Nghiên cứu phát triển các thuật toán giấu tin trong ảnh và ứng dụng trong mã đàn hồi

- NGUYỄN HẢI THANH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC THUẬT TOÁN GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG TRONG MÃ ĐÀN HỒI Chuyên ngành: Đảm bảo toán học cho máy tính và các hệ thống tính toán.
- Phan Trung Huy, Nguyen Hải Thanh, Trần Mạnh Thắng, Nguyễn Tiến Đạt “Tỷ lệ giấu tin tối đa đối với các phương pháp giấu tin theo phương pháp CPT mở rộng”, tuyển tập các bài báo tại hội nghị khoa học 55 thành lập trường Đại học Bách khoa Hà Nội – 10/2011.
- Nguyễn Hải Thanh, Phan Trung Huy “Mã hóa đàn hồi dựa trên các sơ đồ giấu tin CPTE”, Số 84 - tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, trang 41-45.
- Nguyễn Hải Thanh, Phan Trung Huy “Phương pháp môđun trên vành đặc số 2 và khả năng giấu tin tối đa theo các phương pháp CPT mở rộng”, tạp chí Tin học và Điều khiển học, tập 27, số .
- Nguyễn Hải Thanh, Nguyễn Mạnh Thắng “Các sơ đồ giấu tin theo môđun trên vành đặc số 3”, tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, số trang 54-59.
- Tính cấp thiết của luận án Trong khoảng 10 năm gần đây với sự phát triển của công nghệ thông tin, của Internet cùng với sức mạnh của máy tính, các phương pháp giấu tin trên môi trường multimedia và cơ sở dữ liệu được quan tâm nghiên cứu và phát triển mạnh.
- Trong lĩnh vực giấu tin (steganography) thì việc nghiên cứu các thuật toán giấu tin trong ảnh nhị phân luôn có sự thách thức cao và được nhiều tổ chức và cá nhân quan tâm nghiên cứu.
- Nguyên nhân là do giấu tin trong ảnh nhị phân rất dễ bị phát hiện và các thuật toán giấu tin trong ảnh nhị phân có thể mở rộng cho các định dạng ảnh khác.
- Hướng tiếp cận chính cho các thuật toán giấu tin trên ảnh nhị phân hiện nay là sử dụng phương pháp chia khối, trong đó có thể kể đến các thuật toán rất nổi tiếng là Wu-Lee và CPT.
- Tuy nhiên về mặt lý thuyết, các thuật toán này còn xa mới đạt đến tỷ lệ giấu tin tối đa, do đó việc nghiên cứu phát triển các thuật toán mới có tỷ lệ giấu tin cao hơn là rất cần thiết.
- Trong các ứng dụng thực tiễn người ta thường sử dụng ảnh màu để giấu tin, bởi vì ảnh màu có tính chất dễ che giấu, phổ biến và khả năng giấu tin cao.
- Đối với ảnh mầu, tiếp cận chẵn lẻ là một trong những giải pháp được nhiều tác giả tập trung nghiên cứu, tuy nhiên các thuật toán hiện có vẫn còn có những hạn chế nhất định về tỷ lệ giấu tin, chất lượng ảnh có giấu tin.
- Do đó cần phải tiếp tục nghiên cứu phát triển các thuật toán mới có tỷ lệ giấu tin cao hơn và có điều khiển chất lượng tốt hơn.
- Bài toán xây dựng các hệ mã mật sử dụng phương pháp giấu tin cho đến nay chưa có nghiên cứu nào được biết đến.
- Việc sử dụng các kỹ thuật giấu tin để xây dựng các hệ mật mã cho ta các hệ mã có có tính đàn hồi, đa trị và có độ an toàn cao.
- Đối với nước ta, việc nghiên cứu, phát triển các kỹ thuật giấu tin và các hệ mã mật mới là rất cần thiết.
- Những kết quả nghiên cứu về mật mã và giấu tin có thể ứng dụng trong quốc phòng, an linh và nhiều lĩnh vực của cuộc sống như thương mại điện tử, các dịch vụ tài chính ngân hàng.
- Nội dung nghiên cứu của luận án - Xây dựng các thuật toán giấu tin mới trên ảnh nhị phân theo tiếp cận chia khối với tỷ lệ giấu tin cao hơn các phương pháp giấu tin đã có.
- Xây dựng các thuật toán giấu tin mới trên ảnh chỉ số màu theo tiếp cận chẵn lẻ.
- Các thuật toán này đảm bảo điều kiện chất lượng ảnh có giấu tin cao và lượng thông tin giấu được lớn.
- Nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng các kỹ thuật giấu tin trong mật mã.
- Đề xuất mô hình mật mã sử dụng các kỹ thuật giấu tin.
- Những điểm mới của luận án - Đề xuất được thuật toán giấu tin mới CPTE1, CPTE2, các thuật toán này cho phép giấu tin đạt tỷ lệ giấu tin tối đa theo tiếp cận chia khối, trong đó thuật toán CPTE2 có tỷ lệ giấu tin xấp xỉ gấp đôi thuật toán giấu tin nổi tiếng CPT.
- Trên cơ sở thuật toán CPTE2, luận án đã đề xuất thuật toán tăng cường chất lượng ảnh có giấu tin MCPTE2.
- Đề xuất phương pháp giấu tin mới theo tiếp cận môđun, trên cơ sở phương pháp môđun, luận án đã đưa ra các sơ đồ giấu tin trên ảnh nhị phân và ảnh màu, bao gồm: 1-M, 2-M, 1-M2, 2-M2, 1-M3, 2-M3, 2-M4 các sơ đồ này có tỷ lệ giấu tin cho ảnh nhị phân đều cao hơn thuật toán CPT, một số sơ đồ đạt hoặc có thể đạt tỷ lệ giấu tin tối đa như sơ đồ 1-M2, 2-M2.
- Đề xuất được thuật toán giấu tin theo tiếp cận chẵn lẻ trên ảnh chỉ số màu FOPA.
- Trên cơ sở thuật toán FOPA luận án đã đề xuất 3 thuật toán tăng cường chất lượng ảnh có giấu tin MFOPA1, MFOPA2, MFOPA3.
- Đưa ra các đánh giá về độ an toàn của các phương pháp giấu tin, đề xuất phương pháp ứng dụng các thuật toán giấu tin trong mã hóa.
- Đề xuất sơ đồ mã hóa đàn hồi theo tiếp cận giấu tin.
- Đưa ra một khái niệm mới về độ đo xấp xỉ tựa ngữ nghĩa giữa 2 câu văn bản nhằm hỗ trợ cài đặt các thuật toán tìm kiếm xấp xỉ hiệu quả và đề xuất thuật toán so mẫu theo tiếp cận mờ trên môi trường văn bản mã hoá bởi mã đàn hồi theo tiếp cận giấu tin mà không đòi hỏi phải giải mã.
- Ý nghĩa khoa học của luận án Tiếp cận môđun do luận án đề xuất đã đem lại một cách nhìn mới về kỹ thuật giấu tin trên ảnh nhị phân sử dụng phương pháp chia khối.
- Tiếp cận này cho ta một phương pháp để xây dựng các thuật toán giấu tin.
- Trên cơ sở đó ta có thể phát triển các thuật toán giấu tin hiệu quả trên các loại ảnh và thiết bị đa phương tiện khác nhau.
- Phương pháp Rho cho ta một thuật toán giấu tin trên ảnh màu đạt chất lượng tối ưu theo tiếp cận chẵn lẻ, đồng thời đạt được hiệu quả tính toán cao.
- 3 Mô hình mã hóa sử dụng các kỹ thuật giấu tin được đề xuất trong luận án cho phép phát triển các hệ mã mật mới với tính chất đa trị, đàn hồi và khả năng bảo mật cao, cài đặt và tính toán hiệu quả.
- Giá trị thực tiễn của luận án Những kết quả nghiên cứu của luận án có thể được sử dụng để cài đặt các công cụ giấu tin với tỷ lệ giấu tin cao.
- Các thuật toán tăng cường chất lượng ảnh giấu tin cho phép ta triển khai các thuật toán giấu tin với độ an toàn đa dạng tùy theo mục đích sử dụng.
- Các thuật toán mã hóa sử dụng các kỹ thuật giấu tin với tính chất an toàn, cài đặt và tính toán đơn giản có thể được sử dụng trong các giao thức truyển thông trên môi trường mạng hoặc trên các thiết bị mobile.
- Giới thiệu các kiến thức cơ sở về giấu tin và giấu tin trong ảnh cùng các kỹ thuật giấu tin được căn bản đang được áp dụng rộng rãi trong thời gian gần đây.
- Chương 2- Giấu tin trên ảnh nhị phân: Đề xuất các thuật toán giấu tin mới trên ảnh nhị phân như CPTE, CPTE1, CPTE2.
- Đưa ra một phương pháp mới (phương pháp Môđun) cho việc xây dựng các sơ đồ giấu tin trên ảnh và xây dựng một số sơ đồ giấu tin cụ thể như 1-M, 2-M, 1-M2, 2-M2, 1-M3, 2-M3, 2-M4.
- Đề xuất thuật toán giấu tin sửa đổi MCPTE2, cho phép giấu tin có kiểm soát chất lượng ảnh.
- Chương 3- Giấu tin trên ảnh màu: Đề xuất các thuật toán mới để giấu tin trong ảnh chỉ số (BMP, GIF) bao gồm: phương pháp xác định chẵn lẻ theo vòng lặp, phương pháp FOPA chương này cũng đề xuất mới 3 thuật toán tăng cường chất lượng ảnh có giấu tin MFOPA1, MFOPA2, MFOPA3 và 2 sơ đồ giấu tin dựa trên phương pháp môđun 2-M3, 2-M4.
- Chương 4- Mã đàn hồi theo tiếp cận giấu tin và bài toán tìm kiếm thông tin trên dữ liệu mã hóa: Đề xuất sơ đồ mật mã sử dụng các kỹ thuật giấu tin.
- Đề xuất thuật toán so mẫu theo tiếp cận mờ trên môi trường văn bản mã hoá bởi mã đàn hồi theo tiếp cận giấu tin mà không đòi hỏi phải giải mã.
- Một phần quan trọng của chương giới thiệu tổng quan về giấu tin và giấu tin trong ảnh cùng các kỹ thuật giấu tin được căn bản đang được áp dụng rộng rãi trong thời gian gần đây như: phương pháp LSB, Wu-Lee và CPT.
- Giới thiệu chung về mã hóa - Mã đối xứng và mã phi đối xứng - Thám mã 1.4 Giấu tin trong ảnh Giấu tin (Steganography) là kỹ thuật che dấu thông tin, nhúng thông tin mật vào trong một nguồn đa phương tiện mà không để người khác nhận biết về sự tồn tại của thông tin được giấu.
- Kỹ thuật này hiện đang được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trong vấn đề bảo vệ bản quyền, xác thực thông tin,...Các hình thức của otomat mờ 1.4.1 Các kỹ thuật được sử dụng để giấu tin Có 3 kỹ thuật được sử dụng để giấu tin.
- Kỹ thuật sinh (Generation) Các thuật toán giấu tin được phát triển trong luận án sử dụng phương pháp thay thế.
- 1.4.2 Phương pháp giấu tin LSB (Least significant bit) Bit LSB là bit có ảnh hưởng ít nhất tới việc quyết định tới màu sắc của mỗi điểm ảnh, vì vậy khi ta thay đổi bit ít quan trọng của một điểm ảnh thì màu sắc của mỗi điểm ảnh mới sẽ tương đối gần với điểm ảnh cũ.
- 1.4.3 Phương pháp giấu tin Wu-Lee 5 Phương pháp Wu-Lee do M.
- Lee đề xuất năm 1998 là một thuật toán giấu tin theo khối, trong đó một ảnh nhị phân dùng làm môi trường giấu tin được chia thành các khối đều nhau, mỗi khối là một ma trận nhị phân.
- Phương pháp Wu-Lee có thể kết hợp với phương pháp LSB để giấu tin trên ảnh Bitmap.
- 1.4.4 Phương pháp giấu tin CPT Thuật toán CPT do 3 tác giả Chen, Pan, Tseng đề xuất năm 2000 là thuật toán nổi tiếng hiện nay đang được sử dụng nhiều trong các ứng dụng về giấu tin trong ảnh.
- GIẤU TIN TRÊN ẢNH NHỊ PHÂN Chương này của luận án đề xuất các phương pháp giấu tin mới trên ảnh nhị phân CPTE, CPTE1, môđun.
- Phương pháp môđun sử dụng một tiếp cận mới dựa trên các tính chất của môđun trên vành đặc số 2 cho phép đạt tỷ lệ giấu tin bằng phương pháp CPT mà chỉ cần thay đổi giá trị của một điểm ảnh.
- Phương pháp môđun đã được tổng quát hóa để có thể ứng dụng giấu tin trên ảnh màu.
- Các thuật toán MCPTE, MCPTE1 cho phép giấu tin có kiểm soát chất lượng ảnh nhằm đảm bảo yêu cầu bằng mắt thường đối phương không thể phát hiện được sự khác biệt giữa ảnh có giấu và không giấu tin.
- 2.1 Tỷ lệ giấu tin tối đa của các sơ đồ giấu tin k-block Ta định nghĩa sơ đồ giấu tin k-block là phương phương pháp giấu tin trong một ma trận F bằng cách thay đổi nhiều nhất k phần tử thuộc F.
- Tỷ lệ giữa số bít giấu được trên tổng số phần tử của F thể hiện khả năng giấu tin của các phương pháp giấu tin khác nhau, để đơn giản ta gọi số bit giấu được trong ma trận F khi ta thay đổi nhiều nhất k phần tử của F là tỷ lệ giấu tin.
- Bằng phương pháp tổ hợp ta xác định được: Rmaxk(q.
- 1qC+(t-1)2.2qC...+(t-1)k.kqC) Ta gọi Rmaxk(q) là tỷ lệ giấu tin tối đa (MSDR: Maximality of Secret Data Ratio) của các sơ đồ giấu tin k-block.
- Phương pháp giấu tin trên ảnh nhị phân CPT sử dụng sơ đồ giấu tin 2-block, ta có t=2, k=2 do đó với các phương pháp giấu tin theo tiếp cận CPT chúng ta có thể giấu nhiều nhất: Rmax2(q.
- log2(1+q+q.(q-1)/2) bít trong F 6 Ta chứng minh được 2.r-2≤Rmax2 (q)≤ 2.r, với r là tỷ lệ giấu tin của phương pháp CPT, nghĩa là tỷ lệ giấu tin tối đa gần gấp đôi tỷ lệ giấu tin của phương pháp CPT.
- 2.2 Các phương pháp giấu tin CPT mở rộng 2.2.1 Phương pháp CPTE Phương pháp CPTE cũng có ý tưởng giấu tin theo khối bit như CPT: Xuất phát từ việc xử lí giấu tin trên một ma trận nhị phân F cỡ m×n kết hợp với các ma trận tham số: K – ma trận khóa dạng nhị phân cỡ m×n, W – ma trận của các trọng số nguyên cỡ m×n.
- Phương pháp CPTE khác phương pháp CPT ở cách chọn tập các phần tử của ma trận trọng số W.
- Cụ thể: với phương pháp CPTE các phần tử của ma trận trọng số sẽ lấy giá trị thuộc tập {1, 2.
- trong đó phương pháp CPT chỉ lấy giá trị Wij trong khoảng từ 1 tới 2r −1 với r.
- Phương pháp CPTE cho phép giấu được nhiều thông tin hơn so với CPT trong khi chất lượng ảnh không thay đổi.
- Cụ thể: phương pháp CPT giấu được r.
- )1(log2+N bit, phương pháp CPTE giấu được r.
- W] Nhận xét 2.2.1: Với định lý 2.2.2 thì chỉ cần thực hiện thay đổi giá trị một phần tử của ma trận F ta có thể giấu được số bít bằng phương pháp CPT.
- 2.2.3 Phương pháp CPTE2 7 Chúng ta xem xét một ma trận nhị phân F có kích thước m×n của một ảnh nhị phân G trong đó mỗi phần tử Fij của F biểu diễn điểm ảnh có tọa độ (i,j) và màu của điểm ảnh Fij ∈ CG = Z2={0,1}.
- Áp dụng phương pháp CPTE1 ở trên ta có thể giấu r bít (r = m(p)) vào ma trận nhị phân F gồm m×n phần tử mà chỉ cần thay đổi nhiều nhất 2 phần tử của F.
- Thuật toán giấu tin CPTE2.A: Thuật toán giấu một dãy r bít (r = m(p) được xác định bởi công thức 2.1 và 2.2) vào ma trận nhị phân F gồm m×n phần tử mà chỉ cần thay đổi nhiều nhất 2 phần tử của F.
- Với định lý 2.2.3 ta thấy phương pháp giấu tin CPTE2 có tỷ lệ giấu tin xấp xỉ MSDR hay xấp xỉ gấp đôi tỷ lệ giấu tin của phương pháp CPT.
- 2.3 Tăng cường chất lượng ảnh nhị phân Khi chúng ta giấu tin trên ảnh nhị phân, thay đổi mỗi bit trên ảnh đều dễ dàng có thể nhận ra bằng mắt thường.
- Vì vậy nếu chúng ta thực hiện giấu tin sử dụng các thuật toán CPT, CPTE, CPTE2 trên toàn bộ ảnh mà không có các điều kiện ràng buộc để kiểm soát chất lượng ảnh có giấu tin thì sẽ rất dễ bị phát hiện.
- Phương pháp tăng cường chất lượng ảnh nhị phân MCPTE2 MCPTE2 là phương pháp giấu tin sử dụng thuật toán giấu tin CPTE2 nhưng chúng ta sẽ giảm bớt một bit giấu được để nâng cao chất lượng ảnh sau khi giấu.
- Cụ thể phương pháp MCPTE2 cho phép giấu r=m(p)-1 bit trên một khối ảnh cấp q=m×n với r = log2(q+1) và m(p), α, β được xác định ở các công thức .
- 2.4 Phương pháp môđun Phương pháp môđun cho ta một cách tiếp cận mới trong việc xây dựng các sơ đồ giấu tin trên cả ảnh nhị phân và ảnh màu, phương pháp môđun dựa trên các tính chất của môđun trên vành Zq với q là một số tự nhiên bất kỳ q>=2, trong trường hợp q=2 ta sẽ xây dựng được sơ đồ giấu tin trên ảnh nhị phân CPTE1.
- Việc sử dụng các tính chất của đại số cho phép ta đưa ra các chứng minh chặt chẽ về tính đúng đắn của các thuật toán được đề xuất đồng thời cho phép phát triển các thuật toán giấu tin cho ảnh màu một cách dễ dàng, hiệu quả.
- 2.4.1 Giấu tin sử dụng phương pháp môđun Một môđun (phải) trên vành Zq (hay Zq - module) là một nhóm aben cộng M với phần tử trung hòa là 0 và được trang bị phép nhân vô hướng, gán tương ứng mỗi cặp (m,k) thuộc M × Zq với một phần tử m.k thuộc M.
- Phương pháp giấu tin sử dụng một v-cơ sở U, với v nhỏ, v=1 hay 2.
- Số màu có thể được thay đổi trong mỗi điểm ảnh là k-1=|Zq|-1, q thường chọn nhỏ để nâng cao chất lượng ảnh giấu tin.
- 2.4.2 Giấu tin theo phương pháp môđun sử dụng tập 1-cơ sở Thuật toán 1-M: Cho U ⊆ M-{0}, U là tập 1-cơ sở của M, một khối F = {p1, p2.
- 2.4.3 Giấu tin theo phương pháp môđun sử dụng tập 2-cơ sở Thuật toán 2-M: Cho U ⊆ M-{0}, U là tập 2-cơ sở của M, một khối F = {p1, p2.
- 2.4.4 Sơ đồ giấu tin sử dụng phương pháp môđun trên vành Z2 Với ảnh nhị phân ta có q=2, khi đó ta có thể chọn vành cơ sở có đặc số 2, đơn giản nhất là Z2, phép cộng trong Z2 có thể được xem như là phép toán XOR trên bit và M=Z2 × Z2.
- Sơ đồ giấu tin 2-M2: Thuật toán giấu tin trong sơ đồ 2-M2 cũng thực hiện tương tự thuật toán trong sơ đồ 1-M2 nêu trên, nhưng thuật toán giấu tin trong sơ đồ 2-M2 có khác trong trường hợp m≠d, khi đó ta tính a=d-m, sẽ có 2 trường hợp xẩy ra.
- 2.4.5 Sơ đồ giấu tin sử dụng phương pháp môđun trên vành Z3 Xét trường hợp ảnh nhị phân G, mỗi điểm ảnh sẽ có màu C được biểu diễn bởi 1 bit, C nhận các giá trị 0, 1.
- Sơ đồ giấu tin 1-M3: Cho tập 1-cơ sở U ⊆ M – {0}, M = Z3 × Z3.
- 2.5 Đánh giá chất lượng ảnh nhị phân sau khi giấu tin Để đánh giá chất lượng ảnh sau khi giấu tin ta sử dụng một độ đo truyền thống PSNR (peak signal-to-noise ratio) được gọi là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu.
- Cho G là 1 ảnh gốc, G’ là ảnh G đã được biến đổi giá trị của các điểm ảnh để giấu tin.
- Kết quả thực nghiệm trên ảnh nhị phân cho thấy thuật toán CPTE1 hoặc phương pháp môđun đạt được tỷ lệ giấu tin cao hơn gần gấp đôi CPT trong khi chất lượng ảnh có giấu tin là như nhau.
- GIẤU TIN TRÊN ẢNH MÀU Chương này của luận án đề xuất các phương pháp giấu tin mới trên ảnh chỉ số màu dựa trên ý tưởng của phương pháp chẵn lẻ.
- Các thuật toán mới được đề xuất để giấu tin trong ảnh chỉ số (BMP, GIF) bao gồm: phương pháp xác định chẵn lẻ theo vòng lặp, phương pháp Rho, trong đó thuật toán giấu tin FOPA dựa trên phương pháp Rho cho ta chất lượng ảnh tốt nhất và tốc độ tính toán nhanh nhất theo tiếp cận chẵn lẻ.
- Trên cơ sở thuật toán FOPA luận án đã đề xuất 3 thuật toán tăng cường chất lượng ảnh có giấu tin MFOPA1, MFOPA2, MFOPA3 các thuật toán này là sự kết hợp giữa thuật toán FOPA với thuật toán CPTE1 cho ảnh nhị phân và các ràng buộc về màu cô lập.
- 3.1 Tổng quan về giấu tin theo tiếp cận chẵn lẻ Cho G là một ảnh BMP gọi P là palette màu của G.
- Ý tưởng chung của các phương pháp giấu tin trên ảnh chỉ số G như sau.
- Tiến hành giấu tin trên G’ sử dụng các thuật toán giấu tin trên ảnh nhị phân, trong đó việc thay đổi giá trị một điểm ảnh trên G được thực hiện

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