Tìm hiểu các kỹ thuật giấu tin trong ảnh

[Type text]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TT

Phạm Trung Thành

TÌM HIỂU CÁC KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH

Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 60 48 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Thế Hồng

Thái Nguyên - 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................3

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIẤU THÔNG TIN...........................................5

1.1. Giới thiệu chung:................................................................................................5

1.2. Giấu thông tin và vài nét về lịch sử của nó ......................................................6

1.2.2. Phân loại các kỹ thuật giấu tin: .....................................................................7

1.2.3. Vài nét về lịch sử giấu tin:.............................................................................9

1.3. Mô hình kỹ thuật giấu tin................................................................................10

1.4. Một số ứng dụng đang đƣợc triển khai: ........................................................12

1.5. Giấu thông tin trong dữ liệu đa phƣơng tiện: ...............................................14

1.5.1 Giấu thông tin trong ảnh:..............................................................................14

1.5.2 Giấu thông tin trong audio: ..........................................................................15

1.5.3. Giấu thông tin trong video...........................................................................16

1.6. Độ an toàn của một hệ thống giấu tin.............................................................17

1.7. Các tấn công trên hệ giấu tin ..........................................................................18

CHƢƠNG 2. CÁC TÍNH CHẤT VÀ ĐẶC TRƢNG CỦA GIẤU THÔNG TIN

TRONG ẢNH ..........................................................................................................19

2.1. Giấu thông tin trong ảnh, những đặc trƣng và tính chất.............................19

2.2. Giấu thông tin trong ảnh đen trắng, ảnh màu và ảnh đa cấp xám .............21

2.3. Hệ thống thị giác ngƣời và các mô hình màu của ảnh..................................23

2.4. Biểu diễn ảnh trên máy tính: ..........................................................................27

2.4.1. Ảnh vector ...................................................................................................29

2.4.2. Ảnh mành ....................................................................................................30

2.5. Các định dạng ảnh thông dụng......................................................................32

2.5.1. Định dạng ảnh IMG.....................................................................................32

2.5.2. Định dạng ảnh PCX.....................................................................................33

2.5.3. Định dạng ảnh TIFF (Targed Image File Format) ......................................33

2.5.4. Định dạng ảnh GIF (Graphics Interchanger Format)..................................34

2.6. Nén ảnh ............................................................................................................34

2.6.1. Tỉ lệ nén (Compression rate)......................................................................35

2.6.2. Một số phƣơng pháp nén ảnh ......................................................................35

2.7. Một số tiêu chí đánh giá kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh số ....................38

2.7.1 Tính vô hình .................................................................................................38

2.7.2. Khả năng giấu thông tin ..............................................................................38

2.7.3. Chất lƣợng của ảnh có giấu thông tin..........................................................38

2.7.4. Tính bền vững của thông tin đƣợc giấu.......................................................39

2.7.5. Thuật toán và độ phức tạp tính toán ............................................................39

2.8. Một số chƣơng trình giấu tin trong ảnh........................................................40

2.8.1. Hide And Seek V4.1....................................................................................40

2.8.2. Stego Dos....................................................................................................40

2.8.3. White Noise Storm ......................................................................................40

2.8.4. S – Tools for Windows................................................................................40

2.9. Các kỹ thuật xử lí điểm ảnh:...........................................................................41

CHƢƠNG 3. MỘT SỐ THUẬT TOÁN GIẤU THÔNG TIN ............................43

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2

3.1. Giới thiệu...........................................................................................................43

3.2. Thuật toán giấu thông tin trong khối bit. ......................................................45

3.2.1. Kỹ thuật giấu tin ngây thơ ...........................................................................45

3.2.2. Kỹ thuật giấu tin Wu - Lee .........................................................................50

3.2.3. Kỹ thuật giấu tin Chen – Pan – Tseng.........................................................53

3.3. Thuật toán giấu thông tin thay thế bit có trọng số thấp nhất......................57

3.3.1. Thuật toán....................................................................................................59

3.3.2. Phân tích, đánh giá thuật toán. ....................................................................61

3.4. Một số kỹ thuật giấu tin khác .........................................................................61

3.4.1. Kỹ thuật giấu tin dựa trên bảng màu ...........................................................62

3.4.2. Kỹ thuật trải phổ (Spread Spectrum Communication)................................62

3.4.3. Kỹ thuật dùng hệ số DCT (Discrete Cosine Transform).............................63

CHƢƠNG 4. TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG............................................................64

4.1. Phân tích và định rõ yêu cầu ..........................................................................64

4.2. Yêu cầu về cấu hình hệ thống ........................................................................ 64

4.3. Thiết kế chƣơng trình .....................................................................................64

4.4. Hƣớng dẫn sử dụng chƣơng trình .................................................................. 65

4.5. Kết quả thử nghiệm........................................................................................ 67

4.6. Hƣớng phát triển tiếp theo ............................................................................. 69

KẾT LUẬN..............................................................................................................70

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................71

Tiếng Việt.................................................................................................................71

Tiếng Anh.................................................................................................................71

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

3

MỞ ĐẦU

Sự ra đời và tiến bộ vƣợt bậc của công nghệ thông tin đƣợc đánh giá là động

lực chính của sự thay đổi, là bƣớc ngoặt trong lịch sử phát triển của xã hội, đƣa thế

giới chuyển từ kỷ nguyên công nghiệp sang kỷ nguyên thông tin và phát triển nền

kinh tế tri thức. Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đã đem lại những thay đổi

sâu sắc trong cuộc sống của nhân loại. Hàng loạt máy móc và các thiết bị số hiện

đại nhƣ máy tính cá nhân, máy ảnh kỹ thuật số, máy quét, máy in, máy ghi âm kỹ

thuật số đã ra đời đem lại nhiều tiện ích cho ngƣời sử dụng. Đi kèm theo những

phần mềm xử lý tiện ích là vấn nạn vi phạm bản quyền, ăn cắp thông tin, truy cập

trái phép ngày càng tinh vi và khó kiểm soát. Hiện đã có một số kỹ thuật đƣợc đề

xuất để khắc phục những vấn đề trên ví dụ nhƣ mã hóa thông tin, chữ ký số, RSA,

giấu tin trong các sản phẩm đa phƣơng tiện.

Kỹ thuật giấu tin đƣợc biết đến bởi hai lĩnh vực chủ yếu là Steganography

(giấu tin mật) và Watermarking (thủy vân). Steganography là kỹ thuật giấu tin mật

vào các dữ liệu truyền thông (Ảnh, văn bản, nhạc, phim..) để chuyển tải đến ngƣời

nhận mà thứ ba không thể biết đến sự tồn tại của thông tin mật trong quá trình

truyền. Kỹ thuật Steganography cũng làm thay đổi tƣ duy trong lĩnh vực bảo mật

thông tin bởi tính khả thi của việc ẩn một lƣợng thông tin mật trong một dữ liệu

thông thƣờng mà khó bị phát hiện bằng giác quan của con ngƣời. Bên cạnh đó

Watermarking đƣợc sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực bảo vệ bản quyền sản phẩm số

bằng cách đƣa thông tin bản quyền nhƣ tên tác giả, logo.. vào sản phẩm. Với sự tồn

tại của thông tin thủy vân nhà sản xuất có thể chứng minh đƣợc nguồn gốc của sản

phẩm khi sản phẩm đƣợc phát tán không hợp pháp. Cả hai kỹ thuật đƣợc sử dụng

với các mục đích khác nhau song chúng đều có đặc điểm chung là giấu thông tin

vào sản phẩm số sao cho không bị phát hiện bởi ngƣời thứ ba trong quá trình trao

đổi thông tin trên mạng.

Hiện nay kỹ thuật giấu thông tin mật đã đƣợc quan tâm, nghiên cứu và đƣợc

triển khai ứng dụng rộng rãi trong các cơ quan quân sự, ngoại giao, an ninh, giáo

dục và cả các doanh nghiệp khi cần trao đổi các thông tin quan trọng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

4

Xuất phát từ những nhu cầu trên, học viên quyết định lựa chọn đề tài “Tìm

hiểu các kỹ thuật giấu tin trong ảnh” nhằm nghiên cứu, đánh giá các kỹ thuật giấu

tin trong ảnh và chọn lựa một vài các kỹ thuật giấu tin tốt để cài đặt thử nghiệm và

so sánh đánh giá.

Nội dung luận văn được trình bày trong bốn chương:

Chƣơng 1 trình bày một số khái niệm cơ bản của kỹ thuật giấu thông tin; phân loại

các kỹ thuật giấu tin; những ứng dụng cơ bản; mô hình tổng quát của kỹ thuật giấu

tin và một vài phần mềm giấu tin hiện có.

Chƣơng 2 trình bày các nghiên cứu về kỹ thuật giấu tin trong môi trƣờng ảnh; sự

khác biệt của kỹ thuật giấu tin trong các loại ảnh khác nhau; các tính chất và yêu

cầu của hệ giấu tin trong ảnh.

Chƣơng 3 khảo sát, đánh giá, so sánh một số kỹ thuật giấu thông tin cơ bản.

Chƣơng 4 phát triển một chƣơng trình giấu tin thử nghiệm sử dụng hai kỹ thuật giấu

tin “Ngây Thơ” và Chen - Pan - Tseng. Đánh giá và so sánh chất lƣợng của hai kỹ

thuật này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

5

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIẤU THÔNG TIN

1.1. Giới thiệu chung:

Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đã đem lại những thay đổi sâu sắc trong

xã hội và trong cuộc sống của chúng ta. Những thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số

mang lại cũng sinh ra những thách thức và cơ hội cho quá trình đổi mới. Sự ra đời

những phần mềm có tính năng rất mạnh, các thiết bị mới nhƣ máy ảnh kỹ thuật số,

máy quét chất lƣợng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số, v.v... , đã đƣợc sáng tạo

trên cơ sở thoả mãn thế giới tiêu dùng rộng lớn, để xử lý và thƣởng thức các dữ liệu

đa phƣơng tiện (multimedia data). Mạng Internet toàn cầu đã hình thành một xã hội

ảo nơi diễn ra quá trình trao đổi thông tin trong mọi lĩnh vực chính trị, quân sự,

quốc phòng, kinh tế, thƣơng mại…Chính trong môi trƣờng mở và tiện nghi nhƣ thế

xuất hiện những vấn nạn, tiêu cực đang rất cần đến các giải pháp hữu hiệu cho vấn

đề an toàn thông tin nhƣ nạn ăn cắp bản quyền, nạn xuyên tạc thông tin, truy nhập

thông tin trái phép v.v... Tìm giải pháp cho những vấn đề nêu trên không chỉ tạo

điều kiện đi sâu vào lĩnh vực công nghệ phức tạp đang phát triển rất nhanh này mà

còn dẫn đến những cơ hội phát triển kinh tế.

Giải pháp nào cho những vấn đề trên ?

Trong một quá trình phát triển lâu dài, nhiều phƣơng pháp bảo vệ thông tin đã

đƣợc đƣa ra, trong đó giải pháp dùng mật mã học là giải pháp đƣợc ứng dụng rộng

rãi nhất. Các hệ mật mã đã đƣợc phát triển nhanh chóng và đƣợc ứng dụng rất phổ

biến cho đến tận ngày nay. Thông tin ban đầu đƣợc mã hoá thành các ký hiệu vô

nghĩa, sau đó sẽ đƣợc lấy lại thông qua việc giải mã nhờ khoá của hệ mã. Đã có rất

nhiều những hệ mã phức tạp đƣợc sử dụng nhƣ DES, RSA, ... Các phƣơng pháp này

trong thực tế tỏ ra rất hiệu quả và đƣợc ứng dụng phổ biến.

Tuy nhiên trong luận văn không đi sâu nghiên cứu về các hệ mật mã mà chỉ

tiếp cận với một phƣơng pháp đã và đang đƣợc nghiên cứu, phát triển ở nhiều nƣớc

trên thế giới, đó là phƣơng pháp che giấu thông tin. Phƣơng pháp này còn mới và

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

6

phức tạp, ứng dụng trong an toàn và bảo mật thông tin, đang đƣợc xem nhƣ một

công nghệ chìa khoá cho vấn đề bảo vệ bản quyền, nhận thực thông tin và điều

khiển truy cập …

Để bảo đảm an toàn cho nội dung của thông tin, ngƣời ta thƣờng sử dụng

phƣơng pháp mã hoá thông tin, nhằm giấu đi ý nghĩa của nó. Để giữ bí mật cho

thông tin, ngƣời ta tìm ra cách che giấu đi sự hiện diện của nó. Xu hƣớng hiện nay

là kết hợp hai kỹ thuật: mã hóa thông tin sau đó che giấu thông tin. Mã hoá và che

giấu thông tin có quan hệ chặt chẽ với nhau. Nhiều ý tƣởng của kỹ thuật mật mã

(Cryptography) rất hữu ích trong những công việc che giấu sự hiện hữu của thông

tin. Nghiên cứu việc kết hợp hai kỹ thuật mật mã và che giấu dữ liệu, nhằm khắc

phục những nhƣợc điểm hoặc những hạn chế của từng loại, cho phép xây dựng

những hệ thống bảo mật, an toàn cho việc chuyển tải dữ liệu trên các phƣơng tiện

thông tin đại chúng.

Hình 1. Phân cấp các lĩnh vực nghiên cứu của mật mã học.

Giấu thông tin, xét theo khía cạnh tổng quát cũng là một hệ mã mật, nhằm đảm

bảo tính an toàn thông tin. Phƣơng pháp này ƣu điểm là làm vô hình nội dung thông

tin đƣợc chứa trong bức ảnh, đó chính là biện pháp hữu hiệu, hạn chế tối đa đƣợc

sự phá hoại của những tên tin tặc (hacker). Việc gửi đi những bức ảnh thông thƣờng

sẽ không gây ra sự tò mò, chú ý của những tên tin tặc.

1.2. Giấu thông tin và vài nét về lịch sử của nó

1.2.1. Định nghĩa giấu thông tin[16]:

Cryptology

Ngành mật mã

Cryptography

Mật mã

Steganography

Giấu tin mật