o Phƣơng pháp trải phổ truyền thống
Mô hình tổng quát của nhóm phương pháp này được dựa trên việc đồng bộ giữa tín hiệu âm thanh Watermark và dãy chuỗi giả ngẫu nhiên. Có rất nhiều các phương pháp trải phổ đã được nhiều nhóm tác giả nghiên cứu (Boney 1996, Cox 1996, Cvejic 2001, Kirovski và Malvar 2001, Kim 2000, Lee và Ho 2000, Seok 2002, Swanson 1998). Tuy các phương pháp này rất hay nhưng đều gặp phải những trở ngại đáng kể đó là tốn nhiều thời gian để lọc nhiễu và rất dễ vỡ khi gặp tấn công trên miền thời gian. Ý tưởng cơ bản của phương pháp này được thể hiện trong hình sau:
Hình 10: Ý tưởng của phương pháp trải phổ truyền thống.
Trong phương pháp này, chuỗi giả ngẫu nhiên được trải đều lên tín hiệu âm thanh số. Các nhiễu băng thông rộng này có thể trải lên miền thời gian, miền tần số hay bất kỳ miền biên đối nào. Các miền biến đối thường được sử dụng là DCT, DFT, DWT,.... Thông điệp Watermark nhị phân v ={ 0, l}, hoặc biến có hai giá trị đối cực nhau b ={ -1, +1} được điều chế bằng chuỗi giả ngẫu nhiên r(n) được tạo dựa vào khóa mật. Watermark sau khi điều chế w(n) = br(n) được lấy tỉ lệ dựa vào mức năng lượng cho phép của tín hiệu âm thanh gốc s(n). Hệ sổ tỉ lệ α được dùng để điều chỉnh một tương quan giữa hai tính chất bền vững và không nghe thấy của Watermark. Watermark sau khi điều chế w(n) có giá trị bằng với r(n) hay không là phụ thuộc vào v= 1 hay v = 0. Sau đó, tín hiệu đã điều chế này được đưa vào tín hiệu âm thanh gốc để tạo ra tín hiệu âm thanh Watermark x(u) :
Phương pháp dò tìm thông điệp mật thường được sử dụng trong quá trình rút trích là tương quan tuyên tính. Do chuỗi giả ngẫu nhiên r(n) ta đã biết, và có thể tạo dựng lại được khi biết khoá mật, Watermark được dò tìm sủ dụng phương pháp đồng bộ giữa x(n) và r (n) N i i r i x N c 1 ) ( ) ( 1
Trong đó, N là kích thước file âm thanh. Phương trình trên sinh ra tổng tương quan của hai thành phần sau:
N i N i i br N i r i s N c 1 2 1 ) ( 1 ) ( ) ( 1
Giả sử vế thứ nhất của phương trình có biên độ nhỏ. Nếu hai thành phần tín hiệu s(n) và r(n) độc lập nhau, vế thứ nhất sẽ bị triệt tiêu. Vì vậy, tín hiệu âm thanh Watermark sẽ được tiền xử lý để đạt được điều giả sử trên.
Quá trình tiền xử lý này làm cho số hạng thứ nhất của phương trình trên bị triệt tiêu, và chỉ còn lại vế thứ hai. Với một ngưỡng τ cho trước, đầu ra của quá trình dò tìm có dạng: ) ( 0 ) ( 1 c c m
Hình 11: Tiền xử lý tín hiệu âm thanh Watermark.
Khuyết điểm cố hữu của phương pháp trải phổ truyền thống là nó luôn tồn tại xác suất rút trích bị lỗi:
o Phƣơng pháp trải phổ cải tiến (ISS)
Kỹ thuật trải phố cải tiên hiện nay vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu, ngày một hoàn thiện dần, và đã thu được nhiều kết quả khác nhau. Nhiều nghiên cứu đã trình bày tầm quan trọng của việc hạn chế tín hiệu gốc trong quá trình rút trích, phân tích của một hệ thống trải phổ với một giá trị tương quan cố định và đã chia ra 3 hướng tiếp cận khác nhau, ứng với các trường hợp: "cực đại hóa tính bền vững", "cực đại hóa hệ số tương quan", và "hằng số bền vững". Nhưng chưa có cách tiếp cận nào đề cập đến việc làm giảm xác suất bit lỗi khi rút trích thông tin. Và sau cùng, kỹ thuật trải phổ cải tiến ISS đã ra đời. Nó chuyển tín hiệu gốc thành nguồn giao thoa, làm tăng tính bền vững cho quá trình rút trích một cách đáng kể.
Ý tưởng chính của phương pháp trải phố cải tiến - ISS là việc sử dụng lại kiên thức của bộ mã hóa về tín hiệu đó (hay nói chính xác hơn, đó là hình chiếu của dãy tín hiệu trên Watermark). Ta có thể nâng cao hiệu quả làm việc bằng cách điều chế năng lượng của Watermark được thêm vào để bù lại cho phần tín hiệu giao thoa. So với phương pháp trải phổ, phương pháp trải phổ cải tiến có biến đổi đôi chút: u b cx x s ( , )
Trong đó, μ(cx,b)u là hàm nhúng Watermark
u u x
cx ,
Trong công thức trên, ta thấy phương pháp trải phổ truyền thống là một trường hợp đặc biệt của phương pháp trải phổ cải tiến.
o Phƣơng pháp trải phổ kết hợp với mô hình thính giác
Đây cũng là một cách tiếp cận mới, mang lại hiệu quả khá cao, và có khả năng bền vững cao. So với các phương pháp khác, phương pháp này có khả năng chống tấn công tốt hơn, nhất là kiểu tấn công chuyên đổi sang các dạng âm thanh nén: MP3,WMA, . . .
Trái ngược với các phương pháp Watermarking truyền thống, trong thuật toán này âm thanh sẽ đóng vai trò nhiễu Jammer và Watermark đóng vai trò tín hiệu truyền âm thanh
Thành phần của tín hiệu sau khi Watermark như sau :
Hình 12: Thành phần tín hiệu sau khi thủy vân Trong mô hình này:
- Phần âm thanh tai người càm nhận được là nhiễu Jammer. Như vậy, thủy vân sẽ được âm thanh che chắn, và bền với các phép giảm thiểu cũng như các phép chuyển đổi định dạnh âm thanh.
- Do các thao tác xử lý của người dùng (như thay đổi tần số, thay đổi số điểm mẫu, thay đổi độ cao, chuyển đổi định dạng, …) chỉ được thực hiện trên tín hiệu âm thanh – tín hiệu nhiễu Jammer. Đặc biệt thuật toán có khả năng chống tốt trước tấn công dạng chuyển đổi kiểu file như : wav, mp3, wma, mov, ..v.v..
1/.Quá trình tạo Watermark
- Mô hình
Watermark s(t) được tạo ra thông qua hệ thống mã hóa DS/BPSK như hình :
Hình 13 : Sơ đồ tạo thủy vân Trong đó:
s(t) : chuỗi bit Watermark biểu diễn theo miền thời gian
w : chuỗi bit Watermark ở dạng cực.
m : hệ số lặp
header : chuỗi header.
: tần số sóng mang dùng trong bộ điều biết BPSK.
I, H : chiều dài và chiều rộng của ma trận Interleaver
- Thuật toán:
Bước 1 : Chuyển chuỗi tín hiệu thủy vân sang dạng cực và lặp dãy bit w m lần. Dãy bit w là dãy bit thủy vân ở dạng cực.
Bước 2 : Cho chuỗi bit wR đi qua ma trận Interleave H dòng và I cột. Đầu vào lấy theo cột, đầu ra lấy theo dòng
Bước 3 : Thêm header vào đầu dãy wI : d = header + wI
Bước 4 : Chuyển biểu diễn dãy bit d sang miền thời gian. Bước 5 : Điều chế BPSK tín hiệu d(t)
Bước 6 : Trải chuỗi tín hiệu sau khi điều chế s(t) :
2/.Quá trình nhúng Watermark - Mô hình
Hình 14 : Sơ đồ nhúng thủy vân. x(t): thông tin Watermark được tạo thành
T: ngưỡng ngụy trang được tạo thành Fz: tần số sóng mang.
- Thuật toán:
Bước 1: Chia dãy tín hiệu thành N frame. Mỗi frame có n block. Bước 2: Áp dụng phép biến đổi Fourier nhanh cho từng frame:
Xw = FFT (frame[i]*hamming9nBlock]) Bước 3: Chuyển từ miền tần số sang miền Bark.
Bước 4: Tìm trong dãy tín hiệu âm thanh chứa các thành phần nằm trên ngưỡng T, lưu lại vị trí các điểm đó vào dãy above.
Xnew[above] = Xw[above]
Bước 5: Trải tín hiệu, và kết hợp tín hiệu âm thanh và tín hiệu thủy vân : Xnew = Xnew * Fz.
OUT = + .
Bước 6: Biến đổi ngược về miền thời gian: Out = IFFT (OUT)
3/.Quá trình tách thủy vân - Mô hình
Hình 15: Sơ đồ tách thủy vân
- Thuật toán:
Gồm 3 giai đoạn chính :
Giai đoạn 1: Lọc bỏ tín hiệu âm thanh và tạo tín hiệu Rfinal.
Bước 1: Lọc lấy các thành phần nằm dưới ngưỡng T (loại bỏ âm thanh) R(below) = Sw(below)
Bước 2: Lượng tử hóa
Fz[i] = 1/max |R(i)|
R(i) = R(i) * Fz[i] với mọi i thuộc [1, nZT]
Bước 3: chuyển R về miền thời gian thực
Giai đoạn 2: Dò tìm header.
Bước 1 : Điều chế BPSK tín hiệu dt.
Bước 2 : Chia thành nhiều frame nhỏ và áp dụng FFT cho từng frame R = fft(Rfinal[i])