Nghiên cứu kỹ thuật thủy văn trong âm thanh số

CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN Chương trình bày khái niệm liên quan đến giấu tin nói chung, phân loại kỹ thuật giấu tin, mục đích giấu tin, đặc tính âm thanh, âm số quy trình giấu, tách tin âm 1.1.Khái niệm giấu tin Giấu tin phương pháp nhúng làm ẩn thông tin đối tượng thông tin khác Đây phương pháp ứng dụng rộng rãi đem lại hiệu thiết thực ngành như: côngnghiệp phần mềm, âm nhạc, phim ảnh, sách báo Ý tưởng che giấu thông tin để truyền người nghĩ sử dụng từ hàngnghìn năm trước Có nhiều câu chuyện lịch sử đề cập đến kỹ thuật giấu tin lưu truyền Sớm liên quan vấn đề này, có lẽ ghi chép tìm thấy sử gia Herodotus, chép lại câu chuyện từ thời Hy Lạp cổ Một số ghi chép vào năm 440 trước Công nguyên kể bạo chúa Histaiacus bị vua Darius bắt giam giữ cẩn mật Để liên lạc với rể Aristagoras Miletus, ông cạo đầu sứ giả tin cậy xăm da đầu người thông điệp thúc giục rể dậy chống lại nhà vua Đến tóc người sử giả mọc đủ dài để che hình xăm gửi tới nơi cần đến Một câu chuyện khác Herodotus ghi lại thời Hy Lạp cổ đại Demeratus, người Hy Lạp, cần thông báo cho Sparta Xerxes có ý định xâm chiếm Hy Lạp Để tránh bị phát hiện, Demeratus bóc lớp sáp khỏi viên thuốc khắc thông báo lên bề mặt viên thuốc này, sau bọc lại viên thuốc lớp sáp Những viên thuốc ngụy trang với viên thuốc khác vượt qua kiểm soát quân đội Xerxes cách dễ dàng Thờikỳnày, kỹ thuật giấu tin áp dụng chủ yếuđể truyền thông tin bí mật chiến tranh sốít lĩnh vực khác Sau này, với phát triển kỹ thuật, chữ viết với kích cỡ nhỏ sử dụngđemgiấu vật dụng thông thường để gửi đi, gắn vào chim bồ câu để gửi thông tin nhằm tránh phát Đến kỷ 17, người gửi sử dụng phương phápmã hóacác ký tự cần giấu nội dung văn bản, sách nội dung có chủ định thực hiệngửi tới người nhận Tiếp theo đó, với phát triểncủa mực không màu - sản phẩm dạng chất lỏng không màu, hiển thị rõ màukhi có phản ứng lý hóa phù hợp Ngày nay, xuất phương pháp kiểm tra độ ẩm bề mặt nên mực không màu không nhiều tác dụng giấu tin nữa, vậy, mực không màu sử dụng cho chi tiết phát quang bị chiếu tia cực tím.Vi phim bước phát triển giai đoạn nửa cuối kỉ 19.Với sản phẩm thợ ảnh chuyên nghiệp thực kích cỡ thông điệp cần giấu dấu chấm nhỏ Trong văn viết, giấu thông tin sử dụng cách chọn theo quy luật đó,chẳng hạn dựa theo tần suất xuất từ chữ Bằng cáchkhác,người Trung Hoa trước sử dụng nhiều dùng tờ giấy mẫu có đục lỗ làm mặt nạ để viết trước nội dung cần giấu vị trí đục lỗ, sau viết nội dung vô hại khác lên sau Với phương pháp này, người Trung Hoa đãthực khai thác đặc điểmvề tính chất tượng hình từ đồng âm khác nghĩa khác chữ Hán Gầnđây, Uỷ ban di sản văn hóa quốc gia Italia công bố thông tin làm xôn xao dư luận gây tranh luận nhiều giớikhoa học họa tiếng có nụ cười bíẩn nàng MonaLisa Khi sử gia dùng kính lúp cóđộ phóngđại cao soi tranh nguyên gốc hiệnđang trưng bàyở bảo tàng Louvre nước Pháp , họ cho rằngđã tìm thấy ký tự số nhỏ xíu đôi mắt nàng Có thể, thiên tài Leonardo Da Vinci vẽ tác phẩm bí mật truyền thông điệp mà nhà nghiên cứu chưa giải mãđược Nếu nhưquá trình lịch sử thời kỳđầu cho thấy, giấu tin thườngáp dụngđể truyền thông tin mật ngày nay, với sựphát triển củacông nghệ thông tin dẫnđến việc cáckỹ thuật giấu tin (chủ yếu thủy vân số) ứng dụng bảo vệsản phẩm văn hóa dạngkỹ thuật số ngày gia tăng Cho đến nay, có nhiều báo vànhiều công trình nghiên cứu khoa học khác đề cậpđến vấn đề Giấu tin có ưu điểm mà mật mã học (Cryptography) hạn chế “bảo vệ quyền số, hay đối tượng liên lạc mật với kênh thông tin công cộng mà bị nghi ngờ” Lý quyền số mã hóa sau giải mã khó giữ quyền, hay thông tin mật cần trao đổi bên, sau mã hóa làm cho người khác biết rõ bên có trao đổi thông tin mật cho Giấu tin liệu đa phương tiện bổ sung cho vấn đề mật mã học Giấu thông tin audio dựa vào hệ thống thính giác người nên thường khó liệu số khác hệ thống thính giác người nhạy cảm với nhiễu, nhiên audio loại liệu sử dụng phổ biến internet quan tâm, nghiên cứu rộng rãi cho nhiều mục đích khác nhau: bảo vệ quyền, chống chép, xuyên tạc nội dung Trong năm 1990 1993, Tanaka, Caronni Tirkel đưa ấn thủy vânnhưng chưa nhận quan tâm mức nhà nghiên cứu Đến năm 1995, chủ đề bắt đầu quan tâm từ thủy vân phát triển tốc độ nhanh với nhiều hướng nghiên cứu phương pháp thực khác Thủy vân ứng dụng nhiều lĩnh vực khác bảo vệ quyền sở hữu, xác thực giấy tờ, đảm bảo tính toàn vẹn hay truyền đạt thông tin khác,… Trong đó, ứng dụng phổ biến cung cấp chứng quyền tác giả liệu số cách nhúng thông tin liên quan đến quyền đảm bảo tính toàn vẹn liệu giấu Ý tưởng thủy vân thêm tín hiệu thủy vân vào liệu gốc để thủy vân hóa cách kín đáo an toàn hỗn hợp tín hiệu, khôi phục lại phần toàn phần từ hỗn hợp tín hiệu khóa mật mã an toàn sử dụng Để đảm bảo việc nhận thấy thay đổi gây việc nhúng thủy vân, người ta sử dụng số loại tiêu chuẩn khả cảm nhận Việc làm công khai kín đáo với liệu gốc Do yêu cầu chất lượng cảm nhận, mẫu đơn lẻ (ví dụ điểm ảnh hay hệ số biến đổi) liên quan tới nhúng thủy vân thay đổi số lượng biên độ nhỏ trung bình Để đảm bảo tính bền vững bất chấp thay đổi nhỏ, người ta thường phân phối thông tin thủy vân dư thừa nhiều mẫu (ví dụ: điểm ảnh) liệu gốc Do đó, việc khôi phục bền vững có nhiều liệu thủy vân để khôi phục Nói chung, hệ thống thủy vân sử dụng nhiều khóa mã hóa an toàn để đảm bảo an ninh nhằm chống lại thao tác xóa vô hiệu hóa thủy vân Có vấn đề cho việc thiết kế hệ thống thủy vân[8]: Vấn đề 1: Thiết lập tín hiệu thủy vân W để thêm vào tín hiệu gốc Thông thường, tín hiệu thủy vân phụ thuộc vào khóa K thông tin thủy vân I mà nhúng: W=f0(I, K) (1.1) Vấn đề 2: Thiết lập phương pháp nhúng tự kết hợp tín hiệu thủy vân W vào liệu gốc X tạo thành liệu thủy vân Y: Y=f1(X, W) (1.2) Vấn đề 3: Thiết lập phương pháp trích chọn để khôi phục thông tin thủy vân từ hỗn hợp tín hiệu sử dụng khóa với hỗ trợ liệu gốc: I=g(X,Y, K) (1.3) Hoặc liệu gốc: I=g(Y, K) (1.4) Trong hai vấn đề đầu tiên, thiết lập tín hiệu thủy vân nhúng tín hiệu thủy vân thường coi một, đặc biệt thủy vân nhúng có khả tương thích với tín hiệu gốc 1.2.Phân loại kỹ thuật giấu thông tin [18] Hiện nay, giấu thông tin có nhiều cách để phân loạivới tiêu chí khác như: phân loại theo phương tiện chứa tin hoặcphân loại theo phương pháp tương tác lên phương tiện chứa tin hay phân loại dựa theo mục đích sử dụng 1.2.1 Phân loại giấu thông tin theo phương tiện chứa tin 1.2.1.1 Giấu thông tin ảnh Giấu thông tin ảnh số phần khái niệm giấu thông tin với việc sử dụng ảnh số làm phương tiện chứa, chất việc giấu mẩu tin dạng số vào ảnh nhị phân sau cho không bị phát Hiện nay, giấu thông tin ảnh phương pháp chiếm tỷ lệ lớn hệ thống giấu tin đa phương tiện.Điều lẽ lượng thông tin trao đổi hình ảnh lớn đóng vai trò quan trọng ứng dụng an toàn thông tin như: xác thực thông tin, bảo vệ quyền tác giả, điều khiển truy cập phát xuyên tạc thông tin Chính mà nội dung nhận nhiều quan tâm nhà nghiên cứu Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ công nghệ,trong có ảnh số, giấu thông tin ảnh mang lại nhiều ứng dụng sống Chẳng hạn, số ứng dụng nhận dạng thông qua thẻ chứng minh thư, hộ chiếu , việc giấu thông tin ảnh thẻ để xác thực thông tin sử dụng rộng rãi Thông tin ảnh số giấu cách “vô hình”, với cách thức truyền thông tin theo phương pháp người gửi người nhận, người biết được, sau giấu thông tin chất lượng ảnh gần không thay đổi, đặc biệt ảnh màu hay ảnh xám 1.2.1.2 Giấu tin audio Đây phương pháp giấu tincó đặc điểm khác biệt với giấu thông tin đối tượng liệu đa phương tiện khác Đảm bảo tính chất ẩn thông tin giấu, đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng nghe liệu gốc yêu cầu quan trọng giấu tin audio Nếu kỹ thuật giấu tin ảnh phụ thuộc vào khả nhận diện từ hệ thống thị giác - HVS (Human Vision System), thìkỹ thuật giấu tin audio lại phụ thuộc vào khả cảm nhận từ hệ thống thính giác người - HAS (Human Auditory System) Bên cạnh đó, hệ thống thính giác người nghe tín hiệu giải tần rộng công suất lớn nên gây khó khăn phương pháp giấu tin audio Tuy vậy, hệ thống thính giác người lại khó cảm nhận việc phát khác biệt dải tần công suất Do đó, vớicác âm nhỏ, tần số thấp che giấu âm lớn,tần số cao Thông qua phân tích nghiên cứu đặc điểm thông tin hữu ích cho việcchọn lựa audio thích hợp thực giấu tin Kênh truyền tin khó khăn kỹ thuật giấu thông tin audio Nếu kênh truyền tốc độchậm ảnh hưởng đến chất lượng thông tin sau thực giấu Chẳng hạn,với đoạn mã java applet, để nhúng vào đoạn audio (16 bit, 44.100 Hz) yêu cầu nói chung cần tốc độ truyềntối thiểu 20 bit/s Giấu thông tin audio đòi hỏi yêu cầu cao tính đồng tính an toàn thông tin Các phương pháp giấu thông tin audio lợi dụng điểm yếu hệ thống thính giác người 1.2.1.3.Giấu thông tin video Cũng giống giấu thông tin ảnh hay audio, giấu tin video quan tâm phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng điều khiển truy cập thông tin, nhận thực thông tin bảo vệ quyền tác giả Ta lấy ví dụ hệ thống chương trình trả tiền xem theo video clip (pay per view application) Các thuật toán trước thường cho phép giấu ảnh vào video, gần kỹ thuật cho phép giấu âm hình ảnh vào video Thủy vân số giấu tin mật haiphương pháp giấu tin video phát triển mạnh mẽ Cox đưa phương pháp giấu tin video sử dụng phương pháp phân bố Về bản, ý tưởng phương pháp nàylà thông tin giấu phân phối dàn trải theo tần số liệu gốc Sử dụng hàm cosin riêng hệ số truyền sóng riêng để giấu tin cách nhiều nhà nghiên cứu ứng dụng Ban đầu, thuật toán, thường kỹ thuật thực giấu ảnh vào video, nay, với phát triển kỹ thuật cho phép giấu âm hình ảnh vào video Như phương pháp Swanson sử dụng phương pháp giấu theo khối, phương pháp giấu hai bit vào khối 8*8 Hay gần phương pháp Mukherjee kỹ thuật giấu audio vào video sử dụng cấu trúc lưới đa chiều Giấu tin công nghệ phức tạp, tập trung nghiên cứu nhiều nước giới Đức, Mỹ, Italia, Canada, Nhật Bản Những kết thực nghiệm cho thấy cần phải có thêm thời gian để nghiên cứu thẩm định.Mặc dù vậy, nhà nghiên cứu khẳng định công nghệ đầy hứa hẹn cho vấn đề bảo mật an toàn thông tin 1.2.1.4 Giấu thông tin văn dạng text Giấu thông tin vào văn dạng text khó thực có thông tin dư thừa, để làm điều người ta phải khéo léo khai thác dư thừa tự nhiên ngôn ngữ Một cách khác tận dụng định dạng văn (mã hóa thông tin khoảng cách từ hay dòng văn bản) Từ nội dung thông điệp cần truyền đi, người ta sử dụng văn phạm phi ngữ cảnh để tạo nên văn “phương tiện chứa” truyền 1.2.2 Phân loại giấu thông tin theo cách thức tác động lên phương tiện 1.2.2.1.Phương pháp chèn liệu Phương pháp tìm vị trí tệp (file) dễ bị bỏ qua chèn liệu cần giấu vào đó, cách giấu không làm ảnh hưởng tới thể file liệu ví dụ liệu giấu sau ký tự EOF (End of file) 1.2.2.2 Phương pháp thay Thực việc thay phần tử không quan trọng phương tiện chứa liệu thông điệp cần chuyển Vì thay vào phần tử không quan trọng phương tiện chứa nên dễ đánh lừa cảm nhận người Phương pháp thay có nhiều cách thực như: thay bit quan trọng, thay miền tần số, kỹ thuật trải phổ, thống kê 1.2.2.3 Phương pháp tạo phương tiện chứa Xuất phát từ thông điệp cần chuyển, tạo phương tiện chứa phục vụ cho việc truyền thông tin Ở phía người nhận, dựa phương tiện chứa để tái tạo lại thông điệp giấu 1.2.3 Phân loại giấu thông tin theo mục đích sử dụng 1.2.3.1.Giấu thông tin bí mật Từ trước đến nay, giấu thông tin bí mật ứng dụng phổ biến Đối với giấu thông tin bí mật người ta quan tâm chủ yếu tới vấn đề sau: + Tính an toàn thông điệp hay nói cách khác khả không bị phát tin giấu + Lượng thông tin tối đa giấu phương tiện chứa cụ thể mà đảm bảo an toàn + Độ bí mật thông tin trường hợp giấu tin bị phát Yêu cầu tính bền vững phương tiện chứa yếu tố quan trọng giấu thông tin bí mật, đơn giản thực việc gửi nhận nhiều lần phương tiện chứa giấu tin 1.2.3.2 Giấu thông tin thủy vân Xuất phát từnhu cầu bảo vệ quyền, xác thực chống xuyên tạc thông tin nên giấu tin thủy vân có yêu cầu khác với giấu tin bí mật Yêu cầu dấu hiệu thủy vân phải đủ bền vững trước công vô tìnhhay cố ý gỡ bỏ Cùng với đó, dấu hiệu thủy vân phải có ảnh hưởng tối thiểu mặt cảm nhận phương tiện chứa Do lượng thông tin cần giấu nhỏ tốt Tùy theo trường hợp cụ thể, che giấu thông tin nói chung có nhiều ứng dụng Đối với việc bảo mật thông tin, giấu thông tin bí mật bổ sung lý tưởng, góp phần thực “tàng hình” phiên liên lạc Phân biệt giấu thông tin mật thủy vân mô tả tóm lược bảng 1.1 sau [18]: Bảng 1.1 So sánh khác biệt giấu tin mật thủy vân số Mục tiêu Giấu thông tin mật Thủy vân số (Steganography) (Watermark) Tàng hình phiên liên lạc, để Chủ yếu phục vụ cho mục đích bảo vệ bảo mật thông tin quyền Dùng liên lạc xác định Chủ yếu dùng hoạt động xuất Cách thực Không làm “thay đổi” phương Có thể tác động nhỏ cảm nhận tới tiện chứa phương tiện chứa Yêu cầu Giấu nhiều thông tin Chỉ cần nhúng liệu Không cần quan tâm tới độ bền Dữ liệu nhúng cần phải mạnh phương tiện chứa Đảm bảo trước phương pháp nén liệu Không thể quan sát việc Dữ liệu nhúng nhận thấy hay không giấu thông tin nhận thấy Không kiểm tra không Không kiểm tra khoá có khoá thích hợp thích hợp Information Hiding (giấu thông tin) Steganography (giấu tin mật) Watermarking (thủy vân số) Robust copyright marking (Thủy vân bền vững) Imperceptible watermarking (thủy vân ẩn) Fragile Watermarking (Thủy vân “dễ vỡ”) Visible Watermarking (thủy vân hiển) Hình 1.1 Sơ đồ phân loại giấu tin Fabien A.P.Petitcolas đề xuất năm 1999 [18] 1.3 Mục đích giấu tin [18] Tùy theo trường hợp, có nhiều ứng dụng liên quan đến che giấu thông tin nói chung Việc thực “tàng hình” phiên liên lạc giấu thông tin bí mật bổ sung hoàn hảo cho công tác bảo mật thông tin Dưới số ứng dụng triển khai giới: - Thực bảo vệ quyền tác giả (copyright protection): Với thông tinmang ý nghĩa xác thực quyền sở hữu tác giả (hay gọi thủy vân) giấu vào đối tượng liệu đa phương tiện chỉngười sở hữu hợp pháp sản phẩm có thủy vân dùng làm minh chứng cho quyền sản phẩm Chẳng hạn, có sản phẩm liệu dạng đa phương tiện ảnh, tệp âm video cần lưu mạng Dán tem quyền cách để bảo vệ sản phẩm sở hữu tránh hành vi lấy cắp bị làm giả Việc dán tem quyền thực “nhúng” thủy vân, với mục đích làđể đảm bảo hạn chế tối đa ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm Một yêu cầu quan trọng sản phẩm tính bền vữngcủa thủy vân trước công với sản phẩm - Xác thực thông tin hay phát xuyên tạc thông tin (authentication and tamper detection): Việc nhận biết liệu phương tiện gốc có bị thay đổi hay không thực thông qua việc sử dụng thông tin giấu phương tiện chứa Trong thực tế, người ta mong muốn phát đượcnhững vị trí bị xuyên tạc phân biệt thay đổi thực hiệntrên ứng dụng Chẳng hạn phân biệt ảnh, đoạn âm đoạn video chứa giấu thông tin bị sửa đổi bị nén liệu - Giấu vân tay hay dán nhãn (fingerprinting and labeling): Trong ứng dụng phân phối sản phẩm, thủy vân sử dụng để nhận diện người gửi hay người nhận thông tin Trong trường hợp này, thủy vân tương tự số serial củamỗi sản phẩm phần mềm Trước chuyển cho người nhận, thủy vân khác nhúng vào copy khác thông tin gốc Yêu cầu đảm bảo độ an toàn cao cho thủyvân với ứng dụng tránh xoá dấu vết phân phối - Kiểm soát chép (copy control): Việc tồn kỹ thuật chống chép trái phép liệu điềuquan trọng hệ thống phân phối liệu đa 10 Hình 4.6 Giao diện đánh giá tỷ lệ nhiễu PSNR audio gốc audio giấu tin Hình 4.7 Giao diện đánh giá tỷ lệ nhiễu PSNR audio gốc audio giấu tin nén MP3 49 Hình 4.8 Giao diện thủy vân ảnh nhị phântrong audio miền Cepstrum Hình 4.9 Giao diện tách thủy vân ảnh nhị phângiấu tín hiệu audio 50 Hình 4.10 Giao diện tách thủy vân ảnh nhị phân giấu tín hiệu nén MP3 Hình 4.11 Giao diện đánh giá tỷ lệ nhiều NC BER ảnh gốc ảnh tách 51 4.2 Thử nghiệm 4.2.1 Tập liệu thử nghiệm Tập liệu âm dùng để thử nghiệm bao gồm tệp âm Dữ liệu thông điệp gồm đoạn âm Bảng 4.1 Biểu đồ tín hiệu âm đầu vào STT Tên tệp Audio Ký hiệu Camly_daxacuoctinh Audio1 camly_chiecaobaba Audio2 hongnhung_thuabonglanguoi Audio3 trantien_chiecvongcauhon Audio4 trinhcongson_noivongtaylon Audio5 Nhạc có lời 4.2.2 Thực thử nghiệm Tiến hành thử nghiệm để giấu tin cho tập liệu tín hiệu âm (gồm tệp), sau đánh giá chất lượng tín hiệu âm sau giấu tin PSNR ta đượckết sau: + Cùng giấu ảnh nhị phân miền biến đổi Cepstrum với phương pháp n/4 phương pháp n/2; giấu audiotrong tập liệu audio sử dụng kỹ thuật giấu miền biến đổi tần số Fourier trình bày mục 3.1ta bảng kết 4.2 52 Bảng 4.2 Kết đánh giá PSNR chất lượng audio sau giấu tin STT Audio Audio1 Audio2 Audio3 Audio4 Audio5 Miền Cepstrum Phƣơng pháp (n/4) Phƣơng pháp (n/2) 29.8172 24.9623 15.6629 15.2037 32.1944 26.6599 30.8121 27.5338 27.8012 24.2522 Miền biến đổi 27.1257 15.8031 28.0967 25.3917 25.8614 Tấn công cách thay đổi biên độ âm Áp dụng thay đổi biên độ khác nhau: -3 dB, +3 dB, -10 dB, +10 dB audio, ta kết sau: Bảng 4.3 Kết đánh giá NC BER thủy vân tách sau áp dụng thay đổi biên độ âm Miền Cepstrum Audio Audio1 Audio2 Audio3 Audio4 Audio5 Parameter Miền biến đổi Phƣơng pháp (n/4) NC BER PSNR 0.8600 19.4186 28.7757 0.8555 20.2791 25.2928 0.8379 22.3488 23.495 0.8280 24.4884 15.1796 0.8557 19.9767 27.1374 0.8506 20.9535 24.1573 0.8378 22.3488 20.9068 0.8103 26.9302 13.7572 0.8458 21.1628 29.9006 0.8453 21.3953 26.4224 0.8276 23.6279 23.9678 0.8163 25.7442 15.1293 Phƣơng pháp (n/2) NC BER PSNR 0.7316 33.4884 26.4585 0.8564 19.4419 22.9582 0.6603 40.7442 23.4326 0.8306 23.2791 14.9434 0.7228 34.4186 25.8779 0.8508 20.1395 22.7061 0.6243 42.5581 22.7061 0.8185 25.186 13.6375 0.7154 35.186 27.6467 0.8520 19.907 24.1714 0.6147 45.186 23.8958 0.8131 25.5116 14.9508 -3dB 0.8891 15.9535 28.1971 0.7136 35.3721 27.2798 25.0406 +3dB -10dB +10dB -3dB +3dB -10dB +10dB 0.8915 0.8673 0.8552 0.8597 0.8519 0.8455 0.8163 15.9302 18.9302 21.6047 19.5349 20.9535 21.3488 26.3023 24.8401 22.1648 13.9156 25.4605 22.6642 19.6998 13.7113 0.8039 0.6848 0.8470 0.7230 0.8361 0.6902 0.8362 22.3953 38.2791 20.7674 34.3953 21.9535 37.7442 22.4651 23.7808 22.1815 13.8626 24.3759 21.3254 19.7181 13.5945 22.0333 21.6168 13.2936 24.2764 21.6042 19.4889 13.3928 -3dB +3dB -10dB +10dB -3dB +3dB -10dB +10dB -3dB +3dB -10dB +10dB 53 PSNR 26.6439 23.7198 23.0366 14.7841 24.934 22.0912 20.5737 13.3322 27.4001 24.4313 23.525 14.7634 Tấn công cách điều chỉnh mẫu lấy tần số Ban đầu, audio thủy vân lấy mẫu tần số 44100 Hz điều chỉnh tần số 22050/32000/96000 Hz, sau phục hồi lần tần số 44100 Hz Bảng 4.4 Kết đánh giá NC BER thủy vân tách sau điều chỉnh mẫu lấy tần số Miền Cepstrum Audio Phƣơng pháp (n/4) Parameter Miền Phƣơng pháp (n/2) biến đổi NC BER PSNR NC BER PSNR PSNR 44100-22050-44100 0.7814 29.1163 26.1218 0.6730 39.5116 23.1762 25.1172 44100-32000-44100 0.8374 22.2326 30.0885 0.7056 36.186 24.8694 26.589 44100-96000-44100 0.8288 23.4651 28.8582 0.6990 36.8605 24.5983 26.2498 44100-22050-44100 0.7459 33.7907 25.524 0.6509 41.6047 23.4845 23.4449 44100-32000-44100 0.8150 25.2558 29.8282 0.6894 37.814 25.7309 25.1386 44100-96000-44100 0.8193 24.7442 29.8282 0.6913 37.6279 25.8338 25.2033 44100-22050-44100 0.7478 31.8837 27.6122 0.6384 42.7907 24.6389 25.671 44100-32000-44100 0.8017 26.6977 30.7513 0.6696 39.7674 26.0583 26.9063 44100-96000-44100 0.8062 26.2093 30.1086 0.6685 39.8837 25.9525 26.8123 44100-22050-44100 0.8065 26.6977 25.1803 0.6759 39.2093 23.8162 21.2371 44100-32000-44100 0.8469 21.6512 30.2494 0.6971 37.0465 27.0014 23.6666 44100-96000-44100 0.8588 20.1163 30.4805 0.6989 36.8605 27.294 24.0736 44100-22050-44100 0.7687 30.8605 24.6396 0.6750 39.3023 22.3439 22.873 44100-32000-44100 0.8219 24.4419 27.603 0.6983 36.9302 23.9644 24.665 44100-96000-44100 0.8284 23.6744 27.5437 0.6996 36.7907 24.1012 24.8409 Audio1 Audio2 Audio3 Audio4 Audio5 Tấn công cách tái lƣợng tử hóa Mỗi tín hiệu audio thủy vân 16bit tái lượng tử hóa dạng bit 32 bit, sau lại chuyển đổi sang 16 bit 54 Bảng 4.5 Kết đánh giá NC BER thủy vân tách sau tái lượng tử hóa Miền Cepstrum Audio Phƣơng pháp (n/4) Parameter Miền Phƣơng pháp (n/2) biến đổi NC BER PSNR NC BER PSNR PSNR 16bits-8bits-16bits 0.8583 19.6744 29.8165 0.7889 27.4186 24.9902 27.1169 16bits-32bits-16bits 0.8603 19.3721 29.8172 0.7402 32.5814 24.9623 27.1257 16bits-8bits-16bits 0.8518 20.5814 30.674 0.7959 26.5814 26.2374 26.0576 16bits-32bits-16bits 0.8555 20.0233 30.6777 0.7290 33.7674 26.2074 26.0642 16bits-8bits-16bits 0.8412 21.7907 32.182 0.7766 28.8372 26.6864 28.0853 16bits-32bits-16bits 0.8460 21.1395 32.1944 0.7252 34.1628 26.6599 28.0967 16bits-8bits-16bits 0.8878 16.2791 30.8093 0.7722 29.2558 27.5578 25.3856 16bits-32bits-16bits 0.8897 15.8837 30.8122 0.7294 33.7209 27.5339 25.3917 16bits-8bits-16bits 0.8571 19.9767 27.8058 0.7777 28.6977 24.2832 25.8553 16bits-32bits-16bits 0.8594 19.5814 27.8012 0.7352 33.1163 24.2523 25.8614 Audio1 Audio2 Audio3 Audio4 Audio5 Tấn công cách nén MP3 Thực nén MP3 sang định dạng WAV tín hiệu audio thủy vân với tốc độ 64 kbps, 128 kbps 256 kbps Cuối cùng, chuyển đổi định dạng MP3 ngược định dạng WAV 55 Bảng 4.6 Kết đánh giá NC BER thủy vân tách sau nén MP3 Miền Cepstrum Audio Audio1 Audio2 Audio3 Phƣơng pháp (n/4) Parameter Miền Phƣơng pháp (n/2) biến đổi NC BER PSNR NC BER PSNR PSNR 64kbps 0.6189 48.907 15.8138 0.6978 43.0233 16.4105 17.1678 128kbps 0.6249 48.4651 17.3185 0.7195 41.4651 17.3185 17.5346 256kbps 0.5745 52.3023 17.3623 0.7017 42.0233 17.3623 17.5382 64kbps 0.6338 47.4651 14.8532 0.7160 41.3953 14.5631 14.8924 128kbps 0.6324 47.6047 14.4476 0.7259 40.9767 14.1875 14.5206 256kbps 0.5439 54.4651 14.6812 0.6749 44.5116 14.419 14.7356 64kbps 0.6150 49.2558 17.1114 0.7103 41.5349 16.685 17.1536 128kbps 0.6166 48.7674 17.6706 0.7374 39.1628 17.7926 17.7926 256kbps 0.5771 51.8372 17.6706 0.7112 40.814 17.3529 18.0059 64kbps 0.6340 47.9535 16.034 0.7099 41.7907 15.759 16.13 128kbps 0.6348 47.6047 15.4285 0.7333 39.3721 15.183 15.5485 256kbps 0.5270 55.3953 15.6116 0.6922 42.8372 15.3942 15.7112 64kbps 0.6341 47.814 13.7786 0.7085 42.186 13.4371 13.8013 128kbps 0.6314 48.4186 13.5049 0.7293 40.1395 13.1557 13.5698 256kbps 0.5459 54.3488 13.6609 0.6640 45.6047 13.3181 13.7581 Audio4 Audio5 56 Tấn công thông qua Lọc thông thấp Một lọc thông thấp với tần số cắt KHz, KHz 11,3 KHz áp dụng cho tín hiệu âm thủy vân Bảng 4.7 Kết đánh giá NC BER thủy vân tách công qua Lọc thông thấp Miền Cepstrum Audio Audio1 Audio2 Audio3 Audio4 Audio5 Phƣơng pháp (n/4) Parameter Miền Phƣơng pháp (n/2) biến đổi NC BER PSNR NC BER PSNR PSNR 4KHz 0.6225 47.3256 21.8461 0.6055 47.0698 20.4688 21.6576 8KHz 0.7200 36.4651 23.7222 0.6271 44.2326 21.7709 23.0803 11.3KHz 0.7554 32.3023 25.0106 0.6522 41.6047 22.5891 24.0431 4KHz 0.6036 49.8837 19.5375 0.5853 49.1395 18.9431 19.1108 8KHz 0.6698 42.6744 22.1369 0.6170 45.186 21.087 20.9248 11.3KHz 0.7094 38.093 24.0571 0.6348 43.2326 22.529 22.1639 4KHz 0.6067 49.3488 22.3541 0.6016 37.3721 21.2301 21.8345 8KHz 0.6921 39.5814 24.4692 0.6131 45.5116 22.7613 23.3545 11.3KHz 0.7306 35.093 26.0807 0.6263 44.0233 23.8117 24.6025 4KHz 0.6544 44.0698 18.8936 0.6128 46.0233 18.5241 18.5111 8KHz 0.7537 33.0465 20.0369 0.6523 41.6977 19.5695 19.1832 11.3KHz 0.7817 29.6744 22.4876 0.6657 40.2971 21.7202 20.0725 4KHz 0.6077 49.3721 17.5955 0.6034 47.186 17.0313 16.8176 8KHz 0.6923 39.8837 21.3592 0.6409 42.8605 20.1154 20.0585 11.3KHz 0.7418 34.0465 23.0864 0.6622 40.6279 21.3791 21.6891 4.3.Nhận xét đánh giá + Dựa vào bảng 4.2, ta nhận thấy phương pháp n/4 có chất lượng tín hiệu audio PSNR trung bình (27.25756) cao phương pháp giấu audio miền biến đổi (24.45572), thấp phương pháp n/2 (23.72238) + Dựa vào bảng 4.3, 4.4, 4.5, 4.6 4.7 đưa bảng tổng hợp giá trị trung bình NC, BER, PSNR công thực với phương pháp n/4, n/2 phương pháp giấu tin miền biến đổi sau: 57 Bảng 4.8 Tổng hợp giá trị trung bình NC, BER, PSNR công thực với phương pháp n/4, n/2 phương pháp giấu tin miền biến đổi Miền Cepstrum Phƣơng pháp Phƣơng pháp (n/4) công Miền biến đổi Phƣơng pháp (n/2) NC BER PSNR NC BER PSNR PSNR 0.847365 21.46162 22.23877 0.761265 29.92092 21.47518 20.9991 0.807647 26.05583 28.2945 0.682033 38.54573 24.85759 24.83257 0.86071 19.43023 30.25903 0.75703 30.81395 25.93708 26.50404 Nén MP3 0.602953 50.04031 15.66318 0.708793 41.78915 15.48923 15.85735 Lọc thông thấp 0.689447 40.05735 22.17824 0.62668 43.73765 20.90204 21.14027 Thay đổi biên độ âm Điều chỉnh mẫu lấy tần số Tái lượng tử hóa Từ bảng tổng hợp, có thểnhận xét sau kỹ thuật giấu tin: + Đối với phương pháp (n/4): - Về mức độ tương đồng ảnh nhị phân tách ảnh nhị phân ban đầu (NC) thực công tái lượng tử hóa, công thay đổi biên độ âm công điều chỉnh mẫu lấy tần số cao Cụ thể, mức độ tương đồng trung bình ảnh nhị phân tách ảnh nhị phân ban đầu thực côngtái lượng tử hóa 0.86071, công thay đổi biên độ âm 0.847365và công điều chỉnh mẫu lấy tần số 0.807647.Trong đó, mức độ tương đồng trung bình ảnh nhị phân tách ảnh nhị phân ban đầu (NC) thực công nén MP3 0.602953 công lọc thông thấp 0.689447, tương đối thấp so với phương pháo công tái lượng tử hóa, công thay đổi biên độ âm công điều chỉnh mẫu lấy tần số - Về tỷ lệ lỗi bit trung bình so sánh ảnh nhị phân gốc ảnh nhị phân tách (BER) thực công tái lượng tử hóa thấp (19.43023), sau đến công thay đổi biên độ âm (21.46162) công điều chỉnh mẫu lấy tần số (26.05583) Riêng công nén lọc thông thấp công nén MP3 tỷ lệ lỗi 58 bit cao, cụ thể trung bình tỷ lệ lỗi bit công lọc thông thấp 40.05735 công nén MP3 50.04031 - Về chất lượng tín hiệu audio PSNR sau giấu tin bị công phương pháp công khác nhận thấy sau: Giá trị trung bình PSNR bị công tái lượng tử hóa cao (30.25903), sau đến công điều chỉnh mẫu lấy tần số (28.2945), công thay đổi biên độ âm (22.23877), công lọc thông thấp (22.17824) PSNR trung bình thấp bị công nén MP3 (15.66318) + Đối với phương pháp (n/2): - Về mức độ tương đồng ảnh nhị phân tách ảnh nhị phân ban đầu (NC) thực công thay đổi biên độ âm (0.761265) công tái lượng tử hóa (0.75703) cao thực công công lọc thông thấp (0.62668), công điều chỉnh mẫu lấy tần số (0.682033) công tái nén MP3 (0.708793) - Về tỷ lệ lỗi bit trung bình so sánh ảnh nhị phân gốc ảnh nhị phân tách (BER) thực công lọc thông thấp cao (43.73765), sau đến công nén MP3 (41.78915), công điều chỉnh mẫu lấy tần số (38.54573) Riêng công thay đổi biên độ âm công tái lượng tử hóa có giá trị trung bình tỷ lệ lỗi bit BER thấp với giá trị trung bình tương ứng 29.92092 30.81395 - Về chất lượng tín hiệu audio PSNR sau giấu tin bị công phương pháp công khác nhận thấy sau: Giá trị trung bình PSNR bị công tái lượng tử hóa cao (25.93708), sau đến công điều chỉnh mẫu lấy tần số (24.85759), công thay đổi biên độ âm (21.47518), công lọc thông thấp (20.90204) PSNR trung bình thấp bị công nén MP3 (15.48923) + Đối với phương pháp giấu audio miền biến đổi: - Chất lượng tín hiệu audio PSNR bị công phương pháp tái lượng tử hóa cao (trung bình 26.50404), sau đến công điều chỉnh mẫu lấy 59 tần số (trung bình 24.83257), công lọc thông thấp (trung bình 21.14027) công thay đổi biên độ âm (trung bình 20.9991) Thấp công nén MP3 (trung bình 15.85735) + Đối với công thay đổi biên độ âm: - Mức độ tương đồng trung bình ảnh nhị phân tách ảnh nhị phân ban đầu (NC) phương pháp n/4 (0.847365) cao mức độ tương đồng trung bình ảnh nhị phân tách ảnh nhị phân ban đầu (NC) phương pháp n/2 (0.761265) - Tỷ lệ lỗi bit trung bình so sánh ảnh nhị phân gốc ảnh nhị phân tách (BER) phương pháp n/4 (21.46162) thấp tỷ lệ lỗi bit trung bình so sánh ảnh nhị phân gốc ảnh nhị phân tách (BER) phương pháp n/2 (29.92092) - Chất lượng tín hiệu audio PSNR trung bình phương pháp n/4 (22.23877) cao chất lượng tín hiệu PSNR trung bình phương pháp n/2 (21.47518) chất lượng tín hiệu PSNR trung bình phương pháp n/2 cao tín hiệu PSNR trung bình phương pháp giấu audio miền biến đổi (20.9991) + Đối với công điều chỉnh lấy mẫu tần số: - Mức độ tương đồng trung bình ảnh nhị phân tách ảnh nhị phân ban đầu (NC) phương pháp n/4 (0.807647) cao mức độ tương đồng trung bình ảnh nhị phân tách ảnh nhị phân ban đầu (NC) phương pháp n/2 (0.682033) - Tỷ lệ lỗi bit trung bình so sánh ảnh nhị phân gốc ảnh nhị phân tách (BER) phương pháp n/4 (26.05583) thấp nhiều so với tỷ lệ lỗi bit trung bình so sánh ảnh nhị phân gốc ảnh nhị phân tách (BER) phương pháp n/2 (38.54573) - Chất lượng tín hiệu audio PSNR trung bình phương pháp n/4 (28.2945) cao chất lượng tín hiệu PSNR trung bình phương pháp n/2 (24.85759) chất lượng tín hiệu PSNR trung bình phương pháp n/2 cao tín hiệu PSNR trung bình phương pháp giấu audio miền biến đổi (24.83257) + Đối với công tái lượng tử hóa: 60 - Mức độ tương đồng trung bình ảnh nhị phân tách ảnh nhị phân ban đầu (NC) phương pháp n/4 (0.86071) cao mức độ tương đồng trung bình ảnh nhị phân tách ảnh nhị phân ban đầu (NC) phương pháp n/2 (0.75703) - Tỷ lệ lỗi bit trung bình so sánh ảnh nhị phân gốc ảnh nhị phân tách (BER) phương pháp n/4 (19.43023) thấp nhiều so với tỷ lệ lỗi bit trung bình so sánh ảnh nhị phân gốc ảnh nhị phân tách (BER) phương pháp n/2 (30.81395) - Chất lượng tín hiệu audio PSNR trung bình phương pháp n/4 (30.25903) cao chất lượng tín hiệu PSNR trung bình phương pháp n/2 (25.93708) chất lượng tín hiệu PSNR trung bình phương pháp n/2thấp tín hiệu PSNR trung bình phương pháp giấu audio miền biến đổi (26.50404) + Đối với côngnén MP3: - Mức độ tương đồng trung bình ảnh nhị phân tách ảnh nhị phân ban đầu (NC) phương pháp n/4 (0.602953) thấp mức độ tương đồng trung bình ảnh nhị phân tách ảnh nhị phân ban đầu (NC) phương pháp n/2 (0.708793) - Tỷ lệ lỗi bit trung bình so sánh ảnh nhị phân gốc ảnh nhị phân tách (BER) phương pháp n/4 (50.04031) cao nhiều so với tỷ lệ lỗi bit trung bình so sánh ảnh nhị phân gốc ảnh nhị phân tách (BER) phương pháp n/2 (41.78915) - Chất lượng tín hiệu audio PSNR trung bình phương pháp n/4 (15.66318) cao chút so với chất lượng tín hiệu PSNR trung bình phương pháp n/2 (15.48923) chất lượng tín hiệu PSNR trung bình phương pháp n/2 thấp chút so vớitín hiệu PSNR trung bình phương pháp giấu audio miền biến đổi (15.85735) + Đối với cônglọc thông thấp: - Mức độ tương đồng trung bình ảnh nhị phân tách ảnh nhị phân ban đầu (NC) phương pháp n/4 (0.689447) cao mức độ tương đồng trung bình ảnh nhị phân tách ảnh nhị phân ban đầu (NC) phương pháp n/2 (0.62668) 61 - Tỷ lệ lỗi bit trung bình so sánh ảnh nhị phân gốc ảnh nhị phân tách (BER) phương pháp n/4 (40.05735) thấp so với tỷ lệ lỗi bit trung bình so sánh ảnh nhị phân gốc ảnh nhị phân tách (BER) phương pháp n/2 (43.73765) - Chất lượng tín hiệu audio PSNR trung bình phương pháp n/4 (22.17824) cao so với chất lượng tín hiệu PSNR trung bình phương pháp n/2 (20.90204) chất lượng tín hiệu PSNR trung bình phương pháp n/2 thấp so với tín hiệu PSNR trung bình phương pháp giấu audio miền biến đổi (21.14027) Như vậy, với công thay đổi biên độ âm, công điều chỉnh mẫu lấy tần số, công tái lượng tử hóa công lọc thông thấp phương pháp n/4 bền vững phương pháp n/2 (ở mức độ tương đồng ảnh nhị phân tách ảnh nhị phân ban đầu; tỷ lệ lỗi bit so sánh ảnh nhị phân gốc ảnh nhị phân tách; chất lượng tín hiệu audio PSNR) bền vững phương pháp giấu audio miền biến đổi (ở chất lượng tín hiệu audio PSNR) Với công nén MP3 phương pháp n/4 bền vững phương pháp n/2 (ở mức độ tương đồng ảnh nhị phân tách ảnh nhị phân ban đầu; tỷ lệ lỗi bit so sánh ảnh nhị phân gốc ảnh nhị phân tách) Riêng chất lượng tín hiệu audio PSNR phương pháp n/4, n/2 giấu audio miền biến đổi tương đồng Ngoài phương pháp công trên, đề tài chưa nghiên cứu thử nghiệm phương pháp công thông qua tạp âm cộng trắng chuẩn (AWGN) 62 KẾT LUẬN Kỹ thuật giấu thông tin âm số hướng nghiên cứu phương pháp giấu thông tin đạt kết khả quan Luận văn tìm hiểu trình bày lại số kỹ thuật thủy vân số liệu âm thanh: + Giấu thông tin miền biến đổi: tìm hiểu phương pháp giấu tin miền biến đổi Fourier áp dụng để giấu đoạn âm vào đoạn âm khác + Thủy vân số miền Cepstrum: Với kỹ thuật giấu tin áp dụng để giấu văn bản, ảnh nhị phân vào tín hiệu âm Cả hai phương pháp giấu tin miền biến đổi miền Cepstrum áp dụng để giấu lượng thông tin vừa đủ cho trường hợp quyền tác giả Từ kỹ thuật tìm hiểu trình cài đặt thử nghiệm tác giả thực thử nghiệm phương pháp công để đánh giá mức độ tương đồng ảnh nhị phân tách ảnh nhị phân ban đầu, tỷ lệ lỗi bit so sánh ảnh nhị phân gốc ảnh nhị phân tách chất lượng tín hiệu audio PSNR Do hạn chế thời gian nên đề tài chưa nghiên cứu phương pháp chưa nghiên cứu thử nghiệm phương pháp công thông qua tạp âm cộng trắng chuẩn (AWGN).Các kỹ thuật giấu tin chủ yếu thử nghiệm tín hiệu audio định dạng tệp *.wav, chưa thực tệp âm nén định dạng mp3, mp4, mpeg Hướng nghiên cứu đề tài nghiên cứu kỹ thuật thủy vân số liệu âm nén: mp3, mp4, phương pháp thủy vân bền vững khác cho liệu âm 63 ... MỘT SỐ KỸ THUẬT THỦY VÂN TRONG ÂM THANH SỐ Các kỹ thuật giấu liệu đa phương tiện tạo nên tảng vững cho thủy vân số lĩnh vực giấu tin mật với số lượng ngày tăng lên ứng dụng quản lý quyền kỹ thuật. .. giác âm riêng biệt 1.4.2 Độ cao âm Độ cao âm đặc tính sinh lý âm phụ thuộc vào đặc tính âm tần số Những âm có tần số khác nhau, tạo nên cảm giác âm khác nhau: âm có tần số lớn gọi âm cao hay âm thanh; ... lý âm cấu thành sở đặc tính vật lý ầm tần số biên độ Đây đặc trưng riêng nguồn phát âm Khi nguồn phát tần số f1 đồng thời phát âm có tần số f2 =2*f1, f3=3*f1,… Âm có tần số f1 gọi âm hay họa âm