Khóa luận Giấu tin trong ảnh và ứng dụng trong an toàn bảo mật thông tin

0 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thanh Cường GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG TRONG AN TOÀN BẢO MẬT THÔNG TIN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY HÀ NỘI - 2009 Ngành: Công nghệ thông tin 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thanh Cường GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG TRONG AN TOÀN BẢO MẬT THÔNG TIN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY HÀ NỘI - 2009 Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hướng dẫn : TS. Hồ Văn Canh 1 LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Hồ Văn Canh, người đã gợi mở và hướng dẫn em đi vào tìm hiểu đề tài giấu tin trong ảnh. Người thầy đã hết lòng giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa luận này. Em xin cảm ơn các thầy, cô trong trường Đại học Công Nghệ -Đại học Quốc Gia Hà Nội đã dậy dỗ chúng em, giúp đỡ động viên chúng em từ những ngày đầu chập chững bước vào cánh cổng trường Đại học. Thầy cô đã tạo cho chúng em môi trường học tập, những điều kiện thuận lợi cho chúng em được học tập tốt, trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu giúp chúng em có thể vững bước trong tương lai. Cảm ơn các bạn cùng lớp đã giúp đỡ, cùng nghiên cứu và chia sẻ trong suốt 4 năm học Đại học. Cuối cùng, xin gửi muôn vàn lời yêu thương, lòng biết ơn tới những người thân yêu nhất của tôi! Hà Nội, 2009 Nguyễn Thanh Cường 2 Tóm tắt nội dung Luận văn đã trình bày một số khái niệm liên quan tới việc che giấu thông tin nói chung, cụ thể hơn là giấu thông tin trong ảnh số và cũng trình bày một thuật toán giấu tin trong ảnh đen trắng, trên cơ sở đó phát triển thuật toán cho việc giấu tin trong ảnh màu và ảnh đa cấp xám. Giấu thông tin có thể chia làm hai hướng lớn đó là thủy vân số (watermarking) và giấu tin mật (steganography). Trong luận văn chủ yếu nghiên cứu theo hướng giấu tin mật trong ảnh. Với thuật toán giấu tin mật trong ảnh mầu thì tính vô hình của thông tin sau khi giấu được đảm bảo, thông qua việc chọn các tham số đảm bảo độ an toàn để giấu tin, những biến đổi không gây ra sự chú ý đáng kể nào. Ảnh sau khi giấu tin sẽ ít xuất hiện những điểm ảnh có màu sắc khác so với các điểm ảnh xung quanh và với thị giác của con người thì không thể phân biệt được sự khác nhau đó. Trong khóa luận còn trình bày một số kĩ thuật giấu tin trong ảnh và xây dựng một chương trình demo giấu tin trong ảnh bitmap theo kĩ thuật giấu tin Chen-Pan-Tseng. 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................1  Tóm tắt nội dung ...........................................................................................................2  MỤC LỤC ......................................................................................................................3  MỞ ĐẦU.........................................................................................................................5  CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN ..............................................................6  1.1. Giới thiệu chung về giấu thông tin .......................................................... 6  1.2. Các khái niệm về giấu thông tin trong ảnh số......................................... 8  1.3. Một số đặc điểm của việc giấu thông tin trên ảnh số............................ 10  1.3.1. Tính vô hình của thông tin.............................................................. 10  1.3.2.Tính bảo mật ................................................................................... 10  1.3.3.Tỷ lệ giấu tin .................................................................................... 11  1.3.4.Lựa chọn ảnh .................................................................................. 11  1.3.5. Ảnh môi trường đối với quá trình giải mã....................................... 11  CHƯƠNG 2. GIẤU TIN TRONG ẢNH....................................................................15  2.1. Giới thiệu chung.................................................................................... 15  2.2. Các đặc trưng của giấu thông tin trong ảnh.......................................... 17  2.3. Sự khác nhau giữa giấu tin trong ảnh đen trắng với ảnh màu ............. 19  2.4. Các thuật toán giấu tin trong ảnh.......................................................... 21  2.4.1 Giấu tin trong ảnh thứ cấp............................................................... 21  2.4.2.Các kỹ thuật giấu tin trong ảnh thứ cấp ......................................... 26  2.4.3. Giấu tin trong ảnh màu và ảnh đa cấp xám ................................... 41  2.4.4. Kết quả thực nghiệm và đánh giá................................................... 47  CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH ..................................49  3.1. Môi trường làm việc. ............................................................................. 49  4 3.2. Ngôn ngữ thực hiện thuật toán. ............................................................ 49  3.3. Tổ chức và thực hiện chương trình ...................................................... 49  3.3.1. Qui trình thực hiện chính................................................................ 50  3.3.2. Các giao diện chính của chương trình và kết quả đạt được......... 51  KẾT LUẬN ..................................................................................................................55  TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................57  5 MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa học công nghệ thông tin, internet đã trở thành một nhu cầu, phương tiện không thể thiếu đối với mọi người, việc truyền tin qua mạng ngày càng lớn. Tuy nhiên, với lượng thông tin được truyền qua mạng nhiều hơn thì nguy cơ dữ liệu bị truy cập trái phép cũng tăng lên vì vậy vấn đề bảo đảm an toàn và bảo mật thông tin cho dữ liệu truyền trên mạng là rất cần thiết. Để đảm bảo an toàn và bí mật cho một thông điệp truyền đi người ta thường dùng phương pháp truyền thống là mã hóa thông điệp theo một qui tắc nào đó đã được thỏa thuận trước giữa người gửi và người nhận. Tuy nhiên, phương thức này thường gây sự chú ý của đối phương về tầm quan trọng của thông điệp. Thời gian gần đây đã xuất hiện một cách tiếp cận mới để truyền các thông điệp bí mật, đó là giấu các thông tin quan trọng trong những bức ảnh thông thường. Nhìn bề ngoài các bức ảnh có chứa thông tin cũng không có gì khác với các bức ảnh khác nên hạn chế được tầm kiểm soát của đối phương. Mặt khác, dù các bức ảnh đó bị phát hiện ra là có chứa thông tin trong đó thì với các khóa có độ bảo mật cao thì việc tìm được nội dung của thông tin đó cũng rất khó có thể thực hiện được. Xét theo khía cạnh tổng quát thì giấu thông tin cũng là một hệ mã mật nhằm bảo đảm tính an toàn thông tin, nhưng phương pháp này ưu điểm là ở chỗ giảm được khả năng phát hiện được sự tồn tại của thông tin trong nguồn mang. Không giống như mã hóa thông tin là chống sự truy cập và sửa chữa một cách trái phép thông tin, mục tiêu của giấu thông tin là làm cho thông tin trộn lẫn với các điểm ảnh. Điều này sẽ đánh lừa được sự phát hiện của các tin tặc và do đó làm giảm khả năng bị giải mã. Kết hợp các kỹ thuật giấu tin với các kỹ thuật mã hóa ta có thể nâng cao độ an toàn cho việc truyền tin. 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 1.1. Giới thiệu chung về giấu thông tin Giấu thông tin là một kỹ thuật nhúng dữ liệu vào một nguồn đa phương tiện gọi là môi trường, ví dụ như file âm thanh, ảnh động, ảnh tĩnh . . . Mục đích của che giấu thông tin là làm cho dữ liệu trở lên không thể nghe thấy hay nhìn thấy. Điều đó có nghĩa là đối phương không nhận thấy sự tồn tại của dữ liệu đã được nhúng dù có lắng nghe hay cố gắng nhìn thật cẩn thận vào môi trường có giấu dữ liệu. Mỗi kỹ thuật giấu tin gồm : - Thuật toán giấu tin. - Bộ giải mã thông tin. Thuật toán giấu tin được dùng để giấu thông tin vào một phương tiện mang bằng cách sử dụng một khóa bí mật được dùng chung bởi người mã và người giải mã, việc giải mã thông tin chỉ có thể thực hiện được khi có khoá. Bộ giải mã trên phương tiện mang đã chứa dữ liệu và trả lại thông điệp ẩn trong nó. 7 Lược đồ chung cho giấu thông tin Hình vẽ trên biểu diễn quá trình giấu tin cơ bản. Phương tiện chứa bao gồm các đối tượng được dùng làm môi trường để giấu tin như text, audio, video, ảnh …, thông tin giấu là mục đích của người sử dụng. Thông tin giấu là một lượng thông tin mang một ý nghĩa nào đó như ảnh, logo, đoạn văn bản… tùy thuộc vào mục đích của người sử dụng. Thông tin sẽ được giấu và trong phương tiện chứa nhờ một bộ nhúng, bộ nhúng là những chương trình, triển khai các thuật toán để giấu tin và được thực hiện với một khóa bí mật giống như các hệ mã cổ điển. Sau khi giấu tin ta thu được phương tiện chứa phương tiện chứa bản tin đã giấu và phân phối sử dụng trên mạng. Sau khi nhận được đối tượng phương tiện có giấu thông tin, quá trình giải mã được thực hiện thông qua một bộ giải mã tương ứng với bộ nhúng thông tin cùng với khóa của quá trình nhúng. Kết quả thu dược gồm phương tiện chứa gốc và thông tin đã giấu. Bước tiếp theo thông tin giấu sẽ được xử lý kiểm định so sánh với thông tin giấu ban đầu. Thông tin giấu Phương tiện mang Nhúng thông tin vào phương tiện chứa Phân phối trên mạng Bộ giải mã Khoá Thông tin giấu Khoá 8 Tóm lại, giấu thông tin là nghệ thuật và khoa học của truyền thông bên trong một truyền thông, mục đích của steganography là che giấu những thông báo bên trong những thông báo khác mà không làm ảnh hưởng đáng kể đến thông báo này; và bằng một cách thức nào đó sao cho người không có thẩm quyền không thể phát hiện hoặc không thể phá huỷ chúng. 1.2. Các khái niệm về giấu thông tin trong ảnh số Giấu dữ liệu là quá trình ẩn một dữ liệu vào một môi trường dữ liệu khác. Dữ liệu trước khi giấu có thể được nén và mã hoá, trong các ứng dụng đòi hỏi độ mật cao, giấu dữ liệu chính là một phương pháp bảo mật thông tin hiệu quả. Giấu dữ liệu được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như bảo vệ bản quyền, ngăn ngừa sao chép trái phép, truyền thông bí mật v.v.. Giấu thông tin trong ảnh số là một phần của khái niệm giấu thông tin với việc sử dụng ảnh số làm phương tiện mang. Giấu thông tin trong ảnh số có nhiều ứng dụng trong thực tế như trong việc xác định quyền sở hữu, chống xuyên tạc thông tin và chuyển giao dữ liệu một cách an toàn. Ảnh mà ta đem nhúng thông tin vào được gọi là ảnh môi trường hay ảnh gốc (host image). Ảnh thu được sau khi đã giấu thông tin gọi là ảnh kết quả (result image). Ảnh kết quả sẽ có những điểm khác so với ảnh gốc gọi là nhiễu. Ảnh kết quả càng ít nhiễu càng khó gây ra nghi ngờ về sự tồn tại của thông tin trong ảnh.  Thông tin nhúng: Là lượng thông tin được nhúng vào trong ảnh môi trường  Ảnh môi trường: là ảnh gốc được dùng để nhúng thông tin. Trong giấu thông tin trong ảnh thì nó mang tên ảnh môi trường, còn trong audio là audio môi trường v.v.. 9  Phương tiện nhúng: Là một đối tượng đa phương tiện như ảnh, audio hay video đã có thông tin nhúng  Tính không nhìn thấy: là một trong ba yêu cầu của bất kỳ một hệ giấu tin nào. Tính không nhìn thấy là tính chất vô hình của thông tin nhúng trong phương tiện nhúng.  Tính mạnh mẽ: Là yêu cầu thứ hai của một hệ giấu tin. Tính mạnh mẽ là nói đến khả năng chịu được các thao tác biến đổi nào đó trên phương tiện nhúng và các cuộc tấn công có chủ đích.  Khả năng nhúng: Là yêu cầu thứ ba của một hệ giấu tin. Khả năng nhúng chính là số lượng thông tin nhúng được nhúng trong phương tiện chứa.  Nhiễu: Là phương tiện nhúng xuất hiện những đặc điểm lạ so với phương tiện chứa ban đầu.  Thuỷ vân số: Là một kỹ thuật giấu các thuỷ vân vào trong phương tiện chứa, kỹ thuật không yêu cầu về tính không nhìn thấy của thông tin nhúng. Có nhiều cách để phân loại các kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh số, dựa trên lĩnh vực áp dụng các kỹ thuật người ta chia kỹ thuật giấu tin trong ảnh thành hai loại: watermarking và image hiding.  Watermarking : là kỹ thuật nhúng một biểu tượng, còn gọi là thuỷ vân (watermark) vào trong ảnh môi trường để xác định quyền sở hữu ảnh môi trường. Kích thước của biểu tượng thường nhỏ ( từ vài bit đến vài nghìn bit ). Kỹ thuật này cho phép đảm bảo nguyên vẹn biểu tượng khi ảnh môi trường bị biến đổi bởi các phép thao tác như lọc (filtering), nén mất dữ liệu (lossy compression), hay các biến đổi hình học, ... Tuy nhiên, việc đảm bảo nguyên vẹn biểu tượng không kể đến khi có sự tấn công dựa trên việc hiểu rõ thuật toán và có bộ giải mã trong tay. 10  Image hiding : là kỹ thuật dùng một ảnh môi trường để lưu trữ và chuyển giao các dữ liệu quan trọng với kích thước tương đối lớn một cách an toàn. Mục đích của ảnh image hiding là làm cho dữ liệu trở nên không quan sát được đối với thị giác của con người. 1.3. Một số đặc điểm của việc giấu thông tin trên ảnh số Hiện nay giấu thông tin trong ảnh là kỹ thuật còn tương đối mới và đang có xu hướng phát triển rất nhanh. Một kỹ thuật giấu tin trong ảnh được đánh giá dựa trên một số đặc điểm sau: - Tính vô hình của thông tin được giấu trong ảnh. - Số lượng thông tin được giấu. - Tính an toàn và bảo mật của thông tin. - Chất lượng của ảnh sau khi giấu thông tin bên trong. 1.3.1. Tính vô hình của thông tin Khái niệm này dựa trên đặc điểm của hệ thống thị giác của con người. Thông tin nhúng là không tri giác được nếu một người với thị giác là bình thường không phân biệt được ảnh môi trường và ảnh kết quả. Trong khi image hiding yêu cầu tính vô hình của thông tin giấu ở mức độ cao thì watermarking lại chỉ yêu cầu ở một cấp độ nhất định. Chẳng hạn như người ta áp dụng watermarking cho việc gắn một biểu tượng mờ vào một chương trình truyền hình để bảo vệ bản quyền. 1.3.2.Tính bảo mật Thuật toán nhúng tin được coi là có tính bảo mật nếu thông tin được nhúng không bị tìm ra khi bị tấn công một cách có chủ đích trên cơ sở những hiểu biết đầy đủ về thuật toán nhúng tin và có bộ giải mã ( trừ khoá bí mật ), hơn nữa còn có được ảnh 11 có mang thông tin ( ảnh kết quả ). Đối với ảnh image hiding đây là một yêu cầu rất quan trọng. Chẳng hạn đối với thuật toán dò tin trong ảnh đen trắng kích thước m*n, độ phức tạp vẫn còn lên tới O(2m*n) khi dã biết ma trận trọng số đùng trong quá trình giấu tin. 1.3.3.Tỷ lệ giấu tin Lượng thông tin giấu so với kích thước ảnh môi trường là một vấn đề cần quan tâm trong một thuật toán giấu tin. Đây là một trong hai yêu cầu cơ bản của giấu tin mật. Rõ ràng là có thể chỉ giấu một bit thông tin vào mỗi ảnh mà không cần lo lắng về độ nhiễu của ảnh nhưng như vậy sẽ rất kém hiệu quả khi mà thông tin cần giấu có kích thước bằng Kb. Các thuật toán đều cố gắng đạt được mục đích làm thế nào giấu được nhiều thông tin nhất mà không gây ra nhiễu đáng kể. 1.3.4.Lựa chọn ảnh Đối với việc giấu thông tin mật thì hầu hết các chuyên gia về lĩnh vực này khuyên rằng: nên chọn ảnh đa cấp xám là môi trường là hợp lý hơn cả. Sau khi giấu tin mật trong ảnh đa cấp xám thì chất lượng của ảnh là cao, đảm bảo tính vô hình của thông tin mật 1.3.5. Ảnh môi trường đối với quá trình giải mã Yêu cầu cuối cùng là thuật toán phải cho phép lấy lại được thông tin đã giấu trong ảnh mà không có ảnh môi trường. Điều này là một thuận lợi khi ảnh môi trường là duy nhất nhưng lại làm giới hạn khả năng ứng dụng của kỹ thuật giấu tin. Để thực hiện việc giấu tin trong ảnh, trước hết ta phải xử lý được ảnh tức là phải số hoá ảnh. Quá trình số hoá các dạng ảnh khác nhau thì không như nhau. Có nhiều loại ảnh đã được chuẩn hoá như: JPEG, PCX, BMP,. . . Trong luận văn nay chỉ sử dụng ảnh *.BMP. 12 Ảnh BMP (Bitmap) được phát triển bởi Microsoft Corporation, được lưu trữ dưới dạng độc lập thiết bị cho phép Windows hiển thị dữ liệu không phụ thuộc vào khung chỉ định màu trên bất kì phần cứng nào. Tên file mở rộng mặc định của một file ảnh Bitmap là .BMP. Ảnh BMP được sử dụng trên Microsoft Windows và các ứng dụng chạy trên Windows từ version 3.0 trở lên. Mỗi file ảnh Bitmap gồm 3 phần:  Bitmap Header  Palette màu  BitmapData Các cấu trúc cụ thể của ảnh Bitmap  Bitmap Header Byte thứ Ý nghĩa Giá trị 1-2 Nhận dạng file ‘BM’ hay 19778 3-6 Kích thước file Kiểu long trong Turbo C 7-10 Dự trữ Thường mang giá trị 0 11-14 Byte bắt đầu vùng dữ liệu Offset của byte bắt đầu vùng dữ liệu 15-18 Số byte cho vùng info 4 byte 19-22 Chiều rộng ảnh BMP Tính bằng pixel 13 23-26 Chiều cao ảnh BMP Tính bằng pixel 27-28 Số Planes màu Cố định là 1 29-30 Số bit cho một pixel Có thể là1,4,8,16,24 tuỳ theo loại ảnh 31-34 Kiểu nén dữ liệu 0: Không nén 1: Nén runlength 8bits/pixel 2: Nén runlength 4bits/pixel 35-38 Kích thước ảnh Tính bằng byte 39-42 Độ phân giải ngang Tính bằng pixel / metter 43-46 Độ phân giải dọc Tính bằng pixel / metter 47-50 Số màu sử dụng trong ảnh 51-54 Số màu được sử dụng khi hiển thị ảnh  Palette màu: Bảng màu của ảnh, chỉ những ảnh nhỏ hơn hoặc bằng 8 bit màu mới có palette màu.  BitmapData: Phần này nằm ngay sau phần palette màu của ảnh BMP. Đây là phần chứa giá trị màu của điểm ảnh trong BMP. Các dòng ảnh được lưu từ dưới lên trên, các điểm ảnh được lưu trữ từ dưới lên trên từ trái sang phải. Giá trị của mỗi điểm ảnh là một chỉ số trỏ tới phần tử màu tương ứng của Palette màu. 14 Thành phần BitCount của cấu trúc BitmapHeader cho biết số bit dành cho mỗi điểm ảnh và số lượng màu lớn nhất của ảnh. BitCount có thể nhận các giá trị sau: 1: Bimap là ảnh đen trắng, mỗi bit biểu diễn một điểm ảnh. Nếu bit mang giá trị 0 thì điểm ảnh là điểm đen, bit mang giá trị 1 điểm ảnh là điểm ảnh trắng. 4: Bitmap là ảnh 16 màu, mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi 4 bit. 8: Bitmap là ảnh 256 màu, mỗi điểm ảnh dược biểu diễn bởi 1 byte. 16: Bitmap là ảnh high color, mỗi dãy 2 byte liên tiếp trong bitmap biểu diễn cường độ tương đối của màu đỏ, xanh lá cây, xanh lơ của một điểm ảnh. 24: Bitmap là ảnh true color (224 màu), mỗi dãy 3 byte liên tiếp trong bitmap biểu diễn cường độ tương đối của màu đỏ, xanh lá cây, xanh lơ(RGB) của một điểm ảnh. Thành phần ColorUsed của cấu trúc BitmapHeader xác định số lượng màu của palette màu thực sự được sử dụng để hiển thị bitmap. Nếu thành phần này được đặt là 0, bitmap sử dụng số màu lớn nhất tương ứng với giá trị của BitCount. 15 CHƯƠNG 2. GIẤU TIN TRONG ẢNH 2.1. Giới thiệu chung Hiện nay, giấu thông tin trong ảnh là một bộ phận chiếm tỷ lệ lớn nhất trong các chương trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong đa phương tiện bởi lượng thông tin được trao đổi bằng ảnh là rất lớn và hơn nữa giấu thông tin trong ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng trong các hầu hết các ứng dụng bảo vệ an toàn thông tin như: nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật...Chính vì thế mà vấn đề này đã nhận được sự quan tâm rất lớn của các cá nhân, tổ chức, trường đại học, và viện nghiên cứu trên thế giới. Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi và chẳng ai biết được đằng sau ảnh đó mang những thông tin có ý nghĩa. Và ngày nay, khi ảnh số đã được sử dụng rất phổ biến, thì giấu thông tin trong ảnh đã đem lại nhiều những ứng dụng quan trọng trên các lĩnh vực trong đời sống xã hội. Ví dụ như đối với các nước phát triển, chữ kí tay đã được số hoá và lưu trữ sử dụng như là hồ sơ cá nhân của các dịch vụ ngân hàng và tài chính. Nó được dùng để nhận thực trong các thẻ tín dụng của người tiêu dùng. Hay trong một số những ứng dụng về nhận diện như thẻ chứng minh, thẻ căn cước, hộ chiếu…người ta có thể giấu thông tin trên các ảnh thẻ để