Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin trong audio hỗ trợ xác thực

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 25 (2009) 69-74 Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin audio hỗ trợ xác thực Nguyễn Xuân Huy1, Huỳnh Bá Diệu 2,* Viện Công nghệ thông tin, Viện Khoa học Cơng nghệ Việt Nam, 18 Hồng Quốc Việt, Hà Nội, Việt Nam Khoa Công nghệ thông tin, Trường ðại học Công nghệ, ðHQGHN, 144 Xuân Thuỷ, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 26 tháng 12 năm 2008 Tóm tắt Bài báo trình bày kỹ thuật giấu tin mật liệu audio Do liệu chứa tin giấu truyền kênh cơng khai nên bị số cơng dẫn ñến thay ñổi liệu chứa Kết giải tin, ta nhận lại tin giấu bị sai ðiểm báo ñề xuất áp dụng kỹ thuật mã hóa nhằm mục đích phát sửa lỗi tin giấu sau giải tin Từ khóa: Dữ liệu chứa, mã Hamming Giới thiệu∗ việc tin giấu nhận M’ bị sai khác với tin giấu M ban đầu người nhận khơng biết có sai sử dụng tin sai M’ Trong số ứng dụng, việc sai sót mức cho phép đa số ứng dụng việc sai khơng chấp nhận gây hậu nghiêm trọng Kỹ thuật giấu tin ñược ñưa ñây cải tiến giúp cho người nhận tin hạn chế thấp khả nhận tin sai, biết ñược tin nhận M’ có bị sai khác với tin gốc M khơng đưa M’’ sửa lỗi M’ ðối tượng liệu chứa ñược chọn liệu audio Bảo mật liệu vấn ñề ñang ñược quan tâm Có hai khuynh hướng nghiên cứu triển khai mã hóa giấu thơng tin Mã hóa liệu thực việc biến đổi tin gốc M thành mã gửi cho bên nhận Bên nhận thực việc giải mã mã ñể lấy lại tin gốc Kỹ thuật giấu tin tiếp cận theo hướng khác, giấu tin vào “khe hở” liệu chứa C Dữ liệu chứa liệu audio, ảnh hay video Khe hở liệu ñược hiểu khoảng biến thiên giá trị liệu có ảnh hưởng ñến hệ thống tri giác người [1] Sau giấu tin xong, liệu chứa tin giấu C’ ñược truyền ñi cho bên nhận bên nhận giải tin ñể lấy lại tin giấu Trong qua trình truyền, đối tượng C’ chịu số công làm cho nội dung C’ bị thay ñổi Vì ñến người nhận, thay nhận C’ để giải tin họ nhận C” có nội dung sai khác với C’ ðiều dẫn ñến Một số kỹ thuật giấu tin audio Các kỹ thuật giấu tin audio dựa vào hệ thống thính giác người [1-3] Việc giấu tin audio thường khó liệu media khác hệ thống thính giác người nhạy với nhiễu Sau ñây số phương pháp giấu _ ∗ Tác giả liên hệ ðT.: 84-511-3827111(201) E-mail: dieuhb@gmail.com 69 70 N.X Huy, H.B Diệu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 69-74 2.1 Mã hóa LSB (Least Significant Bit) Phương pháp mã hóa LSB cách đơn giản để nhúng thơng tin vào liệu audio Phương pháp thay bít quan trọng (thường bít cuối) mẫu liệu bít thơng tin giấu Ví dụ mẫu bít sau: 1 1 Sau giấu bít sau: 1 Cả hai phương pháp LSB Parity có hạn chế Do tai người nhạy nên thay ñổi liệu chứa sinh nhiễu người nghe dễ nhận Một ñiểm hai phương pháp không bền vững thông tin bị sau thực việc lấy mẫu lại Một cách khắc phục thực việc giấu nhiều lần Tuy nhiên cách có hạn chế làm tăng thời gian xử lý 2.3 Mã hóa Phase (Phase Coding) 1 Hình Minh họa kỹ thuật giấu LSB Ưu ñiểm phương pháp dễ cài ñặt cho phép giấu liệu nhiều Có thể tăng thêm liệu giấu cách dùng hai bít LSB Tuy nhiên cách làm làm tăng nhiễu ñối tượng chứa dẫn ñến ñối phương dễ phát thực cơng Vì liệu chứa cần phải ñược chọn trước giấu sử dụng phương pháp mã hóa LSB ðể tăng ñộ an toàn cho kỹ thuật này, ta sử dụng sinh số nguyên ngẫu nhiên ñể sinh vị trí mẫu chọn giấu khơng phải mẫu liên tục Bộ sinh số sử dụng khóa bí mật key phần tử khởi tạo sinh số Khóa key sử dụng trình giấu tin giải tin Lưu ý sinh số không tạo giá trị trùng ñể tránh trường hợp vị trí giấu hai lần 2.2 Mã hóa Parity (Parity Coding) Thay chia liệu thành mẫu riêng lẻ, phương pháp mã hóa chẵn lẻ chia liệu thành nhóm mẫu giấu bit thơng tin vào nhóm mẫu Nếu parity bít nhóm mẫu khơng trùng với bit thơng tin giấu ta tiến hành điều chỉnh bít nhóm mẫu Phương pháp cho ta nhiều lựa chọn thay đổi bít “kín đáo” so với phương pháp điều chỉnh LSB Phương pháp mã hóa pha giải hạn chế sinh nhiễu hai phương pháp giấu liệu Phương pháp mã hóa pha dựa vào tính chất thành phần pha khơng gây ảnh hưởng đến hệ thống thính giác người nhiễu Việc giấu tin ñược thực cách ñiều chỉnh pha phổ pha liệu số[ 3] Dữ liệu gốc Dữ liệu sau giấu Hình Kỹ thuật mã hóa pha Q trình mã hóa pha chia thành bước sau: a Dữ liệu âm gốc ñược chia thành segment nhỏ có dài chiều dài chiều dài với thơng tin cần giấu b Thực biến đổi Fourier rời rạc DFT đoạn c Tính độ lệch pha ñoạn kề d Giá trị xác pha đoạn thay ñổi mối liên hệ khác pha segment liên tiếp phải ñược ñảm bảo, thơng tin giấu phép giấu vector pha ñoạn ñầu tiên Việc ñiều chỉnh pha đoạn đầu áp dụng dựa cơng thức sau: N.X Huy, H.B Diệu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 69-74 (1) e Ghép segment lại tiến hành DFT ngược ñể tạo lại liệu âm 71 tín hiệu trộn lẫn người nghe khó phân biệt hai tín hiệu Số lượng tin giấu có liên quan đến thời gian trễ tiếng vang biên độ nó[3] ðể nhận tin giấu kỹ thuật này, người nhận phải biết ñộ dài segment, sau ñó thực DFT ñể nhận tin Một yếu ñiểm phương pháp tỉ lệ liệu thấp thơng tin giấu vào segment Có thể cải thiện cách tăng ñộ dài segment Tuy nhiên cách làm cho tin giấu dễ phát Phương pháp mã hóa pha thích hợp cho việc giấu lượng nhỏ thơng tin ðộ lệch để giấu bit ðộ lệch ñể giấu bit 2.4 Kỹ thuật trải phổ Thông thường file audio ñược truyền qua kênh truyền thông, kênh truyền thông tập trung liệu audio vùng hẹp phổ tần số ñể trì lượng tiết kiệm băng thơng Các kỹ thuật trải phổ cố gắng trải thông tin mật vào phổ tần số liệu audio nhiều tốt Nó tương tự kỹ thuật LSB trải ngẫu nhiên thơng tin giấu tồn file audio Lợi ñiểm phương pháp trải phổ bền vững trước số cơng Tuy nhiên có hạn chế sinh nhiễu dễ nhận Hai phương pháp trải phổ sử dụng giấu tin audio DSSS (Direct Sequency Spread Spectrum) FHSS (Frenquency Hopped Spread Spectrum) 2.5 Kỹ thuật giấu dựa vào tiếng vang (Echo) Kỹ thuật giấu dựa vào tiếng vang thực giấu tin cách thêm vào tiếng vang tín hiệu gốc Dữ liệu nhúng giấu cách thay ñổi tham số tiếng vang : Biên ñộ ban ñầu, tỉ lệ phân rã độ trễ Khi thời gian tín hiệu gốc tiếng vang giảm xuống, hai Hình Kỹ thuật giấu điều chỉnh echo 2.6 Kỹ thuật mã hóa echo Bằng cách dùng thời gian trễ khác tín hiệu gốc tiếng vang ñể thể tương ứng giá trị nhị phân 0, theo cách liệu ñược giấu vào file audio ðể giấu nhiều bit, tín hiệu gốc chia thành ñoạn ngắn ñoạn sau ñó ñược tạo tiếng vang ñể giấu số bit mong muốn Dữ liệu chứa cuối bao gồm ñoạn ñược mã ñộc lập nối lại theo thứ tự chia ban ñầu Kỹ thuật giấu tin dựa vào tiếng vang hiệu file audio chất lượng cao Các file âm chưa làm giảm chất lượng q nhiều đoạn n lặng thường dùng kỹ thuật ñể giấu tin Một cách tiếp cận khác tiến hành mã hóa chuỗi bit theo cách giúp ta phát lỗi Thay giấu trực tiếp L bit vào ñối tượng chứa, ta biến ñổi chuỗi bit cách bổ sung số bit vào S nhằm mục đích kiểm tra lỗi 72 N.X Huy, H.B Diệu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 69-74 Các công hệ giấu tin Kỹ thuật ñề xuất kết ñạt ñược Dữ liệu chứa sau nhúng tin C’ chịu số cơng Các cơng làm sai lệch phần toàn tin giấu Sau loại số cơng[5] 4.1 Mã Hamming hỗ trợ xác thực 3.1 Lấy lại mẫu Tấn cơng làm thay đổi cấu trúc lưu trữ file liệu gốc Một mẫu liệu file ñược lưu lại số bit nhiều so với file gốc 3.2 Lọc thông Phương pháp chọn lại tần số liệu thỏa ñiều kiện nằm ngưỡng Các phương pháp giấu miền tần số bị ảnh hưởng chịu cơng loại Mã Hamming cơng bố năm 1950 Nguyên lý mã Hamming bắt nguồn từ việc khai triển mở rộng quan ñiểm chẵn lẻ Với nhóm bit liệu, mã Hamming thêm bit kiểm tra Thuật tốn (7,4) Hamming sửa chữa bit lỗi nào, phát tất lỗi bit, lỗi bit gây [6,7] ðiều có nghĩa tất phương tiện truyền thơng khơng có chùm lỗi đột phát (burst errors) xảy ra, mã (7,4) Hamming có hiệu (trừ phi phương tiện truyền thơng có độ nhiễu cao gây cho bit số bit truyền bị ñảo lộn) 3.3 Thêm nhiễu Tấn cơng thực cách thêm tín hiệu nhiễu vào liệu chứa, dẫn ñến giải tin người nhận nhận lại tin sai với tin giấu 3.4 Biến đổi D/A A/D Tấn cơng thực cách biến ñổi C’ từ dạng số sang dạng analog sau thực biến đổi từ analog sang lại số, kết ñược C’’ khác C’ Ngồi cịn cơng khác nén, lượng tử hóa v.v Các cơng hệ giấu tin làm cho tin giấu nhận ñược giải tin bị sai ðể kiểm chứng lại tin giấu có bị sai khơng giải tin, ta kết hợp kỹ thuật mã hóa cho phép phát sửa lỗi Kỹ thuật ñề xuất báo sử dụng mã Hamming để mã hóa tin giấu trước nhúng vào liệu chứa Hình Sơ đồ bit liệu bít kiểm tra mã Hamming Mã Hamming sử dụng hai ma trận, gọi ma trận sinh G ma trận kiểm tra H ðối với mã (7,4) ma trận G H sau: Chuỗi bit thơng tin u mã hóa cách nhân với ma trận sinh G, kết ñược từ mã v Từ mã v tính theo cơng thức: N.X Huy, H.B Diệu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 69-74 v = u*G (2) Nếu nhân v với H ñược ðây công thức ñể kiểm tra lỗi: v*H = (3) Ví dụ chuỗi bít thơng tin giấu u=1011 mã hóa thành từ mã v=0110011 ðể kiểm tra chuỗi bít r có độ dài n nhận có bị sai hay khơng, ta tiến hành nhân r với H Nếu kết khác r bị sai Ta viết r= v+e e vector lỗi Nếu e gồm có bit lỗi mã Hamming sửa Nếu e gồm lỗi mã Hamming phát lỗi khơng sửa Mã Hamming (7,4) mở rộng sang (8,4) cách thêm dịng bit chẵn lẻ dịng ma trận G thêm bít chẵn lẽ vào dòng cuối ma trận H 73 Chia M’ thành đoạn có độ dài 7, tiến hành nhân ñoạn với H Trường hợp 1: Nếu tồn kết nhân đoạn M’ với H cho kết kết luận khơng có cơng C’ thực trích bit liệu M’ ñể tạo tin giấu Trường hợp 2: Nếu trình nhân ñoạn M’ với H có ñoạn cho kết khác kết luận có cơng nhiễu ghi nhận cách sửa lỗi Trong trường hợp rút trích liệu từ M’ sau thực sửa lỗi tạo lại tin giấu (chưa chắn đúng, đề nghị gửi lại) Các kết thử nghiệm ñây sử dụng phần mềm WavePad để thực cơng Dữ liệu âm file WindowsLogOn.wav Chuỗi thông tin giấu “AAA” 4.2 Q trình giấu tin Bước 1: Mã hóa Chuỗi bit thơng tin chia thành đoạn có ñộ dài 4, tiến hành mã hóa cho ñoạn ta thu ñược chuỗi M’ Bước 2: Giấu tin ðọc header, trích phần liệu audio liệu chứa C, tùy thuộc vào kỹ thuật giấu tin ñược chọn, thực biến đổi từ miền thời gian sang miền tần số thực giấu tin trực tiếp miền thời gian Trong trình giấu có sử dụng khóa mật Ghi lại liệu sau ñã thực giấu tin, ta C’ Hình Dữ liệu gốc trước giấu tin (a) (b) Hình Dữ liệu sau giấu tin (a) thực công lọc thông cao (b) 4.3 Quá trình giải tin xác thực tin giấu Bước 1: Trích thơng tin Dựa vào khóa k, kỹ thuật giấu số bit giấu ñã ñược biết trước, ta tiến hành trích chuỗi bit từ liệu C’’, kết ta thu ñược M’ Bước 2: Xác thực Kết luận Kỹ thuật giấu tin ñề xuất ñã giải ñược phần vấn ñề xác thực tin giấu kỹ thuật giấu tin Các kết thử nghiệm cho thấy hầu hết công làm sai lệch tin 74 N.X Huy, H.B Diệu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Cơng nghệ 25 (2009) 69-74 giấu phát khả sửa lỗi thấp Có thể cải tiến cách sử dụng kỹ thuật mã hóa khác có khả phát sửa lỗi cao [4] [5] Tài liệu tham khảo Min Wu, Multimedia Data Hiding, Princeton University, USA, 2001 [2] Michael Arnold, Dr Christoph Busch, Watermarking of Audio, Music Scores and 3D Models, INI-GraphicsNet - Press & Media, 2003 [3] Chun-Shien Lu, Multimedia Security: Steganography and Digital Watermarking [1] [6] [7] Techniques for Protection of Intellectual Property, IDEA Group Publishing, 2005 Nedeljko Cvejic, Tapio Seppänen, Fusing Digital Audio Watermarking And Authentication In Diverse Signal Domains, EUSIPCO Proceedings, 2005 Min Wu, Scott A, Craver, Edward W Felten, Bede Liu, Analysis Of Attacks On Sdmi Audiowatermarks, Princeton University, USA, 2003 Shi-Cheng Liu, Shinfeng d Lin, BCH Code-Based Robust Audio Watermarking in the Cepstrum Domain, Journal of Information Sience and Engineering 22 (2006) 535 http://en.wikipedia.org/wiki/Hamming_code An approach of hiding data in audio support authentication Nguyen Xuan Huy1, Huynh Ba Dieu Institute of Infomation Technology, Vietnamese Academy of Science and Technology , 18 Hoang Quoc Viet, Hanoi, Vietnam Faculty of Information Technology, College of Technology, VNU, 144 Xuan Thuy, Hanoi, Vietnam This article presents an approach relate to hiding data in audio support authentication Because the host data is transmitted on the public channels should have been a number of the attacks, as a result, we may receive incorrect information in extract phase Our proposal lies on the encryption technology aimed at detecting and correct errors Keywords: Host data, Hamming code  ... số thực giấu tin trực tiếp miền thời gian Trong q trình giấu có sử dụng khóa mật Ghi lại liệu sau thực giấu tin, ta C’ Hình Dữ liệu gốc trước giấu tin (a) (b) Hình Dữ liệu sau giấu tin (a) thực. .. Bước 2: Xác thực Kết luận Kỹ thuật giấu tin ñề xuất ñã giải ñược phần vấn ñề xác thực tin giấu kỹ thuật giấu tin Các kết thử nghiệm cho thấy hầu hết công làm sai lệch tin 74 N.X Huy, H.B Diệu... dụng giấu tin audio DSSS (Direct Sequency Spread Spectrum) FHSS (Frenquency Hopped Spread Spectrum) 2.5 Kỹ thuật giấu dựa vào tiếng vang (Echo) Kỹ thuật giấu dựa vào tiếng vang thực giấu tin cách