System on chip implementation of new information hiding method
Yeni bir veri gizleme yönteminin geliştirilmesi ve yongada sistem üzerinde gerçeklenmesi
- Tez No: 513124
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SIDDIKA BERNA ÖRS YALÇIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 183
Özet
Bilgi güvenlik sistemleri artık gündelik hayatımızın birer parçası. Bu tez çalışmasında bilgi güvenlik sistemlerinin sınıflandırılmasından, amaçlarından, kullanım alanlarından ve birbirlerine göre farklılıklarından bahsedilmiştir. Bu sistemler içerisinde dijital veri gizleme yöntemlerinin neler olduğundan, özelliklede uzamsal uzayda uygulanan yöntemlerin detaylarına değinilmiştir. Daha sonra komşu ortalamalı ara değerlendirme yöntemi kullanılarak resmin içerisine veri gizleme yöntemine yapılan geliştirmeler detaylı bir şekilde okuyucuya aktarılmıştır. Bu geliştirme sayesinde veri gizleme işlemini, şifreleme biliminin yöntemine benzer şekilde anahtar yapısına bağlı olarak yapılması sağlanmıştır. Yeni yöntem; uzamsal uzayda görüntü içerisine veri gizlerken izlenilen işlem yolunun veya sırasının, genelde resim çerçevesinin sol üst köşesinden başlayarak sağa ve aşağıya doğru satır-sütun taraması yapılarak izlenen zig-zag yolun, şifreleme bilimine uygun olarak şifreleme anahtarı yapısına bağlı bir biçimde karıştırılması ve bu sayede tek bir iterasyonda dahi, şifreleme anahtarını bilmeyen kişilerin gizlenen mesaja ulaşamamasını sağlayan bir sistem olarak nitelendirilebilir. Yeni yöntem sayesinde kullanıcılar hem steganografinin yani gizleme biliminin hem de kriptografi yani şifreleme biliminin özelliklerinin iç içe bulunduğu bir yöntem ile haberleşmelerinin güvenliğini arttırabileceklerdir. Bu tez çalışmasında, geliştirilen yeni yöntemin gerçek bir uygulama ile test edilmesi de sağlanmıştır. Önerilen yöntem ilk olarak masaüstü bilgisayar üzerinde Matlab yazılımı kullanılarak test edilmiştir. Bu kapsamda veri gizleme ve gizlenmiş veriyi çıkartma işlemlerinin yapıldığı programlar geliştirilmiştir. Bu programlar ekler bölümünde okuyucuyla paylaşılmıştır. Ayrıca gömülü sistem üzerinde aynı uygulamanın koşturulması sağlanmıştır. AVNET'in Zynq işlemci mimarisine geliştirmeler yapılması için ürettiği ZedBoard geliştirme kartı üzerinde önerilen yöntem uygulamaya alınmıştır. Bu kapsamda Linux işletim sisteminin ZedBoard üzerinde koşturulması için gerekli geliştirme ortamı kurulmuş, daha sonra kart üzerinde Linux işletim sistemi koşturulmuştur. Ayrıca, OV7670 kamera sensörü sisteme entegre edilip, kameradan görüntünün alınıp kartın üzerindeki belleğe yazılması, bellekteki görüntünün VGA protokolü ile dışarıda bulunan bir VGA monitörde yansıtılması sağlanmıştır. Burada belirtilen işlemlerin tümü, Zynq mimarisisnin içinde bulunan programlanabilir kapı dizileri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tüm bunlara ek olarak, VGA çıkışına gönderilecek resim çerçevesi üzerinde, Zynq mimarisi içerisinde bulunan ARM tabanlı çift çekirdekli A9 işlemciler koşturularak, bu makalede yenilik unsuru olarak önerilen, piksel simetrisi kullanarak resim çerçevesinin içerisine veri gizleme yönteminin uygulanması sağlanmıştır. xxiBizler bu çalışma sayesinde Xilinx firmasının ürettiği programlanabilir kapı dizileri ile çalışabilmek için gerekli olan geliştirme ortamının kurulmasını, Linux işletim sisteminin gömülü sistem üzerinde koşturulması için gerekli olan çapraz derleme geliştirme ortamının kurulmasını, Linux işletim sisteminde özel çevresel birimlerinin kullanılması için gerekli olan sürücü yazılımlarının Linux çekirdeği içerisinde nasıl kodlandığını, yine Linux işletim sisteminde kabuk katmanında I2C donanımının nasıl kullanıldığı ve görüntü işleme için gerekli olan altyapının nasıl kontrol edileceğini, daha önceden yüksek seviyeli programlama dilleri C veya C++ kullanılarak oluşturulmuş progranabilir kapı dizileri modüllerinde bulunan problemlerin nasıl çözülmesi gerektiğini öğrenmiş olduk. Bu tez altı ana başlık altında incelenmektedir. İlk bölümde bilgi güvenliği sistemlerinden ve bu tezin amacından bahsedilmiştir. Bilgi güvenliği sistemleri güvenliği sağlayan ve güvenliği sınayan sistemler olarak iki gruba ayrılmıştır. Bu tezin içinde bulunduğu güvenliği sağlayan sistemler içerisinde; şifreleme, gizleme ve fligran oluşturma bilim alanlarının neler olduğundan bahsedilmiştir. Bu bilim alanlarının birbirlerine göre amaçları ve farklılıkları nelerdir açıklanmıştır. İkinci bölümde veri gizleme yöntemlerinden, özelliklede uzamsal uzayda kullanılan temel yöntemlerden ve görüntü karıştırma algoritmalarından bahsedilmiştir. Bu algoritmalardan tez için önem teşkil eden komşu ortalamalı ara değerlendirme yöntemi detaylı bir şekilde anlatılmıştır. Sonrasında görüntü karıştırma algoritmalarının değerlendirlmesinde kullanılan karıştırma derecesi yöntemi anlatılarak tezin yenilik unsuru olan, piksel simetrisi kullanarak gizleme yolunun karıştırılması işleminin, diğer karıştırma yöntemleri ile karşılaştırılabilmesini sağlamak için teorik bir alt yapı okuyucuda oluşturulmuştur. Üçüncü bölümde veri gizleme için önerilen yeni yönteme değinilmiştir. Öncelikle daha önce kullanılan ara değerlendirme yöntemlerinin arasından niçin komşu ortalamalı ara değerlendirme yönteminin seçildiğine değinilmiştir. Daha sonra piksel simetrisi olarak isimlendirilen yeni yöntemin, aslında birçoğumuzun geometriden hatırlayabileceği simetri kavramının resim çerçevesinin oluşturulmasını sağlayan temel yapıtaşları yani pikseller üzerinde nasıl kullanıldığı anlatılmıştır. Yeni yöntemin uygulanması ile ilgili örnekler verilmiştir. Dördüncü bölümde önerilen yöntemin bilgisayar ve gömülü sistem üzerinde gerçeklenen uygulamalarının nasıl yapıldığından bahsedilmiştir. Öncelikle Matlab üzerinde yapılan uygulamanın detayları anlatılmıştır. Daha sonra Linux işletim sistemi ve Zynq mimarisi üzerinde yapılan uygulamanın detaylarına geçilmiştir. Bu noktada Zynq mimarisinin önemli noktaları vurgulanmıştır. FPGA'lerin kullanım alanlarından ve özelliklerinden bahsedilmiştir. Bilgisayar mimarisinde çevresel birimlerin çip içi haberleşmesinde sıklık ile kullanılan AXI protokolünden ve bu protokolün değişik amaçlar için oluşturulan versiyonlarından bahsedilmiştir. Daha sonra, OV7670 kamera sensörünün özelliklerine ve video çıkışı olarak sunduğu YUV/YCbCr ve VGA protokolünde kullanılan RGB renk uzaylarına değinilmiştir. Son olarak, Zynq mimarisinin FPGA kısmında kurulan donanım bileşenleri ve yazılım mimarisi incelenmiştir. Beşinci bölümde, dördüncü bölümde bahsedilen uygulamaların çalışma esnasında elde edilen çıktılarından bahsedilmiştir. Veri gizlemesi yapılmış resim sonuçları okuyucuya sunulmuştur. Daha sonra gömülü sistem üzerinde yapılan uygulamanın xxiisonuçları, uygulama sırasında kullanılan kontrol bilgisayarındaki Linux terminalinden elde edilen ekran görüntüleri gösterilerek okuyucuya sunulmuştur. Son olarak altıncı bölümde test sonuçlardan yola çıkarak tezin değerlendirilmesinin yapıldığı sonuç bölümü yazılmıştır. FPGA de gerçekleştirilen devrelerin, FPGA içinde bulunan kaynakların ne kadarını tükettiği tablolar ile gösterilmiştir. Uygulamalardan elde edilen sonuçların olumlu ve olumsuz yönlerine değinilmiştir. Gelecekte yapılabilecek geliştirmelerden bahsedilmiştir. Ekler bölümünde, dördüncü bölümde bahsedilen gerçeklemelerin nasıl yapıldığını anlatan teknik detaylar verilmiştir. Ek-A'da öncelikle geliştirme ortamının kurulumu anlatılmıştır. Xilinx geliştirme araçlarının kurulumu, Linux kaynak kodlarının nasıl indirileceği ve Minicom seri haberleşme programının nasıl yükleneceğine değinilmiştir. Daha sonra Xilinx Linux işletim sisteminin ZedBoard geliştirme kartı üzerinde koşturulması için gerekli teknik adımlar anlatılmıştır. İlk adım sistem yükleyicisinin nasıl oluşturulacağından, U-Boot programının Zynq mimarisininde bulunan ARM işlemcisi için nasıl derleneceğinden, Linux çekirdeğinin, kök dosya sisteminin ve donanım sürücülerinin nasıl derleneceğinden ve son olarak ZedBoard üzerinde ilk Xilinx Linux'un koşturulması için geliştirme kartı ve test bilgisayarına yapılması gereken adımlardan bahsedilmiştir. Ek-B bölümünde Linux işletim sistemi için yüklenebilir donanım sürücülerinin oluşturulması anlatılmıştır. Donanım sürücülerinde Major ve Minor sayılarının neleri ifade ettiğine değinilmiştir. Linux işletim sistemi içerisinde kesme yapılarının nasıl oluşturulduğu ve Linux kullanıcı katmanında oluşturulan programların nasıl derlenmesi gerektiğinden bahsedilmişitir. Ek-C bölümünde Matlab programında yeni yöntemin çalıştığını göstermek amacıyla oluşturulan programların kodlarına yer verilmiştir. Bu amaçla önce veri gizleme uygulamasına ait kod, simetri noktalarının hesaplanması için oluşturulan fonksiyon ve gizlenen veriyi çözme işleminin yapıldığı kod okuyucuyla paylaşılmıştır. Son olarak Ek-D bölümünde, önerilen yöntemin aynı zamanda gömülü sistemlerde uygulamak için uygun olduğunu göstermek amacıyla oluşturulan, ZedBoard üzerinde Linux işletim sistemi kullanılarak koşturulan C kodları okuyucuya sunulmuştur. İlk olarak FPGA'de oluşturulan özel donanımların Linux işletim sistemi ile kontrolünü sağlayan donanım sürücüsünün kodu, daha sonra I2C ile kamera konfigürasyonunu sağlayan ve resim çekme işlemini gerçekleştiren Linux kullanıcı katmanı programlarının C kodları ve son olarak da veri gizleme işleminin yapıldığı programın C kodu okuyucular ile paylaşılmıştır. Önerilen yeni yöntemin sonuçları ile bir önceki yöntemin sonuçları karşılaştırıldığında benzer görsel özelliklerin ve hesaplama basitliğinin yakalanmış olduğu gözlenmiştir. Üzerinde değişiklik yapılacak olan kaplama resmi ile içerisine veri gizlenmiş saklı resimin, stego resim, arasında hesaplanan PSNR değerlerinin her bir örnek çalışma için 35dB'in üzerinde kaldığı gözlenmiştir. Bu durum veri gizleme işlemi esnasında yapılan değişikliklerin gözle görünemeyecek seviyede olduğunu göstermektedir. Ayrıca şifreleme anahtarı kullanılarak yapılan gizleme sayesinde güvenlik seviyesi bir önceki yönteme göre çok daha güçlü bir hale getirilmiştir. Şifreleme anahatarı kullanılarak karıştırılan gizleme sırasının, oldukça karmaşık ve takip edilmesi zor bir hale geldiği, karıştırma derecesi teoremi kullanılarak teorik olarak kanıtlanmıştır. Bu tezin çıktısı olarak şifreleme ve gizleme bilimlerine uygun, gerçek dünyada uygulanabilir, basit ama güçlü ve gerçeklemelerle uygulanabilirliği kanıtlanmış yeni bir veri gizleme yöntemi elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Information security systems are a part of daily life nowadays. For these reason, their applications are getting more and more significant. Steganography and Cryptography are most important fields of it. In this thesis, you can be aware of what Steganography and Cryptograhy are, what their applications and methods are, especially Steganography methods applied on spatial domain. Then, new data hiding method which is improving neighbor mean interpolation method is proposed. Thanks to proposed method, data hiding process is applied according to a key like cryptography approach. Proposed method can be summarized like that changing scan path of embedding process according to symmetry map which is calculated by pixel symmetry. In addition to explaining new method, the method is also tested on personal computer and embedded hardware. Proposed method is firstly created with Matlab software on desktop computer. Then, proposed method is applied on Zynq embedded system which has hybrid processor architecture. Embedded system application is tested on AVNET's ZedBoard. In order to create this system, firstly development environment of embedded Linux operating system is created on Linux operating system running on personal computer. Then, Embedded Linux run on ZedBoard. In addition, OV7670 camera sensor is integrated with this system and image frame coming from the camera can be writen to memory directly. this frame also can be read for VGA output by using FPGA part of Zynq. In fact, proposed method's data hiding proses is applied by creating software for ARM based processor part of Zynq. Thanks to this thesis, you can also learn installation of Xilinx development environment, installation of cross-compiling environment for embedded Linux systems, writing device drivers for embedded Linux systems, usage of i2c module inside processor part of Zynq and applying image processing application by creating user space application on embedded Linux operating system. In this thesis, there are six chapters. In chapter 1, you can infer purpose of writing this thesis and what information security systems are. Then you can examine digital information hiding and scrambling methods in chapter 2. New data hiding method is explained in chapter 3. The implementations about proposed method are showed in chapter 4. Experiments and their results are inferred in chapter 5 and in last chapter conclusions are cited. Comparing results of previous and proposed methods, you can infer same visual quality and similar computation number. The image which is used for covering, cover image, and the image which is produced after data hiding process, stego image, look similar to each other. You can understand it according to calculation PSNR value between cover and stego images. PSNR results are always stay higher than 35 dB. This result shows that data hiding process is imperceptible.
Benzer Tezler
- Açık kaynak kodlu OpenRISC tabanlı kırmık üstü sistemlerin gerçeklenmesi ve uygulamaları
Implementation and applications of open source OpenRISC based SOC's
LATİF AKÇAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SIDDIKA BERNA ÖRS YALÇIN
- New possibilities in the design of CMOS frequency agile filters
Frekans atik süzgeçlerin tasarımında yeni olanaklar
ERSİN ALAYBEYOĞLU
Doktora
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HULUSİ HAKAN KUNTMAN
- Değiştirilmiş kohonen ağı simülasyon programı
A Simulation program for modified kohonen network
ENDER TUNÇ EROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. UĞUR ÇİLİNGİROĞLU
- Biyolojik işaretlerin gelişmiş bir sayısal işaret işlemcisiyle işlenmesi
Biomedical signal processing using a high performance DSP
DERYA DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. ERTUĞRUL YAZGAN
- Özel doğrudan bellek erişim modülü
Custom direct memory access module
MUSTAFA MERT ESEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SIDDIKA BERNA ÖRS YALÇIN