Thông tin tài liệu
Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Bùi Thị Xuân Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập rèn luyện trƣờng đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông - Đại học Thái Nguyên, em nhận đƣợc dạy bảo ân cần thầy cô giáo, em tiếp thu đƣợc kiến thức nghề nghiệp nhƣ đạo đức, tƣ cách ngƣời cán khoa học kỹ thuật, giúp em có lịng tin vững bƣớc sống công tác Để hoàn thành đƣợc luận văn tốt nghiệp này, cố gắng thân, em nhận đƣợc hƣớng dẫn tỉ mỉ, bảo tận tình thầy giáo Nguyễn Văn Tảo Qua đây, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Ban lãnh đạo trƣờng đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông, thầy cô viện Công nghệ thông tin thầy dạy bảo, dìu dắt em suốt trình học tập trƣờng Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Nguyễn Văn Tảo, ngƣời thầy giúp đỡ, động viên, tin tƣởng trực tiếp hƣớng dẫn em hoàn thành luận văn Cuối em xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè động viên giúp đỡ em trình làm luận văn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .1 LỜI CẢM ƠN .2 MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH CÁC BẢNG LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 11 1.1 GIẤU TIN .11 1.1.1 Định nghĩa 11 1.1.2 Các đối tƣợng 11 1.1.3 Mơ hình tổng qt tốn 11 1.1.4 Các yêu cầu toán giấu tin 12 1.1.5 Phân loại 13 1.2 THỦY VÂN SỐ 15 1.2.1 Định nghĩa 15 1.2.2 Phân loại 16 1.2.3 Các yêu cầu toán watermarking 19 1.2.4 Ứng dụng watermarking 20 1.3 GIẤU TIN TRONG ÂM THANH 20 1.3.1 Giới thiệu 20 1.3.2 Phân loại 21 1.3.3 Nhóm phƣơng pháp giao thoa tín hiệu gốc 21 1.3.4 Nhóm phƣơng pháp khơng giao thoa tín hiệu gốc 22 CHƢƠNG 29 XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ ỨNG DỤNG GIẤU TIN TRONG ÂM THANH 29 2.1 XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ 29 2.1.1 Tín hiệu .29 2.1.2 Nhiễu 29 2.1.3 Phân loại tín hiệu 30 2.1.4 Lấy mẫu khơi phục tín hiệu 31 2.1.5 Phân tích Fourier 33 2.2 LÝ THUYẾT TRẢI PHỔ .36 2.2.1 Giới thiệu chung .36 2.2.2 Mơ hình 37 2.2.3 Phân tích mơ hình .38 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” 2.2.4 Đặc điểm trải phổ .38 2.2.5 Tƣơng quan tự tƣơng quan 38 2.2.6 Mật độ công suất phổ .39 2.3 CHUỖI GIẢ NGẪU NHIÊN 40 2.3.1 Giới thiệu 40 2.3.2 Hàm tự tƣơng quan chuỗi Pn 44 2.3.3 Một số thuộc tính quan trọng chuỗi m .44 2.4 ĐIỀU CHẾ SỐ DỊCH PHA BPSK 45 2.4.1 Điều chế BPSK (Binary Phase Shift Keying) 45 2.4.2 Phổ tín hiệu BPSK .46 2.4.3 Mạch giải điều chế BPSK 47 2.5 CÁC HỆ THỐNG TRẢI CHUỖI TRỰC TIẾP .47 2.5.1 Điều chế số dịch hai pha trực tiếp (DS/BPSK) khơng mã hóa 47 2.5.2 Điều chế số dịch hai pha trực tiếp (DS/BPSK) mã hóa 50 CHƢƠNG WATERMARKING TRÊN ÂM THANH BẰNG PHƢƠNG PHÁP TRẢI PHỔ KẾT HỢP MƠ HÌNH THÍNH GIÁC 54 3.1 Giới thiệu 54 3.2 Mơ hình thính giác 54 3.2.1 Giới thiệu 54 3.2.2 Hệ số ngụy trang tần số đồng tỉ lệ Bark 55 3.2.3 Công suất phổ 58 3.2.4 Hàm trải phổ Basilar Membrane [17] 58 3.2.5 Ƣớc lƣợng ngƣỡng ngụy trang 60 3.2.6 Độ đo phổ cân (SFM) hệ số âm điệu α .60 3.2.7 Sử dụng ngƣỡng ngụy trang làm trơn nhiễu 62 3.3 Quá trình tạo nhúng Watermark 63 3.3.1 Sơ đồ chung 63 3.3.2 Mô hình tạo Watermark 63 3.3.3 Chọn tham số cho mơ hình trải phổ 66 3.3.4 Phân đoạn thành frame .68 3.3.5 Cửa sổ tín hiệu 69 3.3.6 Thể dƣới dạng tần số 70 3.3.7 Hàm trải – hàm trải bên dƣới 71 3.3.8 Xây dựng ngƣỡng ngụy trang 72 3.3.9 Hình thành phổ watermark .73 3.3.10 Kết hợp tín hiệu watermark tín hiệu audio 74 3.3.11 Chuyển đổi sang miền thời gian 75 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” 3.4 Q trình rút trích 75 3.4.1 Giới thiệu 75 3.4.2 Định ngƣỡng ngụy trang thông tin dƣ thừa 76 3.4.3 Lƣợng tử hóa thành phần thông tin dƣ thừa .76 3.4.4 Biến đổi thông tin dƣ thừa miền thời gian 77 3.4.5 Đồng hóa với header watermark 77 3.4.6 Tạo tín hiệu header(t) .77 3.4.7 Dị tìm vị trí header(t) .77 3.4.8 Giải trải tín hiệu watermark 78 3.4.9 DeInterleaver tín hiệu watermark giải mã 79 3.5 So sánh đánh giá kết 79 3.5.1 Kiểm tra tính suốt 80 3.5.2 Kiểm tra tính bền vững .80 KẾT LUẬN .82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Mơ hình q trình nhúng 11 Hình 1.2: Mơ hình q trình trích .12 Hình 1.3: Phân loại giấu tin theo De Vleeschouwer 13 Hình 1.4: Phân loại theo B.Pflizmann 14 Hình 1.5: Phân loại watermarking theo B.Pflizmann 16 Hình 1.6: Phân loại watermarking theo khả chống công 18 Hình 1.7: Phân loại theo đặc tính rút trích 18 Hình 1.8: Mơ hình rút trích NonBlind watermarking .19 Hình 1.9: Mơ hình rút trích SemiBlind watermarking 19 Hình 1.10: Mơ hình rút trích Blind watermarking .19 Hình 1.11: Phân loại dựa cần thiết khóa 19 Hình 1.12: Phân loại watermarking âm 21 Hình 1.13: Ý tƣởng phƣơng pháp trải phổ truyền thống .23 Hình 1.15: Tiền xử lý tín hiệu âm 24 Hình 2.1: Minh họa dạng sóng tín hiệu 29 Hình 2.2: Biểu diễn tín hiệu theo tọa độ cực 31 Hình 2.3: Mơ hình lấy mẫu 31 Hình 2.4: Lấy mẫu tín hiệu với chu kỳ khác 32 Hình 2.5: Hệ thống lấy mẫu mức tiêu hủy 33 Hình 2.6: Mơ hình hệ thống thơng tin trải phổ 37 Hình 2.7: Mạch ghi dịch để tạo chuỗi PN .41 Hình 2.8 Bộ tạo mã với đa thức g(x) = x5+ x4+ x3+ x +1 42 Hình 2.9 Mạch ghi tốc độ cao 43 Hình 2.10: Mạch ghi tốc độ cao g(x) = x5 + x4 + x2 + x + 44 Hình 2.11: Đồ thị G(f) GBPSK 46 Hình 2.12: Mạch giải điều chế BPSK .47 Hình 2.13: Phổ tín hiệu BPSK 48 Hình 2.14: Tín hiệu trải phổ 49 Hình 2.15: Mạch điều chế BPSK 49 Hình 2.16: Mạch điều chế BPSK cải tiến 50 Hình 2.17: Bộ điều biến BPSK 50 Hình 2.18: hệ thống lặp mã DS/BPSK 51 Hình 3.1: Mơ hình giả lập hệ thính giác ngƣời 55 Hình 3.2(a): Đƣờng cong ngƣỡng ngụy trang .56 Hình 3.2(b): Đƣờng cong ngƣỡng ngụy trang .56 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” Hình 3.3: Đƣờng cong ngƣỡng ngụy trang theo đơn vị Barks .57 Hình 3.4: Hàm trải 60 Hình 3.5: Tổng hợp thuật toán tạo nhúng watermark .63 Hình 3.6: Tổng hợp trình tạo ngƣỡng chuẩn hóa 63 Hình 3.7: Hệ thống tạo watermark .64 Hình 3.8: Các tham số hệ thống baseband 66 Hình 3.9: Các tham số hệ thống passband 66 Hình 3.10: Hệ thống passband với tần số giới hạn LF HF 67 Hình 3.11: Biểu diễn tín hiệu 68 Hình 3.12: Các đoạn audio watermark 69 Hình 3.13: Tín hiệu s(t) trƣớc sau qua cửa sổ Hamming 70 Hình 3.14: Biểu diễn độ lớn Sp(jω) lƣợng Spz(z) 71 Hình 3.15: Năng lƣợng critical band Spz(z) .71 Hình 3.16: Hàm trải B(z) 72 Hình 3.17: Năng lƣợng trải critical band Sm(z) 72 Hình 3.18: Ngƣỡng ngụy trang thô Traw(z) ngƣỡng ngụy trang chuẩn hóa Tnorm(z) 73 Hình 3.19: Cơng suất phổ tín hiệu Swnew(jω) với ngƣỡng ngụy trang cuối .74 Hình 3.20: Cơng suất phổ tín hiệu Xfinal(jω) với ngƣỡng ngụy trang cuối 75 Hình 3.21: Cơng suất phổ tín hiệu OUT(jω) với ngƣỡng ngụy trang cuối 75 Hình 3.22: Sóng det(t) 78 Hình 3.23: Sơ đồ giải trải tín hiệu watermark 78 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1: Phân tích đoạn chạy tín hiệu PN .45 Bảng 3.1: Các giá trị critical band .58 Bảng 3.2: Ma trận Interleaver 65 Bảng 3.3: Bảng mô tả liệu thử nghiệm 80 Bảng 3.4: Kết rút trích chƣa bị cơng 80 Bảng 3.5: So sánh kết rút trích sau bị cơng 81 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” LỜI NÓI ĐẦU Đặt vấn đề Sự phát triển mạnh mẽ Internet với cách mạng công nghệ thông tin đem lại bƣớc phát triển vƣợt bậc xã hội, dần vào đời sống nhƣ nhu cầu thiết yếu Truyền thông băng tần rộng với định dạng liệu số phong phú mở nhiều hội không thách thức Các thiết bị số ngày đại giá thành rẻ, cho phép ngƣời dùng dễ dàng tạo, chỉnh sửa hay trao đổi liệu đa truyền thơng Bên cạnh tác động tích cực, phủ nhận mặt tiêu cực nảy sinh thực tế: giả mạo, sử dụng tác phẩm không quyền, ăn cắp tác phẩm Các thao tác đƣợc thực dễ dàng dạng liệu đa truyền thông số thông qua thiết bị số Trƣớc tình trạng giấu tin liệu số đời nhƣ giải pháp hạn chế nguy Cơ chế hoạt động phƣơng pháp nhúng liệu số mang thông tin quyền sở hữu vào tín hiệu gốc, cho cảm nhận thấy thay đổi tín hiệu gốc Qua tìm hiểu đƣợc giáo viên hƣớng dẫn định hƣớng em lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” nhằm nghiên cứu, tìm hiểu, đánh giá số kỹ thuật có lĩnh vực giấu tin Trên sở tiến hành xây dựng ứng dụng thử nghiệm Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Các thuật toán giấu tin - Cấu trúc file âm - Các kỹ thuật giấu tin file âm chuẩn (*.wav) Hƣớng nghiên cứu đề tài - Tìm hiểu xây dựng kỹ thuật xử lý liệu file âm - Xây dựng quy trình giấu tách tin file âm - Thử nghiệm, đánh giá kết Những nội dung nghiên cứu - Tìm hiểu khái niệm giấu tin mơ hình phân loại cho toán giấu tin - Xác định yêu cầu tốn giấu tin - Tìm hiểu cấu trúc file âm thanh, kỹ thuật đọc, ghi liệu file âm - Nghiên cứu số thuật toán giấu tin, đặc điểm hệ thống thính giác từ xây dựng thuật toán giấu tin âm - Cài đặt thử nghiệm, đánh giá kết Nội dung luận văn bao gồm chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan giấu tin Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” Chƣơng 2: Xử lý tín hiệu số ứng dụng giấu tin âm Chƣơng 3: Watermarking âm phƣơng pháp trải phổ kết hợp mơ hình thính giác Phƣơng pháp nghiên cứu - Đọc tài liệu liên quan định dạng file âm thanh, giấu tin - Nghiên cứu, phát triển thuật toán giấu tin âm sử dụng trải phổ kết hợp đặc điểm hệ thống thính giác - Phân tích so sánh kết thực nghiệm với kết công bố nhằm đánh giá ý nghĩa thuật toán xây dựng Ý nghĩa khoa học đề tài - Góp phần làm phong phú thêm nhóm phƣơng pháp giấu tin file âm - Số liệu thử nghiệm sử dụng để so sánh đánh giá với phƣơng pháp khác lĩnh vực Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” 1 w(n) 0 | n | N / | n | N / 3.3.6 Thể dƣới dạng tần số Phép biến đổi Fourier nhanh (SFFT) đƣợc sử dụng cho mục đích biến đổi tín hiệu thể dƣới dạng tần số Trƣớc thực SFFT, ta phải xử lý hai tín hiệu đầu vào cửa sổ Hamming nhằm làm giảm mát Nếu s(t) tín hiệu âm thanh, x(t) tín hiệu watermark, ta có: swt(t)=s(t)w(t) xwt(t)=x(t)w(t) Trong cửa sổ đƣợc định nghĩa nhƣ sau: w(n) = 0.54 + 0.46 cos(2nΠ/BLOCK) Với: n = , , BLOCK w(t)= w(nT), với T chu kỳ lấy mẫu Hình 3.13: Tín hiệu s(t) trước sau qua cửa sổ Hamming Áp dụng phép biến đổi Fourier cho khung tín hiệu âm sw(t) watermark xw(t): sw(jω) = FT{sw(t)} xw(jω) = FT{xw(t)} Công suất phổ đƣợc xác định nhƣ sau: Sp(jω) = |sw(jω)|2 Các số thể dƣới dạng tần số đƣợc ánh xạ sang tỉ lệ Bark Sau ánh xạ, việc biểu diễn critical band đơn giản thực ánh xạ thành phần Thành phần có số i tần số tƣơng ứng liên hệ thông qua công thức: fi=(i-1)*FS/BLOCK, với i = 1, 2, BLOCK/2 Trong FS tần số lấy mẫu Mối liên hệ tần số fi hệ số Bark thứ i: zi = 13arctan (0.76* fi/1000) + 3.5arctan((fi/7500)2) Năng lƣợng băng tần: Spz(z) = Σ Sp(jω) Tổng tần số từ LBZ - HBZ critcal band z Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” Với z = 1, 2, …, Zt Zt tổng số critical band frame Hình sau biểu diễn độ lớn Sw(jω) tín hiệu theo miền tần số lƣợng phổ Spz(z) Độ lớn Tần số (Hz) Hình 3.14: Biểu diễn độ lớn Sp(jω) lượng Spz(z) 3.3.7 Hàm trải – hàm trải bên dƣới Hàm trải có nhiệm vụ xác định lƣợng critical band dùng để phân phối cho băng tần lân cận Hàm trải B(z) đƣợc tính nhƣ sau: Bk = 15.81 + 7.5(k + 0.474) -17.5sqrt(1 + ( k + 0.474)2) Với k = …, -2, -1, 0, 1, 2, … Việc trải băng tần đƣợc thực dựa hàm trải B(z) lƣợng critical band Spz(z): Sm(z)=Spz(z)*B(z) Hình 3.15: Năng lượng critical band Spz(z) Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” Hình 3.16: Hàm trải B(z) Hình 3.17: Năng lượng trải critical band Sm(z) 3.3.8 Xây dựng ngƣỡng ngụy trang Độ phẳng phổ SFM khung tín hiệu audio Sw(jω) đƣợc tính nhƣ sau: SFM dB Zt Spz( z ) 10 log10 z 1Zt Spz( z ) Z t z 1 Zt Hệ số âm thanh: α = min(SFMdB/SFMdBmax, 1) Với SFMdBmax = - 60dB Năng lƣợng dùng để che đoạn O(z) = α(14.5 + z)+(1 – α)5.5 Ngƣỡng ngụy trang thơ đƣợc tính nhƣ sau: O( z) log10 ( Sm ( z )) 10 Traw( z ) 10 Ngƣỡng ngụy trang chuẩn hóa: Tnorm(z) = Traw(z)/Pz Pz số lƣợng điểm băng tần Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” Để tính ngƣỡng ngụy trang cuối T, ta tính ngƣỡng nghe (ngƣỡng im lặng) TH theo công thức: TH = max(Pp(jω)) Trong đó: Pp(jω) cơng suất phổ tín hiệu khảo sát p(t) p(t) = sin(2Π 4000t) Tần số tín hiệu khảo sát 4000Hz Và ngƣỡng ngụy trang cuối là: T(z) = max(Tnorm(z), TH) Với z = 1, 2, 3, …, Zt Hình vẽ sau minh họa việc lấy ngƣỡng thơ ngƣỡng chuẩn hóa Hình 3.18: Ngưỡng ngụy trang thơ Traw(z) ngưỡng ngụy trang chuẩn hóa Tnorm(z) 3.3.9 Hình thành phổ watermark Ngƣỡng ngụy trang cuối T đƣợc dùng để định loại bỏ thành phần tín hiệu âm mà khơng ảnh hƣởng tới chất lƣợng âm tín hiệu Vì ngƣỡng T ngƣỡng nhỏ mà hệ thính giác ngƣời cảm nhận nên thành phần nằm dƣới, tức có cơng suất phổ nhỏ T bị loại bỏ Cuối khung hình thành với thành phần có cơng suất phổ lớn T đƣợc gọi Swnew(jω), đƣợc xác định nhƣ sau: Sw ( j ) Spi ( j ) T ( z ) Swnewi ( j ) i Spi ( j ) T ( z ) 0 Trong đó: i = 1, 2, … số thành phần, ω, z thông số tƣơng ứng với thành phần thứ i Tiếp theo ta gỡ bỏ thành phần khơng cần thiết tín hiệu Watermark Ngƣợc với tín hiệu âm thanh, ta giữ lại thành phần có cơng suất phổ nhỏ ngƣỡng T Gọi Xwnew(jω) tín hiệu hình thành Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” Xw ( j ) Xpi ( j ) T ( z ) Xwnewi ( j ) i Xpi ( j ) T ( z ) 0 Khi đó, hệ số tạo watermark Xwnew(jω) đƣợc xác định Fz A T ( j ) max( Xwnew( j ) ) Trong đó: z = , , , Zt ω: tần số xác định khoảng từ LBZ tới HBZ critical band Trên critial band có giá trị A riêng, giá trị ảnh hƣởng tới hệ số Fz Nghĩa ảnh hƣởng đến độ lớn tín hiệu watermark q trình kết hợp với tín hiệu âm Khi khung tín hiệu watermark cuối cùng: Xfinal(jω) = Xwnew(jω)Fz 3.3.10 Kết hợp tín hiệu watermark tín hiệu audio Tín hiệu thu đƣợc cuối OUT(jω) tổng hợp khung tín hiệu audio Swnew(jω) tín hiệu watermark sau Xfinal(jω) OUT(jω) = Swnew(jω) + Xfinal(jω) Hình 3.19: Cơng suất phổ tín hiệu Swnew(jω) với ngưỡng ngụy trang cuối Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” Hình 3.20: Cơng suất phổ tín hiệu Xfinal(jω) với ngưỡng ngụy trang cuối Hình 3.21: Cơng suất phổ tín hiệu OUT(jω) với ngưỡng ngụy trang cuối 3.3.11 Chuyển đổi sang miền thời gian Tín hiệu OUT mà ta thu đƣợc tín hiệu đƣợc biển diễn dƣới miền tần số, cần chuyển sang miền thời gian thông qua phép biến đổi Fourier ngƣợc: Out(t) = IFT(OUT(jω)) 3.4 Q trình rút trích 3.4.1 Giới thiệu Tín hiệu watermark giả âm trƣớc đến ngƣời nhận trải qua nhiều dạng cơng khác nhƣ: chuyển đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tƣơng tự ngƣợc lại, chuyển đổi định dạng, phát sinh nhiễu, Chính vậy, chuỗi watermark phải đảm bảo tính bền vững trƣớc thách thức Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” Một tính chất quan trọng hệ thống không cần đến thơng tin gốc (file âm gốc) rút trích Q trình rút trích thơng tin watermark sử dụng mơ hình thính giác tƣơng tự nhƣ bƣớc nhúng thơng tin Nhƣng trƣờng hợp này, mơ hình thính giác đƣợc dùng để loại bỏ tất thành phần âm mà có xác suất tín hiệu watermark thấp Nghĩa ta xác định lại ngƣỡng ngụy trang, thành phần nằm ngƣỡng bị xóa bỏ Thành phần tín hiệu cịn lại đƣợc gọi thành phần “thông tin dƣ thừa”, chúng đƣợc đem phân tích để xác định điểm mà watermark tồn tại, sau việc đồng phục hồi đƣợc tiến hành 3.4.2 Định ngƣỡng ngụy trang thông tin dƣ thừa Tín hiệu watermark giả âm đầu tiếp nhận ký hiệu s2(t) Các bƣớc thực phần 3.3.6 3.3.7 đƣợc áp dụng trở lại để xác định frame sw2(t), tần số sw2(jω), ngƣỡng ngụy trang T2 Thành phần thông tin dƣ thừa R(jω) đƣợc xác định thành phần nằm phía dƣới ngƣỡng ngụy trang Do phƣơng trình: Sw ( j ) Spi ( j ) T ( z ) Swnewi ( j ) i Spi ( j ) T ( z ) 0 Sẽ đƣợc chuyển đổi thành: Sw Sp2i ( j ) T2 ( z ) Ri ( j ) 2i Sp2i ( j ) T2 ( z ) 0 3.4.3 Lƣợng tử hóa thành phần thơng tin dƣ thừa Phổ thành phần thông tin dƣ thừa đƣợc cân lại Phƣơng trình Fz A T ( j ) max( Nnew( j ) ) đƣợc sửa lại cho thành phần cực đại băng tần có mức nhau: Fz max( R( j ) ) z = 1, 2, …, Zt ω = LBZ đến HBZ băng tần z Từng thành phần critical band z đƣợc tỉ lệ theo hệ số Fz: Rfinal(jω) = R(jω)Fz Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” 3.4.4 Biến đổi thông tin dƣ thừa miền thời gian Thành phần thông tin dƣ thừa đƣợc biến đổi miền thời gian công thức biến đổi Fourier ngƣợc: r(t) = IFT{Rfinal(jω)} Frame r(t) đƣợc cộng vào thành phần tín hiệu dƣ thừa tồn phần miền thời gian residual(t), frame đƣợc xử lý 3.4.5 Đồng hóa với header watermark Để đồng hóa có kết giải trải phổ tín hiệu watermark tốt, ta phải biết thơng tin thơng số sử dụng q trình tạo watermark: f0, Tb, m, H, I, N, {header}, {c}, 3.4.6 Tạo tín hiệu header(t) Đầu tiên ta xây dựng dãy sóng tín hiệu header(t) tƣơng tự nhƣ phần Chuỗi tín hiệu đƣợc dùng để xác định xác điểm có tồn tín hiệu watermark dãy tín hiệu residual(t) Ta phải sử dụng bƣớc phân đoạn frame phần để phân tích tồn dãy tín hiệu residual(t) Các thơng số cho việc phân frame đƣợc chọn gấp hai lần tín hiệu header(t) frame Vì vậy, số lƣợng mẫu BLOCK gấp hai lần số mẫu header(t), OVERLAP nửa số mẫu header(t) Frame nhận đƣợc sau có chiều dài BLOCK đƣợc đặt r(t) 3.4.7 Dị tìm vị trí header(t) Cơng thức cơng thức lọc thích nghi có độ phân giải cao, đƣợc dùng cho q trình dị tìm vị trí header(t) frame r(t) nói riêng tồn header(t) residual(t) nói chung H ( j ) HEADER * ( j ) | R ( j ) | Trong đó: R(jω) = FFT(r(t)) HEADER(jω) = FFT(header(t)) Trong thành phần mẫu số công thức trên, ký hiệu làm trơn |R(jω)|2, w(t) cửa sổ Hamming rộng 10% Đầu lọc đƣợc kết hợp với R(jω): Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” DET ( j ) R( j ) HEADER * ( j ) | R( j ) |2 Và đƣợc chuyển miền thời gian: Det(t) = real(IFFT(DET(jω))) Sóng det(t) có dạng nhƣ hình sau Điểm cao cách bất thƣờng (gọi đỉnh) vị trí bắt đầu dãy tín hiệu header(t) frame r(t) Hình 3.22: Sóng det(t) Q trình dị tìm đƣợc lặp lại tất frame dãy tín hiệu residual(t), vị trí đỉnh đƣợc lƣu lại cho bƣớc 3.4.8 Giải trải tín hiệu watermark Tại đỉnh tìm đƣợc bƣớc dãy tín hiệu residual(t), frame y(t) với chiều dài chuỗi tín hiệu watermark đƣợc chọn xử lý Sơ đồ xử lý đƣợc biểu diễn hình sau: y(t) r(t) g(t) Tb (.)dt Bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên PN ^ d ^ ^ wI wR Giải {w} Xóa DeInterleaver mã Tw Header {header} I H cos(0t ) Tb Hình 3.23: Sơ đồ giải trải tín hiệu watermark m Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” Ta có: r(t) = c(t)y(t) Ta có cơng thức giải điều chế: g (t ) r (t ) cos(2f 0t ) Tb Công thức ƣớc lƣợng chuỗi bit: ri iTs ( i 1)Ts g (t ) dt i = 1, 2, … Tổng số bit chuỗi ^ Để khôi phục lại chuỗi bit d , ta sử dụng luật định: ^ (ri 0) 1 di (ri 0) i = 1, 2, … tổng số bit chuỗi ^ ^ Tiếp theo ta cắt phần {header} khỏi d thu đƣợc chuỗi bit w I 3.4.9 DeInterleaver tín hiệu watermark giải mã Trong thao tác DeInterleaver ta làm ngƣợc lại thao tác tiến hành phần Interleaver Nếu phần Interleaver dãy tín hiệu ta vào theo cột, lấy theo hàng, bƣớc này, dãy tín hiệu đƣợc đƣa vào theo hàng lấy theo cột (ma trận DeInterleaver phải hoàn toàn giống nhƣ ma trận Interleaver) Sau lặp bit ta khôi phục đƣợc chuỗi tín hiệu watermark ban đầu {w}: ^ wk m ^ w Ri i 1 m ^ w Ri 0 i 1 3.5 So sánh đánh giá kết Chƣơng trình cài đặt thuật tốn giấu tin âm sử dụng trải phổ kết hợp mơ hình thính giác viết môi trƣờng matlab 7.8.0.374 (R2009a) Chuỗi watermark nhỏ kí tự Bộ liệu gồm 10 file âm mẫu liệu chuẩn miễn phí đƣợc lấy từ [18] Bảng mơ tả liệu 10 file âm dùng thử nghiệm chƣơng trình: STT Mơ tả file Tên file Thời gian Electronic tune (Frère Jacques) frer07_1.wav 0:35 Violoncello vioo10_2.wav 0:37 Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” 10 Trumpet Horn Glockenspiel Glockenspiel Harpsichord Soprano Bass Quartet trpt21_2.wav horn23_2.wav gspi35_1.wav gspi35_2.wav harp40_1.wav sopr44_1.wav bass47_1.wav quar48_1.wav 0:23 0:31 0:35 0:24 0:23 0:28 0:30 0:28 Bảng 3.3: Bảng mơ tả liệu thử nghiệm 3.5.1 Kiểm tra tính suốt Để kiểm tra tính suốt file âm sau nhúng watermark, ta thực nhƣ sau: Có ba file âm đƣợc đƣa ra: file A có chứa thơng tin watermark, file B khơng chứa thơng tin watermark, file X chứa không chứa thông tin watermark Ngƣời nghe đƣợc cho nghe trƣớc hai file A B, sau nghe file X hỏi ngƣời nghe xem file X giống file A hay B Kết thử nghiệm theo phƣơng pháp thu đƣợc kết tốt, file âm nhúng watermark file âm ban đầu khơng có khác biệt dựa phân tích phổ sóng âm cảm nhận tai ngƣời Bảng mơ tả kết nhúng rút trích watermark với thuật tốn trải phổ kết hợp mơ hình thính giác chƣa bị công: STT File âm mẫu Kết frer07_1.wav Thành công vioo10_2.wav Thành công trpt21_2.wav Thành công horn23_2.wav Thành công gspi35_1.wav Thành công gspi35_2.wav Thành công harp40_1.wav Thành công sopr44_1.wav Thành công bass47_1.wav Thành công 10 quar48_1.wav Thành cơng Bảng 3.4: Kết rút trích chưa bị cơng 3.5.2 Kiểm tra tính bền vững File âm sau nhúng thông tin watermark phải trải qua nhiều kiểu công khác đƣờng truyền nhƣ chuyển đổi định dạng file (cda, mp3, wma), biến đổi tần số lấy mẫu, biến đổi số lƣợng bit mẫu (từ 16 bit mẫu sang bit mẫu), Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” lọc thông cao, biến đổi biên độ điểm mẫu, thêm nhiễu Gauss (đƣợc viết matlab) Một phƣơng pháp watermarking tốt phải chống lại đƣợc công Các thao tác biến đổi âm số đƣợc thực phần mềm Free Audio Editor Kết thử nghiệm cho thấy phƣơng pháp watermarking có khả chống lại công Bảng kết sau so sánh với kết số phần mềm đƣợc công bố nhƣ: Hide4PGP [19]; Mp3Stego [20] Bảng mơ tả kết rút trích watermark sau bị công với file âm “vioo10_2.wav”: Phƣơng pháp Trải phổ kết hợp mơ hình thính giác Thành cơng Hide4PGP Mp3Stego Thất bại Thất bại Thành công Thất bại Thất bại Đổi số lƣợng bit mẫu 80% Thất bại Thất bại Lọc thông cao 90% Thất bại Thất bại Đổi biên độ Thành công Thất bại Thất bại Thêm nhiễu Gauss Thành công Thất bại Thất bại Các kiểu công Đổi định dạng file (cda, mp3, wma) Đổi tần số lấy mẫu Bảng 3.5: So sánh kết rút trích sau bị cơng Bùi Thị Xn “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” KẾT LUẬN Giấu tin âm hƣớng đến mục tiêu bảo vệ quyền âm số lĩnh vực đƣợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm có ý nghĩa thực tiễn cao Trong khn khổ luận văn, sở nghiên cứu kỹ thuật giấu tin âm phƣơng pháp trải phổ kết hợp mơ hình giả lập hệ thính giác ngƣời Em xây dựng mơ hình hệ thống giấu tin âm Mơ hình giả lập hệ thính giác thuật tốn cố gắng mơ lại chế cảm nhận âm tai ngƣời Mơ hình thính giác xử lý âm để tạo ngƣỡng ngụy trang sau cùng, thông tin dùng để làm trơn tín hiệu watermark giả âm để tai ngƣời khơng thể cảm nhận đƣợc Việc kết hợp mơ hình thính giác giúp cho sản phẩm trở nên suốt, giảm khả cảm nhận khác biệt ngƣời nghe Kết thử nghiệm cho thấy, thông tin nhúng bền vững trƣớc số công nhƣ chuyển đổi định dạng file, biến đổi tần số lấy mẫu, biến đổi số lƣợng bit mẫu, lọc thông cao, biến đổi biên độ điểm mẫu, thêm nhiễu Gauss Đồng thời không bị phát qua cảm nhận tai ngƣời Do thời gian kinh nghiệm, em chƣa thử nghiệm đƣợc nhiều liệu, kết so sánh chƣa phong phú, chƣa cài đặt chƣơng trình với đối tƣợng watermark có kích thƣớc lớn Trong thời gian tới em cải tiến chƣơng trình để giấu đối tƣợng với kích thƣớc lớn thử nghiệm với nhiều liệu khác để có kết đánh giá tổng quát Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Nguyễn Xuân Huy, Huỳnh Bá Diệu, Nghiên Cứu Kỹ Thuật Giấu Tin Trong Audio Hỗ Trợ Xác Thực, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc Gia Hà Nội, 12/2008 [2] Quách Tuấn Ngọc, Xử Lý Tín Hiệu Số, Nxb Giáo dục, 1995 [3] Lê Tiến Thƣờng, Xử Lý Tín Hiệu Số Wavelet, Nxb Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh, 2011 [4] Nguyễn Phạm Anh Dũng, Lý Thuyết Trải Phổ Ứng Dụng, Nxb Bƣu Điện Hà Nội, 2000 [5] Đỗ Thành Thắng, Báo Cáo Thí Nghiệm Xử Lý Tín Hiệu, Báo cáo thí nghiệm trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, 2010 [6] Đỗ Xuân Đạt, Võ Văn Tuấn, Nghiên cứu đặc trưng tiếng việt áp dụng vào nhận dạng tiếng nói tiếng việt, Luận văn tốt nghiệp cử nhân công nghệ thông tin trƣờng đại học Khoa học Tự nhiên đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 7/2003 Tiếng Anh: [7] B Pfitzmann, Information hiding terminology, pp 347-350, ISBN 3-540-619968, results of an informal plenary meeting and additional proposals [8] C De Vleeschouwer, J F Delaigle, and B Macq, Circular interpretation of bijective transformations in lossless watermarking for media asset management, IEEE Trans Multimedia, vol 5, no 1, pp 97-105, 2003 [9] Ricardo A Garica, Digital Watermarking of audio signals using a psychoacoustic auditory model and Spread Spectrum Theory, Artech House, 2000 [10] E Zwicker and U T Zwicker, Audio Engineering and Psychoacoustics: Matching Signals to the Final Receiver, the Human Auditory System, J Audio Eng Soc, 1991 [11] Poulami Dutta, Debnath Bhattacharyya, Tai-hoon Kim, Data Hiding in Audio Signal, 2009 [12] Nedeljko Cvejic, Algorithms for audio watermarking and steganography, 2004 [13] Julius O Smith III, Jonathan S Abel, Bark and ERB Bilinear Transforms, 1999 [14] Davis Pan, A Tutorial on MPEG/Audio Compression, IEEE Multimedia, 1995 [15] E Zwicker, Subdivision of the Audible Frequency Range into Critical Bands, The Journal of the Acoustical Society of America, Vol 33, No (1961), pp 248-248 [16] Stefano Cacciaguerra & Stefano Ferretti, Data hiding: Steganography and copyright marking, Department of Computer Science, University of Bologna Mura A Zamboni 7, 40127 Bologna, Italy [17] Bosse Lincoln, Implemented Model for Spreading Function, https://ccrma.stanford.edu/~bosse/proj/node16.html [18] http://www-sipl.technion.ac.il/Info/ Downloads_DataBases_Audio_Quality_Assessment_Readme_e.shtml [19] http://www.heinz-repp.onlinehome.de/Hide4PGP.htm Bùi Thị Xuân “Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh” [20] http://www.petitcolas.net/fabien/steganography/mp3stego/ ... ? ?Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh? ?? nhằm nghiên cứu, tìm hiểu, đánh giá số kỹ thuật có lĩnh vực giấu tin Trên sở tiến hành xây dựng ứng dụng thử nghiệm... ? ?Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh? ?? - Ứng dụng Watermarking: Trong số ứng dụng ngƣời dùng đọc thơng tin watermark nhƣng khơng chỉnh sửa đƣợc, có ứng dụng. .. ? ?Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin áp dụng xây dựng ứng dụng giấu tin âm thanh? ?? CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 1.1 GIẤU TIN 1.1.1 Định nghĩa Giấu tin thao tác nhúng thông tin vào dạng liệu số nhƣ tập tin
Ngày đăng: 26/03/2021, 13:57
Xem thêm:
