KĨ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH TRONG ẢNH
Trong lĩnh vực bảo mật thông tin, phương pháp mã hóa chuyển đổi thông tin từ dạng "có nghĩa" sang "vô nghĩa", chỉ những người hoặc máy tính có "chìa khóa" mới có thể giải mã Tuy nhiên, thông tin "vô nghĩa" này lại thu hút sự chú ý của tin tặc, khiến thông tin có nguy cơ bị tấn công Để bảo vệ thông tin mật, phương pháp giấu thông tin trong các dữ liệu khác như ảnh số, video hay âm thanh được sử dụng, giúp tin tặc không nhận ra sự tồn tại của thông tin mật Thay vì truyền tải thông tin mã hóa, ta sẽ truyền tải dữ liệu "có nghĩa" chứa thông tin mật bên trong Các phương pháp này bao gồm steganography và watermarking, trong đó steganography nhằm bảo vệ thông tin mật, còn watermarking bảo vệ đối tượng chứa thông tin.
Hình 1.1 Sơ đồ phân loại giấu tin
Hình 1.2 Mô hình giấu thông tin tổng quát
Steganography là kĩ thuật che giấu, ằm bảo vệ thông tin đó không bị phát hiện.Thuật ngữ “steganography” có nguồn gốc từ hai chữ Hy Lạp là
Thông tin mật Đối tƣợng chủ thể Đối tƣợng đã nhúng
Thông tin mật Đối tƣợng gốc
Kênh truyền tải Khóa mật
“steganos” và “graphein”, có nghĩa “che giấu” và “bản ghi chép” Mặc dù thuật ngữ
Steganography, mặc dù chỉ mới xuất hiện vào cuối thế kỷ 15, nhưng đã có những ứng dụng từ hàng ngàn năm trước Trong thời kỳ Hy Lạp cổ đại (năm 440 trước Công nguyên), thông điệp được giấu trong các bản ghi bằng sáp hoặc xăm lên da đầu của nô lệ Đến thời kỳ chiến tranh thế giới I và II, cũng như trong các hoạt động gián điệp và khủng bố, các kỹ thuật tiên tiến như mực vô hình, vi ảnh, vi phim và đánh dấu ký tự đã được sử dụng.
Theo B Pflizmann, ta có các hướng phát triển của steaganography như sau:
Hình 1.3 Phân loại Steaganography theo B Pflizmann
Kỹ thuật steganography liên quan đến việc áp dụng các phương pháp vật lý hoặc hóa học để ẩn giấu thông tin nhạy cảm Một số ví dụ tiêu biểu bao gồm việc sử dụng mực vô hình và kỹ thuật vi ảnh để bảo vệ thông tin.
Grille là một khái niệm liên quan đến việc mã hóa thông tin thông qua các đối tượng, chẳng hạn như vị trí của các quân cờ trên bàn cờ hoặc hình ảnh của một người ở những tư thế khác nhau, mỗi tư thế mang một ý nghĩa riêng biệt.
Các phương pháp trong nhóm semagrams văn bản giúp truyền đạt thông tin mật thông qua cách hiển thị văn bản Một số kỹ thuật này có thể áp dụng cho cả văn bản viết tay và văn bản in, chẳng hạn như thay đổi khoảng cách giữa các ký tự.
Các phương pháp trong nhóm jorgon code thường tích hợp nội dung thông điệp vào các tín hiệu có công suất lớn, giúp thông tin ẩn không bị phát hiện.
Dùng trong truyền thông bí mật nhƣ trong các hoạt động phi pháp, gian lận tài chính, gián điệp công nghiệp, tình báo, …
Thông tin bổ sung có thể được đính kèm cho các đối tượng, chẳng hạn như trong album ảnh số, mỗi bức ảnh có thể bao gồm các chi tiết như ngày tháng năm, nội dung ảnh, và tên người chụp.
1 1 2 3 Các yêu cầu của một thuật toángiấu thông tin
Tính bền vững của hệ thống được thể hiện qua khả năng chống chịu trước các tấn công bên ngoài, như sự thay đổi tính chất của tín hiệu âm thanh (biên độ, tần số lấy mẫu), các phép biến đổi affine như phép quay và tỉ lệ, cũng như sự thay đổi chất lượng ảnh đối với tín hiệu hình ảnh Hệ thống cũng cần đảm bảo khả năng chuyển đổi định dạng dữ liệu, ví dụ từ JPG sang BMP hoặc từ WAV sang MP3, mà không làm giảm chất lượng thông tin.
Hiện tại, chưa có phương pháp nào đảm bảo tính chất này một cách tuyệt đối Mỗi ứng dụng cụ thể sẽ có mức độ yêu cầu khác nhau về tính chất này, đặc biệt là trong trường hợp watermarking, nơi yêu cầu thường cao hơn.
Khả năng không bị phát hiện là một yếu tố quan trọng trong việc ẩn dữ liệu, thể hiện ở việc khó xác định liệu một đối tượng có chứa thông tin mật hay không Để tăng cường khả năng này, nhiều phương pháp ẩn dữ liệu dựa vào đặc điểm của hệ tri giác người, bao gồm hệ thị giác (HVS) và hệ thính giác (HAS), hai cơ quan chủ yếu dùng để đánh giá chất lượng tín hiệu.
Khả năng không bị phát hiện phụ thuộc vào hai yếu tố sau:
Kỹ thuật giấu tin yêu cầu dữ liệu được nhúng phải tương thích với đối tượng thuật toán nhúng Chẳng hạn, thông tin mật sẽ khó bị phát hiện khi được nhúng vào đối tượng A, trong khi đó, nó lại dễ dàng bị phát hiện khi nhúng vào đối tượng B.
Kinh nghiệm của kẻ tấn công cho thấy rằng, với sự am hiểu và kỹ năng cao, việc phát hiện một đối tượng chứa thông tin mật trở nên dễ dàng hơn.
Khả năng lưu trữ thông tin trong đối tượng chủ thể thể hiện qua lượng dữ liệu có thể nhúng vào Tuy nhiên, do yêu cầu bảo mật, khả năng này thường bị giới hạn.
Do đó trong trường hợp muốn ẩn một thông tin có kích thước lớn, ta thường chia nhỏ thông tin ra và nhúng vào các đối tƣợng khác nhau
Tính chắc chắn là một yếu tố quan trọng trong chứng nhận bản quyền và xác thực Tiêu chí này thường được nhấn mạnh trong kỹ thuật gán nhãn thời gian.
Tính bảo mật: Có nhiều cấp độ bảo mật khác nhau, nhƣng nhìn chung có 2 cấp độ chính:
Người dùng hoàn toàn không biết có sự tồn tại của thông tin mật
Người dùng biết sự tồn tại của thông tin mật, nhưng phải có khóa khi truy cập
Bảng so sánh sau đây cho ta thấy những điểm khác biệt cơ bản giữa mật mã học và giấu thông tin
Bảng 1 1 So sánh giữa mật mã học và giấu thông tin
Mật mã học Giấu thông tin
Thông tin đƣợc mã hóa Thông tin đƣợc giấu đi
Kĩ thuật phổ biến Kĩ thuật mới, vẫn còn tiếp tục phát triển
Dựa vào độ phức tạp của thuật toán để bảo vệ thông tin mã hóa
Sử dụng phương tiện chứa để ẩn giấu thông tin mật là một biện pháp hiệu quả, giúp bảo vệ và giảm thiểu tranh chấp liên quan đến bản quyền sở hữu trí tuệ số, một vấn đề đang rất được chú ý hiện nay.
Phân loại watermarking: Dựa vào các tính chất khác nhau, ta có thể chia kĩ thuật watermarking thành các nhóm nhƣ sau:
Hình 1.4Phân loại Watermarking theo B Pflizmann
ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM
-Ngôn ngữ cài đặt: Ngôn ngữ lập trình Matlab phiên bản 7 7
-Môi trường soạn thảo: Matlab phiên bản 7 7
-Môi trường chạy chương trình: Môi trường giao diện Matlab phiên bản 7 7 -Cấu hình tối thiểu để cài đặt Matlap:
+Intel hoặc AMD x86 processor supporting SSE2 +Windows XP SP2 x64, SP3, …
+Dung lƣợng ổ cứng từ 1GB tới 5GB + Bộ nhớ RAM tối thiểu 1GB
3 2 1 Giao diện chính của chương trình
Hình 3.1 Giao diện chính của chương trình Đây là giao diện khi khởi động, từ đây ta sẽ gọi đến các giao diện khác thông qua menu
3 2 2 Giao diện chương trình giấu tin
Từ giao diện chính của chương trình kích vào giao diện giấu tin, cửa sổ chương trình giấu tin sẽ được hiện ra
Để giấu thông tin trong ảnh, người dùng cần nhấn vào nút nhập ảnh Sau đó, cửa sổ thư mục chứa ảnh gốc sẽ hiện ra, cho phép chọn bất kỳ ảnh nào để thực hiện việc giấu thông tin.
Sau khi nhập ảnh gốc ta kích vào nút lưu khóa, nhập tên khóa mã hóa ảnh.Khóa này sinh ngẫu nhiên bằng với kích thước của ảnh
Hình 3.4 Chọn khóa để mã hóa ảnh
Nhập khóa giấu tin M, L, S vào các ô, trong đó khóa M nằm trong các giá trị từ 1 nhỏ hơn5
Hình 3.5 Nhập khóa giấu tin M, L, S
Nhập tên ảnh sau khi đã mã hóa và giấu thông tin ta chọn nút lưu ảnh đã mã hóa
Hình 3.6 Nhập tên ảnh đã mã hóa chứa thông tin
Sau khi nhập xong khóa cần giấu, nhấn nút “thực hiện giấu tin” để bắt đầu quá trình mã hóa và giấu thông tin.
Hình 3.7 Chương trình mã hóa và giấu chuỗi thông tin vào ảnh
Khi quá trình mã hóa và giấu thông tin thực hiện xong sẽ xuất hiên thông báo
“đã giấu tin xong” ta đƣợc ảnh mã hóa và giấu thông tin trong hộp “đã mã hóa ảnh
Hình 3.8 Chương trình sau khi đã thực hiện giấu tin
3 2 3 1 Giao diện giấu tin chỉ có khóa giải mã
Giao diện chức năng này chỉ có thể khôi phục ảnh gốc, không tách đƣợc thông tin
Hình 3.9 Giao diện chỉ có khóa giải mã
3 2 3 2 Giao diện chỉ có khóa tách tin
Giao diện này chỉ tách chuỗi thông điệp giấu trong anh mà không khôi phục đƣợc ảnh gốc
Hình 3.10 Giao diện tách tin chỉ có khóa tách tin
3 2 3 3 Giao diện tách tin có cả khóa mã hóa và khóa tách tin
Sau khi hoàn tất quá trình giấu tin, hãy quay lại giao diện chính và chọn nút tách tin Tiếp theo, chọn menu thư mục với đủ khóa mã hóa và khóa tách tin để giao diện tách xuất hiện.
Với giao diện tách tin, người dùng có thể sử dụng khóa giải mã và khóa tách tin để tách chuỗi thông điệp và khôi phục ảnh gốc Để thực hiện, hãy nhấn nút “chọn ảnh” và chọn ảnh cần tách tin.
Hình 3.12 Thƣ mục chƣa ảnh đã giấu tin
Kích vào nút chọn khóa giải mã sẽ xuất hiện thƣ mục mời chọn khóa giải mã, ta chọn khóa giải mã của đúng ảnh cần tách tin
Hình 3.13Thƣ mục chứakhóa mã hóa ảnh
Sau khi chọn khóa xong ta kích vào phần “lưu ảnh” nhập tên ảnh cần được khôi phục
Hình 3.14 Thƣ mục chứa ảnh khôi phục sau khi tách tin
Sau khi hoàn tất việc chọn đầu vào và đầu ra cho chương trình, bạn hãy nhấn nút “thực hiện tách tin” Chương trình sẽ tiến hành và hiển thị kết quả ảnh đã giấu tin ngay trên giao diện.
3 3 Kết quả thực nghiệm và nhận xét
Thực nghiệm cho ta thấy kết quả giấu tin thuận nghịch cho ảnh đã mã hóa
Bảng 3.1 trình bày đánh giá chất lượng trung bình PSNR với các giá trị M và S khác nhau trên ba hình ảnh lena.png, baboon.png và house.png, sử dụng độ dài thông điệp 2168 bit như trong hình 3.16.
Hình 3.16 Nội dung thông tin cần giấu vào 3 ảnh lena.png, baboon.png, house.png
Bảng 3.2 Bảng đánh giá chất lƣợng PSNR giữa ảnh gốc và ảnh sau khi khôi phục trên 9 ảnh với
Tên ảnh Gía trị PSNR
Ari plane.png 100dB baboon.png 78.3728 dB
Tiffny.png 83.9911 dB Ảnh cấp xám 8 bit trước khi mã hóa
Hình 3.17 Tậpảnh gốc trước khi chưa mã hóa Ảnh sau khi tách thông tin và khôi phục
Hình 3.18 Tậpảnh sau khi đã tách tin và khôi phục
3 3 2 Nhận xét Độ an toàn của kỹ thuật cao, phụ thuộc vào giá trịma trận mã hóaảnh r và khóa giấu tin LSB
Qua thử nghiệm em nhận thấy kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trong ảnh đã mã hóacó những ƣu nhƣợc điểm sau Ƣu điểm:
Khả năng bảo mật cao của hệ thống được đảm bảo nhờ vào việc sử dụng khóa mã và khóa giấu thông tin LSB mà chỉ người gửi và người nhận biết Để thực hiện tách tin và khôi phục ảnh gốc, cần có đầy đủ khóa mã hóa và khóa giải mã.
+ Quá trình giấu và tách tin chậm mất nhiều thời gian
+ Không có bước tính toán khóa giấu tin LSB và để tăng thêm độ an toàn cho dữ liệu.