu tin sử dụng phƣơng pháp giấu tin mật hai lớp ........ 14
Hình 7: Ảnh trƣớc (bên trái) và sau (bên phải) khi giấu tin ........................................... 26
Hình 8: Phân biệt ảnh trƣớc (bên trái) và sau (bên phải) khi giấu tin sau khi tấn công
trực quan ......................................................................................................................... 27
Hình 9: Tần số xuất hiện của ảnh trƣớc khi giấu tin (trái) và ảnh sau khi giấu tin (phải)
........................................................................................................................................ 29
Hình 10: Ảnh gốc "beat girl" .......................................................................................... 32
Luận văn tốt nghiệp
Chƣơng 1 -
Dư Công Thành
Một số khái quát về giấu tin trong đa
phƣơng 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 đƣợc quan tâm hàng đầu. Ngày nay
các dữ liệu số đƣợc 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 đƣợc mã
hóa theo một cách thức nào đó, cách thức đó cần đƣợc 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 nƣớc. Hệ thống đảm bảo đƣợc các thông tin truy ền đi trong mạng
không bị lộ lọt ra ngoài nhƣng một điểm hệ thống hiện tại chƣa đạt đƣợc 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 lƣợng thông tin số nào đó vào trong
một đối tƣợng 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 ngƣời ngoài phát hiện.
1.2 Giới thiệu ảnh tĩnh và một số khái niệm
Ảnh BITMAP (BMP) đƣợc phát triển bởi Microsoft Corporation, đƣợc lƣu trữ
dƣới 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 đƣợc thể hiện là các điểm ảnh. Qui ƣớc màu đen, trắng
tƣơng ứng với các giá trị 0, 1. Ảnh BMP đƣợc 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
thƣờng đƣợc 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
1
Luận văn tốt nghiệp
Dư Công Thành
(ảnh 16 màu), 8 (ảnh 256 màu), 16 (ảnh 65536 màu) và 24 (ảnh 16 triệu màu). Ảnh
BMP 24 - bit có chất lƣợng 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 thƣờng không đƣợc nén bằng bất kỳ thuật toán nào.
Khi lƣu ảnh, các điểm ảnh đƣợc ghi trực tiếp vào tập tin một điểm ảnh sẽ đƣợc mô tả
bởi một hay nhiều byte tùy thuộc vào giá trị n của ảnh. Do đó, một hình ảnh lƣu dƣới
dạng BMP thƣờng có kích cỡ rất lớn, gấp nhiều lần so với các ảnh đƣợc nén (chẳng
hạn GIF, JPEG hay PNG).
Cấu trúc một tệp ảnh BMP gồm có bốn phần:
-
Bitmap File Header: Lƣu trữ thông tin tổng hợp về tệp ảnh BMP.
Bitmap Information: Lƣu trữ thông tin chi tiết về ảnh bitmap.
Color Palette: Lƣu trữ định nghĩa của màu đƣợc sử dụng cho bitmap.
Bitmap Data: Lƣu 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 đƣợc đem giấu,
hai là bảo vệ cho chính đối tƣợng 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 phƣơng tiện là tận dụng “độ dƣ thừa” của phƣơng tiện giấu để thực hiện việc
giấu tin mà ngƣời ngoài cuộc “khó” cảm nhận đƣợc 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 đƣợc bảo mật sẽ đƣợc ngƣời dùng giấu vào trong một đối tƣợng
dữ liệu số khác (môi trƣờng giấu tin) sao cho sự biến đổi của môi trƣờng sau khi giấu
tin là khó nhận biết, đồng thời ngƣời dùng có thể lấy lại đƣợc các thông tin đã giấu khi
cần. Giấu thông tin số, phát hiện thông tin số ẩn giấu trong dữ liệu đa phƣơng tiện đặc
biệt là trong ảnh số đang là một vấn đề đang đƣợc quan tâm hiện nay trong nhiều lĩnh
vực. Để phát hiện và phân biệt đƣợc 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
thƣơng mại điện tử, sự phát triển của thƣơng mại điện tử mang lại rất nhiều lợi ích, tuy
nhiên bên cạnh đó thì những mặt tiêu cực của nó nhƣ vi phạm bản quyền, giả mạo
thƣơng hiệu cũng ngày một gia tăng. Phƣơng pháp giấu tin có thể đƣợc ứng dụng rộng
rãi để gài các thông tin nhƣ chữ ký, nhãn thƣơng hiệu để chứng minh sự hợp pháp của
sản phẩm, bảo vệ bản quyền…
2
Luận văn tốt nghiệp
Dư Công Thành
1.4 Phân loại kỹ thuật giấu tin trong ảnh
Hàng thập kỷ qua, con ngƣời đã phát triển đáng kể các phƣơng pháp sáng tạo
trong giao tiếp bí mật. Trong đó có 3 kỹ thuật có mối tƣơng 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 phƣơng pháp che giấu thông tin. Giấu tin và mật mã tuy cùng có
mục đích là để đối phƣơng 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 hƣớng lớn, đó là giấu tin mật và thủy vân số.
Độ an toàn và bảo mật thông tin của kỹ thuật giấu tin đƣợc thể hiện ở hai khía
cạnh. Một là bảo vệ cho dữ liệu đem giấu và hai là bảo vệ cho chính đối tƣợng đƣợc sử
dụng để giấu tin. Ứng với hai khía cạnh đó có hai hƣớng kỹ thuật rõ ràng đó là giấu tin
mật và thuỷ vân số. Từ “thuỷ vân” có xuất xứ từ kỹ thuật đánh dấu nƣớc thời xƣa. 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 đƣợc xuất xứ của sản phẩm giấy. Trong thuỷ vân số thông
tin giấu đƣợc gọi là thuỷ vân (watermark).
3
Luận văn tốt nghiệp
Dư Công Thành
1.5 Tiêu chí đánh giá kỹ thuật giấu tin trong ảnh
1.5.1 Tính vô hình
Kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống thị giác của
con ngƣời. Tính vô hình hay không cảm nhận đƣợc của mắt ngƣời thƣờng giảm dần ở
những vùng ảnh có màu xanh tím, thủy vân ẩn thƣờng đƣợc chọn giấu trong vùng này.
1.5.2 Khả năng giấu thông tin
Khả năng giấu thông tin (Hiding Capacity) hay lƣợng thông tin giấu đƣợc (dung
lƣợng) trong một ảnh đƣợc tính bằng tỉ lệ giữa lƣợng thông tin giấu và kích thƣớc của
ảnh. Các thuật toán giấu tin đều cố gắng đạt đƣợc mục tiêu giấu đƣợc nhiều tin và gây
nhiễu không đáng kể. Thực tế, ngƣời ta luôn phải cân nhắc giữa dung lƣợng thông tin
cần giấu với các tiêu chí khác nhƣ chất lƣợng (Quality), tính bền vững (Robustness)
của thông tin giấu.
1.5.3 Chất lƣợng của ảnh có giấu thông tin
Chất lƣợng của ảnh có giấu tin đƣợc đánh giá qua sự cảm nhận của mắt ngƣời.
Nên chọn những ảnh có nhiễu, có những vùng góc cạnh hoặc có cấu trúc, làm ảnh môi
trƣờng vì mắt thƣờng ít nhận biết đƣợc sự biến đổi, khi có tin giấu, trên những ảnh này.
1.5.4 Tính bền vững của thông tin đƣợc 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 nhƣ nén, lọc, biến đổi, tỉ lệ,…
1.5.5 Thuật toán và độ phức tạp của thuật toán
Cần nắm đƣợc 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 phƣơng pháp giấu tin trong ảnh. Yêu cầu về độ
phức tạp tính toán phụ thuộc vào từng ứng dụng. Những ứng dụng theo hƣớng
Watermark thƣờng có thuật toán phức tạp hơn hƣớng Steganography.
4
Luận văn tốt nghiệp
Chƣơng 2 -
Dư Công Thành
Một số kỹ thuật giấu tin mật và phát hiện
giấu tin mật trong ảnh kỹ thuật số
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 tƣợng dữ liệu khác.
Theo Lou et al [1], giấu tin mật là phƣơng pháp che giấu sự tồn tại của thông tin
vào trong các đối tƣợng mang khác nhau. Mục đích chính của việc che giấu là để ngăn
chặn việc phát hiện thông tin đã đƣợc che giấu. Các phƣơng pháp giấu tin mật nổi tiếng
nhất của kỹ thuật giấu tin mật truyền thống đƣợc thực hiện từ những năm 440 trƣớc
Công nguyên. Các phƣơng pháp đƣợc sử dụng nhƣ là che giấu các tài liệu bí mật bằng
mực vô hình, giống nhƣ sử dụng nƣớt cốt chanh để che giấu thông tin. Phƣơng 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. Ƣu điểm chính của phƣơng pháp giấu tin mật là do cơ chế bảo
mật đơn giản của nó bởi vì thông tin đƣợc giấu đƣợc lồng ghép một cách vô hình và
đƣợc che phủ bên trong một nguồn vô hại khác (nhƣ 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
lƣợc 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
Phƣơng pháp giấu tin mật trong ảnh kỹ thuật số đã đƣợc nghiên cứu và thực
hiện bởi nhiều nhà nghiên cứu (ví dụ nhƣ 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 đƣợc che giấu bên trong một thông điệp chứa (cover
message). El-Elmam [5] đề xuất một phƣơng pháp để che giấu một lƣơng lớn dữ liệu
với độ bảo mật cao. Thuật toán của El-Elmam dựa trên giâu một số lƣợng lớn tệp tin
5
Luận văn tốt nghiệp
Dư Công Thành
dữ liệu (ảnh, âm thanh, video, chữ...) bên trong một ảnh màu bitmap. Chen et al [6] sửa
đổi một phƣơng pháp sử dụng trong [7] sử dụng phƣơng 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 phƣơng pháp giấu tin trong ảnh số sử dụng hai lớp bảo mật để đảm
bảo quyền riêng tƣ, sự bảo mật và độ chính xác của dữ liệu đƣợc 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 đƣợc
giấu.
Ở hình 1 cho thấy khi giấu dữ liệu vào trong ảnh, bƣớc đầu tiên cần phải cung
cấp tên đăng nhập và mật khẩu trƣớc khi sử dụng hệ thống. Khi ngƣời 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 đƣợc chọn. Sử dụng phƣơng pháp giấu tin mật, các thông
tin đƣợc nhúng và che giấu trong ảnh mà gần nhƣ không làm biến dạng hình ảnh ban
đầu. Quá trình lấy dữ liệu giấu bên trong ảnh đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng một
khóa bí mật để lấy các thông tin đƣợc giấu bên trong ảnh. Nếu không có khóa bí mật
thì không thể lấy đƣợc các thông tin giấu bên trong bức ảnh. Điều này giúp đảm bảo
tính toàn vẹn và bảo mật của dữ liệu.
6
Luận văn tốt nghiệp
Dư Công Thành
Hình 1: Sơ đồ phƣơng pháp giấu tin trong ảnh số với hai lớp bảo mật
Hình 2 mô tả kiến trúc thuật toán giấu tin trong ảnh với hai lớp bảo mật. Đầu
tiên các thông tin bí mật đƣợc chuyển thành dạng file văn bản sau đó các tệp tin đƣợc
nén thành file zip. Các tệp tin file zip này dùng để chuyển đổi thành mã nhị phân. Mục
đích của việc nén các tệp tin văn bản là giúp thông tin đƣợc bảo mật hơn so với tệp tin
không nén. Các nội dung trong tệp tin cũng sẽ khó có thể phát hiện và đọc đƣợc hơn.
Hơn nữa hàng loạt các mã nhị phân của file nén và khóa là một đoạn mã dài và ngẫu
nhiên gồm toàn các số 0 và 1. Một phƣơng pháp che giấu dữ liệu đƣợc sử dụng để giấu
đi hai mã nhị phân cuối cùng trong serial đƣợc mã hóa thành một điểm ảnh trong hình
ảnh. Sau đó hai mã nhị phân tiếp theo đƣợc mã hóa mã hóa đến điểm ảnh tiếp theo
trong hình ảnh. Quá trình này đƣợc lặp đi lặp lại đến khi tất cả các mã nhị phân đƣợc
mã hóa. Khóa bí mật ở đây đóng vai trò nhƣ một ổ khóa sử dụng để khóa hoặc mở
khóa thông tin mật đƣợc giấu. Cứ mỗi hai bít cuối cùng đƣợc mã hóa thành từng điểm
ảnh trong hình ảnh ban đầu sẽ đảm bảo đƣợc hình ảnh ban đầu sẽ không bị thay đổi và
biến dạng quá nhiều.
7
Luận văn tốt nghiệp
Dư Công Thành
Bắt đầu
Input: Cover_Image, Secret_Message, Secret_Key;
Chuyển Secret_Message sang Text_File;
Nén Text_File;
Chuyển Zip_Text_File sang Binary_Codes;
Chuyển Secret_Key sang Binary_Codes;
Gán các BitsPerUnit bằng 0;
Mã hóa Message thành Binary_Codes;
Thêm mỗi 2 đơn vị cho các bitsPerUnit;
Output: Stego_Image;
Kết thúc
Hình 2: Sơ đồ thuật toán giấu tin trong ảnh với 2 lớp bảo mật
Một khi thông tin đƣợc giấu bên trong ảnh chứa thông tin giấu, thông tin này có
thể đƣợc trích lại từ các ảnh sau khi giấu. Hình 3 cho thấy quá trình trích xuất thông tin
bị giấu từ ảnh bị giấu. Để lấy một thông tin chính xác từ hình ảnh, cần một khóa bí mật
cho việc xác minh trƣớc khi lấy ra thông tin bị che giấu.
Quá trình trích xuất dữ liệu trong hình 3 cho thấy một khóa bí mật dùng để so
sánh khóa này có phù hợp với khóa đƣợc giải mã từ hàng loạt các mã nhị phân hay
không. Khi khóa bí mật phù hợp thì quá trình tiếp tục bằng cách tạo ra các mã nhị phân
vào một tệp văn bản tin nén và giải nén các tập tin văn bản. Sau đó thuật toán sẽ lấy các
thông tin mật từ file văn bản ra thành thông điệp gốc.
Bắt đầu
Input: Stego_Image, Secret_Key;
Kiểm tra và so sánh Secret_Key;
Tính toán BitsPerUnit;
Giải mã All_Binary_Codes;
Thay đổi 2 đơn vị cho các bitsPerUnit;
8
Luận văn tốt nghiệp
Dư Công Thành
Chuyển Binary_Codes thành Text_File;
Giải nén Text_File;
Output: Secret_Message;
Kết thúc
Hình 3: Quá trình trích xuất thông tin bị che giấu trong ảnh
Trọng tâm chính của thuật toán này là việc chuyển các thông điệp bí mật vào tệp
tin văn bản, nén tệp tin, sau đó sử dụng một khóa bí mật để chuyển đổi cả file nén và
khóa bí mật thành hàng loạt các mã nhị phân và việc mã hóa hai mã nhị phân cuối
thành điểm ảnh trong hình ảnh. Chất lƣợng hình ảnh bị biến dạng đƣợc giảm tới mức
tối thiểu hoặc không làm biến dạng. Thông điệp bí mật cũng rất khó để có thể phát hiện
bằng steganalysis.
2.3.2 Thuật toán giấu tin trong ảnh số bằng phƣơng pháp module năm
Phƣơng pháp module năm (the five modules method) đƣợc giới thiệu lần đầu
tiên vào năm 2012 [9]. Ý tƣởng cơ bản của phƣơng pháp này dựa trên khái niệm sau:
một điểm chung giữa các hình ảnh là các điểm ảnh lân cận nhau có mối tƣơng quan với
nhau. Vì vậy, đối với các ảnh đa mức xám (bi-level image), những điểm ảnh lân cận
dƣờng nhƣ giống với điểm ảnh gốc. Do đó phƣơng pháp module năm phân chia thành
các khối k x k điểm ảnh. Rõ ràng đối với ảnh đa mức xám, chúng ta biết rằng mỗi điểm
ảnh có giá trị từ 0 đến 255. Do đó, nếu chúng ta có thể biến đổi mỗi số trong phạm vi
đó thành các số chia hết cho 5 thì cũng sẽ không ảnh hƣởng tới hệ thống thị giác của
con ngƣời (human visual system). Ý tƣởng cơ bản của phƣơng pháp module năm là để
kiểm tra toàn bộ các điểm ảnh trong khối k x k và chuyển mỗi điểm ảnh đó vào thành
các số chia hết cho 5 theo thuật toán:
If Pixel mod 5 = 4
Pixel = Pixel + 1
Else if Pixel mod 5 = 3
Pixel = Pixel + 2
Else if Pixel mod 5 = 2
Pixel = Pixel - 2
Else if Pixel mod 5 = 1
Pixel = Pixel – 1
9
Luận văn tốt nghiệp
Dư Công Thành
Với Pixel là đại diện ảnh của các block k x k. Bảng 2 chƣa thông tin chuyển đổi:
Bảng 1: Bảng chuyển đổi module năm
Cũ
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Mới
0
0
0
5
5
5
5
5
10
10
10
Cũ
111
112
113
114
115
…
221
222
…
254
255
…
Mới
110
110
115
115
115
…
220
220
…
255
255
Nhƣ vậy bất kỳ số nào nằm trong khoảng từ 0 – 255 đều có thể biến đổi theo
bảng trên thành các số chia hết cho 5 tùy thuộc vào phần dƣ của số ban đầu khi chia
cho 5.
(a)
(b)
10
Luận văn tốt nghiệp
Dư Công Thành
(c)
(d)
Hình 4: Ảnh trƣớc và sau khi biến đổi theo phƣơng pháp module năm
Ở Hình 4, chúng ta có thể thấy rằng mắt thƣờng không thể phân biệt đƣợc sự
khác nhau giữa ảnh gốc (a, c) và ảnh sau khi biến đổi bằng phƣơng pháp module năm
(b, d).
Chúng ta sẽ sử dụng phƣơng pháp PSNR (peak signal-to-noise ratio) để đánh
giá phƣơng pháp module năm. Kết quả nhƣ bảng dƣới:
Tên ảnh
PSNR
(a) và (b)
51.0611
(c) và (d)
35.2874
Thuật toán giấu tin mật sử dụng phƣơng pháp module năm
Theo nhƣ phần trƣớc đã trình bày, việc chuyển đổi 5 module không ảnh hƣởng
tới hệ thống thị giác của con ngƣời. Do đó một thuật toán đƣợc đề xuất có tên là STFMM (steganography by the Five module method) để có thể giấu các thông tin mật bên
trong ảnh kỹ thuật số. Tất cả các giá trị điểm ảnh bên trong ảnh đều là các số chia hết
cho 5. Vì vậy nếu tồn tại giá trị mà không chia hết cho 5 trong khối k x k thì sẽ là giá trị
khác biệt.
Việc xác định kích thƣớc cửa sổ k x k phù hợp cho giấu tin mật rất quan trọng.
Kích thƣớc cửa sổ nhỏ hơn là tốt hơn vì nó giúp tăng số lƣợng ký tự giấu đƣợc bên
trong ảnh gốc. Công thức giúp xác định kích thƣớc cửa sổ k x k nhƣ sau:
n: số lƣợng ký tự sẽ sử dụng trong thông điệp cần giấu tin.
⌈.⌉: Toán tử làm tròn lên số nguyên gần nhất cho các số thập phân.
Số lƣợng phần tử bên trong cửa sổ k x k là k2. Vì vậy để tăng số lƣợng các ký tự
dùng đƣợc trong cửa sổ k x k, một thủ tục lặp đã đƣợc đề xuất để cải tiến vấn đề này.
Do phần dƣ của 5 gồm 1, 2, 3, 4 nên ta quy định nếu nhƣ phần dƣ là 1 thì tức là cửa sổ
đang ở vòng lặp đầu tiên. Tƣơng tự nếu là 2 thì cửa sổ đang ở vòng lặp thứ 2… Do đó
số lƣợng giá trị mà cửa sổ k x k có thể chứa đƣợc là:
11
Luận văn tốt nghiệp
Dư Công Thành
Để trích xuất giá trị của ký tự trong bảng mã ASCII từ ảnh đƣợc giấu tin ta sử
dụng công thức:
reminder: vòng lặp của cửa sổ k x k
position: vị trí phần tử cần xác định giá trị
index: chỉ số bắt đầu của cửa sổ
Trƣờng hợp cửa sổ 5 x 5
Đối với 95 ký tự ASCII thông thƣờng hay sử dụng thì ta có thể áp dụng công
thức tính kích thƣớc cửa sổ nhƣ sau:
Do kích thƣớc của cửa sổ phù hợp để giấu 95 ký tự ASCII hay sử dụng là 5. Do
đó mục tiêu của phần này là giảm kích thƣớc cửa sổ mà vẫn chứa đƣợc nhiều ký tự.
Đối với cửa sổ 5x5 thì có thể chứa đƣợc tối đa là 4x52 = 100 ký tự. Thông thƣờng để
chứa đầy đủ toàn bộ 128 ký tự ASCII thì cần 1 cửa sổ có kích thƣớc là 6.
Ví dụ dƣới đây mô tả cách giấu thông tin mật vào trong ảnh sử dụng phƣơng
pháp module năm.
35
70
60
65
65
61
50
55
55
60
50
115
110
110
110
120
105
105
110
110
35
115
120
110
110
125
115
105
110
110
35
117
115
110
105
115
105
100
105
105
50
120
120
120
115
115
110
120
115
115
65
70
75
80
80
80
90
85
85
85
113
110
110
110
105
105
105
100
100
105
110
110
110
110
105
105
110
110
110
110
12
Luận văn tốt nghiệp
Dư Công Thành
105
110
110
110
110
105
115
110
105
105
115
115
115
110
110
105
124
115
110
110
Ví dụ trên sử dụng cửa sổ 5 x 5 để giấu thông tin mật trong ảnh số. Ở cửa sổ đầu
tiên tất cả các số đều chia hết cho 5 ngoại trừ 117. 117 mod 5 bằng 2 nên sẽ có 2 vòng
lặp. Vị trí của 117 là ở cửa sổ thứ nhất và ở vị trí thứ 9 theo cột từ trái qua phải. Nhƣ
vậy theo công thức thì giá trị ký tự ẩn sẽ là: (9 + (2-1)*52)+(32-1) = 65 tƣơng ứng với
ký tự A trong bảng mã ASCII. Trong đó 32 là ký tự bắt đầu trong dãy 95 ký tự ASCII
thƣờng sử dụng. Sử dụng công thức trên áp dụng tƣơng tự cho các cửa sổ tiếp theo ta
sẽ đƣợc các ký tự tƣơng ứng là: 61 => (1+0*25) + 31 = 32 tƣơng ứng ký tự cách, 113
=> (2 +31+2*25) = 83 tƣơng ứng ký tự S, 124 => (10+31+3*25) = 116 tƣơng ứng ký
tự t.
Trƣờng hợp cửa sổ 3 x 3
Trong trƣờng hợp chúng ta chỉ cần ẩn các ký tự là chữ cái mà không cần giấu
các ký tự số hay ký tự đặc biệt thì cửa sổ 3 x 3 có thể đáp ứng đƣợc việc này. Chúng ta
có thể giấu 26 ký tự trong bảng chữ cái tiếng Anh và kích thƣớc của cửa sổ sẽ là:
Chúng ta nhận thấy cửa sổ 3x3 nhỏ hơn cửa sổ 5x5 nên có thể giấu đƣợc nhiều
ký tự hơn trong 1 ảnh gốc do ta chỉ cần 9 điểm ảnh để có thể giấu 1 ký tự ASCII so với
25 điểm ảnh của cửa sổ 5x5.
2.4 Đánh giá phương pháp giấu tin mật trong ảnh số
Chúng ta sử dụng phƣơng pháp PSNR (peak signal-to-noise ratio) để đánh giá
thuật toán giấu tin mật trong ảnh số. PSNR là số đo chuẩn đƣợc sử dụng trong kỹ thuật
steganography để kiểm tra chất lƣợng hình ảnh sau khi giấu tin. Các giá trị PSNR càng
cao thì chất lƣợng ảnh giấu tin càng tốt. Nếu ảnh gốc là C có kích thƣớc M x M và hình
ảnh bị giấu tin là S có kích thƣớc N x N, mỗi ảnh C và S sẽ có giá trị điểm ảnh (x, y) từ
0 tới M-1 và 0 tới N-1 tƣơng ứng. PSNR sẽ đƣợc tính nhƣ sau:
13
Luận văn tốt nghiệp
Dư Công Thành
Với:
MAX là giá trị điểm ảnh tối đa của hình ảnh. Ví dụ nếu các điểm ảnh đƣợc sử
dụng là 8 bit cho mỗi mẫu, thì giá trị MAX la 255.
Nếu hình ảnh sau khi giấu tin có giá trị PSNR cao hơn thì ảnh sau khi giấu có
chất lƣợng tốt hơn. Bảng 1 cho thấy các giá trị PSNR đƣợc tính toán bằng công thức
PSNR.
Hình 5: Ảnh trƣớc và sau khi giấu tin sử dụng phƣơng pháp giấu tin mật
hai lớp
Ảnh đƣợc giấu
PSNR cho 1 Kb thông tin giấu trong ảnh
Hình 5
81.47 dB
Số điểm ảnh của ảnh gốc cần đáp ứng các yêu cầu tối thiểu đối với quá trình che
giấu dữ liệu. Các điểm ảnh tối thiểu cần có chiều rồng tối thiệu là 150 px và chiều cao
tối thiểu là 112 px.
Những ảnh có kích thƣớc nhỏ (1MB) vẫn có thể giấu đƣợc những thông tin bí
mật bên trong. Kích thƣớc lớn nhất của một file nén đƣợc giấu bên trong 1 MB ảnh
BMP sử dụng thuật toán này là 3.16 KB. Có nghĩa là ảnh gốc có thể mã hóa 10.553 ký
14
Luận văn tốt nghiệp
Dư Công Thành
tự với dấu cách (hay 1508 tƣơng đƣơng với 4 trang tài liệu) với sự biến dạng của ảnh
sau khi giấu tin gần nhƣ bằng 0. Nhƣ hình 4, ta thấy ảnh gốc và ảnh sau khi giấu tin
gần nhƣ giống nhau hoàn toàn và mắt thƣờng không thể nhận ra.
Bảng 1 cho thấy một vài kết quả thử nghiệm với ảnh bitmap với các kích thƣớc
khác nhau khi giấu thông tin mật.
Bảng 2: Kết quả thử nghiệm giấu tin trong ảnh bitmap với kích thƣớc khác
nhau sử dụng phƣơng pháp giấu tin mật hai lớp
Ảnh gốc
Tệp văn bản
Tệp tin nén
Ảnh sau khi
giấu tin
Giấu tin
Trích xuất
thông tin
438 KB
4.01 KB
513 bytes
584 KB
√
√
438 KB
12.1 KB
4.34 KB
Thất bại
1 MB
10.4 KB
3.16 KB
1.34 MB
√
√
1 MB
10.5 KB
3.15 KB
Thất bại
3.14 MB
12.1 KB
4.34 KB
4.19 MB
√
√
3.14 MB
27.0 KB
6.95 KB
4.19 MB
√
√
3.14 MB
54.1 KB
7.03 KB
Thất bại
6.74 MB
54.1 KB
7.03 KB
8.99 MB
√
√
9.9 MB
334 KB
8.48 KB
13.2 MB
√
√
9.9 MB
335 KB
8.49 KB
Thất bại
Tiếp theo chúng ta sử dụng PSNR để đánh giá kết quả đối với ảnh đƣợc giấu tin
bằng phƣơng pháp modulo năm. Ảnh đƣợc thử nghiệm là ảnh đa mức xám Lena có
kích thƣớc 512 x 512. Ảnh gốc sẽ đƣợc giấu các lƣợng thông tin lần lƣợt là 1 KB, 2KB,
4 KB, 6KB, 8 KB và 10 KB. Nhƣ vậy thử nghiệm đƣợc thực hiên gồm 6 ảnh sau khi
giấu tin. Kích thƣớc cửa sổ đƣợc chọn là 5 x 5, tức là văn bản đƣợc giấu sẽ có bao gồm
95 ký tự ASCII thông thƣờng. Các ảnh gốc và ảnh sau khi giấu tin thu đƣợc nhƣ dƣới:
15
Luận văn tốt nghiệp
Dư Công Thành
Ảnh gốc
Ảnh giấu 1 KB dữ liệu
Ảnh giấu 2 KB dữ liệu
Ảnh giấu 4 KB dữ liệu
16
Luận văn tốt nghiệp
Dư Công Thành
Ảnh giấu 6 KB dữ liệu
Ảnh giấu 8 KB dữ liệu
Ảnh giấu 10 KB dữ liệu
Rõ ràng bằng mắt thƣờng thì ta không thể nhìn thấy sự khác nhau giữa các ảnh
đƣợc giấu từ 1 KB dữ liệu tới 10 KB dữ liệu ở trên. Do đó việc giấu thông tin ảnh
hƣởng rất ít tới chất lƣợng của ảnh đã đƣợc giấu tin. Hơn nữa, kết quả của PSNR cho
các ảnh đƣợc giấu khối lƣợng thông tin khác nhau đƣợc thể hiện ở bảng dƣới.
Dung lƣợng file đƣợc giấu
PSNR cho ảnh Lena sau khi giấu
1 KB
44.6920
2 KB
44.6086
4 KB
44.4492
17
