Trên cơ sở phân tích các yêu tố ảnh hưởng đến tỷ số tín/tạp của tín hiệu nhúng, xây dựng mô hình, các thuật toán để nhúng tín hiệu phụ vào dữ liệu audio. Kết quả thử nghiệm cho thấy tỷ số tín/tạp của tín hiệu nhúng đã được cải thiện, từ đó giảm thiểu ảnh hưởng của tín hiệu phụ lên dữ liệu audio.
Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Một phương pháp nhúng tín hiệu vào liệu audio Vũ Văn Tâm Trường Đại học Kỹ thuật - Hậu cần CAND, Bộ Công an Bắc Ninh, Việt Nam Email: tamt36bca@gmail.com Phan Trọng Hanh Học Viện Kỹ thuật Quân sự, Bộ Quốc phòng Hà Nội, Việt Nam Email: tronghanhmai@yahoo.com Tóm tắt - Nhúng tín hiệu kỹ thuật lĩnh vực xử lý tín hiệu số Q trình nhúng tín hiệu phải thỏa mãn số yêu cầu liên quan, đặc biệt yêu cầu tỷ số tín/tạp phải mức cao [1], hay nói cách khác tín hiệu phụ nhúng phải ảnh hưởng đến tín hiệu chủ Trên sở phân tích yêu tố ảnh hưởng đến tỷ số tín/tạp tín hiệu nhúng, chúng tơi xây dựng mơ hình, thuật tốn để nhúng tín hiệu phụ vào liệu audio Kết thử nghiệm cho thấy tỷ số tín/tạp tín hiệu nhúng cải thiện, từ giảm thiểu ảnh hưởng tín hiệu phụ lên liệu audio hiệu phụ ( B ) đưa tới khối nhúng đây, B kết hợp với C theo cách thức qui định thuật toán nhúng hình thành tín hiệu nhúng (C ') C ' truyền, thu nhận lưu trữ theo cách thức hệ thống truyền dẫn vốn có Để tách B từ C ' , phía thu cần phải giải nhúng với quy trình ngược lại so với phía phát Tín hiệu phụ B Từ khóa - nhúng tín hiệu; LSB; tín hiệu phụ Nhúng I ĐẶT VẤN ĐỀ Khơng giống hệ thống nhúng (embeded systems), tín hiệu nhúng (embeded signals) thuật ngữ đề xuất nhà khoa học Mỹ [1] Tín hiệu nhúng dùng để loại tín hiệu chủ mang tín hiệu phụ, tín hiệu phụ khơng ảnh hưởng tới tính chất tín hiệu chủ tách thuật tốn đặc biệt Tiềm ứng dụng tín hiệu nhúng lớn như: Sử dụng để ghi dấu quyền tác phẩm điện tử âm thanh, hình ảnh, báo… sử dụng để truyền, lưu trữ tin mà không cần thêm đường truyền, vùng nhớ riêng biệt Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu tín hiệu nhúng, tín hiệu chủ liệu ảnh, video ; nhiên cơng trình nghiên cứu tín hiệu nhúng tín hiệu chủ âm cịn [2], [3], tín hiệu âm có đặc tính phép nhúng tín hiệu phụ vào, tín hiệu phụ dễ bị "lộ" thường có dung lượng thấp Nhằm mục đích nâng cao chất lượng tín hiệu nhúng, chúng tơi phân tích tham số tín hiệu nhúng, từ xây dựng mơ hình, xây dựng thuật tốn nhúng để giảm thiểu ảnh hưởng tín hiệu phụ lên liệu audio II CƠ SỞ TỐN HỌC Hình mơ tả q trình nhúng, giải nhúng theo phương pháp thơng thường [2], tín hiệu chủ ( C ) tín ISBN: 978-604-67-0349-5 Tín hiệu chủ C Giải nhúng C ' Tín hiệu nhúng C ' Truyền dẫn, lưu trữ Hình Sơ đồ khối mơ tả q trình nhúng, giải nhúng Giả sử khối nhúng sử dụng thuật toán nhúng miền thời gian LSB [2], [4], B gồm M byte liệu Bi C liệu audio gồm N mẫu âm C j M B Bi (1) i 1 N C C (2) j j N Khi đó: C ' C ' j (3) j 1 Để đảm bảo nhúng hết Bi : M N (4) - Lỗi nhúng e : Đối với mẫu C ' j , lỗi nhúng e j tính theo cơng thức sau: ej C 'j C j (5) Dẫn tới: | e j || C ' j C j | 490 Tín hiệu phụ B Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Sử dụng LSB nên: | e j || B j | ' (6) toán 1) Ở phía thu, thực tìm M mẫu C j có chứa tín hiệu phụ giải nhúng LSB [2] lấy M đoạn bit Bi (thuật toán 2), ghép M đoạn bit Bi để hình thành B (Hình 2) Dấu "=" ứng với trường hợp 08 bit LSB C j khác hoàn toàn với bit Bi nhúng tương ứng Chúng ta xét miền thời gian, nên đơn vị e điện áp (Von) Tín hiệu phụ B - Tỷ số tín/tạp : Tín hiệu chủ C Tín hiệu phụ B Để đơn giản tính tốn, coi N M H (số mẫu C số byte B ), C ' tỷ số tổng bình phương cơng suất C tổng bình phương cơng suất e H H | C j | | C j 1 j 1 H | e (7) H | B | j | j Chia B thành đoạn Bi | Đánh dấu M mẫu C j có giá trị lớn giá trị M Ghép Bi thành B Giải nhúng ' C j lấy Bi i j 1 i 1 Nhúng Bi vào C j đánh dấu Hay dạng Đề xi ben: H | C |2 H | C |2 j j j 1 j 1 ( dB ) 10 log10 H 10 log (8) 10 H 2 | ej | | Bi | j 1 i 1 Truyền dẫn, lưu trữ Thứ tự mẫu C j nhúng ngẫu nhiên, mẫu có giá trị lớn nhúng trước, sau đến mẫu có giá trị nhỏ liền kề với giá trị mẫu nhúng trước (Hình 3) H | e | phải nhỏ, nên e j phải nhỏ, B = kết hợp với (6), phải giảm số bit tín hiệu phụ nhúng vào C j (chia nhỏ Bi thành đoạn nhỏ trước Bi = j M Hình Sơ đồ mơ hình nhúng, giải nhúng Từ vế trái (8) nhận thấy để có lớn phải thỏa mãn hai điều kiện sau: - Điều kiện 1: Tìm mẫu nhúng 101000110101 j 1 nhúng) H tăng, tổng lỗi nhúng e không giảm, lỗi nhúng e j mẫu C j giảm 1010 0011 0101 C j = 00000001 01100100 10010110 00110010 H - Điều kiện 2: | C j | phải lớn, nên C j lớn, j 1 Hình Thứ tự nhúng tín hiệu với M=3 phải chọn C j có giá trị lớn để nhúng Điều hoàn toàn thực được, liệu audio thường có tần số lấy mẫu cao (từ 32KHz đến 48KHz), thời gian phát lớn (do truyền tin quảng bá) đồng thời tín hiệu phụ cần nhúng thường ngắn gọn, N M B Thuật toán 1) Thuật toán 1: III XÂY DỰNG MƠ HÌNH A Mơ hình Ở phía phát, B chia thành M đoạn nhỏ bit Bi , chọn M mẫu C j có giá trị lớn N mẫu C thực nhúng LSB [2] Bi vào C j (thuật ISBN: 978-604-67-0349-5 C ' j = 00000001 01100011 10011010 00110101 491 Private Sub nhung_Click() file1 tinhieuchu file2 tinhieunhung Open file1 ‘mở file chứa tín hiệu chủ C Open file2 ‘Mỏ file để ghi tín hiệu nhúng C’ For k 1,2 length(head for file1) ‘ghi phần head a data[k] for file1 data[k] to file2 a end for N somau for file1 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) gk For j 1,2 N ‘đọc mẫu, cho bit cuối =0 g g+1 C j data[g] for file1 end for ' BH (4 bit LSB for C find ) D find end for End Sub C j - (4 bit LSB=0000) Dj end for For H 1,2 M ‘tìm M mẫu lớn nhúng D0 IV THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ Tín hiệu chủ dùng thử nghiệm hát Love Story có tham số Hình Tín hiệu phụ cần nhúng ảnh xám có kích thước (300 300) Pixel Chương trình nhúng giải nhúng thực môi trường VisualBasic find For j 1,2 N if D j D0 then find j ' Kết thử nghiệm cho thấy: C không thay đổi so với C , e nhỏ (Hình 5), ảnh khơi phục có chất lượng tương đương với ảnh gốc (Hình 6) D0 D j end if end for C find D find BH (embeded LSB) D find end for For j 1,2 N ‘ghi mẫu vào file2 k k 1 data[k] to file2 C j end for close fiel1 ‘đóng file tín hiệu chủ C close file2 ‘đóng file tín hiệu nhúng C’ End Sub Hình Các tham số tín hiệu chủ (audio) thử nghiệm 2) Thuật tốn 2: Private Sub giai_nhung_Click() file1 tinhieunhung Open file1 ‘mở file tín hiệu nhung N somau for file1 ‘đọc mẫu audio s length(head for file1) ‘độ lớn phần head file For j 1,2 N ‘đọc mẫu s s+1 C ' Dj j data[s] for file1 C ' j - (4 bit LSB=0000) end for close fiel1 ‘đóng file tín hiệu nhúng For H 1,2 M ‘tìm M mẫu lớn giải nhúng D0 find For j 1,2 N if D j D0 then find j D0 D j Hình Dữ liệu audio trước nhúng, sau nhúng lỗi nhúng end if ISBN: 978-604-67-0349-5 492 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Quá trình nhúng thực từ mẫu C j có biên độ lớn nhất, đến đủ M số mẫu cần thiết dừng lại Do e phân bố rải rác toàn C ' (chất lượng âm mà cịn có ý nghĩa lĩnh vực nghiên cứu tín hiệu nhúng C ' suy giảm toàn C ' mà không tập trung đoạn phương pháp nhúng LSB thông thường) Đặc biệt e , thay đổi dung lượng B , C thay đổi Ngoài ra, thứ tự C j nhúng ngẫu nhiên giá trị M phụ thuộc vào B nên phía thu cần phải có M phía phát giải nhúng được, tín hiệu phụ bảo mật [1] TÀI LIỆU THAM KHẢO [2] [3] [4] [5] [6] Hình Ảnh xám trước nhúng sau giải nhúng V KẾT LUẬN Việc chia nhỏ byte tín hiệu phụ B lựa chọn mẫu tín hiệu chủ C j có biên độ lớn để nhúng phương pháp tiếp cận lĩnh vực nhúng tín hiệu vào liệu audio Trên sở phân tích yếu tố ảnh hưởng đến lỗi nhúng e tỷ số tín/tạp chúng tơi xây dựng mơ hình, thuật toán nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu nhúng Qua thử nghiệm mơ hình với tín hiệu chủ âm thanh, tín hiệu phụ dạng ảnh xám cho thấy e cải thiện rõ rệt, đặc biệt ứng dụng lĩnh vực truyền tin quảng bá, C lớn e giảm nhỏ từ đạt giá trị lớn Ngoài ra, phương pháp cịn cho phép bảo mật nội dung tín hiệu phụ nhúng Kết nghiên cứu giá trị mặt ứng dụng, ISBN: 978-604-67-0349-5 493 Poulami Dutta, Debnath Bhattacharyya, and Tai-hoon Kim, “Data Hiding in Audio Signal”, International Journal of Database Theory and Application Vol 2, No 2, June 2009 Prof Samir Kumar, BandyopadhyayBarnali, Gupta Banik, “LSB Modification and Phase Encoding Technique of Audio Steganography Revisited”, International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering Vol 1, Issue 4, June 2012 Kriti Saroha, Pradeep Kumar Singh, “A Variant of LSB Steganography for Hiding Images in Audio”, International Journal of Computer Applications (0975 – 8887) volume 11– No.6, December 2010 Randa A.Al-Dallah, Aseel M.Al-Anani, Rola I Al-Khalid, Samah A Massadeh, “An Efficient technique for data hiding in audio Signals”, American Academic & Scholarly Research Journal Special Issue Vol 4, No 5, Sept 2012 F.Siebenhaar, C Neubauer, R Bauml, and J Herre, “New High Data Rate Audio Watermarking based on SCS (Scalar Costa Scheme)”, in 113th Convention of the AES, Los Angeles, USA, October 5-8 2002 Mrs.Namita Verma Mr.Vinay Kumar Jain, “Audio Steganography – A Review”, International Journal of Advanced Research in Electronics and Communication Engineering (IJARECE) Volume 2, Issue 1, January 2013 DANH SÁCH TÁC GIẢ A Hà Quốc Lê Tuấn Nguyễn Thúy Lê Ngọc Anh Anh Anh Ánh 445 343, 348 379 266 B Võ Nguyễn Quốc Bảo Hà Đắc Nguyễn Quốc Phạm Bá Bình Bình Bình 1, 227, 238, 249, 304, 358 175, 233, 244 16 426 C Trần Văn Đào Ngọc Tăng Tấn Bùi Đức Nguyễn Đình Đồn Hữu Phạm Thành Hồng Mạnh Lê Quốc Nguyễn Mạnh Cảnh Chiến Chiến Chinh Chinh Chức Công Cường Cường Cường 201 470 119, 180 85 133 65 311 304 323 D Lương Vinh Quốc TrinhQuang Nguyễn Văn Trần Trung Nguyễn Lê Mai Chu Tiến Cù Tiến Lưu Hồng Trần Đức Bạch Gia Bùi Đức Phùng Mạnh Danh Duc Duẫn Duy Duyên Dũng Dũng Dũng Dũng Dương Dương Dương 165 79 106, 125 238, 249 36 227 323 112 175, 233 209 412 384 Đ Trần Văn Phan Ngọc Nguyễn Quốc Đại Điệp Định Bùi An Giang Minh Nguyễn Minh Đông Đức Đức 482 482 70, 75, 185, 294, 402, 445 32 348 65 494 Nguyễn Minh Phan Trọng Đức Đức 317 75, 185, 294 G Nguyễn Hồng Trương Vũ Bằng Giang Giang 190 H Phan Trọng Nguyễn Thị Bích Nguyễn Vĩnh Thân Thị Trần Thái Võ Xung Nguyễn Anh Vĩnh Nguyễn Văn Trần Thị Thanh Vũ Vũ Duy Nguyễn Thanh Vũ Thị Vũ Thanh Phạm Thanh Vũ Đức Bùi Duy Nguyễn Minh Tạ Chí Trần Văn Nơng Thị Nguyễn Quang Phạm Khắc ChuDuc Nguyễn Đức Nguyễn Huy Nguyễn Minh Quách Công Trần Thuận Trần Văn Đào Quang Ngơ Hồng Trần Quang Lê Đức Lê Tấn Nguyễn Kiêm Nguyễn Lê Nguyễn Ngọc Hanh Hạnh Hạnh Hạnh Hà Hà Hào Hào Hải Hải Hải Hải Hằng Hằng Hiền Hiệp Hiệp Hiếu Hiếu Hiếu Hiếu Hoa Hoan Hoan Hoang Hoàng Hoàng Hoàng Hoàng Hoàng Hội Huân Huy Huy Hùng Hùng Hùng Hùng Hùng 490 36 450 180 180 106 221, 337 180 137 137 153, 311, 317 407 185 459 285 23 391 254 354 238 95 137 119 79, 323 358 285, 402 374 384 384 209 317 432 85 397 337 40, 391 100 Nguyễn Quốc Phạm Mạnh Trần Công Nguyễn Tùng Nguyễn Xuân Phạm Việt Đặng Phan Thu Nguyễn Lê Hoài Trần Thị Hùng Hùng Hùng Hưng Hưng Hưng Hương Hương Hương 137 153, 311, 317 343 106, 125 95 201 379 36 407 K Hà Hoàng Nguyễn Trương Nguyễn Văn Hoàng Quang Đặng Nam Nguyễn Duy Lê Hồng Phạm Duy Đặng Lê Nguyễn Hữu NguyenPhan Đào Trung Huỳnh Như Kha Khang Khang Khải Khánh Khánh Khiêm Khiêm Khoa Khương Kien Kiên Kiên 374, 416 54, 171 201, 311 90 391 59, 165, 215 221 304 54, 171 274 79, 323 147 279 L Lê Thị Đào Duy Đàm Quang NguyenThanh Trần Văn Vũ Đình Bùi Tấn Lê Văn Vũ Thành Tống Văn Lan Liêm Linh Linh Líc Long Lộc Lợi Luân Luyên M Lê Thị Phương Nguyễn Ngọc Mai Mai N Hoàng Văn Lê Hải Nguyễn Tất Trần Xuân Trần Đức Đỗ Nguyên Phạm Xuân Phạm Phúc Phạm Thị Đan Nguyễn Đình Minh Nam Nam Nam Nam Nghĩa Nghĩa Nghĩa Ngọc Ngọc Nhật 147 366 260 79 158 85 470 266 215, 465 190 450 391 137 426 16 7, 23, 298 90 329 422 153 238, 249 279 495 Nguyễn Minh Nguyễn Lương Nhật Nhật 458 227, 366 P Nguyễn Hùng Nguyễn Hữu Phan Hải Đỗ Văn Võ Thị Lưu Trần Tiến Phong Phong Phong Phương Phương Phức 90 358 48 106 348 337 Q Nguyễn Trúc Quyên 348 S Nguyễn Trần Phan Thanh Nguyễn Chí Sơn Sơn Sỹ 397 112 374 T Nguyễn Đăng Nhật Nguyễn Xuân Vũ Văn Lưu Hồng Trần Đức Trương Ngọc Ngơ Diên Từ Lâm Đoàn Thị Thanh Hoàng Thị Phương Lê Văn Nguyễn Như Đỗ Thế Trần Khải Huỳnh Quốc Vũ Văn Nguyễn Văn Mai Anh Võ Tấn Nguyễn Đức Phạm Thị Thanh Hồng Đình Tâm Tâm Tâm Tân Tân Tân Tập Thanh Thảo Thảo Thái Thắng Thiện Thiện Thịnh Thỏa Thọ Thơ Thơng Thuận Thủy Thun Huỳnh Trọng Nguyễn Văn Hồng Trọng Nguyễn Thị Minh Trần Khải Cát Hoàng Phạm Minh Đỗ Quốc Võ Thanh Thưa Thương Thức Thy Tiên Trang Triển Trinh Trí 397 329 490 416 85, 90 59, 215, 465 477 238, 249 426 59, 465 119 285 358 458 32 194 36, 244 458 221 153 147 70, 75, 294, 402 343 477 260 366 458 254 385 445 397 Hoàng Quang Lại Hữu Phương Lê Trọng Nguyễn Hữu Nguyễn Linh Nguyễn Tu Trần Hữu Trần Ngọc Nguyễn Nhật Nguyễn Thế Bùi Trọng Trung Trung Trung Trung Trung Trung Trung Trung Trường Truyện Tú Dương Thị Thanh Nguyễn Thanh Trần Xuân Phạm Đình Dương Văn Huỳnh Văn Nguyễn Anh Nguyễn Lương Anh Phạm Văn Tú Tú Tú Tuân Tuấn Tuấn Tuấn Tuấn Tuấn Trần Minh Văn Phú Huỳnh Hữu Nguyễn Bá Vũ Sơn Nguyễn Duy Lê Văn Trương Phong Tuấn Tuấn Tuệ Tuệ Tùng Tùng Tươi Tuyên V Bùi Nguyễn Đình Đặng Anh Hồng Văn Nguyễn Thế Đinh Đức Anh Hồ Anh Lê Quốc Văn Văn Việt Việt Vinh Vũ Vũ Vượng Y Vũ Văn Phạm Thị Ngọc Trần Thị Bảo Yêm Yến Yến 298 317 70, 402 65, 379 90 194, 432 133 450 439 32, 100, 260, 397 465 54, 171 48, 391 384 100 54, 171 422 274 158, 266, 279, 329, 482 482 233 133, 358 158 65 153 165 165 329 137 384 112 439 260 100 290 59, 215, 465 147 343 496 KỶ YẾU HỘI THẢO QUỐC GIA 2014 VỀ ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG VÀ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Chịu trách nhiệm xuất bản: Biên tập: Trình bày bìa: PHẠM NGỌC KHÔI NGUYỄN TIẾN HÙNG ĐẶNG NGUYÊN VŨ NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 70 Trần Hưng Đạo - Hoàn Kiếm - Hà Nội ĐT: 04 3942 2443 Fax: 04 3822 0658 Website: http://www.nxbkhkt.com.vn Email: nxbkhkt@hn.vnn.vn CHI NHÁNH NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 28 Đồng Khởi - Quận - TP Hồ Chí Minh ĐT: 08 3822 5062 In 150 bản, khổ 19 x 27 cm, Xưởng in - Trường Đại học Thông tin liên lạc Đăng ký xuất số: 1672-2014/CXB/3-104/KHKT Quyết định xuất số: 117/QĐXB-NXBKHKT, ngày 21/8/2014 In xong nộp lưu chiểu quý III năm 2014 ... tín hiệu chủ C j có biên độ lớn để nhúng phương pháp tiếp cận lĩnh vực nhúng tín hiệu vào liệu audio Trên sở phân tích yếu tố ảnh hưởng đến lỗi nhúng e tỷ số tín/ tạp chúng tơi xây dựng mơ hình,... fiel1 ‘đóng file tín hiệu nhúng For H 1,2 M ‘tìm M mẫu lớn giải nhúng D0 find For j 1,2 N if D j D0 then find j D0 D j Hình Dữ liệu audio trước nhúng, sau nhúng lỗi nhúng end if ISBN:... phát giải nhúng được, tín hiệu phụ bảo mật [1] TÀI LIỆU THAM KHẢO [2] [3] [4] [5] [6] Hình Ảnh xám trước nhúng sau giải nhúng V KẾT LUẬN Việc chia nhỏ byte tín hiệu phụ B lựa chọn mẫu tín hiệu chủ