Về một phương pháp nâng cao hiệu năng che giấu thông tin trong âm thanh

Bài viết trình bày ứng dụng biến đổi Fourier để ẩn mã trong âm thanh và phương pháp nâng cao hiệu năng che giấu thông tin trong âm thanh bằng biến đổi Fourier cải biến và phương pháp kết hợp giữa mật mã và ẩn mã.

Nghiên cứu khoa học công nghệ VỀ MỘT PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG CHE GIẤU THÔNG TIN TRONG ÂM THANH Lê Mạnh Hùng* Tóm tắt: Bài viết trình bày ứng dụng biến đổi Fourier để ẩn mã âm phương pháp nâng cao hiệu che giấu thông tin âm biến đổi Fourier cải biến phương pháp kết hợp mật mã ẩn mã Từ khóa: Ẩn mã, Biến đổi Fourier, Bảo vệ thơng tin, Mã hóa GIỚI THIỆU Ẩn mã (steganography) ngành khoa học liên quan đến bảo vệ thông tin Được thực cách che giấu thơng tin có giá trị vật mang tin khơng có giá trị Các phương tiện mang tin có chứa liệu che giấu gọi stegocontainer Ẩn mã khoa học mới, từ xa xưa thường thực nhờ sử dụng mực vô hình kỹ thuật in microdots Sự phát triển ẩn mã số với phát triển kỹ thuật số thay đổi cách thức ẩn mã liệu cần che dấu không phụ thuộc vào vật mang tin Bài viết sau trình bày ẩn mã số hoạt động ẩn mã tương tự (analog), kỹ thuật che giấu thay đổi Ẩn mã số che giấu liệu cách đưa vào thay đổi nhỏ nhận thấy liệu số khác thực nhiều phương pháp Cách đơn giản dựa vào kỹ thuật bit có trọng số thấp (LSB), bao gồm việc thay bit có trọng số thấp (LSB) tín hiệu ban đầu bit thông tin cần che giấu Phương pháp cho phép thực ẩn mã dung lượng cao Đáng tiếc, phương pháp LSB có khả đề kháng thấp thay đổi vật mang tin Hơn nữa, thay đổi số lượng nhiều bit có trọng số thấp tín hiệu xuất nhiễu nghe Phương pháp LSB thường gặp hoạt động miền thời gian tần số [3, 4, 5] Quan trọng biến đổi sử dụng để biến đổi tín hiệu sang miền lựa chọn có tính biến đổi ngược Phương pháp ẩn mã xử lý miền thời gian không đạt mức độ đề kháng cao so với phương pháp xử lý miền tần số Thực tế, có nhiều phương pháp sử dụng biến đổi tín hiệu miền thời gian, nhiên thường tạo thêm nhiễu tạp âm Vì vậy, nghiên cứu nâng cao hiệu che giấu thông tin âm biến đổi Fourier cải biến phương pháp kết hợp mật mã ẩn mã tốn có tính thời cao PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG BIẾN ĐỔI FOURIER (TF) VÀ BIẾN ĐỔI FOURIER CẢI TIẾN (MF) 2.1 Phương pháp sử dụng biến đổi Fourier (TF) Nhờ sử dụng biến đổi Fourier có dạng tín hiệu miền tần số Thay đổi giá trị cụ thể phổ vạch phổ pha tín hiệu cho phép đưa vào thay đổi ổn định tín hiệu để che dấu thơng tin nhúng kèm Hiện có kỹ thuật ẩn mã dựa thay đổi giá trị cụ thể phổ vạch mơ-đun phổ pha tín hiệu Trong số đó, phân vài nhóm: - Kỹ thuật bit có trọng số thấp hay gọi phương pháp LSB (Least Significant Bit) - phương pháp dựa thay đổi các bit có trọng số thấp mơ-đun phổ tín hiệu bit thông tin cần che giấu, hoạt động tương tự phương pháp bit có trọng số thấp truyền thống Khác biệt biễu diễn tín hiệu miền tần số thay thời gian đạt khả đề kháng lớn trước đe dọa làm hỏng liệu cần che giấu Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017 177 Công nghệ thông tin & Cơ sở toán học cho tin học - Kỹ thuật sửa đổi giá trị phổ vạch mơ-đun phổ tín hiệu, đạt khả đề kháng cao chống gây lỗi Một lượng nhỏ phổ vạch cải biến làm cho thay đổi tồn tín hiệu nhỏ khó phát Phương pháp có sức đề kháng cao trước công gây hại phá hủy thông tin kèm theo Tuy nhiên, phương pháp làm giảm đáng kể dung lượng ẩn mã gây nên nhiễu tạp âm Để nhúng thông tin che giấu sử dụng phổ vạch Để trích xuất thơng tin thực cách so sánh phổ vật mang tin (stegocontainer) với phổ gốc Phương pháp sử dụng cần có kênh an tồn để trao đổi liệu gốc Những nhược điểm phương pháp khắc phục sử dụng số lớn phổ vạch để nhúng thông tin mật Thông thường sử dụng hai phổ vạch Trong trường hợp sử dụng hai tần số, việc thay đổi dựa tương quan giá trị chúng Nếu số lớn phổ vạch có tần số f1, mã hóa “1” ngược lại f2 nhiều mã hóa “0” (phương pháp ký hiệu TF Transformation Fourier) Trong số phương pháp, sử dụng ba phổ vạch Nếu xuất tỷ số giá trị f1 f3 nhúng kèm thêm “1” Nếu không thỏa mãn bất đẳng thức nêu có nghĩa đoạn khơng đính kèm thêm thông tin Cách tiếp cận cho phép tăng thêm độ tin cậy trích xuất thơng tin giảm méo mó cách loại bỏ sửa đổi đoạn gây nên méo mó - Kỹ thuật thay đổi pha tín hiệu để giấu thơng tin cách thay đổi q trình biến đổi pha tín hiệu Phương pháp có tính đề kháng cao chống lại phá hủy lại có dung lượng ẩn mã thấp, cần phải sửa đổi pha q trình xử lý Phương pháp sử dụng tồn tín hiệu để che giấu bit thơng tin, tín hiệu chia thành khối Mỗi khối mang bit thơng tin Đầu tiên, khối tín hiệu biến đổi nhờ sử dụng biến đổi fourier rời rạc (discrete Fourier transform - DFT) để biễu diễn miền tần số, xác định giá trị phổ vạch lựa chọn Sau đó, sửa đổi giá trị theo thuật toán chọn Khi phổ sẵn sàng chuyển trở lại miền thời gian nhờ sử dụng IDFT Các khối sau xử lý kết hợp thành tín hiệu Phương pháp dựa biến đổi Fourier thường sử dụng ẩn mã ảnh Trường hợp tín hiệu audio việc sử dụng biến đổi Fourier thường gây nhiễu âm tích hợp thêm lượng lớn thơng tin Các tín hiệu gắn thêm thông tin phương pháp thường có cơng suất bé nên khả kháng nhiễu thấp Các dải tần âm thường khoảng từ 20 Hz đến 10 kHz Vì vậy, xuất tín hiệu có tần số cao q trình phân tích tần số tín hiệu dễ gây nên ý thông tin nhúng kèm dễ bị phát 2.2 Phương pháp biến đổi Fourier cải tiến (MF) Trên sở phương pháp biến đổi Fourier (TF) người ta phát triển phương pháp biến đổi Fourier cải tiến (Modified Fourier transform - MF), giống phương pháp trước đây, người ta dùng hai vạch phổ để che giấu thơng tin đính kèm Những thay đổi bao gồm:  Sử dụng tượng mặt nạ để xác định tần số mặt nạ,  Lựa chọn tần số thích hợp để cải biến, cho thay đổi đưa vào nằm vùng lân cận phổ vạch tần số tín hiệu có giá trị lớn nhất,  Các giá trị thay đổi đưa vào phải thích ứng với tham số tín hiệu đoạn tín hiệu xử lý,  Sửa đổi cách mã hóa giá trị nhị phân thơng tin che giấu: Giấu số không nhị phân “0” trường hợp giá trị hai phổ vạch chọn số nhị phân “1” hiệu giá trị hai phổ vạch chọn (R) đạt giá trị xác định 178 Lê Mạnh Hùng, “Về phương pháp nâng cao hiệu … thông tin âm thanh.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Thuật tốn ẩn mã đề xuất thực bước: Phân chia tín hiệu khối - chia tín hiệu thành đoạn để che giấu thơng tin Kích thước vị trí đoạn phụ thuộc vào khóa ẩn mã Xử lý khối biến đổi Fourier rời rạc (DFT) - cho phép chuyển miền tần số Đính kèm bit thơng tin cần che giấu - thực cách chọn cặp phổ vạch sửa đổi thích hợp giá trị chúng Sử dụng phép biến đổi Fourier ngược (IDFT) để biến đổi khối đưa tín hiệu trở miền thời gian Phối ghép khối xử lý nhằm liên kết tất đoạn tín hiệu 2.3 Đánh giá chất lượng âm sau giấu tin Để đánh giá chất lượng âm phương pháp đề xuất thường so sánh chứa thông tin che giấu (stegocontainer) tạo cách sử dụng phương pháp biến đổi fourier (TF) Do đặc tính khác thu giấu thông tin phương pháp TF dải tần nghe không nghe được, nên thường chia hai chứa tin che giấu: Bộ dùng cho phương pháp TF thông thường sử dụng băng tần 330-360 Hz, ký hiệu TFaud thứ hai ký hiệu TFinaud, sử dụng băng thông lớn 20 kHz Để đánh giá chất lượng âm sau giấu tin ta thực số đo sau: 1) Sai số tồn phương trung bình MSE (Mean squared error) 2) Tỷ lệ tín hiệu so với tạp âm (decibel) 3) Tỉ số tín hiệu cực đại tạp âm (peak signal-to-noise ratio) 4) Trung bình sai số tuyệt đối tín hiệu: Một số kết thực nghiệm đánh giá chất lượng phương pháp [6] trình bày bảng Bảng So sánh độ biến dạng qua phương pháp thực Phân tích kết cho phép kết luận phương pháp MF đạt tốt phương pháp TF (Điều thể rõ số đo AF) 2.4 Tính đề kháng liệu che giấu đính kèm trước nguy phá hủy Khi thực ẩn mã kênh truyền thông cần thay đổi vật mang tin phải chọn phương pháp đảm bảo tính đề kháng cao trước nguy thông tin che giấu bị phá hủy Vật mang tin ẩn mã (Stegocontainer) với phương pháp thực phép biến đổi khác Sau lọc thông tin che dấu cần đánh giá số lượng lỗi bit (BER) Một số kết trình bày hình [6] Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số 50, 08 - 2017 179 Công nghệ thông tin & Cơ sở tốn học cho tin học Hình Khả đề kháng phương pháp trước nhiễu đính kèm [6] Có thể thấy phương pháp biến đổi Fourier - TF (trong hai trường hợp) khả chống nhiễu tốt trước tạp âm đính kèm Phương pháp biến đổi Fourier cải tiến - MF có tính đề kháng thấp nhiễu tạp khơng lớn tỷ lệ lỗi thấp sửa chữa lỗi cách sử dụng thuật toán sửa sai Kết tính đề kháng khác trước biến đổi động thể Bảng [6] Bảng Số lượng lỗi tạo biến đổi động [6] Phân tích kết trình bày bảng [6] cho thấy phương pháp MF có khả đề kháng cao trước biến đổi động Tính đề kháng phương pháp phụ thuộc vào băng tần sử dụng - dải âm tần phương pháp TF có tính đề kháng khơng bền vững Phương pháp TF hoạt động dải tần cao có lợi phương pháp lại Phương pháp MF cho phép đạt mức độ đề kháng tốt trước khả phá hủy thông tin che giấu, số lượng lỗi nhỏ nên hiệu chỉnh thuật toán sửa sai NÂNG CAO HIỆU NĂNG CHE GIẤU THÔNG TIN TRONG ÂM THANH BẰNG PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP GIỮA MẬT MÃ VÀ ẨN MÃ Hình trình bày mơ hình hệ thống che giấu thông tin âm biến đổi Fourier cải biến phương pháp kết hợp mật mã ẩn mã Trong giai đoạn đầu trình xử lý diễn hai kênh độc lập Một số xử lý thơng tin cần che dấu, kênh thứ hai xử lý số vật phủ mang tin che giấu (container) Mục đích xử lý thơng tin cần che giấu chuẩn bị thông tin để giấu tạo cho chúng có đặc tính gần chuỗi ngẫu nhiên tốt Q trình gồm ba giai đoạn: Mã mật nhằm tăng cường hiệu Hình Sơ đồ giấu tin mật mơ hình kết hợp mật mã ẩn mã 180 Lê Mạnh Hùng, “Về phương pháp nâng cao hiệu … thông tin âm thanh.” Nghiên cứu khoa học công nghệ bảo mật thông tin trước nhúng vào vật phủ, làm thay đổi đặc tính chuỗi ký tự đính kèm, nhờ cho dù đối phương phát trích xuất khơng thể xác định liệu liệu thật, chuỗi ngẫu nhiên bit Bằng cách tăng độ an tồn liệu đính kèm, kết hợp hai kỹ thuật: mật mã ẩn mã bảo vệ thông tin cách hiệu Để mã hóa cần biết phân phối quản lý khóa mã sử dụng Giai đoạn không ảnh hưởng đến độ an toàn phương pháp ẩn mã Mã hóa ECC - Sử dụng mã sửa sai (Error Correcting Code) để sửa chữa số lỗi phát sinh trình xử lý stegocontainer Bước hốn vị, có nhiệm vụ xáo trộn liệu theo ma trận hốn vị - phần khóa ẩn mã Mục đích giai đoạn để xáo trộn bit thông tin cần che giấu để có chuỗi gần ngẫu nhiên Bằng cách này, sau trích xuất thơng tin ẩn từ stegocontainer thu tập bit ngẫu nhiên không gây nghi ngờ đối phương Xử lý tín hiệu chứa thông tin ẩn mã (vật phủ - container) bao gồm ba giai đoạn: Phân chia tín hiệu thành thành đoạn, số số sử dụng để đính kèm thơng tin cần che dấu Phần lại sử dụng để kết nối khối mang thơng tin Kích thước vị trí đoạn khóa ẩn mã xác định Biến đổi Fourier rời rạc (DFT) có nhiệm vụ biến đổi dạng tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số, tính tốn phổ tín hiệu Lựa chọn phổ vạch tính R Trong bước lựa chọn phổ vạch mang thông tin Việc lựa chọn thực cách độc lập đoạn tín hiệu Để nhúng bit thơng tin sử dụng hai phổ vạch Giá trị thay đổi xác định tỷ lệ với kích thước phổ vạch lớn nhất, phương pháp thích ứng với giá trị thay đổi lượng tín hiệu đoạn tín hiệu cụ thể Cách chọn phổ vạch giá trị thay đổi phụ thuộc vào khóa ẩn mã Sau chuẩn bị thơng tin thực DFT, xác định phổ vạch giá trị thay đổi, tiến hành nhúng bit thơng tin đoạn theo thuật tốn cách thay đổi giá trị phổ vạch chọn để đạt khác biệt giá trị chúng theo giá trị xác định thuật toán Thực biến đổi Fourier ngược (IDFT), chuyển đoạn tín hiệu trở lại miền thời gian đoạn tín hiệu vật phủ chứa thơng Hình Sơ đồ trích xuất tin mật tin che giấu - stegocontainer Đoạn tín hiệu mơ hình kết hợp mật mã ẩn mã xử lý xếp vào tín hiệu vị trí ban đầu Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017 181 Cơng nghệ thơng tin & Cơ sở tốn học cho tin học Hình trình bày phần sơ đồ mơ hình ẩn mã (stegosystem) nhằm trích xuất thông tin che giấu từ vật phủ (stegocontainer) Để trích xuất thơng tin che giấu cần có khối chức khóa mã tương ứng Tồn q trình tách thơng tinh che giấu diễn theo trình tự ngược lại trình nhúng tin che giấu Để đánh giá ảnh hưởng q trình mã hóa giải mã phương pháp che giấu thông tin âm biến đổi Fourier cải biến kết hợp với mật mã chúng tơi xây dựng phần mềm mã hóa dựa chuẩn mã hóa liệu AES-256 với kết thực sau: Bảng Thời gian mã hóa giải mã tệp thơng tin cần che dấu Loại File Độ dài File Thời gian mã hóa [s] Thời gian giải mã [s] 100 Kb 0.015 0.016 Ảnh 500 Kb 0.031 0.031 Mb 0.047 0.046 100 Kb 0.008 0.007 TEXT 500 Kb 0.036 0.037 Mb 0.048 0.053 Từ kết ta dễ dàng nhận thấy thời gian mã hóa giải mã tệp thơng tin cần che giấu hồn tồn khơng ảnh hưởng đến trình ẩn mã mà làm tăng độ an tồn cho thơng tin che giấu nâng cao hiệu hệ thống mà KẾT LUẬN Bài viết trình bày cách tiếp cận vấn đề ẩn mã máy tính, với kết hợp tượng mặt nạ tần số tín hiệu âm với biến đổi Fourier rời rạc, mang lại phương pháp hiệu hiệu che giấu thông tin vật chứa thông tin ẩn mã tín hiệu âm Cách tiếp cận dựa cách tìm dải phổ phổ vạch có khả che giấu thay đổi đưa vào phổ vạch tần số Giải pháp cho phép lựa chọn độc lập phổ vạch đoạn tín hiệu cho phép phân tán thơng tin che giấu đính kèm phổ tần số rộng, làm tăng độ khó khăn cho kẻ muốn gây thiệt hại có mục đích liệu che giấu - đặc biệt, tần số cải biến luôn nằm dải âm tần Bài viết trình bày giải pháp nâng cao hiệu che giấu thông tin âm phương pháp kết hợp mật mã ẩn mã thực hành mã hóa số tệp liệu cần che giấu khác nhau: text, hình ảnh… TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Agaian S S., Akopian D., Caglayan O., D’Souza S A.: “Lossless adaptive digital audio steganography” Proc IEEE Int Conf Signals, Systems and Computers, 2005, s 903÷906 [2] Bao P., Ma X.: “MP3-resistant music steganography based on dynamic range transform” IEEE Int Sym Intelligent Signal Proc and Communication Systems, 2004, s 266÷271 [3] Cvejic N., Seppanen T.: “Increasing robustness of LSB audio steganography using a novel embedding method” Proc IEEE Int Conf Info Tech Coding and Computing, Vol 2, 2004, s 533÷537 [4] Delforouzi A., Pooyan M.: “Adaptive Digital Audio Steganography Based on Integer Wavelet Transform” Circuits Syst Signal Process Vol 27, 2008, s 247÷259 [5] Gopalan K.: “Audio steganography by cepstrum modification Proc IEEE Int Conf Acous-tics”, Speech, and Signal Processing, Vol 5, 2005, s 481÷484 182 Lê Mạnh Hùng, “Về phương pháp nâng cao hiệu … thông tin âm thanh.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [6] G Kozieł.: “Zastosowanie transformaty Fouriera w steganografii sygnałów dźwiękowych” Studia Informatica 32 (2A), 2011, p541-552 [7] D Stinson, “Cryptography: Theory and Practice” CRC Press, LLC, 1995 [8] Mansour M., Tewfik A.: “Audio Watermarking by Time-Scale Modification” IEEE Interna-tional Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing - Proceedings 3, 2001, s 1353÷1356 ABSTRACT A METHOD OF ENHANCING THE PERFORMANCE FOR INFORMATION MASKING IN AUDIO In the article, the Fourier transformation application for hiding the information in audio and methods for enhancing the performance of information masking in audio by modified Fourier transform and the method of combining cryptography and steganography are presented Keywords: Steganography, Fourier transformation, Information protect, Cryptography Nhận ngày 10 tháng năm 2017 Hoàn thiện ngày 28 tháng năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 18 tháng năm 2017 Địa chỉ: Học viện Kỹ thuật Mật mã * Email : lehung1412@yahoo.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017 183 ... tần cao có lợi phương pháp lại Phương pháp MF cho phép đạt mức độ đề kháng tốt trước khả phá hủy thông tin che giấu, số lượng lỗi nhỏ nên hiệu chỉnh thuật tốn sửa sai NÂNG CAO HIỆU NĂNG CHE GIẤU... tăng cường hiệu Hình Sơ đồ giấu tin mật mơ hình kết hợp mật mã ẩn mã 180 Lê Mạnh Hùng, Về phương pháp nâng cao hiệu … thông tin âm thanh. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ bảo mật thông tin trước... số tín hiệu âm với biến đổi Fourier rời rạc, mang lại phương pháp hiệu hiệu che giấu thông tin vật chứa thơng tin ẩn mã tín hiệu âm Cách tiếp cận dựa cách tìm dải phổ phổ vạch có khả che giấu thay