Bảo mật dữ liệu bằng kỹ thuật giấu tin trong audio

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HUỲNH BÁ DIỆU BẢO MẬT DỮ LIỆU BẰNG KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG AUDIO Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 62 48 01 04 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN Hà Nội - 2015 Công trình hoàn thành tại: Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TSKH Nguyễn Xuân Huy Phản biện Phản biện Phản biện Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp vào hồi ngày tháng năm 2015 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Sự phát triển mạnh mẽ công nghệ số nhu cầu trao đổi thông tin thông qua hệ thống kết nối mạng dẫn đến đòi hỏi cần phải có giải pháp để bảo vệ thông tin, chống xâm nhập trái phép, lấy cắp, xuyên tạc thông tin hay bảo vệ quyền cho liệu số Việc thiết lập chế phân quyền truy cập, mã hoá thông tin giúp bảo vệ thông tin tốt chúng đảm bảo an toàn tuyệt đối, đòi hỏi cần phải tìm giải pháp khác nhằm nâng cao tính đa dạng loại hình bảo vệ Chúng ta có cách khác để bảo vệ thông tin thực giao dịch ngầm bên giao dịch công khai, hay gọi giấu tin Mục tiêu luận án Trong luận án đặt mục tiêu sau đây:  Nghiên cứu đề xuất số thuật toán giấu tin audio thực giấu miền thời gian, áp dụng để giấu tin mật  Nghiên cứu đề xuất số thuật toán giấu tin audio thưc giấu miền tần số, bền vững trước số công Đóng góp luận án  Đề xuất sử dụng mã hỗ trợ xác thực trình giấu tin Mục đích việc mã hoá tránh trường hợp nhận tin sai file chứa tin giấu bị công làm thay đổi nội dung tin giấu Kết đăng tài Tạp chí Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tạp chí Khoa học Đại học quốc gia Hà Nội năm 2009  Đề xuất cách chọn mẫu liệu bit điều chỉnh để giấu tin dựa vào chuỗi ngẫu nhiên sinh từ khoá bí mật Trong kỹ thuật đề xuất cách điều chỉnh bit để sai khác mẫu file gốc file chứa tin giấu Kết đăng tài Tạp chí Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tạp chí Khoa học Đại học quốc gia Hà Nội năm 2013  Áp dụng phương pháp giấu tin ảnh để thực giấu tin audio Kết trình bày đăng tải kỷ yếu Hội nghị IEEE SoCPaR năm 2013 Học viện kỹ thuật quân sự, Hà Nội  Đề xuất cải tiến kỹ thuật giấu tin sử dụng tiếng vọng tác giả trước Kết nghiên cứu trình bày đăng tải Kỷ yếu Hội nghị Quốc tế ICIEIS năm 2013 Malaysia  Đề xuất cải tiến kỹ thuật giấu tin cách điều chỉnh hệ số miền tần số tín hiệu âm Kết nghiên cứu trình bày Hội nghị Quốc tế IEEE DICTAP năm 2014 Thái Lan  Đề xuất kỹ thuật giấu tin mật audio cách điều chỉnh hệ số thành phần chi tiết (detail) phép biến đổi wavelet Kết được trình bày hội nghị FAIR 2015 Hà Nội Nội dung luận án xây dựng dựa báo công bố Bố cục luận án Bố cục luận án bao gồm phần mở đầu, kết luận bốn chương nội dung với tài liệu tham khảo Chương 1: Trình bày tổng quan an toàn thông tin giấu thông tin Chương 2: Trình bày phương pháp giấu tin audio Chương 3: Trình bày phương pháp giấu tin miền thời gian Chương 4: Trình bày phương pháp giấu miền tần số Chương TỔNG QUAN VỀ BẢO MẬT DỮ LIỆU VÀ GIẤU TIN 1.1 Bảo mật liệu Bảo mật liệu (data security) có nghĩa bảo vệ liệu, chẳng hạn sở liệu, trước hành vi phá hoại hay hành vi không mong muốn khác từ người không quyền Đã có nhiều giải pháp khác nhằm bảo mật liệu, thiết kế cho thành phần riêng lẻ kết hợp thành phần hệ thống thông tin Các giải pháp mã hoá đĩa (disk encryption), lưu (backup), sử dụng thiết bị đăng nhập hệ thống, bảo mật đường truyền, che giấu liệu (data masking, gồm mật mã giấu thông tin) Trong giải pháp đó, giải pháp dùng mật mã giấu thông tin ứng dụng rộng rãi 1.2 Mã hoá liệu Hình 1.1 Sơ đồ trao đổi thông tin có dùng mã hoá Mã hóa mật mã hóa liệu chế chuyển đổi liệu từ rõ sang định dạng khác đọc gọi mã để ngăn cản truy cập bất hợp pháp liệu trao đổi thông tin Có hai loại mã hóa mã hóa khóa đối xứng mã hóa khoá công khai 1.2.1 Mã hóa khóa đối xứng 1.2.2 Mã hóa khoá công khai 1.3 Giấu thông tin Giấu thông tin kỹ thuật nhúng (giấu) lượng thông tin số vào đối tượng liệu số khác Giấu thông tin nhằm hai mục đích, bảo mật cho liệu đem giấu, hai bảo mật cho đối tượng dùng để giấu tin 1.3.1 Các thành phần Hệ giấu tin Một hệ giấu tin gồm có thành phần sau đây: + Thông điệp mật (secret message) + Dữ liệu chứa hay môi trường chứa tin mật (host signal) + Khoá viết mật K, tham gia vào trình giấu tin để tăng tính bảo mật + Dữ liệu chứa tin mật hay môi trường chứa tin mật (stego signal) Sơ đồ hệ giấu tin sau : Khoá K Host Signal Quá trình Giấu tin Khoá K Quá trình Giải tin Stego Signal Network Secret message Host Signal Secret message Hình 1.5 Sơ đồ hệ giấu tin số 1.3.2 Phân loại giấu tin Các kỹ thuật giấu thông tin phân biệt đặc trưng, tính chất ứng dụng Ví dụ ta phân loại kỹ thuật giấu tin theo miền xử lý, kiểu tài liệu theo khả tri giác người 1.3.3 Các tính chất hệ giấu tin 1.3.3.1 Tính “vô hình” (Tính bí mật) 1.3.3.2 Khả chống giả mạo (Tính toàn vẹn) 1.3.3.3 Tính bền vững 1.3.3.4 Dung lượng tin giấu 1.3.3.5 Độ phức tạp tính toán 1.3.4 Tấn công hệ thống giấu tin Tấn công hệ giấu tin phương pháp để phát hiện, phá huỷ, trích rút hay sửa đổi tin mật Sau số dạng công 1.3.4.1 Phân tích file chứa tin 1.3.4.2 Đối sánh với liệu gốc 1.3.4.3 Định dạng lại 1.3.4.4 Tấn công theo kiểu nén 1.3.5 Các ứng dụng giấu tin 1.3.5.1 Liên lạc bí mật 1.3.5.2 Bảo vệ quyền (copyright protection) 1.3.5.3 Nhận thực hay phát xuyên tạc thông tin (authentication and tamper detection) 1.3.5.4 Giấu vân tay hay dán nhãn (fingerprinting and labeling) 1.3.5.5 Điều khiển chép (copy control) 1.4 Giấu tin audio Giấu tin audio tập trung khai thác khả cảm nhận hệ thính giác người (Human Auditory System) Hình 1.9 Hệ thống thính giác người 1.4.1 Ngưỡng nghe Phạm vi nghe tai người khoảng từ 20Hz đến 20 kHz nghe rõ âm phạm vi từ 1kHz đến 4kHz 1.4.2 Hiện tượng masking Hiện tượng che khuất tín hiệu âm (auditory masking) xảy âm ảnh hưởng đến cảm nhận âm khác Âm bị che gọi maskee, âm che masker Hiện tượng masking xảy miền thời gian lẫn miền tần số 1.5 Biểu diễn âm máy tính 1.5.1 Biểu diễn âm số Để lưu trữ, xử lý âm máy tính, tín hiệu âm cần phải chuyển từ dạng tương tự sang dạng số Hình 1.17 thể trình lấy mẫu, lượng tử hoá chuyển tín hiệu dạng tương tự sang dạng số Hình 1.17 Lượng tử hoá biểu diễn dạng số tín hiệu tương tự 1.5.2 Các định dạng âm phổ biến tảng máy tính Các phương pháp giấu tin phụ thuộc vào định dạng âm thanh, kiểu âm tảng khác Ngoài tỉ lệ liệu giấu phụ thuộc vào file âm dạng nén hay dạng thô 1.6 Một số chương trình giấu tin audio Có nhiều chương trình cho phép giấu tin audio MP3Stego, OpenPuff Tổng kết chương Trong chương trình bày tổng quan an toàn thông tin khái niệm liên quan toán giấu tin, phân loại giấu tin ứng dụng giấu tin Trong chương trình bày đặc tính hệ thống thính giác người, cách biểu diễn âm máy tính, định dạng âm số phần mềm giấu tin vào liệu audio triển khai thực tế Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẤU TIN TRONG ÂM THANH 2.1 Các kỹ thuật bổ trợ cho giấu tin 2.1.1 Các phép biến đổi từ miền thời gian sang miền tần số 2.1.1.1 Phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) 2.1.1.2 Phép biến đổi wavlet (DWT) 2.1.2 Xáo trộn liệu Mục đích việc xáo trộn liệu gây khó khăn cho người thám tin, làm cho họ khó khôi phục lại tin mật biết thuật toán rút trích tin 2.1.2.1 Xáo trộn liệu theo chuỗi hoán vị 2.1.2.2 Xáo trộn liệu phép biến đổi Arnold 2.1.3 Kỹ thuật sinh chuỗi giả ngẫu nhiên Các phương pháp giấu tin thường dùng kết hợp với chuỗi ngẫu nhiên để thực giấu tin Chẳng hạn kỹ thuật trải phổ 2.1.3.1 Bộ sinh đồng dư (congruential generator) 2.1.3.2 Bộ sinh Fibonacci 2.1.3.2 Bộ sinh số Mersenne Twister 2.2 Đánh giá phương pháp giấu tin audio 2.2.1 Đánh giá độ đo 2.2.1.1 Độ đo SNR Giá trị SNR số lượng thay đổi liệu chứa chèn liệu mật vào tính theo thang độ decibel (2.5) 2.2.1.2 Độ đo MSE (Mean Squared Error) MSE dùng để đo độ méo (distortion) âm Nó tính theo (2.6), x(n) âm gốc y(n) âm chứa tin giấu (2.6) 2.2.1.3 Khoảng cách Czenakowski (Czenakowski Distance) 2.2.2 Đánh giá phần mềm phát tin 2.2.3 Đánh giá bảng đánh giá ODG (Object Difference Grade) 2.3 Một số phương pháp giấu tin âm 2.3.1 Phương pháp điều chỉnh bit quan trọng (LSB coding) Ý tưởng kỹ thuật thay bit cuối mẫu liệu bit cần giấu để giấu tin 1 1 1 Sau giấu bit sau: 1 1 Hình 0.1 Điều chỉnh bit thấp mẫu để giấu bit 2.3.2 Phương pháp chẵn lẻ (parity coding) Phương pháp chẵn lẻ tương tự phương pháp mã hoá LSB thay dùng mẫu liệu nhóm mẫu 2.3.3 Phương pháp mã hoá pha (phase coding) Phương pháp mã hoá pha giấu tin thông qua việc thay pha segment audio ban đầu pha tham chiếu thể liệu Hình 2.9 Sự dịch chuyển pha tín hiệu 2.3.4 Phương pháp mã hoá tiếng vọng (Echo coding) Phương pháp mã hoá tiếng vọng nhúng tin vào tín hiệu âm gốc cách thêm tiếng vọng vào tín hiệu gốc Ta có công thức giấu sau: (2.9) 2.3.5 Phương pháp trải phổ 2.3.6 Phương pháp điều chỉnh biên độ Trong phương pháp này, thông tin nhúng cách thay đổi lượng hay khối (block) Hình 3.3 thử nghiệm giấu 100 byte liệu vào file âm file WindowsLogOn.wav, hình minh hoạ cho đoạn đầu gồm 10000 mẫu Hình 3.3 Dữ liệu âm gốc (trên) liệu có chứa tin mật (dưới) 3.1 Phương pháp giấu điều chỉnh giá trị nhóm bit Quá trình giấu tin gồm giai đoạn Giai đoạn dùng khoá mật K để sinh chuỗi ngẫu nhiên gồm L số, L chiều dài chuỗi bit mật Giai đoạn giấu bit chuỗi tin mật vào file âm dựa vào chuỗi ngẫu nhiên sinh Việc giấu tin dựa vào chuỗi ngẫu nhiên nhằm mục đích tăng cường tính mật cho tin giấu liệu audio 3.2.1 Sinh chuỗi ngẫu nhiên Khoá K gồm ba số (x, y, N) dùng số mồi hệ số công thức sinh để sinh chuỗi S, chuỗi ngẫu nhiên gồm L số Công thức (3.3) dùng để sinh dãy SRN: (3.3) 3.2.2 Điều chỉnh độ lệch bit Nếu đổi bit vị trí từ thành 1, ta đổi bit vị trí vị trí thành đổi bit vị trí từ thành ta đổi bit vị trí vị trí thành Tương tự, đổi bit vị trí từ thành 1, ta đổi bit vị trí thành đổi bit vị trí từ thành ta đổi bit vị trí thành 3.2.3 Thuật toán giấu tin Đầu vào: - File âm A, chuỗi M có độ dài L, khoá K gồm ba số (x, y, N) 11 Đầu ra: - File âm A’ có chứa chuỗi bit M Bước 1) Chuẩn bị: Dựa vào khoá (x, y, N) sinh mảng S[] cho biết mẫu liệu chọn để giấu tin mảng V[] cho biết vị trí bit giấu mẫu Bước 2) Giấu tin - Đọc file liệu âm thanh, dựa vào mảng S[] để chọn mẫu cần giấu - Dựa vào mảng V[] để biết vị trị bit giấu - Nếu bit thứ Vi mẫu chọn thứ i khác với Mi thực DIEUCHINH(Vi, Mi) Sau giấu xong, ta dùng ký hiệu đánh dấu kết thúc tin giấu nhằm phục vụ cho trình giải tin 3.2.3.1 Sinh mảng S[] (3.4) 3.2.3.2 Sinh mảng V[] (3.5) 3.2.4 Quá trình giải tin Đầu vào: File âm A’ chứa tin giấu, khoá K gồm ba số (x, y, N), độ dài L chuỗi bit cần lấy Đầu ra: Chuỗi bit M giấu Bước 1) Chuẩn bị: Sinh mảng V[] S[] Bước 2) Giải tin Đọc file liệu âm A’, dựa vào mảng S[] để chọn mẫu có chứa bit thông tin giấu, dựa vào mảng V[] để lấy bit thứ i mẫu tin giấu 3.2.5 So sánh với phương pháp LSB nguyên thuỷ 3.2.5.1 Chi phí thời gian giấu tin giải tin So với kỹ thuật LSB, phương pháp cần phải tốn thời gian cho việc sinh chuỗi giả ngẫu nhiên, chuỗi S[] chuỗi V[] phải tốn chi phí thời gian cho việc điều chỉnh bit để giảm độ chênh lệch giá trị trước sau giấu 12 3.2.5.2 Tỉ lệ liệu giấu So với phương pháp LSB nguyên thuỷ có tỉ lệ liệu giấu ¼ 3.2.5.3 Độ mật kỹ thuật 3.3 Phương pháp điều chỉnh mẫu đoạn khối 25 mẫu 3.3.1 Xáo trộn liệu Để xáo trộn liệu, luận án đề xuất cách sử dụng phép biến đổi Arnold 3.3.2 Thuật toán giấu bit khối 25 mẫu liệu Đầu vào: - Khối liệu chứa F có kích thước 5*5, bit mật b1b2b3b4 cần giấu Đầu ra: - Khối liệu chứa tin mật F’ Bước 1) Xây dựng ma trận A từ LSB khối F, A[i][j] = LSB(F[i][j]) Bước 2) Lấy dòng đầu A, dòng thực phép exclusive-or tất phần tử dòng, ta có r1r2r3r4 Bước 3) Lấy cột A, cột thực exclusive-or tất phần tử cột để c1c2c3c4 Bước 4) Thực exclusive-or kết bước bước để có s1s2s3s4 s1=r1 XOR c1, s2=r2 XOR c2 tương tự Bước 5) So sánh kết bước với bit cần giấu b1b2b3b4 Nếu khác không cần phải điều chỉnh khối bit A Ngược lại, cần xét trường hợp sau: • Nếu có khác bit bi vị trí i A[i][5] điều chỉnh lật • Nếu có khác bit bi bj vị trí i j A[i][j] lật • Nếu có khác bit bi, bj bk vị trí i, j, k A[i][j] lật A[k][5] lật • Nếu có khác bit bi, bj, bk bm vị trí i, j, k, m thực lật A[i][j] A[k][m] Bước 6) Đặt bit LSB khối F[i][j] giống A[i][j] ta khối F’ 13 Ví dụ ta có đoạn audio gồm 25 mẫu có giá trị hình 3.10 (tương ứng với ma trận F ma trận A) 18 39 65526 65526 0 20 27 40 50 18 0 37 42 78 65519 0 46 65514 29 65508 31 0 1 65500 65486 65482 0 Hình 3.10 Ma trận F A tương ứng từ mẫu liệu Ta tính vector r, c, s hình sau: r1 r2 r3 r4 1 0 Hình 3.11 Kết XOR cột hàng c1 c2 c3 c4 1 Hình 3.12 Kết XOR dòng cột s1 s2 s3 s4 0 Hình 3.13 Kết XOR chuỗi C chuỗi R Nếu ta cần giấu bốn bit 1100, có bit khác với S vị trí 1, 3, ta lật giá trị ô A[1][2] A[3][5] Kết điều chỉnh hình 3.16 0 0 18 38 65526 65526 0 20 27 40 50 19 0 0 37 42 78 65518 0 1 46 65514 29 65508 31 0 65500 65486 65482 Hình 3.14 Kết giấu bit 1100 khối F 3.3.3 Thuật toán giấu tin Đầu vào: - File âm gốc F, khoá mật K, thông điệp mật M Đầu ra: - File âm chứa tin mật F’ 14 Bước 1) Xáo trộn chuỗi M Bước 2) Chia liệu file âm thành segment gồm 25 mẫu, sau chuyển sang khối vuông Fi kích thước 5*5 Bước 3) Thực bước sau toàn thông điệp M’ giấu vào khối: Lấy bit M’ giấu vào khối Fi, sử dụng sơ đồ giấu MCPT Bước 4) Chuyển tất khối F i sang lại dạng vector ghi file F’ Ghi mẫu lại từ F vào F’ 3.3.4 Thuật toán giải tin Thuật toán giải tin gồm hai bước Đó tách bit khối thực việc khôi phục lại chuỗi bit 3.3.5 Kết thử nghiệm đánh giá Kết thử nghiệm cho thấy file chứa tin file gốc có ảnh hưởng đến hệ thống thính giác người, phân biệt khác 3.4 Phương pháp điều chỉnh bit để giấu bit liệu 3.4.1 Xáo trộn liệu phương pháp hoán vị 3.4.2 Tính tổng XOR đoạn Giá trị đặt tên HD_sum Đầu vào: Đoạn S gồm 256 mẫu chứa giá trị nguyên, Đầu ra: Một số nguyên gọi HD_sum đoạn S Bước 1) Từ mảng S ta xác định mảng Q có kích thước với S, Q[i] = S[i]%2 Bước 2) h=0; Bước 3) Lặp i từ đến 255: Nếu (Q[i]!=0) h = XOR(h,i); Bước 4) Trả h; Ở XOR phép toán XOR (exclusive-or) 3.4.3 Thuật toán giấu byte liệu vào khối 256 mẫu Đầu vào: - Đoạn liệu chứa 256 mẫu (S[0 255]) byte cần giấu p 15 Đầu ra: - Đoạn chứa tin (stego - segment) S[0 255] Bước 1) Tính HD_sum đoạn S: h=HD_sum(S); Bước 2) Tìm vị trí mẫu cần thay đổi để giấu tin: pos= XOR (h, p); Bước 3) Lật bit mẫu vị trí pos để giấu byte p: Nếu giá pos =0 không cần phải điều chỉnh mẫu đoạn S Nếu giá trị pos > cần phải điều chỉnh mẫu vị trí pos tham gia trình tính HD_sum không : Q[pos] = - Q[pos]; Bước 4) Điều chỉnh giá trị mẫu ví trí pos để giấu tin pos>0 Nếu Q[pos] = S[pos]= S[pos] +1, ngược lại S[pos]= S[pos] - Thuật toán giấu tin file: Giấu byte vào khối Thuật toán giải tin Đầu vào: - File chứa tin mật, khoá (k, d) q số byte cần lấy Đầu ra: - Thông điệp mật M Bước 1) Lấy h= q / d  * d đoạn từ file chứa tin mật, đoạn chứa 256 mẫu Bước 2) Lặp thao tác h lần để lấy h byte từ đoạn, byte đoạn, byte thứ i gán cho M’[i] M’[i] =HD_sum(Si) Bước 3) Đối với đoạn gồm d byte chuỗi M’, dùng phép biến đổi khôi phục lại chuỗi tin M thuật toán trình bày mục 3.4.1 3.5 Phương pháp điều chỉnh tiếng vọng 3.5.1 Sơ đồ giấu Rios Chavez 3.5.2 Đánh giá kỹ thuật đề xuất Rios Chavez Có thể nhận tin sai thời gian tính toán lớn, giảm xuống 3.5.3 Kỹ thuật điều chỉnh tiếng vọng 3.5.3.1 Thêm tiếng vọng dựa vào số ngẫu nhiên Công thức để thêm tiếng vọng Để thêm tiếng vọng vào đoạn, ta sử dụng công thức (3.11) sau: 16 (3.11) 3.5.3.2 Thuật toán giấu Đầu vào: - File audio gốc C, chuỗi bit W có độ dài L, khoá (a, b) số N Đầu ra: - File chứa tin giấu S Các bước thuật toán giấu sau: Bước 1) Sinh chuỗi R dựa vào khoá theo công thức (3.9), (3.10) Bước 2) Chia liệu file gốc C thành đoạn (frame) Ci có kích thước Nếu số frame < độ dài chuỗi bit (L) cần giấu dừng Bước 3) Gán giá trị đoạn Si Ci Dựa vào giá trị Ri giá trị bit cần giấu Wi, dùng công thức (3.11) để thêm tiếng vọng vào cho đoạn Si Bước 4) Ghi đoạn Si file S chép mẫu lại từ C sang S 3.5.3.3 Thuật toán giải tin Đầu vào: - File chứa tin S, file gốc C, khoá (a, b) số N, số bit cần lấy L Đầu ra: - Chuỗi bit W có độ dài L Bước 1) Sinh chuỗi R dựa vào khoá theo công thức (3.9), (3.10) Bước 2) Chia liệu file chứa tin giấu S file gốc C thành đoạn (frame) Si, Ci có kích thước Bước 3) So sánh cepstrum đoạn Ci với Si dựa vào giá trị Ri để trích bit bit Lặp bước cho đoạn liệu Ci ,Si lấy đủ L bit 3.5.4 Kết thử nghiệm đánh giá Kết đánh giá mức độ nhận biết cho thấy kỹ thuật không gây hiệu ứng nghe file trước sau giấu tin 17 Tổng kết chương Trong chương trình bày thuật toán giấu tin file âm Đây thuật toán giấu miền thời gian Các thuật toán đề xuất cách kết hợp với mã Hamming nhằm mục đích giảm thiểu nhận tin sai file chứa tin bị công, cách điều chỉnh bit giấu bit cao LSB Ngoài chương đề xuất cách giấu dựa vào đặc tính đoạn liệu, cải tiến cách giấu dùng phương pháp điều chỉnh tiếng vọng Chương MỘT SỐ THUẬT TOÁN GIẤU TIN TRÊN MIỀN BIẾN ĐỔI 4.1 Phương pháp điều chỉnh hệ số miền biến đổi FFT 4.1.1 Điều chỉnh giá trị miền tần số Mỗi đoạn Y có kích thước gồm fw mẫu thực phép biến đổi FFT Phép biến đổi Fourier trình bày chương FY  FFT (Y ) (4.1) Sau thực phép biến đổi FFT, giá trị FY nhận dãy số phức Số phức thể biểu diễn lại hệ toạ độ cực công thức sau: z  r(cos   i sin  ) (4.2) Nếu thay đổi r thành r’ x '  r ' cos  y '  r ' sin  (4.5) z'  r' cos   i * r' sin  (4.6) 4.1.2 Thuật toán điều chỉnh mẫu để giấu bit Đầu vào: Số phức z, bit thông tin mật cần giấu Mj, giá trị d Đầu ra: Số phức z’ Bước 1) Tính biên độ pha z: amp = abs(z); phase= angle(z); Bước 2) Điều chỉnh giá trị r để giấu Mj Nếu Mj==1 Nếu mod (amp, d) < d/2 amp = amp + d/2; Ngược lại Nếu mod (amp, d)> =d/2 amp = amp + d/2; Bước 3) Tạo số phức trả về: 18 r’=complex(amp*cos(phase),amp*sin(phase)); return r’; 4.1.3 Thuật toán giấu Đầu vào: Vector Y chứa mẫu, chuỗi bit M có độ dài q, giá trị d, k, fw Đầu vào: Vector Y’ chứa tin mật Bước 1) Chia Y thành đoạn có kích thước nhau, chứa fw (frame width) mẫu đoạn Thực phép biến đổi FFT đoạn để chuyển từ miền thời gian sang miền tần số Tính FYk = FFT (Yk) Bước 3) Đối với đoạn FYk, tính biên độ kiểm tra xem đoạn có thoả điều kiện để giấu bit không Nếu thoả điều kiện giấu giấu Bước 4) Thực IFFT đoạn FY để chuyển FY từ miền tần số lại miền thời gian lưu vào Y’ Bước 5) Trả Y’ 4.1.4 Thuật toán lấy bit mật từ mẫu Đầu vào: Số phức z, số d Đầu ra: Số nhị phân Mi Bước 1) Tính biên độ (amplitude) z: amp = abs(z); Bước 2) Lấy bit Mi dựa vào Ri Nếu mod(amp,d)>d/2 Mi =1 Ngược lại Mi =0 Bước 3) return Mi Thuật toán giải tin Đầu vào: Vector Y’ chứa tin mật, độ dài chuỗi bit cần lấy q, số d, k, fw Đầu ra: Chuỗi bit mật M Bước 1) Chia Y’ thành đoạn có số mẫu fw Bước 2) Thực FFT đoạn Y để chuyển sang miền tần số: FYk = FFT (Yk) Tính biên độ cho đoạn gán số bit nhận h=0; 19 Bước 3) Đối với đoạn FYk, kiểm tra đoạn có chứa tin hay không dựa vào cách tính trình giải tin Nếu đoạn có chứa tin chọn đỉnh đoạn để rút trích tin M(h) = Getbit( FYk(i), d ); Bước 4) return M Kết thử nghiệm đánh giá Các kết thử nghiệm cho thấy trình giấu rút trích thông tin hoàn toàn xác, không phân biệt nghe file âm gốc file chứa tin So với phương pháp giấu miền thời gian, phương pháp chịu công thêm nhiễu trắng Nếu tỉ lệ gây nhiễu lớn 90 không ảnh hưởng đến tin mật trình giải tin 4.2 Phương pháp giấu tin miền biến đổi wavelet 4.2.1 Thuật toán giấu bit Đầu vào: - Dãy D gồm fw phần tử D[1 fw], bit cần giấu b, số thực d Đầu ra: - Dãy D điều chỉnh để chứa bit mật b Bước 1) Tính giá trị trung bình nửa đoạn trước đoạn sau D (4.7) Bước 2) Tính giá trị lệch giá trị trung bình hai đoạn, theo modulo d: Bước 3) Điều chỉnh giá trị để giấu bit b: Nếu b=1 k> d/2 b=0 k d/2 b=1 ngược lại b=0 4.2.3 Thuật toán giấu tin Đầu vào: - Khoá K, file gốc H, chuỗi bit mật M Đầu ra: - File chứa tin mật S Phương pháp: Bước 1) Dùng khoá K để sinh chuỗi nhị phân ngẫu nhiên R Bước 2) Biến đổi chuỗi bit mật M thành M’ dựa vào R, đó: (4.8) Bước 3) Đọc liệu mẫu từ file audio H vào mảng y Thực biến đổi wavelet cho dãy y Bước 4) Chia dãy D thành đoạn có kích thước fw điều chỉnh đoạn giấu phần tử vào đoạn , ta Bước 5) Biến đổi wavelet ngược [A, D’] để có y’ ghi y’ file S 4.2.4 Thuật toán trích tin Đầu vào: Đầu ra: - Khoá K, file chứa tin S - Chuỗi bit mật M Bước 1) Đọc liệu mẫu từ file audio S vào mảng y Thực biến đổi wavelet cho dãy y 21 Bước 2) Chia dãy D thành đoạn phần tử từ đoạn có kích thước fw lấy theo thuật toán trích bit Bước 3) Dùng khoá K để sinh chuỗi nhị phân ngẫu nhiên R Bước 4) Biến đổi chuỗi M’ thành M dựa vào R theo công thức 4.8 trả 4.2.5 Kết thử nghiệm Trong phần thử nghiệm, chọn file âm mono 16 bit, giá trị d 0.1 Chúng thực công thêm nhiễu thay đổi số bit biểu diễn tín hiệu (16 bit xuống bit) để kiểm tra tính bền vững kỹ thuật đề xuất Kết thử nghiệm cho thấy công thay đổi số bit biểu diễu mẫu không ảnh hưởng đến tin giấu phép thêm nhiễu trắng có ảnh hưởng Bảng 4.2 Bảng giá trị SRN giấu tin Tên file Dạng âm Kích thước file Số bit giấu SRN S.wav B.wav C.wav E.wav Bài nói Đoạn nhạc Tiếng cười Thông báo 6.5 Mb 1.14 Mb 104 Kb 2.71 Mb 2000 1400 100 2000 22.23 21.79 25.74 20.50 Bảng 4.3 Bảng giá trị BER Tên file S1.wav B1.wav C1.wav E1.wav Tấn công giảm bit 0 0 Giá trị BER Thêm nhiễu dựa vào lượng SRN= 10 SRN=7 0.0005 0.005 0.002 0.05 0.15 0.002 Do thuật toán giấu miền tần số cao nên không bền vững với phép biến đổi chuyển định dạng mp3 Tổng kết chương Chương trình hai thuật toán giấu tin audio thực miền tần số Thuật toán thứ dùng điều chỉnh biên độ hệ số FFT đoạn để giấu bit liệu Thuật toán thứ thực điều chỉnh hệ số phép biến đổi wavelet để giấu tin So với thuật toán 1, thuật toán bền vững trước kiểu công giảm số bit biểu diễn mẫu tin giấu bền vững với tỉ lệ thêm nhiễu lớn bảng thử nghiệm trình bày 22 KẾT LUẬN Giấu thông tin ứng dụng vấn đề nhiều người quan tâm Giấu thông tin coi giải pháp để bảo mật liệu Nếu giấu tin ảnh có nghiên cứu có ứng dụng cụ thể giấu tin audio nhiều hướng mở, nghiên cứu ứng dụng hệ thời gian thực, tích hợp với phần cứng Một số phương pháp giấu tin ảnh áp dụng sang audio cần phải có điều chỉnh hai đối tượng liệu chứa khác kỹ thuật giấu kiểu liệu chứa khai thác điểm khác hệ thống tri giác người Các nghiên cứu để tăng tính bền vững, đồng tin giấu liệu audio có chưa nhiều Trên sở nghiên cứu kỹ thuật giấu tin âm thanh, kỹ thuật bổ trợ, luận án đề xuất số cải tiến nhằm tăng cường tính mật, giải pháp khác lựa chọn cho toán giấu tin audio Cụ thể, luận án đạt kết sau: - Cải tiến kỹ thuật giấu tin audio cách kết hợp với mã phát sửa lỗi Mục đích việc tránh trường hợp nhận thông tin sai file chứa bị công làm thay đổi nội dung tin giấu - Đề xuất cách chọn mẫu liệu để vi trí bit mẫu cần điều chỉnh để giấu tin, dựa vào chuỗi ngẫu nhiên sinh từ khoá bí mật Trong kỹ thuật đề xuất cách điều chỉnh bit mẫu liệu chọn để giấu cho sai khác mẫu liệu file gốc mẫu file chứa tin giấu - Đề xuất cách xáo trộn liệu mật trước giấu tin Mục đích việc làm cho người thám tin tốn nhiều thời gian để xếp lại bit mật lấy để có chuỗi tin mật biết thuật toán giấu - Đề xuất cải tiến cho kỹ thuật giấu dựa vào tiếng vọng, điều chỉnh bit để giấu byte liệu khối 256 mẫu, điều chỉnh bit để giấu byte liệu khối, khối 25 mẫu - Đề xuất hai thuật toán giấu tin mật miền tần số cách điều chỉnh hệ số phép biến đổi, thuật toán sử dụng phép biến đổi Fourier thuật toán sử dụng phép biến đổi wavelet 23 Vấn đề nghiên cứu tiếp theo: - Nghiên cứu cách kết hợp với thiết bị phần cứng để thực giấu tin ứng dụng VoIP - Nghiên cứu nâng cao tính bền vững tin giấu trước công để áp dụng đánh dấu quyền nhạc số - Nghiên cứu cách tự động lựa chọn phương pháp giấu dựa vào phân tích đặc tính liệu chứa - Nghiên cứu phương pháp đồng kết hợp nhằm mục đích phát đoạn để rút trích tin giấu 24 Danh mục công trình liên quan đến luận án Nguyễn Xuân Huy, Huỳnh Bá Diệu (2009), “Kỹ thuật giấu tin âm hỗ trợ xác thực”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 25, Số 2, tr 69-74 Nguyễn Xuân Huy, Huỳnh Bá Diệu, Võ Thị Thanh (2013), “Một cải tiến cho kỹ thuật giấu tin dựa vào LSB”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 29, Số 2, tr 31-37 Huynh Ba Dieu (2013), “An Improvement for Hiding Data in Audio Using Echo Modulation”, Proceedings of the Second International Conference on Informatics Engineering & Information Science (ICIEIS2013), pp 133-138 Huynh Ba Dieu, Nguyen Xuan Huy (2013), “Hiding Data In Audio Using Modified CPT Scheme”, Proceedings of the Fifth International Conference of Soft Computing and Pattern Recognition (SoCPaR2013), pp 397-401 DOI: 10.1109/SOCPAR.2013.7054098 Huynh Ba Dieu, Nguyen Xuan Huy (2014), “An Improved Technique for Hiding Data in Audio”, Proceedings of the Fourth International Conference on Digital Information and Communication Technology and its Applications (DICTAP2014), pp 149-153 DOI: 10.1109/DICTAP.2014.6821673 Nguyễn Xuân Huy, Huỳnh Bá Diệu, “Một kỹ thuật giấu tin audio dựa vào phép biến đổi wavelet”, chấp nhận báo cáo hội thảo FAIR 2015 (chưa xuất bản) [...]... khi giấu 12 3.2.5.2 Tỉ lệ dữ liệu giấu So với phương pháp LSB nguyên thuỷ này có tỉ lệ dữ liệu giấu chỉ bằng ¼ 3.2.5.3 Độ mật của kỹ thuật 3.3 Phương pháp điều chỉnh 2 mẫu trong một đoạn khối 25 mẫu 3.3.1 Xáo trộn dữ liệu Để xáo trộn dữ liệu, luận án đề xuất cách sử dụng phép biến đổi Arnold 3.3.2 Thuật toán giấu 4 bit trong khối 25 mẫu dữ liệu Đầu vào: - Khối dữ liệu chứa F có kích thước 5*5, 4 bit mật. .. dữ liệu nhằm mục đích thay đổi thứ tự các bit dữ liệu mật khi giấu vào tín hiệu âm thanh, các kỹ thuật sinh số ngẫu nhiên, các phương pháp giấu và các tiêu chí đánh giá các thuật toán giấu tin Chương 3 MỘT SỐ THUẬT TOÁN GIẤU TIN TRÊN MIỀN THỜI GIAN 3.1 Phương pháp giấu tin kết hợp mã Hamming Kỹ thuật giấu tin được kết hợp với các kỹ thuật mã hoá Hamming như là một cải tiến nhằm giúp cho người nhận tin. .. dung tin giấu - Đề xuất cách chọn mẫu dữ liệu để và vi trí bit của mẫu cần điều chỉnh để giấu tin, dựa vào chuỗi ngẫu nhiên được sinh ra từ khoá bí mật Trong kỹ thuật này cũng đề xuất cách điều chỉnh các bit trong mỗi mẫu dữ liệu được chọn để giấu sao cho sự sai khác giữa các mẫu dữ liệu trên file gốc và các mẫu trên file chứa tin giấu là ít nhất - Đề xuất các cách xáo trộn dữ liệu mật trước khi giấu tin. .. làm cho người thám tin tốn nhiều thời gian để sắp xếp lại các bit mật lấy được để có chuỗi tin mật nếu như anh ta biết thuật toán giấu - Đề xuất các cải tiến cho kỹ thuật giấu dựa vào tiếng vọng, điều chỉnh 1 bit để giấu 1 byte dữ liệu trong khối 256 mẫu, điều chỉnh 4 bit để giấu 1 byte dữ liệu trong 2 khối, mỗi khối 25 mẫu - Đề xuất hai thuật toán giấu tin mật trên miền tần số bằng cách điều chỉnh... biểu diễn mẫu và tin giấu bền vững với tỉ lệ thêm nhiễu lớn hơn như trong các bảng thử nghiệm đã trình bày 22 KẾT LUẬN Giấu thông tin và các ứng dụng của nó là một trong những vấn đề được nhiều người quan tâm hiện nay Giấu thông tin được coi là một trong các giải pháp để bảo mật dữ liệu Nếu như giấu tin trong ảnh đã có những nghiên cứu và có các ứng dụng cụ thể thì giấu tin trong audio vẫn còn nhiều... nghiên cứu các kỹ thuật giấu tin trong âm thanh, các kỹ thuật bổ trợ, luận án đã đề xuất một số cải tiến nhằm tăng cường tính mật, các giải pháp khác nhau có thể lựa chọn cho bài toán giấu tin trong audio Cụ thể, luận án đã đạt được các kết quả chính sau: - Cải tiến kỹ thuật giấu tin trong audio bằng cách kết hợp với mã phát hiện và sửa lỗi Mục đích của việc này là tránh trường hợp nhận thông tin sai nếu... cứu ứng dụng trong các hệ thời gian thực, tích hợp với phần cứng Một số phương pháp giấu tin trong ảnh có thể áp dụng sang audio nhưng cần phải có những điều chỉnh vì hai đối tượng dữ liệu chứa khác nhau và kỹ thuật giấu trên mỗi kiểu dữ liệu chứa khai thác những điểm khác nhau của hệ thống tri giác con người Các nghiên cứu để tăng tính bền vững, sự đồng bộ của tin giấu trong dữ liệu audio đã có nhưng... 0.002 Do thuật toán giấu trên miền tần số cao nên không bền vững với phép biến đổi chuyển định dạng mp3 Tổng kết chương 4 Chương 4 trình hai thuật toán giấu tin trong audio được thực hiện trên miền tần số Thuật toán thứ nhất dùng điều chỉnh biên độ các hệ số FFT trên mỗi đoạn để giấu 8 bit dữ liệu Thuật toán thứ 2 thực điều chỉnh các hệ số của phép biến đổi wavelet để giấu tin So với thuật toán 1, thuật. .. ra chuỗi ngẫu nhiên gồm L số, trong đó L là chiều dài chuỗi bit mật Giai đoạn 2 sẽ giấu lần lượt từng bit của chuỗi tin mật vào trong file âm thanh dựa vào chuỗi ngẫu nhiên đã sinh Việc giấu tin dựa vào chuỗi ngẫu nhiên nhằm mục đích tăng cường tính mật cho tin giấu trong dữ liệu audio 3.2.1 Sinh chuỗi ngẫu nhiên Khoá K gồm ba số (x, y, N) sẽ được dùng như số mồi và hệ số trong công thức sinh để sinh... trích các bit trong mỗi đoạn, ngược lại không thì không lấy tin 10 Hình 3.3 dưới đây là thử nghiệm giấu 100 byte dữ liệu vào file âm thanh file WindowsLogOn.wav, hình minh hoạ cho đoạn đầu gồm 10000 mẫu Hình 3.3 Dữ liệu âm thanh gốc (trên) và dữ liệu có chứa tin mật (dưới) 3.1 Phương pháp giấu điều chỉnh giá trị nhóm bit Quá trình giấu tin cũng gồm 2 giai đoạn Giai đoạn 1 sẽ dùng khoá mật K để sinh