Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bền vững trong Audio (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bền vững trong Audio (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bền vững trong Audio (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bền vững trong Audio (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bền vững trong Audio (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bền vững trong Audio (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bền vững trong Audio (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bền vững trong Audio (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bền vững trong Audio (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bền vững trong Audio (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bền vững trong Audio (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bền vững trong Audio (Luận văn thạc sĩ)
i HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - BỒ THANH LONG NGHIÊN CỨ KỸ THUẬT THỦY VÂN BỀN VỮNG TRONG AUDIO Chuyên ngành: Kỹ tuật Viễn thông Mã số: 8520208 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2018 ii Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Lương Nhật Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Sự phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật nhiều lĩnh vực đặc biệt lĩnh vực đa phương tiện đem lại bước phát triển vượt bậc xã hội Truyền thông băng rộng với định dạng liệu số phong phú mở nhiều hội khơng thách thức Với phát triển internet, ấn phẩm số, sản phẩm đa phương tiện âm thanh, hình ảnh, video…có thể thu nhận, chép phân phối cách dễ dàng click chuột sản phẩm đa phương tiện đa số không bảo mật Bên cạnh mặt tích cực, lại nảy sinh vấn nạn như: giả mạo, ăn cắp quyền, chép trái phép , thao tác thực dễ dàng xã hội Với mục đích bảo vệ quyền tác giả ấn phẩm audio số, em xin chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bền vững audio” để làm luận văn tốt nghiệp Kỹ thuật thủy vân audio số phương thức nhúng thông tin thủy vân (Watermark) vào sản phẩm audio số, mà người nghe không cảm nhận chất lượng sản phẩm audio thay đổi Thơng tin thủy vân ký tự, logo hay chí đặc điểm sinh trắc chủ sở hữu như: vân tay, mống mắt…sau nhúng vào sản phẩm audio, trích xuất lại để chứng minh quyền sở hữu sản phẩm Kỹ thuật nhúng thơng tin thủy vân vào audio số thực trực tiếp miền không gian LSB, hay miền biến đổi như: Fourier rời rạc (DFT), Cosin rời rạc (DCT), Wavelet rời rạc (DWT) Tùy theo tính suốt hay tính bền vững sản phẩm mà chọn phương thức để nhúng trực tiếp miền không gian hay miền biến đổi, nhúng miền khơng gian tính suốt tốt hơn, nhúng miền biến đổi tính bền vững cao Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu phương pháp nhúng trích xuất thơng tin thủy vân miền không gian miền biến đổi, để từ đánh giá tính bền vững phương pháp nhúng Luận văn trình bày với bố cục nội dung sau: ▪ Chương 1: Tổng quan kỹ thuật thủy vân audio số Chương giới thiệu cách tổng quan thủy vân audio số Giới thiệu đôi nét kỹ thuật thủy vân âm số Giới thiệu hàm băm MD5 ▪ Chương 2: Giới thiệu kỹ thuật nhúng, trích xuất thủy vân âm miển không gian ( LSB ) số kỹ thuật nhúng, trích xuất thủy vân âm miền biến đổi (DCT, DWT, sDWT mDCT) 2 ▪ Chương 3: Chương trình mơ nhúng trích xuất thủy vân Chương trình bày giải thuật chương trình mơ nhúng, trích xuất thủy vân phần mềm Matlab đưa kết thực nghiệm mô số công lấy mẫu lại, nén DCT, thêm nhiễu, nén mp3 Chương 1- TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THỦY VÂN VÀ AUDIO SỐ 1.1 Tổng quan kỹ thuật thủy vân 1.1.1 Giới thiệu Thủy vân kỹ thuật nhúng thông tin vào nguồn đa phương tiện (ví dụ ảnh số, tín hiệu audio, video…) mà người dùng khơng thể nhận biết tồn thông tin đem nhúng Kỹ thuật thủy vân tín hiệu âm ý vài năm gần gặp nhiều khó khăn tiếp cận với hệ thống thính giác người (HAS) Bởi HAS nhạy cảm phức tạp so với hệ thống thị giác (HVS) Nhưng bù lại, tiềm lĩnh vực lớn, thương mại lẫn quân sự… 1.1.2 Phân loại Dựa vào tính chất khác nhau, lĩnh vực áp dụng, ta phân loại thủy vân thành nhóm sau: Phân loại theo khả cảm nhận: Dựa vào khả cảm nhận người trước thay đổi đối tượng chứa sau nhúng thơng tin Nhóm phân thành hai loại là: thủy vân hữu hình thủy vân vơ hình Phân loại theo tính bền vững: Dựa vào khả chống lại kiểu công kỹ thuật thủy vân, chia hệ thống thủy vân thành ba loại: Robust, Fragile Semi - fragila Phân loại theo thuộc tính trích xuất: Dựa vào đặc tính trích xuất thơng tin mật phần thu mà ta phân loại thủy vân sau: Nonblind Watermarking, Semiblind Watermarking, Blind Watermarking Phân loại theo đặc tính khố mật: Căn vào tính chất loại khố mà ta chia thành hai loại: khóa cơng khai, khóa bí mật 3 1.1.3 Ứng dụng Theo dõi phát sóng Nhận người chủ sở hữu/ chứng quyền sở hữu Lưu vết giao dịch hay dấu vân tay Xác nhận nội dung Kiểm soát chép 1.2 Hàm băm 1.2.1 Hàm băm Hàm băm hàm chuyển đổi thơng điệp có độ dài thành dãy bit có độ dài cố định Theo [2], hàm băm nhận chuỗi bit có chiều dài tùy ý (hữu hạn) làm liệu đầu vào tạo chuỗi bit có chiều dài cố định n bit (n > 0), gọi giá trị băm hay mã băm Giá trị hàm băm nhất, suy ngược lại nội dung thông điệp từ giá trị băm Các tính chất hàm băm: • Tính kháng tiền ảnh: • Tính kháng tiền ảnh thứ hai: • Tính kháng xung đột: 1.2.2 Hàm băm MD5 MD5 (Message-Digest algorithm 5) hàm băm mật mã sử dụng phổ biến với giá trị băm dài 128-bit Là chuẩn Internet (RFC 1321), MD5 dùng nhiều ứng dụng bảo mật, dùng phổ biến để kiểm tra tính tồn vẹn tập tin N x 512 bit 64 bit Message 512 bit 12 M 512 128 F 128 H1 F 128 ⊞ H2 MN bit … … 512 ⊞ Length 512 bit 512bit 12 M IV (H0) 100…00 N block 512 HN-1 … Hình 1 Sơ đồ thực MD5 F 128 ⊞ HN Hash value MD5 chuyển đoạn thông tin chiều dài thay đổi thành kết chiều dài không đổi 128 bit Mẫu tin đầu vào hàm băm chia thành đoạn 512 bit; mẫu tin sau chèn vào số bit cho chiều dài chia chẵn cho 512 Việc thực chèn vào sau: bit chèn vào cuối mẫu tin, dãy bit cho chiều dài mẫu tin lên tới 64 bit so với bội số 512 Những bit lại lấp đầy số nguyên 64-bit đại diện cho chiều dài mẫu tin gốc Một bảng băm MD5 128 bit thường diễn tả chuỗi 32 số hệ thập lục phân Sau ví dụ ngõ vào mã ASCII bảng băm MD5 tương ứng: ▪ MD5(“”) = “d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e” ▪ MD5(“Well Come to PTIT”) = “3fa94d49ff3e858f0a905bdbdcbda963” ▪ MD5(“WellCome to PTIT”) = “0f27329b43cd3d59ad2df2f47ad6bfaf” Ta thấy khác khoảng trống, nội dung giống cho giá trị Hash khác 1.3 Tổng quan âm số 1.3.1 Sơ lược âm số Âm đóng vai trò quan trọng đời sống người với vai trò cơng cụ liên lạc, giao tiếp cảm nhận thiết yếu Âm học ngành chuyên nghiên cứu âm Âm học khảo sát thuộc tính âm hiểu biết sâu sắc sinh lý tai nghe người Điều có ích việc tìm kiếm thực phép xử lý tín hiệu âm số Do vận tốc giới hạn (khoảng 300 m/s mơi trường khơng khí) nên âm từ nguồn hai tai ghi nhận khác cho phép phân biệt vị trí nguồn Sự khác biệt làm tai người nghe âm Một âm đặc trưng ba đại lượng là: cường độ âm thanh, cao độ ( tần số ) âm sắc • Cường độ âm thanh: Là đại lượng phản ánh biên độ dao động âm thanh, biểu diễn lượng âm sinh khoảng cách L so với nguồn âm, đơn vị thời gian (giây), đơn vị diện tích ( m ) mặt phẳng đặt vng góc với chiều truyền âm Cường độ âm phụ thuộc vào biên độ, tần số môi trường truyền âm Trong thực tế, để so sánh cường độ hai âm người ta dùng đơn vị decibel (dB) A= log( P1/ P2) Trong đó: P1 : cường độ âm thứ P2 : cường độ âm thứ hai • Cao độ âm thanh: chia chia làm hai loại: Cao độ tuyệt đối biểu thị giá trị tần số f Âm cao tần số lớn Cao độ tương đối tỷ số âm cần xác định cao độ âm gốc Những tần số cao âm gốc gọi bội âm Nếu tín hiệu âm tuần hồn số lần lặp lại lớn giây số đo tần số âm Và chu kỳ thời gian kéo dài cho lần lặp • Âm sắc: biểu diễn phong phú tần số nguồn âm phát Trong thực tế khơng có nguồn đơn âm mà tồn nguồn âm phức tạp Chúng biểu diễn theo công thức sau: P (t ) Pk sin(kt k ) (1.5) k 1 Trong nguồn âm tồn thành phần tần số bản: P(t ) coban P1 sin(t k ) (1.6) Biên độ âm lớn Các thành phần lại hài, hài cao lượng nhỏ Năng lượng âm tập trung chủ yếu âm lân cận Khi đó, nguồn âm biểu diễn gần phương trình: P (t ) N P k 1 k sin(kt k ) (1.7) 1.3.2 Xử lý âm số Ở dạng gốc, tín hiệu âm tín hiệu tương tự liên tục theo biến số thời gian biên độ Tín hiệu âm biểu diễn dạng tương tự dạng số Hình Các dạng biễu diễn âm 1.4 Mơ hình hệ thống thủy vân Audio số 1.4.1 Khái niệm Thủy vân audio số Các kỹ thuật thủy vân âm số chủ yếu khai thác khuyết điểm hệ thính giác người (Human Auditory System - HAS) – đặc tính nhạy cảm với thay đổi nhỏ miền thời gian miền tần số Thủy vân Audio số định nghĩa tiến trình nhúng chuỗi bit bí mật vào âm số mà khơng ảnh hưởng đến q trình cảm nhận người sử dụng 1.4.2 Q trình nhúng/ trích xuất thủy vân Audio số Watermark (w) Âm Âm gốc (S) Thuật toán nhúng thủy vân (S’) Thủy vân Thuật tốn trích xuất khơi thủy vân phục thủy vân Khóa bí mật (k) Khóa phục hồi (k’) Khối nhúng thủy vân Khối tách thủy vân Hình Hệ thống thủy vân Audio đơn giản Hệ thống thủy vân Audio bao gồm hai khối chính: khối nhúng thủy vân khối tách thủy vân Tiến trình thủy vân giống q trình truyền thơng, thông tin chứa thủy vân truyền qua kênh truyền, với tín hiệu âm gốc (s), thủy vân (w) khóa bí mật k Q trình nhúng thực sau: thủy vân biến đổi thành bit nhị phân (w), sau w nhúng vào tín hiệu audio gốc (s) tạo tín hiệu audio thủy vân (s’) (q trình có khơng có khóa k tùy thuộc vào thuật toán nhúng thủy vân mù hay không mù) w nhúng vào s nhiều cách, thông dụng cách cộng, nhân khơng tuyến tính, thể cơng thức (1.9), (1.10), (1.11) s’ = s + αw (1.9) s’ = s (1+αw) (1.10) s w s ' (1.11) Quá trình tách: Từ tín hiệu audio nhúng thủy vân sau qua khối thực chức tách thủy vân, khóa giải mã k’ (có giống với khóa k) cần tín hiệu audio gốc thuật tốn nhúng thủy vân khơng mù Q trình tách thường phụ thuộc vào mức độ bảo mật ứng dụng yêu cầu thuật toán cài đặt 1.4.3 Đánh giá chất lượng hệ thống thủy vân Audio ➢ Chất lượng độ cảm nhận Chất lượng độ cảm nhận đo tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR: Signal-to-Noise Ratio) Si tín hiệu audio gốc với chiều dài N mẫu, Si' tín hiệu thủy vân, SNR tính sau: SNR 10log10 N 1 i 0 N 1 i i 0 s si' si (1.12) ➢ Tính bền vững Một thơng số để đánh giá sai số tín hiệu thủy vân so với tín hiệu gốc thường sử dụng giá trị sai số bình phương trung bình, ký hiệu MSE (Mean Squared Error) tính theo công thức: MSE N ' [ Si Si ]2 i 1 N Với: Si : biểu thị giá trị tín hiệu gốc Si' : biểu thị giá trị tín hiệu thủy vân N độ dài tín hiệu âm ➢ Thời gian thực hiện: (1.13) Biểu thị cho tính sẳn sàng thuật toán nhúng thủy vân vào đối tượng chứa file âm Thông số xét cho q trình nhúng q trình trích xuất thủy vân Thời gian thấp tính sẳn sàng thuật toán nhúng cao 1.5 Kết luận chương Chương trình bày cách khái quát kỹ thuật thủy vân, âm số mơ hình thủy vân audio số Chương giúp hiểu rõ kỹ thuật thủy vân ứng dụng thủy vân thực tế Trong âm số, hiểu trình xử lý lý âm thanh, trình nhúng trích xuất thủy vân audio số Và số tiêu chí giúp đánh giá hiệu hệ thống thủy vân âm Chương 2- KỸ THUẬT THỦY VÂN BỀN VỮNG TRONG AUDIO 2.1 Thuật toán nhúng thủy vân miền không gian 2.1.1 Phương pháp thay bit có trọng số thấp - LSB Thuật tốn sử dụng phương pháp thay bít trọng số thấp hay gọi phương pháp mã hóa LSB [3], [4] (Least Significant Bit) phương pháp nhúng bit thông tin vào bit có trọng số thấp liệu audio, lựa chọn tự nhiên yêu cầu nhúng tin với dung lượng lớn, lại bền vững thao tác xử lý tín hiệu Phương pháp đời sớm đơn giản kỹ thuật giấu tin có Trong phương pháp LSB, mã hố sử dụng khố mật để chọn tập mẫu tín hiệu âm gốc sẵn có Thao tác thay bit quan trọng mẫu tin bit tin thực tập Quá trình rút trích tin mật đơn giản đọc giá trị bit định Do vậy, giải mã phải cần tất mẫu tín hiệu đánh dấu để so sánh lựa chọn bit thích hợp Giả sử tín hiệu A = 218 ứng với giá trị bit hình 2.1, bit bên trái (có giá trị 1) gọi bit có trọng số lớn MSB (Most significant bit), bit bên phải (có giá trị 0) gọi bit có trọng số thấp LSB (Least significant bit) MSB 1 1 LSB Hình Giá trị bit tín hiệu A = 218 Với bit LSB thay đổi giá trị từ sang từ sang làm thay đổi giá trị gốc ban đầu Do nhúng thơng tin thủy vân vào tín hiệu audio người ta thường nhúng vào bit có trọng số thấp để không làm ảnh hưởng đến cảm nhận người nghe Giả sử muốn nhúng bit có giá trị vào tín hiệu A ta tín hiệu B = 219 ứng với giá trị bit hình 2.2 Ngược lại muốn nhúng bit có giá trị vào tín hiệu A ta tín hiệu C =218 (giữ nguyên giá trị ban đầu) ứng với bit hình 2.3, điều kỹ thuật nhúng thủy vân hiểu ngầm nhúng 1 1 1 Hình 2 Giá trị bit tín hiệu B=219 sau nhúng bit vào LSB A 1 1 Hình Giá trị bit tín hiệu C=218 sau nhúng bit vào LSB A Về mặt tốn học, mơ tả q trình nhúng tách LSB công thức: - Nhúng: Si' Si ( Si mod 2) wi (2.1) - Tách: wi' Si' mod (2.2) 2.1.2 Thuật tốn nhúng, trích thủy vân dùng phép biến đổi LSB 2.1.3 Ưu khuyết điểm thuật toán LSB 2.2 Thuật toán thủy vân Audio số dùng biến đổi Cosin rời rạc 2.2.1 Phép biến đổi cosin rời rạc (DCT) Phép biến đổi cosin rời rạc (DCT) kỹ thuật dùng để chuyển đổi tín hiệu thành hệ số hàm cosin dao động tần số khác biên độ khác [5],[6],[7] Ưu điểm phép biến đổi tập trung lượng tốt độ phức tạp tính tốn Theo [9], tín hiệu rời rạc chiều có chiều dài N mẫu, DCT biễu diễn dạng (2n 1)m F (m) a(m) f (n)cos 2N n 0 N 1 (2.3) Trong đó, m = 0,1,2,…N-1 Đối với tín hiệu rời rạc chiều, biến đổi DCT ngược biểu diễn dạng N 1 (2n 1)m f (n) a(m) F (m)cos 2N m 0 với m= 0,1,2…N-1 Trong (2.3) (2.4), với a(m) (2.4) 10 a ( m) , m = N (2.5) , m ≠ N Khi m=0 (2.3) trở thành F (m 0) N N 1 f ( n) (2.6) n 0 Hệ số chuyển đổi giá trị trung bình dãy mẫu gọi hệ số DC tín hiệu Tất hệ số biến đổi khác gọi hệ số AC [6] 2.2.2 Thuật tốn nhúng trích xuất thủy vân dùng DCT Ý tưởng thuật toán trước tiên, âm gốc biến đổi sang miền DCT Tiếp theo, thủy vân nhúng vào thành phần tần số trung tâm thành phần tần số thấp thành phần tần số cao DCT bỏ qua Các thành phần tần số thấp tín hiệu miền biến đổi khơng thể nhúng thủy vân chúng chứa thông tin quan trọng tín hiệu âm gốc lượng lớn lượng tín hiệu tập trung vùng này, nhúng thủy vân vào vùng ảnh hưởng đến âm gốc Tương tự, thành phần tần số cao tín hiệu khơng thể nhúng thủy vân giá trị lượng thấp, nhúng thủy vân vào vùng bền vững Quá trình nhúng trích xuất thủy vân dùng biến đổi DCT thực theo cơng thức sau: • Nhúng : • Tách: Ai' Ai wi wi' Ai' Ai (2.15) (2.16) 2.2.3 Ưu nhược điểm thuật toán: 2.3 Thuật toán thủy vân Audio số dùng biến đổi Cosin rời rạc có điều chỉnh 2.3.1 Phép biến đổi Cosin rời rạc có điều chỉnh (mDCT) Phép biến đổi cosine rời rạc có điều chỉnh (mDCT-modified discrete cosine transform) phép biến đổi lapped dựa biến đổi cosine rời rạc loại IV (DCT-IV), với thuộc tính biến đổi lapped: thiết kế để thực khối liên tiếp tập liệu lớn hơn, khối chồng lên để nửa cuối khối trùng với nửa đầu khối MDCT sử dụng hầu hết định dạng âm đại MP3, AC3, WAV, Vorbis, Windows Media Audio, ATRAC, Cook, AAC Opus 11 Là phép biến đổi lapped, nên mDCT có bất thường so với phép biến đổi Fourier khác chỗ có nửa ngõ giống ngõ vào (thay số) Nó hàm tuyến tính F : R2 N R N (Trong R tập số thực ) Tập 2N số thực x0,…,x2N-1 chuyển thành N số thực X0,…,XN-1 theo công thức sau: Xk N 1 x n 0 n N cos n (k ) , k 0,1, 2, N 2 N (2.17) Biến đổi ImDCT thực chuyển N số thực X0,…,XN-1 thành 2N số thực y0,…,y2N-1 theo công thức sau: yn N N 1 X k 0 k N cos k n (k ) , n 0,1, 2, N 2 N (2.18) Trong đó, xn=hnan tín hiệu ngõ vào cửa sổ, an tín hiệu ngõ vào 2N mẫu hn hàm cửa sổ 2.3.2 Thuật tốn nhúng trích xuất thủy vân dùng mDCT Ý tưởng để thực nhúng thủy vân vào tín hiệu âm chủ dựa phép biến đổi mDCT nhúng bit thủy vân vào vùng audio tần số trung bình Cụ thể luận văn bit thủy vân nhúng vào vùng n=3 10 hình 2.6 thực biến đổi mDCT với N=6 (n = 1, 2, …, 12 ứng với n = 0,…2N-1 công thức (2.18) Quá trình nhúng tách thủy vân dựa phép biến đổi mDCT thực theo công thức sau: Công thức nhúng: Ai' Ai Ai wi Công thức tách; Ai' Ai w Ai ' i (2.21) (2.22) Hệ số nhúng luận văn α =0.0008 Và điều kiện thực Ai ≠0 2.3.3 Ưu khuyết điểm thuật toán 2.4 Thuật toán thủy vân Audio số dùng biến đổi Wavelet rời rạc 2.4.1 Phép biến đổi Wavelet liên tục 2.4.2 Phép biến đổi wavelet rời rạc Biến đổi wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transfom – DWT) Việc tính tốn hệ số wavelet tất tỉ lệ cơng việc phức tạp Nếu tính tốn tạo lượng liệu khổng lồ Để giảm cơng việc tính tốn người ta chọn tập nhỏ 12 giá trị tỉ lệ vị trí để tiến hành tính tốn Hơn việc tính tốn tiến hành tỉ lệ vị trí sở lũy thừa số kết thu hiệu xác nhiều Biến đổi DWT thực chất rời rạc hóa biến đổi wavelet liên tục (CWT); việc rời rạc hóa thực với lựa chọn hệ số a b sau: 𝑚, 𝑛 ∈ 𝑍 a = 2m ; b = 2mn (2.32) Trong biến đổi wavelet rời rạc, tham số tỷ lệ tham số dịch rời rạc hóa Lúc tín hiệu f(n) phân tích sau [11]: 𝑗 𝑓 (𝑛) = ∑𝑗,𝑘 𝑐𝑗,𝑘 22 𝜓(𝑛/2𝑗 − k), j, k số nguyên (2.33) đó, cj,k hệ số cần xác định Trong phân tích đa phân giải wavelet (MRA) gọi phân ly băng (SD), tín hiệu f(n) tách thành thành phần tần số thấp biểu diễn hàm tỉ lệ 𝜑(𝑛), thành phần tần số cao biểu diễn wavelet 𝜓(𝑛): 𝑗 𝑓 (𝑛) = ∑𝑘 ∑𝑗=1 𝑑𝑗 (𝑘)𝜓𝑗,𝑘 (𝑛) + ∑𝑘 𝑎𝑗0 (𝑘 )𝜑𝑗0,𝑘 (𝑛) (2.34) đó, j=1,2, ,j0 mức phân giải khác Hình 2.7 phân tích đa phân giải mức 1, S tín hiệu ngun thủy, A (approximation-xấp xỉ) thành phần tần số thấp, D (detail-chi tiết) thành phần tần số cao S S = A1 + D1 A1 D1 Hình Phân tích wavelet đa phân giải mức Biến đổi Wavelet hàm f(n) (DWT) tính bởi: W ( j , k ) W ( j , k ) M f (n) M f (n) i, j ( n) (2.35) t i, j ( n) (2.36) t Và biến đổi DWT nghịch tính bởi: f ( n) M W (i, j ) k i, j ( n) M W (i, j ) i, j ( n) (2.37) k Có thể hiểu phép biến đổi wavelet rời rạc áp dụng lọc thông cao thông thấp, sau tín hiệu lấy mẫu xuống hệ số tạo thành biến đổi wavelet rời rạc mức 13 Sự tổng hợp thành phần sau phân tích gọi biến đổi wavelet rời rạc ngược (Inverse descrete Wavelet Transfrom – IDWT) Quá trình thực ngược lại với q trình phân tích cách lấy mẫu lên hệ số sử dụng lọc khơi phục L, H Hình 2.8 sau cho thấy q trình phân tích tổng hợp tín hiệu dùng biến đổi wavelet rời rạc mức L Xấp xỉ L S (Tín hiệu) H S (Tín hiệu) Chi tiết H Phân tích Tổng hợp Hình Q trình phân tích tổng hợp dùng DWT Biến đổi Wavelet Haar (một chiều) tín hiệu S có N thành phần thực theo (2.38) (2.39) với i ∈ {0,1,…,(N/2)-1} A(i)= 1 S(2i)+ S(2i+1) 2 (2.38) D(i)= 1 S(2i)S(2i+1) 2 (2.39) ➢ Biến đổi Haar chiều: Phát triển từ biến đổi wavelet rời rạc chiều, mở rộng định nghĩa biến đổi hai chiều cách sử dụng lọc riêng biệt, thực biến đổi chiều liệu theo hàng thực theo cột DWT Dữ liệu đầu vào DWT L Theo hàng LL HL LH HH H Theo cột Hình Phân tích wavelet chiều Biến đổi hai chiều Wavelet Haar tín hiệu F với kích thước x N đầu vào tạo thành phần A, H, V, D sau: 14 F1 F2 F3 F4 X1 X2 Theo hàng X3 X4 DWT DWT A H Theo cột V D Hình Biến đổi DWT2 họ Haar Các thành phần xấp xỉ - A, ngang - H, dọc - V, đường chéo - D khai triển từ (2.38) (2.39) sau: A= H= V= D= X1+ X2+ X12 X22 1 X3= F1+F2+F3+F4 2 1 X4= F1+F3-F2-F4 2 1 X3= F1+F2-F3-F4 2 1 X4= F1+F4-F2-F3 2 F1= A+H+V+D F2= A+V-H-D F3= A+H-V-D F4= A+D-H-V (2.40) 2.4.3 Thuật tốn nhúng trích xuất thủy vân dùng biến đổi DWT Thực nhúng thủy vân miền biến đổi Wavelet dùng kỹ thuật DWT1 họ Haar cho đối tượng chứa, sau thơng tin thủy vân nhúng miền biến đổi Wavelet Trước nhúng, tín hiệu âm gốc chia thành N mẫu thực đưa mẫu số nguyên dương Sau áp dụng biến đổi DWT1, thông tin thủy vân nhúng vào thành phần A để đảm bảo đối tượng chứa thay đổi Quá trình nhúng thủy vân thực theo cơng thức Ai' Ai Ai wi (2.41) Các bit watermark wi' tách từ hệ số xấp xỉ Ai' theo công thức: log( Ai' Ai ) w log( Ai ) ' i (2.42) Với β hệ số nhúng Trong luận văn này, tác giả chọn β=0.123 (hệ số nhúng lựa chọn cho thay đổi đối tượng chứa chấp nhận cụ thể SNR gần 60 dB, điều chỉnh cho tính vơ hình tính bền vững phù hợp theo mục đích nhúng) 15 2.4.4 Ưu nhược điểm thuật toán 2.5 Thuật toán đề xuất (sDWT) Dựa sở biến đổi wavelet rời rạc, tác giả đề xuất phương pháp nhúng bền vững sử dụng thuật tốn sDWT (stereo DWT) Trước hết, thực biến đổi Wavelet dùng kỹ thuật DWT chiều họ Haar mức cho đối tượng chứa, sau thơng tin thủy vân nhúng miền biến đổi Wavelet Do đối tượng chứa tín hiệu âm stereo có kênh trái phải, áp dụng DWT chiều họ Haar vào tín hiệu âm gốc, xem kênh tín hiệu chiều, chia thành cặp, khối với kích thước 2x2 Và thơng tin thủy vân nhúng vào thành phần Ai để đảm bảo đối tượng chứa thay đổi Bít thơng tin wi nhúng vào hệ số Ai, theo công thức: Ai' Ai wi (2.43) Bít thơng tin wi' tách từ hệ số Ai' , theo công thức: w ' i Ai' Ai (2.44) Trong thuật toán tác giả đề xuất, để đảm bảo hài hòa tính suốt tính bền vững, tác giả chọn hệ số nhúng α=0.0005 (đảm bảo SNR lớn 60dB) 2.5.1 Thuật toán nhúng trích xuất thủy vân sDWT 2.5.2 Ưu khuyết điểm thuật toán 2.6 Kết luận chương Trong năm gần đây, kỹ thuật thủy vân số áp dụng cho nhiều khía cạnh Chủ yếu sử dụng cho thông tin xác thực, bảo vệ quyền …Và Kỹ thuật thủy vân âm số không dể phát triển đặc tính thính giác người, nhiên ngày nhiều người nghiên cứu Trong chương này, tác giả đề xuất số phương pháp thủy vân miền thời gian (LSB) miền biến đổi (DCT, mDCT, DWT) Qua rằng, phương pháp thủy vân âm số miền biến đổi có tính bền vững, tính bảo mật …tốt miền thời gian 16 Chương 3- CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG 3.1 Cơng cụ mơ mục đích chương trình mơ Tồn q trình thực mơ xây dựng ngơn ngữ lập trình Matlab toolbox Maple hỗ trợ việc tính tốn số ngun tố lớn Mục đích chương trình mơ để minh họa cho lý thuyết, đưa kết cụ thể, từ làm sở để so sánh đánh giá kết qua tiêu chí: tính suốt đối tượng chứa, tính bảo mật tính tồn vẹn liệu mật, độ sẳn sàng… 3.2 Mơ hình giải thuật mơ 3.3 Giao diện chương trình bước thực mơ 3.3.1 Giao diện chương trình 3.3.2 Các bước thực mơ Trong chương trình mơ phỏng, tác giả đưa vào file âm gốc với tần số lấy mẫu 22KHZ 44 KHz, định đạng *.wav, kênh, mức mã hóa mẫu 16 bit Thông tin thủy vân chọn là: “vnpt.tif”, “rev.tif”, “ieee.tif” với kích thước 128x128, ảnh xám, bit Để đơn giản, luận văn đưa kết nhúng thủy vân “vnpt.tif” vào file âm gốc “1.wav” Hình Ảnh thủy vân vnpt âm chứa “1.wav” 3.4 Kết mô - đánh giá 3.4.1 Thời gian thực Kết thời gian thực trình nhúng, tách thủy vân cho thuật toán áp dụng, thống kê số liệu tách thủy vân file danhung.wav chưa thực công, cụ thể sau: Bảng 3.1 Thời gian nhúng/ tách thuật toán STT Thuật toán nhúng Thời gian nhúng (s) Thời gian tách (s) Tổng (s) 17 LSB 0.00336808 0.00309648 0.00646456 DCT 0.163002 0.139253 0.302255 DWT 0.0577591 0.0558157 0.1135748 mDCT 1.31889 0.953434 2.272324 sDWT 0.141006 0.15131 0.292316 Tời gian thực biểu thị mức độ sẳn sàng thuật toán Căn kết thực nghiệm, thuật toán trên, ta thấy thuật tốn LSB có độ sẳn sàng tốt (thời gian tổng: 0.00646456 s) mDCT cho tính sẵn sàng thấp (thời gian tổng: 2.272324 s) 3.4.2 Tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) Bảng 3.2 Tỉ số SNR phổ tín hiệu âm trước nhúng/ sau nhúng STT Thuật toán SNR (dB) LSB 87.0735 DCT 64.9432 DWT 63.503 mDCT 63.4735 sDWT 62.7851 Phổ tín hiệu audio sau nhúng thủy vân Căn theo kết thực nghiệm, thuật tốn LSB có SNR tốt (SNR=87.0735 dB), thuật tốn có độ suốt cao thuật tốn Trong đó, thuật tốn sDWT có SNR thấp (SNR=62.7851dB) 3.4.3 Sai số bình phương trung bình (MSE) Kết sai số bình phương trung bình thực q trình tách thủy vân cho thuật tốn áp dụng, thống kê số liệu tách thủy vân file danhung.wav chưa thực công, cụ thể sau: Tất thuật toán cho kết thủy vân trích xuất sau nhúng khơng sai lệch so với thủy vân gốc (MSE=0) 18 3.5 Kết mô công 3.5.1 Tấn công lấy mẫu lại giảm-tăng Thực mô công lấy mẫu lại giảm- tăng theo tỉ lệ 92% ( tức giảm xuống 92% sau tăng lại 100% )khi thực nhúng thủy vân vnpt.tif vào file âm 1.wav Kết sau: Bảng 3.3 Kết công lấy mẫu lại giảm - tăng Thuật STT toán nhúng SNR (dB) MSE 0.434509 Thời gian Thời gian Thủy vân sau nhúng (s) tách (s) tách LSB 87.1055 0.00372928 0.00170575 DCT 64.9752 0.0120239 0.158995 0.128545 DWT 63.5352 0.121887 0.0478668 0.0535936 mDCT 63.5055 1.31748 0.948514 sDWT 62.8171 0.136126 0.156097 Theo kết mô phỏng, thực công lấy mẫu lại giảm- tăng có hai thuật tốn sDWT mDCT cho kết thủy vân sau tách ấn tượng hết (MSEsDWT = MSEmDCT=0) thuật tốn LSB bền vững (MSELSB = 0.434509) 19 3.5.2 Tấn công lấy mẫu lại tăng - giảm Thực mô công lấy mẫu lại tăng – giảm theo tỉ lệ 50% (tức tăng lên 200%, sau giảm lại 100%) thực nhúng thủy vân vnpt.tif vào file âm 1.wav Khi thực công lấy mẫu lại tăng - giảm theo tỉ lệ 50% giống lấy mẫu lại giảm – tăng, hai thuật toán sDWT mDCT cho kết thủy vân sau tách không thay đổi so với thủy vân gốc (MSEsDWT = MSEmDCT =0), nhiên mức độ sẳn sàng thuật tốn mDCT (ttách=1.31748s) sDWT (ttách=0.155939s) Còn thuật tốn LSB bền vững (MSELSB=0.30072) 3.5.3 Tấn công thêm nhiễu Thực mô công thêm nhiễu với mức thêm 0.03% thực nhúng thủy vân vnpt.tif vào file âm 1.wav Khi thực cơng thêm nhiễu với mức thêm 0.03% thuật tốn sDWT cho kết thủy vân sau tách tốt (MSEsDWT=0.000854492), thuật toán LSB cho kết bền vững (MSELSB=0.490784) 3.5.4 Tấn công nén DCT Thực mô công nén DCT theo tỉ lệ 2:1 thực nhúng thủy vân vnpt.tif vào file âm 1.wav Khi thực công nén DCT có 03 thuật tốn DCT, sDWT mDCT cho kết thủy vân sau tách không thay đổi so với thủy vân gốc (MSE=0), thuật toán LSB bền vững (MSELSB = 0.498352) 3.5.5 Tấn công lọc thông thấp Thực mô công lọc thông thấp lọc Buterworth, tần số cắt 99% tần số lấy mẫu thực nhúng thủy vân vnpt.tif vào file âm 1.wav Kết sau: Bảng 3.4 Kết công lọc thơng thấp STT Thuật tốn nhúng LSB SNR (dB) 87.1055 MSE 0.479919 Thời gian Thời gian Thủy vân sau nhúng (s) tách (s) tách 0.00372928 0.00256751 20 DCT 64.9752 0.024353 0.158995 0.133366 DWT 63.5352 0.0697632 0.0478668 0.0503601 mDCT 63.5055 1.31748 0.9565 sDWT 0.136126 0.150325 62.8171 Theo kết mô phỏng, thực cơng lọc thơng thấp hai thuật tốn sDWT mDCT cho kết thủy vân sau tách ấn tượng (MSE=0), nhiên mức độ sẳn sàng mDCT (t=0.9565s) Còn thuật tón LSB bề vững (MSELSB =0.479919) 3.5.6 Tấn công nén mp3 Thực mô công nén mp3 với tỉ lệ 5.4:1, với bit rate 256kbps thực nhúng thủy vân vnpt.tif vào file âm 1.wav Kết sau: Theo kết mô phỏng, thực cơng nén mp3 hai thuật toán sDWT mDCT cho kết thủy vân sau tách tốt, sDWT mDCT mặt bền vững độ sẳn sàng tốt Còn thuật tóan LSB bền vững (MSELSB =0.545349) 3.6 Kết luận chương Các nghiên cứu luận văn nhằm hiểu rõ phương thức nhúng trích xuất thủy vân miền không gian miền biến đổi, để từ giá tính bền vững thơng tin thủy vân chứa sản phẩm Audio số Để kiểm chứng tính đắn sở lý thuyết, em xây dựng chương trình mơ hệ thống nhúng, trích xuất thơng tin thủy vân phần mềm Matlab so sánh, đánh giá phương pháp Sau cùng, tác giả đưa kết mô cụ thể với phân 21 tích, đánh giá thơng qua tiêu chí: tính vơ hình liệu thủy vân, khả chứng thực, tính tồn vẹn tính sẵn sàng hệ thống Các kết thực với nhiều loại liệu khác nhiều đối tượng chứa khác nhau, sau so sánh với kết nhiều cơng trình nghiên cứu khác để đảm bảo tính trung thực luận văn Qua kết mơ phỏng, tùy theo mục đích ứng dụng mà lựa chọn thuật toán phù hợp Mỗi thuật tốn có ưu khuyết điểm riêng, ví dụ LSB độ suốt tính sẳn sàng cao khơng bền vững bị cơng mDCT tính bền vững tốt tính sẳn sàng chưa cao Từ kết mơ phỏng, chứng minh tính bền vững thuật tóan nhúng miền biến đổi tốt hẳn so với miền không gian Và từ kết mơ phỏng, chứng minh thuật tốn đề xuất tác giả bền vững thuật toán 22 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Với kiến thức quý giá lĩnh hội từ Thầy, Cơ q trình học tập thực luận văn, với định hướng góp ý tận tình Thầy Nguyễn Lương Nhật, tác giả hoàn thành luận văn tiến độ yêu cầu đặt Cụ thể vấn đề đạt đóng góp mẽ luận văn bao gồm: • Kiến thức tổng quan kỹ thuật thủy vân, hàm băm (MD5), âm số mơ hình hệ thống thủy vân âm số • Nghiên cứu thuật tốn nhúng thủy vân miền thời gian (LSB) miền biến đổi (DCT, mDCT, DWT, sDWT) Trong thuật toán, tác giả đề xuất nhúng cho kết tách thủy vân thỏa mãn tính suốt tính bền vững • Xây dựng chương trình mơ (Matlab) thuật tốn với giao diện GUI Chương trình thực nhúng liệu thủy vân có định dạng khác (âm thanh, hình ảnh, text) vào nhiều định dạng Audio khác Tác giả tin rằng, luận văn đóng góp phần kiến thức cho lĩnh vực an tồn thơng tin nói riêng cho khoa học nghiên cứu nhúng thủy vân Nước ta nói chung Tác giả đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo: • Cải tiến thuật tốn nhúng mDCT nhằm nâng cao tính sẳn sàng • Kết hợp kỹ thuật mDCT sDWT để có thuật tốn nhúng tối ưu ... tác giả ấn phẩm audio số, em xin chọn đề tài Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bền vững audio để làm luận văn tốt nghiệp Kỹ thuật thủy vân audio số phương thức nhúng thông tin thủy vân (Watermark)... (S) Thuật toán nhúng thủy vân (S’) Thủy vân Thuật tốn trích xuất khơi thủy vân phục thủy vân Khóa bí mật (k) Khóa phục hồi (k’) Khối nhúng thủy vân Khối tách thủy vân Hình Hệ thống thủy vân Audio. .. Tổng quan kỹ thuật thủy vân audio số Chương giới thiệu cách tổng quan thủy vân audio số Giới thiệu đôi nét kỹ thuật thủy vân âm số Giới thiệu hàm băm MD5 ▪ Chương 2: Giới thiệu kỹ thuật nhúng,