Luận văn Thạc sĩ Truyền thông và mạng máy tính: Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin trong ảnh và ứng dụng

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:61

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài "Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin trong ảnh và ứng dụng" là nghiên cứu một giải pháp cho phép giấu một bản tin văn bản thuần thú trên ảnh màu 24 bít bitmao và ít là thay đổi chất lượng ảnh sau khi giấu đồng thời đảm bảo được tính an toàn và bảo mật thông tin.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Truyền thông và mạng máy tính: Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin trong ảnh và ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Họ và tên tác giả luận văn NGUYỄN VĂN ĐA TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Truyn thông và Mng máy tính LUC S K THUT TRUYN THÔNG VÀ MNG MÁY TÍNH NG DN KHOA HC: PSG.TS. NGUYN TH HOÀNG LAN Hà Ni - 2016
 ................................................................................................................... 3  ............................................................................................................. 4  .......................................................................................................... 4  ............................................................................................................................ 5  .......................................................................................................................................... 6  T ................................... 8  ................................................................................................. 8 1.1.1. Gii thiu chung ........................................................................................... 8 1.1.2. Khái nim v giu tin trong nh s............................................................... 8 1.1.3. Lch s giu tin ............................................................................................. 9 u tin.................................................................................... 10 1.1.5. Các chn h thng giu tin..................................................... 12 ng giu tin..................................................................................... 12 1.1.7. Các thành phn chính ca mt h giu tin trong nh s ............................. 13 1.1.8. Yêu cu thit yi vi mt h thng giu tin trong nh s ................... 13  ................................................................................................. 15 1.2.1. Gii thiu v ........................................................................................ 15 ng gii pháp ................................................................................. 16 1.2.3. Nhim v ca lu ............................................................................... 16  .................................................................................................................. 16 c v các loi nh JPEG, GIF, PNG .................................................. 16 1.3.2. Cu trúc nh Bitmap ................................................................................... 18 SB (Least Significant Bit) ....................................... 23 1.4.1. Khái nim bit có trng s thp LSB ........................................................... 23 1.4.2. Thut toán nhúng d liu LSB ................................................................... 24  ..................................................................................................... 27 1.5.1. Qúa trình phát trin..................................................................................... 27 1.5.2. Nguyên tc .................................................................................................. 28 c thc hi n ..................................................................................... 28 1.5.4. An toàn ca thut toán ................................................................................ 29  ................................................... 31  .............................................................................................. 32 2.1.1. Yêu cu ci s dng ........................................................................ 32 2.1.2. Thông tin cn giu ...................................................................................... 33 ng giu tin..................................................................................... 33 1
2.1.4. Thut toán giu tin ...................................................................................... 33 u king an toàn vt mang tin............................................... 34  ................................................................................................................. 35 2.2.1. Quy trình giu tin ....................................................................................... 36 2.2.2. Quy trình tách tin ........................................................................................ 37  NGHIM NG DNG VÀ KT QC ...................................... 38  ........................................................................................ 38 ng th nghim .............................................................................. 38 3.1.2. Công c phn mm ng dng..................................................................... 38   thng ..................................................... 39 3.2. Cá....................................................................................... 42 3.2.1. Kch bn 1................................................................................................... 43 3.2.2. Kch bn 2................................................................................................... 44 3.2.3. Các nhn xét ............................................................................................... 48  ........................................................... 49 3.3.1. Tn công da vào phân tích trc quan ....................................................... 49 3.3.2. Tn công bng phân tích theo dng nh ..................................................... 50 3.3.3. Tn công da vào phân tích thng kê ......................................................... 50 3.3.4. Kch bn th nghim các dng tn công .................................................... 50  .......................................... 53 3.4.1. Quy trình 1 .................................................................................................. 53 3.4.2. Quy trình 2 .................................................................................................. 53 3.4.2. Quy trình 3 .................................................................................................. 53  ..................................................................... 55 3.5.1. Gii thiu giu tin ci tin ca CPT ........................................................... 55 3.5.2. Công c phn mm giu tin ci tin ca CPT ............................................ 56 3.5.3. Kch bn so sánh và nhn xét ..................................................................... 56  .................................................................................................................................... 59  ............................................................................................................. 60 2
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Tên hình Hình 1.1 Phân loi các mô hình giu tin Hình 1.2 Ví d v ng Hình 1.3 Ví d v p xám Hình 1.4 Ví d v nh màu Hình 1.5  mô t thut toán nhúng d liu LSB Hình 2.1  gii pháp h thng giu tin mt Hình 2.2  khi chnh Hình 2.3  khi ch nh mang tin Hình 3.1 Giao din chính ca phn mm Hình 3.2 Thông báo khi hai bn u ra ging nhau Thông báo khi hai bu ra không hoàn toàn ging Hình 3.3 nhau Hình 3.4 Giao din chi ký t u ra Hình 3.5 Giao diu tin Hình 3.6 Giao din giu tin thành công Hình 3.7 Giao din tách tin thành công Hình 3.8 Mô t kt qa tn công trc quan phát hin nh mang tin Hình 3.9 Mô t kt qa tn công thng kê phát hin nh mang tin 3
DANH MỤC BẢNG BIỀU Bảng Tên bảng Bng 1.1 ng trong vùng Bitmap Header Bng 1.2 ng trong vùng BitmapInfor Bng 1.3 Bit cuc coi là ít quan trng nht Bng 1.4 Biu din giu ch A vào trong 8 byte ca nh gc Bng 3.1 Thng kê kt qa th nghim Bng 3.2 So sánh c và sau khi giu tin bng trc quan Bng 3.3 So sánh thut toán nhúng d liu LSB và ci tin ca CPT DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý nghĩa LSB Least Significant Bit Bit ít quan trng nht AES Advanced Encryption Standard Tiêu chun mã hóa tiên tin DL D liu BMP Bitmap nh không nén Bitmap JPEG Joint Photographic Expert Group nh nén JPEG PNG Portable Network Graphics nh PNG GIF Graphics Interchange Format nh dng  ha GIF T s tín hiu ci trên PSNR Peak signal-to-noise ratio nhiu MSE Mean squared error L DCT Discrete Consine Transform Phép bii cosin ri rc 4
LỜI CAM ĐOAN c tiên, em xin chân thành c  các Thy, Cô trong Vin Công ngh thông tin và Truy   i Hc Bách Khoa Hà Ni, nhng   nhit tình ging dy và truy t kin thc trong sut thi gian em hc tp ti  em có th hoàn thành tt qúa trình hc tp ca mình. c bit, em xin c       n PGS.TS. Nguyn Th c ting dn tn tình ch bo em trong sut qúa trình làm Lut nghip. Cui cùng tôi xin gi li cc tng nghip, nhi luôn c  tôi trong sut thi gian hc tp và làm lu. Tôi u ca riêng tôi. Nhng nng c ai công b trong bt k công trình nào. Em xin chân thành c Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2016 Học viên thực hiện Nguyễn Văn Đa 5
MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài  thông tin                internet         ra  và chúng  Công ngh thng tin ngày càng phát trii vic càng ngày c biu dii dng k thut s càng nhic biu din và truyn tng th gii s   bo mt thông tin trong môi ng th gii s ngày càng tr nên quan trng. mã hóa          Data hiding),             tin,   .           tài tt nghip là “Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin trong ảnh và ứng dụng”. 6
Mục đích nghiên cứu  tài c thc hin vi mc  nghiên cu mt gii pháp cho phép giu mt bn tin n thun túy trên nh màu 24 bit bitmap mà ít i cht ng nh sau khi giu ng thm bc tính an toàn và bo mt thông tin. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài + c Qúa trình nghiên c tài t nghiên cu v  k thut giu tin trong d n nói chung và trong nh s nói riêng. T  cái nhìn tng quan v c này. Góp phn nâng cao kin thc v an ninh mng nói chung và an toàn và bo mt thông tin nói riêng. + c tin Kt qa nghiên cu c  tài nhm   t gii pháp thích h  gii quyt ra và ng dng thc t vào nhim v t    tip tc nghiên cu phát trin các gii pháp tip theo, có tính ng dng cao  Ni dung luc trình bày gm các : Tng quan v c giu tin trong nh s Trong  s trình bày tng quan v c giu tin; nêu v và xác nh nhim v ca lu; tìm hiu v nh s p trung tìm hiu nh màu 24 bit bitmap; tìm hi liu LSB và chun mã hóa AES. i pháp h thng giu tin  trình bày mt gii pháp h thng gii pháp h thngp trung gii pháp h thng giu tin. Th nghim ng dng và kt q c   th nghi    ng dng th t   trình ng dng cho gi ra thông qua mt công c phn mm mã ngun m  xut và mt s công c, phn mm h tr khác, so sánh gi xut vi mt gii pháp khác. 7
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ 1.1. Tổng quan về lĩnh vực giấu tin 1.1.1. Giới thiệu chung Vi s phát trin nhanh chóng ca các thit b k thut và mng Internet, các d liu s hic sao chép và ph bin rt d dàng. Chính vì vy v bo mt thông tin càng tr nên cp bách. Các thông tin cn bo mt có th c mã hóa theo mt cách th Ví dng R (là mt n, mt tm b hoc mt file âm  bo mi chính là tín hiu v tm quan trng ca d li c s chú ý c M ng tip cn mi trong bo mt là giu tin (Data Hiding), tc là các thông tin cn bo mt s c giu vào trong mng d liu s khác (gi là ng giu tin) sao cho s bii cng sau khi giu là rt khó nhn bing thi có th ly l giu khi cn. Theo pi ng cn bo mc giu vào trong mng khác, mt bc nh F chng hn, kt qa c bc u so vi nh gu. Khi c tm y sinh nghi ng v kh a thông tin m y s khác bit gia mã hóa thông tin và giu thông tin là mc l liu cng mang tin mt. Nu phi h l liu c gim ti mc tng th c nâng cao. Chng hn, ta có th  c  1.1.2. Khái niệm về giấu tin trong ảnh số Giu giu mng thông tin s vào mng d liu s khác. Yêu cu chính cm bo tính n, tính vô hình ca thông tin giu n chng ca d liu g o mt thông tin mi, phc tu qa và tính kh thi cao, c xem là công ngh bn l  bo mt thông tin, bo v bn quyn, nhn thc u khin truy cp. K thut giu thông tin nhm mm an toàn và bo mt thông tin  hai khía cnh: 8
Mt là: bo mt cho d ligiu Hai là: bo mt cho i ng mang tin giu. Có th nhn thy rng hai mn s phát trin hai k thut ch yu ca giu tin.  là giu tin mt (Steganography) và thy vân s (Watermarking). 1.1.3. Lịch sử giấu tin Giu tin là bt ngun t ting Hy Lc vit ph (covered writing). Mgiu mu tin mt vào mng truyn ng không th phát hin ra mu tin m lch s nhng câu chuyn v ngh thut giu c lan truyn t i  chuyn v giu u ngui nô l, là chuyn giu tin trong viên thuc ph Mn hu hiu cho bo mt thông tin trong mt thi i Romans c t s dng nhng cht sc qac tiu và s vit thông báo bí mt gia nh ng. Khi h  ng th mc không nhìn thy này tr nên sm màu và có th c d dàng. Mc không màu vc s dng trong thi gian rt gn tranh Th gii th II. ng v che gic dùng ch yi và trong các   tình báo. Mãi cho ti vài thp niên g  giu thông tin mi nh c s quan tâm ca ngành công ngh thông tin vi hàng lot công trình nghiên cu giá tr. Cuc cách mng s hoá thông tin và s phát trin nhanh chóng ca mng truyn thông là nguyên nhân chính dn s i này. Ngh thut giu c nghiên cu phc v các mo v bn quyn, thu n s, hay phc v giu thông tin bí mt v quân s và kinh t. S phát trin ca công ngh o ra nhng giu tin mi vô cùng tin li ta có th giu tin trong các d li tinh, file âm thanh,  giu tin ngay trong các khong trng hay các phân vùng n c m. 9
1.1.4. Các kĩ thuật giấu tin  ,   [2]:  (Data hiding)   (Steganography) (Digital watermarking) Hình 1.1: Phân loại các mô hình giấu tin ,  tin     . 1.1.4.1. K thut thy vân s            .                              tin,...k    thông tin      các phép          (lossy                      1.1.4.2. Giu tin mt  toà      in      t   10
           át  -   - thông tin gi                      Ngày nay      và  tin thì  tin                        .    pháp  file  . 1.1.4.3.  +  tin :           k     11
   1.1.5. Các chức năng cơ bản hệ thống giấu tin ng gc c tin t ng mang tin ng gc n gi ng gc có th là nh, video, audn d ng mang  1.1.6. Môi trường giấu tin Bao gm giu tin trong        n dng text,n nay, giu tin trong nh chim t l ln nht h thng giu tin  n. 1.1.6.1. Giu tin trong nh Giu tin trong nh hit sc quan trng trong hu ht các ng dng bo v n thc thông tin, nh xuyên tc thông tin, bo v bn quyn tác gi Mm ca giu thông tin trong nh nc giu mt n thông tin mi khác không th bic bi sau khi giu thông tin chng nh gc bii vi nh màu hay nh xám. 1.1.6.2. Giu tin trong audio       -                     12
1.1.6.3. Giu tin trong nh, video                       phi thô   1.1.6.4. Gin dng text  text  ên    audio, video. 1.1.7. Các thành phần chính của một hệ giấu tin trong ảnh số Các thành phn chính ca mt h giu tin trong nh s gm: + Bn tin mt (Secret Message): là m  p hay tp  n mà ta mun gi xut hin. + nh gc (hay nh ph) (Cover Data): là  ng giu tin mt. + Khoá bí mt K (Key): khoá bí mt tham gia vào qúa trình giu   tính bo mt và an toàn thông tin. + B giu tin (Embedding Algorithm): nh   t toán giu tin. + nh mang tin (Stego Data): là  giu tin m hay còn gi là nh kt qa. [2] 1.1.8. Yêu cầu thiết yếu đối với một hệ thống giấu tin trong ảnh số Hin nay có rt nhi giu tin trong c nghiên cu và th nghi  i ta da vào mt s tính cht ca  13
1.1.8.1. Tính vô hình Khái nim này d m ca h thng th giác hay thính giác ca i. Thông tin giu  c nu mi vi th giác bình ng không phân bic ng và nh kt qa. Giu tin trong nh s làm bi i nh mang. Tính vô hình th hin m  bi i nh mang. Mt   u qa s làm cho thông tin mt tr nên vô hình trên nh mang,   ng không th phát hi  n cha thông tin (tc là không phân bic c và sau khi giu thông tin). Trong khi Steganography yêu cu tính vô hình ca thông tin  m cao thì watermarking li ch yêu cu  mt c nhnh. Chng hi ta áp dng watermarking cho vic gn mt bing m vào m bo v bn quyn. 1.1.8.2. Tính bn vng Sau khi giu tin vào nh, bn thân nh mang có th phi tri qua các khâu bin c tuyn tính, lc phi tuyn, thêm nhiu, làm sc nét, m nht, quay, nén mt d liu. Tính bn v nguyên vn ca thông tin mt sau nhng biy Hay tính bn vng là nói n kh u c các thao tác bi n giu và các cuc tn công có ch  1.1.8ng giu tin ng giu c tính bng t l cng tin giu so vc nh.  ng thông tin giu so vc nh môi t v cn quan tâm trong mt thut toán giu tin. Vì tin m c gi cùng nh mang qua m  t ch tiêu quan tr   u c làm sao giu c nhiu thông tin trong khi vn gi c bí mt. Tuy nhiên trong thc t i ta luôn cân nhc ging và các ch tiêu kh nh. 1.1.8.4. Kh ng gi mo Vì m  a m   giu tin là truy    t. Nu không th do thám tin m c tìm cách làm sai lch thông tin mt, làm gi mo thông tin. Mgiu tin tt s bm tin mt không b tn công mt cách có ch  nhng hiu bi v  14
giu t khóa) và có b gii mã (tr khóa bí ma còn có c  1.1.8 phc tp tính toán Ch tiêu phc tp trong mã hóa và git yu t quan trng trong  giu tin trong nh. Yêu cu v  phc tp tính toán ph thuc vào tng ng dng. 1.1.8.6. i vi qúa trình gii mã Yêu cu cu     i cho phép ly l     giu trong nh mà không cn có nh gc. u này là thun li khi ng là duy nhi làm gii hn kh ng dng ca k thut nhúng tin.  thc hin giu và tách tin t nh ta nghiên cu tìm hiu cu trúc ca nh s và thut toán thc hin. 1.2. Vấn đề và xác định nhiệm vụ 1.2.1. Giới thiệu vấn đề Xut phát t nhim v thc tin c cn thu thp mt s thông tin t bên ngoài và mc c  thc hin nhim v  Nhóm hong  bên ngoài thc hin nhim v thu thc mt s thông tin và cn gi v   tng hp, nghiên cu, x lý, nm bt tình hình, báo cáo lên cp trên. T t nhóm chu trách nhim tng hp nhng thông tin mà nhóm bên ngoài gi v. Trong nhóm này, có mi ph trách chung (là ng nhóm) s giao nhim v cho nh i còn li chu trách nhim: phân loi, nghiên cu và x lý thông tin thu thc gi v, mi mt mng riêng c biêt công vic ca ai. Thông tin mà nhóm  bên ngoài thu thp, mun gi v  n thun túy. Nhu là nhng thông tin nhy cm, do vc khi gi v nhóm mun gi hin din ca thông tin vào mt vt mang   bng tri khác không th nhn ra s hin din ca thông tin trong vt  hia thông tin. Nhóm   khi nhc vt mang tin phc thông tin gic ý ngha nc tách ra phi trùng khp vi thông tin gc u; qúa trình tách tin t nh mang tin không cn có nh gc. 15
1.2.2. Định hướng giải pháp Nghiên cu, tìm hiu h thng Steganogaphy kt hp giu bn tin  mã.  lu yi pháp h thng giu tin, phn mã hóa bo mt và gii mã nghiên cu  gii pháp khác, luch ng dng  mã hóa bi tin c khi giu và gii mt mã. Gii pháp h thng giu tin: + Thut toán ging tip cn min quan sát, min không gian + Gii thut giu tin: dùng gii thut nhúng d liu LSB ng mang tin: nh màu 24 bit bitmap ng truyn tin: gi thim b  ng ng hp không an toàn. 1.2.3. Nhiệm vụ của luận văn + Nghiên cu, tìm hiu các k thu ng v ca lu + Xây dng gii pháp h thng giu tin + Dùng phn mm công c th nghim ng dng + Phân tích các kch bn th nghing dng. 1.3. Tìm hiểu về ảnh số Hin nay, có rt nhinh dng  thuc vào nhu cu s dng mà ta dùng các loi nh thích hi vng mng và thit k i s nhanh chóng cho s truy cp t các máy khách ti máy ch ng nh không c qúa kém nên JPEG và PNG có th  ng nhu cu này. i vi giu tin trong nh ta cm bo các yêu c  o mt thông tin và mu không kém quan trng là s c giu càng nhiu càng tnh dng nh Bitmap có cu trúc nh c nh vi vùng d liu nh giúp tha mãn nhng yêu cu trên. 1.3.1. Sơ lược về các loại ảnh JPEG, GIF, PNG + nh JPEG JPEG (ting Anh, vit tt cho Joint Photographic Experts Group) là mt trong nhnh hiu qa, có t l nén nh ti vài chc ln. Tuy nhiên 16
nh sau khi gii nén s khác vi u. Chng nh b suy gim sau khi gii nén. S suy gin theo h s nén. Tuy nhiên s mt mát thông tin này là có th chp nhc và vic loi b nhng thông tin không cn thic da trên nhng nghiên cu v h nhãn th ca mi. Phn m rng cng có dng .JPEG, .JFIF, .JPG, hay .JPE; dng .JPG là dc dùng ph bin nht. Hin nay dng nén nh JPEG rc ph bin trn thong trang thit b  do có dung ng nh. + nh GIF GIF (vit tt ca Graphics Interchange Format; trong tinh di hình nh") là mnh dng tp tin hình nh bitmap cho các hình nh dc khác nhau và các hoi nh dng nén d lic bit hu ích cho vic truyn hình nh ng truyng nhnh di vào c dùng rn nay. Tp tin GIF dùng nén d liu bc tp tin có th c gim mà không làm gim chng hình nh, cho nhng hình  màu. S ng tnh dng này không phù hp cho các hình chng có nhiu màu sc), tuy nhiên các kiu nén d liu bo toàn cho hình chp nhic qúa li vi truyn d liu trên mng hin nh dng JPEG là nén d liu tht thoát có th c dùng cho các nh chp, i làm gim chng cho các bc v ít màu, to nên nhng ch nhòe thay ng sng th p cho các hình v y, , hình v nút bm và các hình ít màu, còn JPEG c dùng cho nh chp. nh d hu trí tu bi Unisys, và nhng ai mun vi to ra hoc hin th tp tin GIF phi tr tin bn quyn. Tiêu chunh d thay th GIF, gim các hn ch lut pháp và hn ch công ngh. Nay giy phép s hu trí tu ct hn ng do có nhi thut tr nh dng ph bin th 3 trên mng. 17
+ nh PNG PNG (t vit tt trong ting Anh ca Portable Network Graphics; chính thc     t dng hình nh s d     liu mi - không làm m  liu g c to ra nhm ci thin và thay th nh dng nh GIF vi mnh dng hình i phi có giy phép sáng ch khi s dng. c h tr bn tham chiu libpng, mn nn tc lp bao gm các hàm c qun lý các hình nh PNG. Nhng t   ng có phn m r     c gán kiu chuc công nh y cho vic tnh dng PNG bu vào kho 1995, sau khi Unisys công b h s áp dng bng sáng ch vào thut toán nén d liu LZW- c s dnh dng GIF. Thuc bo v bi bng công nhc quyn sáng to  c M và tt c c trên th gii. Tuy t s v vnh dng GIF khi cn có mt s i trên hình nh, nht là gii hn ca nó là 256 màu trong thm máy tính có kh  hin th nhi nên ph bin. Mnh dng GIF có th th hin các hình ng song PNG vc quynh dng hình  (ch có mt hình duy nht). Mi "anh em" cc t gii quyt v ng. PNG l ph bin c 1999, sau khi hãng Unisys hu b giy phép ca h i vi các lp trình viên phn mm mii. 1.3.2. Cấu trúc ảnh Bitmap i vi giu tin trong nh ta cm bo các yêu c o mt thông tin và mu không kém quan trng là s c giu càng nhiu càng tnh dng nh Bitmap có cu trúc nh c nh vi vùng d liu nh giúp tha mãn nhng yêu cu trên.  ha máy vc bin vi tên ting Anh khác là Windows bitmap, là mnh dng tp tin hình nh khá ph bin. Các t ha  i d       c .DIB (Device Independent Bitmap).  m ni bt nht c nh dng BMP là tp tin hình  ng 18
c nén bng bt k thu   m  c ghi trc tip vào tp tin - mm nh s c mô t bi mt hay nhiu byte tùy thuc vào giá tr ca t hình i dng có kích c rt ln, gp nhiu ln so vi các c nén. c chia thành ba dng: nh nh phân (ng), c xám, nh màu.   Hình 1.2: Ví dụ về ảnh đen trắng [4]   Hình 1.3: Ví dụ về ảnh đa cấp xám [4]                     19