Nhúng dữ liệu trên nền tín hiệu

Nhúng dữ liệu trên nền tín hiệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Nhúng liệu tín hiệu âm sử dụng công nghệ vô tuyến định nghĩa phần mềm Giáo viên hướng dẫn : TS. Đỗ Trọng Tuấn Sinh viên Đinh Văn Nam 20091814 Hà Nội, 12/2014 ĐTVT 01 K54 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới TS Đỗ Trọng Tuấn, ngƣời thầy nhiệt tình hƣớng dẫn truyền đạt kiến thức cần thiết, để hoàn thành đồ này. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, nguồn lực động viên phấn đấu học tập sống. Tôi xin cảm ơn thầy, cô giáo Viện Điện Tử Viễn Thông, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội tận tình dạy dỗ, bảo suốt năm học trƣờng. Tuy có nhiều cố gắng trình học tập nhƣ thời gian làm đồ án nhƣng tránh khỏi thiếu sót, mong đƣợc góp ý quý báu tất thầy cô giáo bạn để đồ án đƣợc hoàn thiện. Tôi xin chân thành cảm ơn!! Hà Nội, ngày tháng năm 2015. Sinh Viên Đinh Văn Nam Mục Lục. Mục Lục Bảng chữ viết tắt, thuật ngữ Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu Lời mở đầu .7 CHƢƠNG 1. Lý Thuyết Về Kỹ Thuật Nhúng Trên Nền Tín Hiệu Âm Thanh .9 1. Tổng quan kỹ thuật giấu tin (kỹ thuật nhúng) 1.1. Sơ lƣợc lịch sử giấu tin 1.2 Khái niệm giấu tin .11 1.3 Phân loại kỹ thuật giấu tin .12 1.4 Mục đích giấu tin . 14 1.5 Môi trƣờng giấu tin .15 a. Giấu tin ảnh (image) .15 b. Giấu tin âm (audio) .16 c. Giấu tin phim (video) .17 2. Tập tin âm thanh( file wav) 18 2.1 Định nghĩa File “.Wav” .18 2.2 Cấu trúc File “.Wav” .18 3. Kỹ thuật giấu tin âm thanh( audio) .21 3.1 Mô hình kỹ thuật giấu tin âm (audio) 21 3.2. Một số kỹ thuật giấu tin âm (audio) .22 3.2.1. Mã hóa LSB (Least Significant Bit) 22 3.2.2. Mã hóa Parity (Parity Coding) .23 3.2.3 Mã hóa Phase (Phase Coding) .23 3.2.4. Kỹ thuật trải phổ .25 3.3 Các công hệ giấu tin .25 3.4 Yêu cầu kỹ thuật giấu tin âm thanh(audio) .26 4. Tóm tắt chƣơng 27 CHƢƠNG 2. Công nghệ vô tuyến định nghĩa phần mềm 28 1. Giới thiệu công nghệ vô tuyến định nghĩa phần mềm SDR .28 2. Các ứng dụng hệ thống SDR .30 3. GNU Radio .31 3.1 Cấu trúc GNU Radio 33 3.2 GNU Radio Companion 35 3.3 Cài đặt phần mềm GNU Radio .36 4. Giới thiệu USRP B210 .37 4.1 Một số tính USRP B210 .38 4.2 Các thông số kỹ thuật USRP B210 38 4.3 Sơ đồ khối USRP B210 40 4.5 Kiểm tra USRP B210 LINUX 40 4.6 Kết nối USRP B210 GNU Radio .41 5. Tóm tắt chƣơng 41 Chƣơng Xây Dựng Chƣơng Trình Nhúng Dữ Liệu Trên Nền Tín Hiệu Âm Thanh 42 1. Kỹ Thuật Mã Hóa LSB 43 2. Thuật toán nhúng liệu nề âm sử dụng kỹ thuất mã hóa LSB .43 2.1 Tiền xử lý thuật toán giấu tách tin LSB 44 2.2 Thuật toán giấu tin .44 2.3 Thuật toán tách tin 44 2.4 Ƣu điểm kỹ thuật mã hóa LSB .45 2.5 Nhƣợc điểm kỹ thuật mã hóa LSB .46 3. Cài đặt thử nghiệm chƣơng trình 46 3. 1. Môi trƣờng cài đặt 46 3.3 So sánh phổ biên độ âm trƣớc sau nhúng liệu 50 3.4 Đánh giá chƣơng trình 51 4. Xây dựng mô hình truyền liệu 52 4.1 Giao thức TCP 52 4.2 Xây dựng mô hình truyền liệu qua mạng wifi .55 4.2.1 Thiết lập máy chủ .55 4.2.2 Thiết lập máy khách 55 Thử nghiệm mô hình truyền thông tin bí mật qua wifi…………………… 56 Tóm tắt chƣơng……………………………………………………………… 56 Chƣơng 4. Kết luận 57 Tài Liệu Tham Khảo 59 Phụ Lục 60 Bảng chữ viết tắt, thuật ngữ. Viết tắt Tiếng anh Tiếng việt ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân DAC Digital Analog Converter Bộ chuyển đổi số-tƣơng tự DSSS Direct Sequency Spread Spectrum Phƣơng pháp trải phổ trực tiếp liên túc. DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi cosine rời rạc DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi sóng rời rạc FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FHSS Frenquency Hopped Spread Spectrum Phƣơng pháp trải phổ nhảy tần số FIFO First In First Out Vào truớc trƣớc FM Frequency modulation Điều chế tần số FPGA Field programmable Gate Array Mảng cổng lập trình đƣợc dạng trƣờng GSM Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu Hệ thống di động toàn cầu Communication HAS Human Auditory System Hệ thống thính giác HVS Human Visual System Hệ thống thị giác ngƣời IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh nghịch LSB Least Significant Bit Bit có trọng số thấp MIMO Multiple-Input Multiple-Output Hệ thống đa anten phát thu OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. QAM Phép điều chế biên độ QAM QPSK Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase Shift Keying QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha cầu phƣơng TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền vận RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RIFF Định dạng tập tin trao đổi tài nguyên SDR Resource Interchange File Format Software Defined Radio UHD USRP Hardware Driver Trình điều khiển thiết bị USRP USRP Universal Software Radio Peripheral Phần mềm phổ vô tuyến ngoại vi WAV Waveform Audio File Format Định dạng sóng âm Điều chế pha cầu phƣơng Vô tuyến định nghĩa phần mềm . Danh mục hình vẽ. Hình vẽ Mô tả Hình 1.1. Sơ đồ biểu diễn trình giấu tin Hình 1.2. Sơ đồ biểu diễn trình tách tin Hình 1.3 Phân loại kỹ thuật giấu tin. Hình 1.4. Quy trình giấu tin audio. Hình 1.5. Hình 1.5. Quy trình tách tin audio. Hình 2.1 Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống SDR. Hình 2.2 Mô hình khối liên kết GNU Radio. Hình 2.3 Khối GNU Radio. Hình 2.4 Khối phân cấp GNU Radio. Hình 2.5 Ví dụ GRC. Hình 2.6 Giao diện chạy chƣơng trình GNU Radio Companion. Hình 2.7 USRP B210. Hình 2.8 Sơ đồ khối USRP B210. Hình 2.9 Kết nối máy tính USRP B210 Hinh 2.10 Sơ đồ hệ thống GNU Radio Và USRP B Hình 3.1 Giao diện chƣơng trình Hình 3.2 Chọn file nhạc Hình 3.3 Nhúng liệu thành công Hình 3.4 Quy trình hôi phục liệu Hình 3.4 Dữ liệu đƣợc phục hồi thành công Hình 3.5 Thông báo khôi phuc liệu thất bại Hình 3.6 Mở file âm thanh. Hinh 3.7 Phổ biên độ âm trƣớc nhúng liệu Hình 3.8 Phổ biên độ âm sau nhúng liệu Hinh 3.9 Phổ biên độ âm trƣớc nhúng liệu. Hình 3.10 Phổ biên độ âm sau nhúng liệu Hình 3.11 Sơ đồ thiết lập kết nối máy chủ. Hình 3.12 Sơ đồ thiết lập kết nối máy khách. Hình 3.13 Mô hình thử nghiệm truyền thông tin bí mật qua wifi. Hình 3.14 Truyền tập tin New_10_Jan_2015_8_51.wav. Hình 3.15 Thu nhận đƣợc tập tin wifi.wav Hình 3.16 Kết tách thông tin bí mật từ tập tin New_10_Jan_2015_8_51.wav Hình 3.17 Kết tách thông tin bí mật từ tập tin wifi.wav Lời mở đầu. Ngày với phát triển mạng Internet, thông tin trở thành sẵn sàng trực tuyến, ngƣời có máy tính kết nối vào Internet thông qua nhà cung cấp dịch vụ truy cập Internet tìm kiếm thông tin cách dễ dàng. Cùng với bùng nổ Internet phƣơng tiện multimedia, vấn nạn nhƣ ăn cắp quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép . gia tăng, đòi hỏi phải không ngừng tìm giải pháp mới, hữu hiệu cho an toàn bảo mật thông tin. Giải pháp bảo mật thông tin đƣợc sử dụng phổ biến dùng hệ mật mã. Với giải pháp này, thông tin ban đầu (bản rõ) đƣợc mã hóa thành mật mã (bản mật) thƣờng mang giá trị “vô nghĩa”. Chính điều làm cho đối phƣơng nghi ngờ tìm cách thám mã. Ngƣợc lại, đem thông tin nhúng vào đối tƣợng khác, file audio tự chẳng hạn ta thu đƣợc file audio F’ hầu nhƣ không sai khác với F nghe bình thƣờng. Sau F’ đƣợc gửi tới ngƣời nhận. Để lấy lại tin từ tín hiệu F’, ngƣời nhận không cần đối sánh với tín hiệu gốc. Đây ý tƣởng phƣơng pháp nhúng liệu tín hiệu đƣợc nghiên cứu gần có nhiều ứng dụng giấu tin mật, đánh giấu quyền nhiều ứng dụng khác Vói lý định chọn đề tà đồ án tốt nghiệp là: “Nhúng liệu tín hiệu âm sử dụng công nghệ vô tuyến định nghĩa phần mềm.” Mục tiêu đồ án nghiên cứu phƣơng pháp nhúng liệu âm tìm hiểu phƣơng pháp truyền tải tín hiệu sử dụng công nghệ vô tuyến định nghĩa phần mềm SDR. Bố cục đồ án gồm chƣơng: Chƣơng 1: Lý thuyết kỹ thuật nhúng liệu tín hiệu âm thanh. Chƣơng 2: Tìm hiểu công nghệ vô tuyến định nghĩa phần mềm SDR. Chƣơng 3: Xây dựng phần mềm nhúng liệu trền âm mô hình truyền liệu. 10 run True max_nouts 0 realtime_scheduling alias _coordinate (10, 10) _rotation 0 variable id samp_rate _enabled True value 44100 alias 74 _coordinate (10, 170) _rotation 0 wxgui_fftsink2 id wxgui_fftsink2_0_0 _enabled True type float title FFT Plot samp_rate samp_rate baseband_freq 0 y_per_div 10 y_divs 10 75 ref_level 0 ref_scale 2.0 fft_size 1024 fft_rate 15 peak_hold False average False avg_alpha 0 win None win_size grid_pos notebook 76 freqvar None alias affinity _coordinate (392, 37) _rotation 0 audio_sink id audio_sink_0_0 _enabled True samp_rate samp_rate device_name ok_to_block 77 True num_inputs 1 alias affinity _coordinate (400, 228) _rotation 0 blks2_tcp_source id blks2_tcp_source_0_0 _enabled True type float addr 127.0.0.1 port 78 12345 server False vlen 1 alias affinity minoutbuf 0 maxoutbuf 0 _coordinate (136, 86) _rotation 0 blks2_tcp_source_0_0 wxgui_fftsink2_0_0 0 0 blks2_tcp_source_0_0 79 audio_sink_0_0 0 0 80 Code tập tin thiết máy máy khách GNU RadioSound via WiFi.grc Thu Dec 18 11:37:41 2014 options id top_block _enabled True title Sound via WiFi author Hoa V. Do description window_size 1280, 1024 generate_options wx_gui category Custom run_options prompt 81 run True max_nouts 0 realtime_scheduling alias _coordinate (16, 13) _rotation 0 variable id samp_rate _enabled True value 44100 alias 82 _coordinate (16, 109) _rotation 0 blks2_tcp_sink id blks2_tcp_sink_0 _enabled True type float addr 127.0.0.1 port 12345 server True vlen 1 alias 83 affinity _coordinate (592, 54) _rotation 0 wxgui_fftsink2 id wxgui_fftsink2_0 _enabled True type float title FFT Plot samp_rate samp_rate baseband_freq 0 y_per_div 10 84 y_divs 10 ref_level 0 ref_scale 2.0 fft_size 1024 fft_rate 15 peak_hold False average False avg_alpha 0 win None win_size grid_pos 85 notebook freqvar None alias affinity _coordinate (416, 133) _rotation 0 audio_source id audio_source_0 _enabled True samp_rate samp_rate device_name 86 ok_to_block True num_outputs 1 alias affinity minoutbuf 0 maxoutbuf 0 _coordinate (48, 228) _rotation 0 blocks_throttle id blocks_throttle_0 _enabled 87 True type float samples_per_second samp_rate vlen 1 ignoretag True alias affinity minoutbuf 0 maxoutbuf 0 _coordinate (416, 68) _rotation 0 88 blocks_throttle_0 blks2_tcp_sink_0 0 0 audio_source_0 wxgui_fftsink2_0 0 0 audio_source_0 blocks_throttle_0 0 0 89 [...]... 2.3 Khối GNU Radio Tốc độ luồng dữ liệu của các đầu vào khác nhau của khối có thể khác nhau nhƣng luồng dữ liệu đầu ra phải giống nhau Cả đầu vào và đầu ra của một khối có bộ đệm liên quan Mỗi luồng dữ liệu đầu vào / đầu ra có một bộ đệm đọc / ghi Khối đọc dữ liệu xử lý tín hiệu từ bộ đệm đọc Sau khi xử lý, khối sẽ ghi luồng dữ liệu thích hợp vào bộ đệm ghi Tất cả dữ liệu trong bộ đệm đƣợc sử dụng để... của hai phƣơng pháp giấu dữ liệu trên Phƣơng pháp mã hóa pha dựa vào tính chất là các thành phần của pha không gây ảnh hƣởng đến hệ thống thính giác của con ngƣời nhƣ nhiễu Việc giấu tin đƣợc thực hiện bằng cách điều chỉnh pha trong phổ pha của dữ liệu số Dữ liệu gốc Dữ liệu sau khi giấu Hình 1.7 Kỹ thuật mã hóa pha 24 Quá trình mã hóa pha đƣợc chia thành các bƣớc sau: a Dữ liệu âm thanh gốc đƣợc chia... gốc 1.5 Môi trường giấu tin Kỹ thuật giấu tin đã đƣợc nghiên cứu và áp dụng trong nhiều môi trƣờng dữ liệu khác nhau nhƣ trong dữ liệu đa phƣơng tiện (văn bản, hình ảnh, âm thanh, phim ), trong sản phẩm phần mềm và gần đây là những nghiên cứu trên lĩnh vực cơ sở dữ liệu quan hệ Trong các dữ liệu đó, dữ liệu đa phƣơng tiện là môi trƣờng chiếm tỉ lệ chủ yếu trong các kỹ thuật giấu tin a Giấu tin trong... theo cơ chế bộ đệm First in First out Nó có thể hiểu là là một luồng dữ liệu đầu ra có thể kết nối với một hoặc nhiều luồng dữ liệu đầu vào (s) và một đầu vào nhận dữ liệu từ chỉ có một đầu ra Khối trong Python đƣợc kết nối bởi các chức năng kết nối ảo nó chỉ ra cách các luồng dữ liệu đầu ra (s) của một khối kết nối với các luồng dữ liệu đầu vào của một hoặc nhiều hơn các khối nguồn Cơ chế của flowgraph... yêu cầu chuyển đổi các tín hiệu nhận đƣợc sang một tần số trung gian (IF)  Tốc độ bus: Một vấn đề đƣợc đƣa ra là việc truyền dữ liệu từ bộ chuyển đổi ADC sang máytính Trong thực tế, tốc độ bus tối đa đối với các dữ liệu có thể tỷ lệ hạn chế của tỷ lệ mẫu và độ phân giải của các mẫu Tốc độ bus trong máy tính thƣờng dao động từ một vài Mbps đến vài Gbps  Độ trễ: Nói chung máy tính cá nhân không đƣợc... 2.2 dữ liệu đƣợc thực hiện liên tục theo một luồng nhất định Mỗi khối bao gồm một tập hợp các cổng đầu vào hoặc đầu ra có thể có cả đầu vào và đầu ra Nó nhận đƣợc dữ liệu từ cổng đầu vào và xử lý dữ liệu cho cổng ra của nó Khối đặc biệt đƣợc là khối nguồn và đích chỉ có một cổng vào hoặc cổng ra Mỗi khối xác định số lƣợng tối thiểu và tối đa của đầu vào và đầu ra có thể có, cũng nhƣ các kiểu dữ liệu trên. .. kiểu dữ liệu hỗ trợ:     c - complex interleaved floats (8 Bytes each) f - floats (4 Bytes) s - short integers (2 Bytes) b - Byte integers (1 Bytes) Mỗi khối định nghĩa một hàm chức năng general_work() thực hiện trên đầu vào để cho kết quả dữ liệu đầu ra Khối cũng cung cấp một hàm chức năng forecast() trả về hệ thống số lƣợng luồng dữ liệu đầu vào nó đòi hỏi phải thực hiện và số lƣợng luồng dữ liệu. .. tín hiệu gốc và tiếng vang để thể hiện tƣơng ứng giá trị nhị phân 1 hoặc 0, theo cách đó dữ liệu đƣợc giấu vào tập tin audio Để giấu nhiều hơn một bit, tín hiệu gốc đƣợc chia thành các đoạn ngắn hơn và mỗi đoạn sau đó có thể đƣợc tạo tiếng vang để giấu số bit mong muốn Dữ liệu chứa cuối cùng bao gồm các đoạn đƣợc mã độc lập nối lại theo thứ tự chia ban đầu Kỹ thuật giấu tin dựa vào tiếng vang rất hiệu. .. từ tƣơng tự sang số khiến cho tín hiệu nhận đƣợc sai khác so với tín hiệu khi truyền Dẫn đến việc bản tin mật nhận đƣợc sai khác so với bản tin trƣớc khi nhúng Tất cả các kiểu tấn công trên đều làm cho tin giấu nhận đƣợc sẽ sai khác so với tin khi nhúng 3.4 Yêu cầu kỹ thuật giấu tin trong âm thanh( audio) Khi giấu thông tin trong audio, thông tin sẽ đƣợc giấu cùng với dữ liệu audio nhƣng chất lƣợng audio... đồ trên GNU Radio chúng ta cần kiểm tra đầu vào của từng khối và hàm forecast () đƣợc sử dụng để quyết định tốc độ luồng dữ liệu nhận đƣợc từ đầu vào Nếu dữ liệu là phù hợp với các bộ đệm đầu vào Khối sẽ thực hiện hàm chức năng general_work() Nếu dữ liệu không phù hợp với bộ đệm đầu vào của khối nó sẽ đƣợc vào khối tiếp theo trong flowgraph Bỏ qua khối sẽ không đƣợc thực hiện cho đến khi có dữ liệu . nghiệp là: Nhúng dữ liệu trên nền tín hiệu âm thanh sử dụng công nghệ vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm.” Mục tiêu của đồ án này là nghiên cứu phƣơng pháp nhúng dữ liệu trên nền âm thanh. ngƣời nhận. Để lấy lại bản tin từ tín hiệu F’, ngƣời nhận không cần đối sánh với tín hiệu gốc. Đây là ý tƣởng của phƣơng pháp nhúng dữ liệu trên nền tín hiệu đƣợc nghiên cứu gần đây và có nhiều. tắt chƣơng 41 Chƣơng 3 Xây Dựng Chƣơng Trình Nhúng Dữ Liệu Trên Nền Tín Hiệu Âm Thanh 42 1. Kỹ Thuật Mã Hóa LSB 43 2. Thuật toán nhúng dữ liệu trên nề âm thanh sử dụng kỹ thuất mã hóa LSB 43