Phương pháp giấu tin ngẫu nhiên hình ảnh dựa trên kỹ thuật thay thế LSB và phương pháp PVD

Chia sẻ: Phó Cửu Vân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết "Phương pháp giấu tin ngẫu nhiên hình ảnh dựa trên kỹ thuật thay thế LSB và phương pháp PVD" phân tích, đánh giá thiết kế và cài đặt thực thi cho quá trình giấu tin và trích xuất thông tin theo phương pháp PVD kết hợp LSB. Kết quả mô phỏng được thực hiện trên hệ máy tính hiện nay. Kết quả thực nghiệm dùng để đánh giá về hiệu quả thực thi của phương pháp. Những điều này được nhóm tác giả đưa ra thảo luận trong các mục của bài báo. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Phương pháp giấu tin ngẫu nhiên hình ảnh dựa trên kỹ thuật thay thế LSB và phương pháp PVD

Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) Phương pháp giấu tin ngẫu nhiên hình ảnh dựa trên kỹ thuật thay thế LSB và phương pháp PVD Lục Như Quỳnh1, *, Quách Đức Huy1, * 1 Học viện Kỹ thuật mật mã, 141 Chiến Thắng, Tân Triều, Thanh Trì, Hà Nội * Email: lucnhuquynh69@gmail.com, quynhln@actvn.edu.vn Abstract—Với sự bùng nổ của cuộc cách mạng 4.0, sự nhau để cải thiện chất lượng ảnh và khả năng nhúng. chuyển dịch sang số hóa đang được thúc đẩy vô cùng Một trong những ứng cử viên sáng giá trong việc kết nhanh chóng, kéo theo đó khiến nhu cầu truyền tin qua hợp này là phương pháp đề xuất của Khodaei và Faez – mạng ngày càng lớn. Việc đảm bảo an toàn và bảo mật kết hợp phương pháp PVD với phương pháp thay thế thông tin cho dữ liệu truyền qua mạng trở thành một vấn đề nghiên cứu thiết yếu hiện nay. Ý tưởng của nghiên cứu LSB. này, tác giả phân tích phương pháp giấu tin và trích xuất Trong nghiên cứu này, tác giả cùng nhóm cộng sự đã thông tin trên hình ảnh bằng kỹ thuật PVD kết hợp kỹ phân tích, đánh giá thiết kế và cài đặt thực thi cho quá thuật LSB. Kết quả đạt được, với độ dài thông điệp từ 16 trình giấu tin và trích xuất thông tin theo phương pháp – 5002 byte, thời gian giấu tin nằm từ 0,06s – 0,24s, thời gian trích xuất bằng 10% thời gian giấu tin. Nghiên cứu PVD kết hợp LSB. Kết quả mô phỏng được thực hiện cũng chỉ ra việc giấu thông điệp bằng tiếng Việt cho hiệu trên hệ máy tính hiện nay. Kết quả thực nghiệm dùng suất thấp hơn so với thông điệp bằng tiếng Anh. Các thông để đánh giá về hiệu quả thực thi của phương pháp. số thực thi cũng cho thấy mô hình có thể đáp ứng được Những điều này được nhóm tác giả đưa ra thảo luận nhu cầu sử dụng thực tế hiện nay. trong các mục của bài báo. Keywords. Bảo mật thông tin, giấu tin, LSB, PVD, trích II. PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN VÀ CÁC xuất thông tin. NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN I. GIỚI THIỆU A) Kỹ thuật thay thế LSB và phương pháp PVD: Giấu thông tin là một kỹ thuật nhúng (hay còn gọi là PVD là phương pháp chênh lệch giá trị điểm ảnh (PVD giấu) một lượng thông tin số nào đó vào trong một đối – prediction-based Pixel Value Differencing). Thuật tượng dữ liệu số khác (giấu thông tin chỉ mang tính quy toán này sử dụng kỹ thuật đánh dấu vị trí các pixel để ước không phải là một hành động cụ thể) [1]. Việc giấu giấu thông tin bí mật vào ảnh [2]. Các pixel được chọn dữ liệu là một phần quan trọng trong hệ thống bảo mật để giấu thông tin bí mật sẽ được thay đổi giá trị rất nhỏ, dữ liệu để đảm bảo việc truyền dữ liệu an toàn từ người để không gây ra sự khác biệt quá đáng kể về màu sắc gửi đến người nhận. Kỹ thuật mật mã và kỹ thuật ẩn mã hoặc độ phân giải của ảnh. Việc giấu thông tin được (Steganography) được sử dụng phổ biến nhất để bảo vệ thực hiện bằng cách tính toán sự chênh lệch giữa giá trị dữ liệu khỏi bên thứ ba trái phép. Kỹ thuật ẩn mã là của các pixel lân cận. Sau đó, thông tin bí mật sẽ được nghệ thuật giấu dữ liệu và truyền thông ngầm giữa đưa vào sự chênh lệch này, và giá trị mới của pixel sẽ người gửi và người nhận. Kỹ thuật ẩn mã giấu dữ liệu được tính toán dựa trên sự chênh lệch được thay đổi bên trong một hình ảnh, âm thanh, video hoặc văn bản. này. LSB (Least Significant Bit) là phương pháp giấu Và phổ biến nhất là kỹ thuật giấu dữ liệu bí mật trong trên bit có ít ý nghĩa nhất của điểm ảnh hay còn gọi là một hình ảnh. Có nhiều kỹ thuật giấu tin trong ảnh được bit có trọng số thấp nhất, đây là bit có ảnh hưởng ít nhất sử dụng trong miền không gian như thay thế LSB, điều đến việc quyết định màu sắc của mỗi điểm ảnh. Việc chỉnh mức xám, Pixel value differencing (PVD) … xác định bit có trọng số thấp của mỗi điểm ảnh trong Nhưng nổi bật nhất và được áp dụng nhiều trong hiện một bức ảnh phụ thuộc vào định dạng của ảnh và số bit nay là kỹ thuật PVD. màu dành cho mỗi điểm của ảnh đó. Đây cũng là Năm 2003, Wu và Tsai đã đề xuất kỹ thuật giấu tin trong phương pháp được sử dụng phổ biến trong giấu tin ảnh là Pixel Value Differencing (PVD) [2]. Trong kỹ trước khi PVD ra đời. Mỗi phương pháp đều có ưu thuật này, hình ảnh được phân chia thành các khối pixel nhược điểm riêng và bằng cách kết hợp 2 kỹ thuật này, không chồng lấn. Qua nhiều năm phát triển, phương hiệu suất của giấu tin sẽ được cải thiện một cách rõ rệt. pháp PVD đã được kết hợp với nhiều phương pháp khác Khodaei và Faez đã có một công bố [3] về hướng ISBN 978-604-80-8932-0 446
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) nghiên cứu này cho thấy sự cải thiện rõ rệt về chất lượng 6. Gọi deck1 và deck2 lần lượt là giá trị thập phân ảnh đầu ra và khả năng lưu trữ trên ảnh. của k1 và k2 bit nhị phân bí mật. 7. Giá trị chênh lệch mới dl’ và dr’ có thể được tính B) Giấu tin PVD kết hợp thay thế LSB theo phương bằng cách sử dụng các công thức: pháp của Khodaei và Faez: Khodaei và Faez đã xem xét cả kỹ thuật thay thế LSB d = L + dec ; d = L + dec và phương pháp PVD để giấu dữ liệu bí mật bên trong Trong đó Lj là giới hạn dưới cho các dải tương ứng một khối gồm ba pixel liên tiếp [4]. Hình ảnh bao phủ của dl và dr. được chia thành các khối không chồng chéo có kích 8. Giá trị mới cho gl và gr được tính như sau: thước 1x3 pixel như được thể hiện như hình 1. g =g −d ;g = g +d ; g =g −d ;g =g +d gl gc gr 9. Cuối cùng, giá trị pixel ảnh ẩn cho gl’ và gr’ được Hình 1. Khối pixel ban đầu trong thuật toán PVD kết tính bằng công thức: g , nếu │g − g │ < │g − g │và 0 ≤ g ≤ 255 hợp LSB [5]. g′= g , trường hợp còn lại Bên cạnh đó ứng với mỗi phạm vi giá trị khác nhau từ g ′= g , nếu │g − g │ < │g − g │và 0 ≤ g ≤ 255 0 đến 255 ta sẽ có số bit cần ẩn tương ứng, giá trị đó g , trường hợp còn lại được quy định theo bảng. 10. Thu được gl’, gc’, gr’. Quá trình nhúng hoàn thành. Khối nhúng tạo ra được mô tả như hình 2. Bảng 1. Bảng phạm vi Khodaei và Faez [6] g l’ g c’ g r’ Phạm vi [0,7] [8,15] [16,31] [32,63] [64,255] Rj = [Lj, Hình 2. Khối pixel stego trong thuật toán PVD kết Uj] hợp LSB [5] Dung 3 3 3 4 4 Thuật toán 2. Thuật toán trích xuất PVD kết hợp lượng thay thế LSB Dưới đây là thuật toán nhúng và trích xuất của phương Đầu vào: Một ảnh đã được nhúng tin và được pháp này chia thành các khối 1x3 pixel. Đầu ra: Một chuỗi tin bí mật và một ảnh sau khi Thuật toán 1. Thuật toán nhúng PVD kết hợp thay được trích xuất tin, ảnh đó được tạo từ các khối thế LSB 1x3 pixel thu được sau khi trích xuất k bit nhị Đầu vào: Một ảnh gốc được chia thành các khối 1x3 phân. pixel và một chuỗi bit bí mật. Mô tả thuật toán: Đầu ra: Một ảnh đích sau khi được nhúng tin, ảnh 1. Trước hết lấy k bit LSB ở dạng nhị phân từ pixel đích được tạo từ các khối 1x3 pixel, các khối 1x3 thu trung tâm gc’. Tính 2 giá trị chênh lệch dl* và dr* theo được từ khối 1x3 tương ứng ban đầu sau khi đã giấu công thức: k bit thông tin. d ∗ = |g ′ − g ′|; d ∗ = |g ′ − g ′| Mô tả thuật toán: 2. Các giá trị thập phân s1 và s2 cho các bit bí mật 1. Gọi gl, gc, gr lần lượt là 3 pixel liên tiếp trong một được tính bằng công thức: khối. Pixel gc ở giữa được chọn làm pixel tham s = d∗−L;s =d ∗−L chiếu. 2. Áp dụng kỹ thuật thay thế LSB k-bit trên pixel gc, trong đó Lj là giới hạn dưới tương ứng cho các giá trị trong đó k có thể là 3, 4 hoặc 5. Gọi gc’ là pixel mới chênh lệch dl* và dr*. sau khi thực hiện kỹ thuật thay thế LSB k-bit trên gc. 3. Gọi t1 và t2 là số bit cho các giá trị chênh lệch dl* 3. Giả sử dec1 và dec2 lần lượt là giá trị thập phân và dr*, biểu diễn s1 và s2 lần lượt trong t1 và t2 bit nhị của k-bit LSB của gc và gc’, tìm d là giá trị chênh phân. 4. Nối s1 và s2 với k bit LSB ở dạng nhị phân từ pixel lệch giữa dec1 và dec2, tức là: d = dec − dec trung tâm thu được chuỗi tin bí mật. 4. Giá trị tối ưu cho gc’ được tính bằng công thức: 5. Quá trình trích xuất hoàn thành. g + 2 nếu d > 2 và 0 ≤ g + 2 ≤ 255 C) Ngẫu nhiên ảnh đầu ra cho quá trình giấu tin: g ′ = g − 2 nếu d < −2 và 0 ≤ g − 2 ≤ 255 g , trường hợp còn lại Nhìn vào phương pháp trên có thể thấy được ảnh được 5. Tính giá trị chênh lệch dl và dr theo công thức: giấu tin thông qua phương pháp PVD kết hợp phương d = |g − g |; d = |g − g | pháp LSB vẫn có sự sai lệch nhỏ, tuy không thể nhìn Giá trị chênh lệch này được ánh xạ vào bảng phạm thấy bằng mắt thường. Vậy nên nếu chỉ sử dụng một ảnh làm đầu ra cho quá trình giấu tin, kẻ tấn công có thể vi như trong bảng 1 để xác định số bit cần ẩn. Gọi thu thập các bản mã giấu tin bằng hình ảnh, thông qua số bit này lần lượt là k1 và k2. ISBN 978-604-80-8932-0 447
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) sự đối chiếu sai lệch qua mỗi lần giấu tin mà phá giải phương pháp này gây mất tính bí mật của mật mã. Để khắc phục điểm yếu này, nhóm tác giả đã xây dựng phương pháp chọn ngẫu nhiên hình ảnh đầu ra được giấu tin, việc lựa chọn hình ảnh làm đầu ra từ kho ảnh cho trước được đảm bảo tuân thủ đúng nguyên tắc độc lập thống kê. Hiểu một cách ngắn gọn, mọi ảnh trong kho ảnh đều có cùng khả năng được lựa chọn làm ảnh đầu ra, dẫu cho các yếu tố và điều kiện thực thi là như nhau thì vẫn có thể cho ra nhiều kết quả khác nhau. III. XÂY DỰNG ỨNG DỤNG THỰC HIỆN QUÁ TRÌNH GIẤU TIN HÌNH ẢNH Trong nghiên cứu này, chương trình giấu tin hình ảnh được nhóm tác giả xây dựng với 2 mô đun: Lựa chọn Hình 4. Giao diện chương trình giấu tin hình ảnh ngẫu nhiên ngẫu nhiên hình ảnh, giấu tin PVD kết hợp phương pháp LSB. Hình 3 biểu diễn mô hình hoạt động của lưu đồ Quy trình giấu tin: Tại ô nhập thông điệp người dùng giấu tin hình ảnh ngẫu nhiên dựa trên phương pháp cần đưa vào thông điệp mình cần giấu (bằng tiếng Anh PVD kết hợp LSB. hoặc tiếng Việt đều được) sau đó nhấn vào nút giấu tin, nếu giấu tin thành công sẽ có một thông báo thành công hiện lên và hình ảnh đã được giấu thông điệp sẽ xuất hiện trên màn hình, người dùng cũng có thể tìm hình ảnh này tại thư mục EncImage để cùng chương trình. Quy trình trích xuất: Để sử dụng chương trình, người sử dụng chỉ cần chọn hình ảnh đã được giấu tin thông qua nút chọn ảnh, sau khi chọn ảnh thành công, ảnh sẽ được hiện ở ô bên trái chương trình, thông điệp sẽ được hiện ra tại ô bên phải sau khi người dùng nhấn nút giải mã. IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Ứng dụng được tác giả xây dựng dựa trên ngôn ngữ Python, thiết kế giao diện bằng thư viện Tkinter, chạy thử trên máy tính laptop có cấu hình: i5-8300h – 2.3ghz, 16gb ram. Hình 3a là thông báo khi giấu tin thành công; Hình 3. Mô hình giấu tin hình ảnh ngẫu nhiên dựa trên Hình 3b là hình ảnh giấu tin được hiện lên; Hình 3c là phương pháp PVD kết hợp LSB kết quả trích xuất thông tin từ hình ảnh được mã hóa. Trong Hình 3, đầu tiên khởi động chương trình giấu tin PVD kết hợp phương pháp LSB, sau khi nhập thông điệp đầu vào, chương trình sẽ tự động lựa chọn ngẫu nhiên một hình ảnh để làm vật chứa giấu tin cho thông điệp, sau đó chương trình sẽ tiến hành giấu thông điệp đã nhập vào hình ảnh này theo thuật toán đã được thiết lập. Trong nghiên cứu này, chương trình được thiết kế với giao diện như hình 4. Hình 3. A) Thông báo giấu tin thành công; B) Ảnh sau khi giấu tin hiện lên màn hình; C) Kết quả trích xuất tin từ ảnh mã ISBN 978-604-80-8932-0 448
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) Để tiến hành đánh giá hiệu năng của chương trình, tác giấu tin dựa vào tần suất xuất hiện của các ký tự hoặc giả thực hiện ký số với nhiều thông điệp Anh và Việt từ, thì thông điệp tiếng Anh có thể tạo ra ít biến động với các độ dài khác nhau. Kết quả thu về sự biến đổi hơn và do đó giảm kích thước hình ảnh. Tuy vậy, dù có kích thước được thể hiện chi tiết trong Bảng 2. Hình 5 tăng lên hay giảm đi, ảnh sau khi được giấu tin vẫn là sự so sánh giữa hình ảnh trước và sau khi mã hóa. không cho thấy có sự biến đổi rõ rệt so với ảnh gốc ban đầu. Điều này, giúp nhóm tác giả đánh giá chương trình có khả năng giấu tin nhanh, an toàn, đáp ứng tốt nhu cầu người dùng hiện nay. V. KẾT LUẬN Nghiên cứu này, nhóm tác giả đã phân tích đánh giá cụ thể thuật toán giấu tin hình ảnh dựa trên kỹ thuật PVD kết hợp LSB tích hợp cùng bộ lấy ảnh ngẫu nhiên để đảm bảo tích chất an toàn cho mô hình. Từ đó, tác giả đã thực hiện cài đặt thử nghiệm quá trình giấu tin và trích Hình 5. A) Ảnh gốc; B) Ảnh sau giấu tin xuất thông tin. Kết quả đạt được, với độ dài thông điệp từ 16 – 5002 byte, thời gian giấu tin nằm từ 0,06s – Bảng 2. Bảng so sánh kích thước ảnh trước và sau khi 0,24s, thời gian trích xuất bằng 10% thời gian giấu tin. giấu tin Nghiên cứu cũng chỉ ra việc giấu thông điệp bằng tiếng Kích Kích Thời gian Việt cho hiệu suất thấp hơn so với thông điệp bằng tiếng Kích thước thước giấu tin/trích Anh và đưa ra lý do của vấn đề. Từ những kết quả đạt thước Ảnh thông ảnh gốc ảnh xuất (s) được, nhóm tác giả nhận thấy chương trình có thể áp điệp giấu tin dụng vào thực tiễn, đảm bảo được an toàn cũng như nhu (kb) (bytes) (kb) cầu sử dụng của người dùng. 1.png 16 4321 4271 0.1897/0.0199 (Anh) LỜI CẢM ƠN 2.png 486 2661 2651 0.1176/0.0118 (Anh) Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn Học viện Kỹ thuật 3.png 2410 185 213 0.0619/0.0062 mật mã đã hỗ trợ nhóm trong nghiên cứu này (Việt) 4.png 4334 1804 2861 0.2413/0.0241 TÀI LIỆU THAM KHẢO (Việt) [1] P. Stavroulakis and M. Stamp, Eds., Handbook of 5.png 5002 2780 2754 0.1387/0.0139 Information and Communication Security. Berlin, (Anh) Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2010. doi: 10.1007/978-3-642-04117-4. Với các số liệu thực nghiệm trong Bảng 2 và kết quả [2] D.-C. Wu and W.-H. Tsai, “A steganographic method for theo hình 5 kết quả đạt được như sau: thời gian giấu tin images by pixel-value differencing,” Pattern Recognit. (0,06s – 0,24s), thời gian trích xuất (0.0062s – 0.0241s) Lett., vol. 24, no. 9–10, pp. 1613–1626, Jun. 2003, doi: kích thước hình ảnh biến động không quá 2% đối với 10.1016/S0167-8655(02)00402-6. thông điệp bằng tiếng Anh và không quá 60% đối với [3] M. Khodaei, B. Sadeghi Bigham, and K. Faez, “Adaptive thông điệp tiếng Việt. Từ đó, nhóm tác giả nhận thấy Data Hiding, Using Pixel-Value-Differencing and LSB rằng khi thực hiện giấu tin bằng tiếng Việt thì kích Substitution,” Cybern. Syst., vol. 47, no. 8, pp. 617–628, Nov. 2016, doi: 10.1080/01969722.2016.1214459. thước ảnh sau khi giấu lại tỉ lệ thuận so với kích thước [4] A. K. Sahu and G. Swain, “Data hiding using adaptive thông điệp đầu vào, ngược lại với tiếng Anh thì kích LSB and PVD technique resisting PDH and RS analysis,” thước ảnh lại tỉ lệ nghịch so với thông điệp đầu vào. Int. J. Electron. Secur. Digit. Forensics, vol. 11, no. 4, p. Hiệu suất giấu tin/trích xuất của các thông điệp tiếng 458, 2019, doi: 10.1504/IJESDF.2019.102567. Việt cũng thấp hơn so với các thông điệp tiếng Anh. [5] K. Faez and M. Khodaei, “New adaptive steganographic Nhóm tác giả đưa ra một số nguyên nhân cho vấn đề method using least-significant-bit substitution and pixel- này như sau: (1) Tiếng Việt thường sử dụng nhiều dấu value differencing,” IET Image Process., vol. 6, no. 6, pp. ngôn ngữ và dấu tiếng hơn so với tiếng Anh. Việc giấu 677–686, Aug. 2012, doi: 10.1049/iet-ipr.2011.0059. tin thông điệp tiếng Việt có thể tạo ra sự biến động lớn [6] G. Swain, “A Steganographic Method Combining LSB Substitution and PVD in a Block,” Procedia Comput. Sci., hơn trong giá trị pixel, dẫn đến việc tăng kích thước ảnh, vol. 85, pp. 39–44, 2016, doi: (2) Tiếng Anh thường sử dụng một tập hợp nhỏ các ký 10.1016/j.procs.2016.05.174. tự và từ vựng so với tiếng Việt. Nếu một phương pháp ISBN 978-604-80-8932-0 449