Nâng cao chất lượng giấu tin trên ảnh số JPEG.

- Đào Minh Tuấn NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG GIẤU TIN TRÊN ẢNH SỐ JPEG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội 10 - 2014 Học viên: Đào Minh Tuấn Trang 2 LỜI CAM ĐOAN Trước khi đi vào nội dung bản luận văn thạc sĩ của mình, tôi xin cam đoan luận văn này do chính tôi viết, dựa trên những kiến thức, hiểu biết của bản thân, sự chỉ dẫn của thầy hướng dẫn và những thông tin mà tôi tìm hiểu, tham khảo được qua các tài liệu liên quan.
- 10 2) Lịch sử nghiên cứu.
- 11 3) Mục đích nghiên cứu.
- 12 4) Nội dung nghiên cứu.
- 15 6) Phương pháp nghiên cứu.
- TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN, CÁC KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THÁM TIN TRONG ẢNH SỐ JPEG.
- Giấu tin trong ảnh số.
- Ứng dụng cơ bản của giấu tin.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình giấu tin.
- Giấu tin trên ảnh nhị phân.
- Phương pháp Wu-Lee trên ảnh nhị phân.
- Phương pháp CPT trên ảnh nhị phân.
- Đánh giá chất lượng ảnh sau khi giấu tin.
- Các phương pháp phát hiện ảnh có giấu tin.
- Các lược đồ giấu tin trong ảnh JPEG và các phương pháp phát hiện.
- Lược đồ giấu tin Jsteg.
- Lược đồ giấu tin JPHide.
- Lược đồ giấu tin OutGuess.
- Lược đồ giấu tin F5.
- GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ JPEG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔĐUN.
- Giấu tin sử dụng phương pháp Môđun.
- Giấu tin theo phương pháp môđun sử dụng tập 1 – cơ sở.
- Giấu tin theo phương pháp môđun sử dụng tập 2 – cơ sở.
- Sơ đồ giấu tin sử dụng phương pháp môđun trên vành Z2.
- Thực nghiệm về khả năng phát hiện giấu tin của Stegdetect.
- Thuật toán giấu tin JSTEG -thưa.
- Khả năng phát hiện ảnh có giấu tin của Stegdetect.
- Phương pháp đề xuất.
- Giấu tin theo thứ tự các block của ảnh JPEG.
- Giai đoạn giấu tin.
- Tỉ lệ giấu tin.
- Hiệu năng của lược đồ Module(2,18,7.
- Kết hợp mã hóa với giấu tin.
- Phương pháp mã hóa dùng ngôn ngữ nhập nhằng.
- Lược đồ kết hợp mã hóa và giấu tin.
- 88 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM GIẤU TIN THEO LƯỢC ĐỒ MODULE(2,18,7) KẾT HỢP VỚI HỆ MÃ ĐA TRỊ NHẬP NHẰNG MAS 88 Học viên: Đào Minh Tuấn Trang 7 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ TT Tên hình ảnh, đồ thị, bảng số liệu Trang 1 Hình 1.1: Phân loại các kỹ thuật giấu tin 17 2 Hình 1.2: Sơ đồ quá trình giấu tin trong ảnh 19 3 Hình 1.3: Sơ đồ quá trình tách tin trong ảnh 19 4 Hình 1.4: Quá trình nén ảnh JPEG 22 5 Hình 1.5: Ảnh RGB 22 6 Hình 1.6: Matrix zig-zag 25 7 Hình 1.7: Quá trình giải nén ảnh JPEG 25 8 Hình 1.8: Biểu đồ liên hệ giữa số lượng dữ liệu nhúng và tính bền vững 27 9 Hình 1.9: Lược đồ chung cho quá trình thám tin 34 10 Hình 1.10: Nhúng thông tin ẩn gây ra biến đổi lược đồ hệ số DCT 39 11 Hình 1.11: Xác suất nhúng được tính cho các vùng trên ảnh.
- 40 12 Hình 1.12: Sơ đồ lật bít LSB trên các hệ số DCT của thuật toán JSteg 42 13 Hình 1.13: Original 43 14 Hình 1.14: Graph Original 44 15 Hình 1.15: Stego 50% 44 16 Hình 1.16: Stego Hình 1.17: Ảnh hưởng của nhúng bằng F5 tới histogram của hệ số DCT 50 18 Hình 1.18: Ảnh hưởng của 2 lần nén tới histogram của hệ số DCT 51 19 Hình 2.1: Tỉ lệ phát hiện có giấu tin với tham số Quantizer Quality=20 61 20 Hình 2.2: Tỉ lệ phát hiện có giấu tin với tham số Quantizer Quality=40 61 Học viên: Đào Minh Tuấn Trang 8 21 Hình 2.3: Tỉ lệ phát hiện có giấu tin với tham số Quantizer Quality=60 62 22 Hình 2.4: Tỉ lệ phát hiện có giấu tin với tham số Quantizer Quality=80 62 23 Hình 2.5: Thứ tự ma trận S trong block 64 24 Hình 3.1: So sánh chất lượng ảnh sau giấu của các thuật toán 71 25 Hình 3.2: So sánh tỉ lệ giấu tin của các thuật toán 73 26 Hình 3.3: So sánh tổng thời gian mã hóa của MAS với DES và AES 79 27 Hình 3.4: So sánh tổng thời gian giải mã của MAS với DES và AES 79 28 Hình 3.5: Quan hệ giữa kích thước dữ lệu vào và dữ liều ra của MAS, DES và AES 80 29 Hình 3.6: Lược đồ kết hợp mã hóa và giấu tin 81 30 Hình 3.7: Lược đồ giấu tin MAS_Module(2,18,7).
- 82 DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU TT Tên hình ảnh, đồ thị, bảng số liệu Trang 1 Bảng 1.1: Visual Attack ảnh có hình khối đơn giản 36 2 Bảng 1.2: Visual Attack ảnh phức tạp 37 3 Bảng 1.3: Sự liên quan giữa mật độ thay đổi và tỉ lệ nhúng 49 4 Bảng 3.1: Tỉ lệ phát hiện ảnh có giấu tin của stegdetect 68 5 Bảng 3.2: So sánh chất lượng ảnh sau giấu PSNR 70 6 Bảng 3.3: So sánh chất lượng ảnh sau giấu của lược đồ module Bảng 3.4: So sánh tỉ lệ giấu của Module(2,28,7) với Jsteg 1/9 74 8 Bảng 3.5: So sánh thuật toán F5 và Module Học viên: Đào Minh Tuấn Trang 9 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu/chữ viết tắt Ý nghĩa 1 |A| Lực lượng của tập A 2 x Giá trị phần nguyên dưới của x 3 CPT Chen-Pan-Tseng 4 GIF Graphics Interchange Format 5 JPEG Joint Photographic Experts Group 6 LSB Least significant bit (bit ít quan trọng nhất) 7 PSNR Peak signal-to-noise ratio (tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu) 8 JFIF JPEG File Interchange Format - Định dạng trao đổi tệp JPEG 9 MAS Multi-valued and Ambiguous Scheme Học viên: Đào Minh Tuấn Trang 10 MỞ ĐẦU 1) Lý do chọn đề tài Công nghệ thông tin và truyền thông phát triển mạnh mẽ đã đem lại sự thay đổi rất lớn trong đời sống con người trên toàn thế giới.
- Ngoài ra, trong một môi trường số hóa với những công nghệ số bùng nổ như hiện nay, thì vấn đề giấu tin – thám tin trở thành một công cụ hữu ích cho một số tổ chức trong việc trao đổi thông tin trong cộng đồng.
- Và thực tế là hiện nay, vấn đề giấu tin – thám tin đã được quan tâm nghiên cứu, được triển khai ứng dụng rộng rãi trong các cơ quan quân sự, ngoại giao, an ninh và giáo dục… Kỹ thuật giấu tin được biết đến bởi hai lĩnh vực chủ yếu là Giấu tin mật (Steganography) và Thủy vân (Watermaking).
- Giấu tin mật là kỹ thuật giấu thông tin mật vào các dữ liệu truyền thông (ảnh, văn bản, audio, video.
- Môi trường giấu tin có thể là bất kỳ đối tượng dữ liệu đa phương tiện nào nhưng phổ biến nhất là ảnh số.
- Chính vì vậy kỹ thuật phát hiện giấu tin (thám tin) cũng được phát triển song song với kỹ thuật giấu tin nhằm để có thể đánh giá độ an toàn của một hệ thống giấu tin, và cũng là công cụ cho phép pháp hiện những nội dung mật được ẩn giấu nhằm phục vụ cho các mục đích khác nhau.
- Khi đó nếu kỹ thuật giấu tin bị phát hiện thì kẻ tấn công phải giải được mã mới biết được nội dung thông điệp mật.
- Càng ngày thì các kỹ thuật giấu tin và thám tin càng tinh xảo, đòi hỏi nhà nghiên cứu không ngừng tìm ra các phương pháp giấu tin và phát hiện ra thông tin giấu phù hợp, bắt kịp với xu hướng phát triển của kỹ thuật giấu thông tin.
- Hiện nay, trên định dạng ảnh số JPEG có các kỹ thuật giấu tin phổ biến như Jpeg-Jsteg, Jphide, outguest và F5.
- Nhưng các kỹ thuật này đều có thể bị tấn công phát hiện có giấu tin và thậm chí trích xuất được cả nội dung mật được giấu.
- Nguyên nhân ảnh stego sử dụng các lược đồ trên có thể bị phát hiện có giấu tin là do mật độ thay đổi hay chính là tỉ lệ lật bít LSB của các hệ số DCT đạt đến một ngưỡng nhất định trên một vùng ảnh đủ lớn.
- Vì vậy, nhu cầu tìm kiếm các kỹ thuật giấu tin mới trên ảnh số JPEG có độ an toàn cao hơn các kỹ thuật trên là rất cấp thiết.
- Bằng sự đam mê tìm hiểu về lĩnh vực giấu tin và bảo mật thông tin.
- Xuất phát từ những nhu cầu và hiểu biết của mình, tôi đã chọn đề tài “Nâng cao chất lượng giấu tin trên ảnh số JPEG” cho luận văn thạc sĩ này.
- 2) Lịch sử nghiên cứu Trong hướng nghiên cứu về steganography thì việc nghiên cứu các thuật toán giấu tin trong ảnh nén có định dạng JPEG luôn có sự thách thức cao và được nhiều tổ chức và cá nhân quan tâm nghiên cứu.
- Học viên: Đào Minh Tuấn Trang 12 Trên thế giới có một số công trình nghiên cứu thành công trong định dạng ảnh này.
- Năm 1997 Derek Upham đã công bố lược đồ giấu tin Jsteg, đây là một trong những thuật toán đầu tiên giấu tin trên miền tần số.
- Jsteg giấu thông tin theo phương pháp LSB một cách tuần tự.
- Hệ thống giấu tin của Andreas Westfelds - F5 được công bố năm 2001, đã thể hiện được những yêu điểm về khả năng bảo mật.
- Trong nước, đã có một vài nhóm nghiên cứu các phương pháp giấu tin áp dụng cho định dạng ảnh JPEG.
- Nhưng tôi chưa thấy kết quả nào về giấu tin mật được công bố.
- 3) Mục đích nghiên cứu Luận văn đi vào tìm hiểu, nghiên cứu một số kỹ thuật giấu tin và phương pháp thám tin, nhằm nghiên cứu tìm ra phương pháp nâng cao chất lượng giấu tin trên ảnh JPEG.
- Để phát triển phương pháp giấu tin an toàn và nâng cao khả năng giấu tin trên ảnh số JPEG, chúng tôi đã đề ra các mục tiêu nghiên cứu sau: Mục tiêu thứ nhất của luận văn là nghiên cứu tìm ra tỉ lệ lật bít hay mật độ thay đổi an toàn, chống lại các phương pháp phát hiện giấu tin trên ảnh có định dạng JPEG.
- Chúng tôi sẽ tìm hiểu các kỹ thuật giấu tin và thám tin trên định dạng ảnh này, tiến hành thực nghiệm và phân tích kết quả đưa ra tỉ lệ trên.
- Học viên: Đào Minh Tuấn Trang 13 Mục tiêu thứ hai của luận văn là đề ra một lược đồ giấu tin mới cho ảnh số JPEG trên cơ sở của Z2 -Môđun để nâng cao tỷ lệ giấu tin trong khi tỉ lệ lật bít ở mức độ an toàn cho phép .
- Mật mã có thể làm cho nội dung của thông điệp bị che dấu, không thể đọc được dưới dạng bản rõ nên vẫn có thể nhận ra được là có một nội dung đang bị che dấu, giấu tin là che dấu sự tồn tại, hiện hữu của dữ liệu, thông điệp mật.
- Ưu điểm của hướng tiếp cận giấu tin so với mã hoá là khi tiếp cận môi trường giấu tin đối phương khó xác định được là có thông tin giấu ở trong đó hay không.
- Giấu tin có thể kết hợp với khả năng của mã hóa để phục vụ cho mục đích che dấu dữ liệu với khả năng bảo mật và an toàn cao hơn.
- Mục tiêu thứ ba của luận văn về khía cạnh kết hợp mật mã với giấu tin: Tìm hiểu các hệ mật mã và mô hình mã hóa kết hợp với giấu tin.
- Tiếp đó đề xuất sử dụng một hệ mật mã có khả năng bảo mật cao và một lược đồ giấu tin an toàn cho mô hình mã hóa kết hợp với giấu tin.
- Nghiên cứu các thuật toán, phương pháp giấu tin và thám tin trên ảnh nhị phân và ảnh số JPEG.
- Nghiên cứu lý thuyết mô đun, các phương pháp giấu tin theo cách tiếp cận mô đun.
- Nghiên cứu về các hệ mật mã, mô hình kết hợp mã hóa trong giấu tin.
- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về giấu tin, giấu tin trong ảnh và một số định dạng ảnh phổ biến, các yếu tố ảnh hưởng đến giấu tin, một số phương pháp giấu tin trên ảnh nhị phân.
- Tiếp theo trình bày công thức đánh giá chất lượng ảnh sau giấu tin, các phương pháp cơ bản để phát hiện ảnh có giấu tin.
- Sau đó chúng tôi trình bày một số kỹ thuật giấu tin và thám tin trên ảnh số JPEG.
- Chương 2: Trình bày giấu tin theo phương pháp môđun, thực nghiệm đánh giá khả năng phát hiện giấu tin khi mật độ giấu thay đổi, của công cụ thám tin stegdetect.
- Sau cùng, chúng tôi đề xuất một lược đồ giấu tin an toàn trong ảnh số JPEG trên cơ sở của Z2 module.
- Chương 3: Trong chương này chúng tôi đưa ra kết quả thử nghiệm của lược đồ giấu tin module(2,18,7) đã được đề xuất trong chương 2.
- Chúng tôi đã kiểm tra thực nghiệm và đánh giá so sánh lược đồ này với các lược đồ sử dụng thuật toán Jsteg thưa và thuật toán F5.
- Lược đồ module(2,18,7) dựa trên tỉ lệ thay đổi an toàn đã được đề xuất ở chương 2, cho kết quả tốt cả về chất lượng ảnh và tỉ lệ thông tin nhúng trong ảnh sau giấu tin.
- Tiếp đó đề xuất sử dụng một hệ mật mã có khả năng bảo mật cao và một lược đồ giấu tin an toàn để xây dựng hệ thống giấu tin theo mô hình mã hóa kết hợp với giấu tin.
- Học viên: Đào Minh Tuấn Trang 15 5) Các đóng góp mới của đề tài - Xây dựng được một lược đồ giấu tin Module(2,18,7) dựa trên cơ sở của Z2– module để thực hiện giấu tin trên ảnh số JPEG.
- Trên ảnh số JPEG chưa có lược đồ nào tiếp theo phương pháp này.
- Lược đồ này có những ưu điểm vượt trội sau đây.
- Thứ nhất: Độ an toàn của thông tin giấu rất cao, lược đồ trên giấu tin đảm bảo tỉ lệ thay đổi bit LSB trên các hệ số DCT dưới 13%.
- Thứ hai: Tỉ lệ giấu tin khoảng 5%, cao hơn so với các lược đồ giấu tin khác trên cùng mật độ thay đổi.
- Ngoài ra để tăng cường bảo mật cho lược đồ trên khi cài đặt, chúng tôi đề xuất xây dựng hệ thống giấu tin trên ảnh số JPEG, MAS_Module(2,18,7).
- Hệ thống này kết hợp lược đồ giấu tin Module(2,18,7) với lược đồ mã hóa MAS và đã được cài đặt thành công.
- 6) Phương pháp nghiên cứu Chúng tôi đã kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm.
- Trong nghiên cứu lý thuyết, Từ lý thuyết về cấu trúc ảnh JPEG, lý thuyết về mô đun và mã hóa, chúng tôi đã phân tích, tổng hợp để xây dựng lược đồ giấu tin theo cách tiếp cận mô đun.
- Sau đó tìm hiểu mô hình mã hóa kết hợp với giấu tin để xây dựng ứng dụng thực tiễn.
- Trong thực nghiệm: Để đánh giá được ưu nhược điểm của lược đồ trên chúng tôi đã tiến nhiều thực nghiệm khác nhau: a) Thực nghiệm về khả năng phát hiện của công cụ thám tin Stegdetect.
- Mỗi lần giấu tin trên 1000 ảnh khác nhau Học viên: Đào Minh Tuấn Trang 16 - Thay đổi tỉ lệ lật bít LSB trên các hệ số DCT trong mỗi lần giấu.
- Cho công cụ thám tin Stegdetect kiểm tra giấu tin trong mỗi trường hợp thay đổi trên.
- b) Thực nghiệm về khả năng phát hiện của Stegdetect đối với ảnh giấu tin theo lược đồ Module(2,18,7.
- Xây dựng phần mềm giấu tin sử dụng lược đồ Module(2,18,7.
- Thực hiện giấu tin trong thư viện 1000 ảnh theo phần mềm trên (giấu hết khả năng có thể giấu của từng ảnh.
- Cho công cụ thám tin Stegdetect kiểm tra giấu tin trong 1000 ảnh đã giấu tin.
- c) Thực nghiệm về khả năng phát hiện của Stegdetect đối với ảnh giấu tin theo lược đồ Jsteg thưa 1/9.
- Xây dựng phần mềm giấu tin sử dụng lược đồ Jsteg thưa 1/9.
- d) Thực nghiệm khả năng giấu tin của lược đồ Module(2,18,7) và Jsteg thưa1/9 - Cho phần mềm Jsteg thưa 1/9 giấu tin trong 1000 ảnh (giấu hết khả năng có thể giấu của từng ảnh.
- Cho phần mềm Module(2,18,7) giấu tin trong 1000 ảnh (giấu hết khả năng có thể giấu của từng ảnh

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt