Giấu thông tin bền vững sử dụng kỹ thuật trải phổ trong cơ sở dữ liệu không gian

Giấu thông tin bền vững sử dụng kỹ thuật
trải phổ trong cơ sở dữ liệu khơng gian
Tóm tắt: Bài báo đề xuất một thuật toán watermarking số cho các dữ liệu
không gian bằng cách sử dụng kỹ thuật trải phổ. Một bit watermark được nhúng
vào bằng cách thay đổi một tính chẵn lẻ của vetơ nhiễu giả ngẫu nhiên. Thuật toán
được thành lập cho điện kháng mạnh mẽ chống lại nhiễu ngẫu nhiên tăng cường ,
chuyển đổi tương tự và chèn/loại bỏ đỉnh, và, đến một mức độ nào, cắt xén. Cùng
một kết quả thử nghiệm được trình bày chi tiết để minh họa tính khả thi của
phương pháp.

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Nhiều phương pháp giấu thông tin đang được nghiên cứu, mỗi phương
pháp có những ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng khác nhau. Phương pháp sử
dụng các bít trọng số nhỏ [4,6] đơn giản tuy nhiên thông tin giấu khơng bền vững
trước nhiều hình thức tấn cơng. Phương pháp sử dụng các hệ số biến đổi (chẳng
hạn biến đổi từ miền không gian sang miền tần số như DCT [3], wavelet [2], DFT
[5]...) nói chung có tính bền vững cao, tuy nhiên khá phức tạp trong cài đặt và
khó kiểm sốt chất lượng dữ liệu sử dụng làm mơi trường giấu thông tin. Phương
pháp gán và sử dụng thuộc tính chẵn lẻ [9] có một số ưu điểm như đơn giản
trong cài đặt, dễ kiểm sốt chất lượng mơi trường giấu tin, có độ bền vững cao
trước nhiều hình thức tấn cơng. Phương pháp này có hiệu quả cao khi áp dụng
cho môi trường giấu tin không chịu nén tổn hao, có cho phép sai số, là mơi trường
đang được áp dụng rất rộng rãi hiện nay (các ảnh bitmap, các thiết kế kỹ thuật,
bản đồ số 2 chiều, 3 chiều...) Trong bài này chúng tơi trình bày một phương pháp
mới, có sử dụng kỹ thuật trải phổ để giấu thông tin trong cơ sở dữ liệu không gian
với mục đích tăng cường độ bền vững và độ mật của tin giấu. Mục II giới thiệu
khái niệm về thông tin trải phổ, ứng dụng kỹ thuật trải phổ trong giấu thơng tin.
Mục III trình bày khái niệm dữ liệu khơng gian, thuộc tính chẵn lẻ và khả năng
mang tin giấu của dữ liệu khơng gian. Mục IV trình bày phương pháp giấu thơng
tin trải phổ trong mơ hình dữ liệu không gian. Mục V minh họa một số kết quả thử
nghiệm trên môi trường bản đồ số 2D.

II. KỸ THUẬT THÔNG TIN TRẢI PHỔ
Trải phổ được biết đến trong kỹ thuật thông tin liên lạc như một phương
thức truyền tin. Đặc điểm của hệ thống truyền thông trải phổ là độ rộng phổ của
tín hiệu bị "trải" ra, lớn hơn nhiều lần so với tốc độ bit của thông tin cần truyền.
Độ dư thừa của băng thông được sử dụng như một tiềm năng cho các phương


pháp lập mã tự sửa sai, dẫn đến khả năng chống nhiễu cao của hệ thống thông tin
trải phổ so với các phương pháp truyền tin khác. Một thành phần quan trọng trong
kỹ thuật truyền tin trải phổ chính là chuỗi giả ngẫu nhiên. Vì chuỗi này mang đặc
trưng của nhiễu nên tín hiệu trải phổ có ưu thế về độbảo mật. Các ưu điểm trên
được khai thác trong các hệ thống truyền tin trong mơi trường có nhiễu và địi hỏi
tính bảo mật cao của thơng tin, đặc biệt trong các hệ thống đa truy nhập như điện
thoại di động, mạng truyền dữ liệu không dây. Ưu thế này đã được một số tác
giả khai thác trong kỹ thuật giấu thông tin trong môi trường dữ liệu multimedia
[1]. Vấn đề cơ bản cần giải quyết trong kỹ thuật truyền thơng trải phổ là tính đồng
bộ. Q trình giải điều chế tương quan sẽ khơng cịn ý nghĩa nếu tín hiệu thu
đượcvà chuỗi giả nhiễu không đồng bộ với nhau. Mơ hình dữ liệu khơng gian và
phương pháp giấu tin đơn giản sử dụng thuộc tính chẵn lẻ đã được đề xuất trong
[9] và được tóm tắt trong mục III.

III. MƠ HÌNH DỮ LIỆU KHƠNG GIAN .
1.Khái niệm về dữ liệu khơng gian
Quy ước sử dụng các ký tự có gạch ngang trên và hai ký hiệu ζi và ξi
(không có dấu gạch ngang trên) là các vectơ. Chỉ số dưới ký hiệu thứ tự các phần
tử của một tập hợp, chỉ số trên (nếu có) ký hiệu các thành phần của vectơ.
Ta quy ước gọi cơ sở dữ liệu (CSDL) mà trong đó mỗi bản ghi là một vectơ
ξ thuộc không gian n chiều R(n) (ξ R(n) ) là cơ sở dữ liệu khơng gian. Về mặt hình
học, mỗi vectơ này được biểu diễn thông qua một “điểm” thuộc không gian R (n) .

với ξ1 ∈R(n) , ξ2 ∈R(n) và δ∈R, δ≥0, ta xây dựng một δ-quan hệ như sau:

Khi đó, δ mang ý nghĩa của sai số cho phép.
Ký hiệu(r) ≡ (ξm ,ξM ) ≡ (ξm ,ξM = ξm + r) là một “khối hộp” n-chiều được
giới hạn bởi điểm “dưới trái” ξm (x1m , xm2 ,..xmn ) và điểm “trên phải” ξM (x1M , xM2
,..xMn ) , Ta nói đỉnh ξi ∈ (ξm , ξM) nếu {} ∀j ∈(1…n), xjm ≤ xji ≤ xjM . Giả thiết
khối hộp này có chứa D đỉnh (hay “node”) - là các bản ghi thuộc cơ sở dữ liệu
không gian. Mục đích của chúng ta là xây dựng phương pháp giấu một bit thơng
tin vào khối hộp ξm ,ξM nói trên, với giả thiết r j ≥ δ với mọi j {1..n}.
Chia không gian thành các “khối hộp đơn vị” như sau:
Chọn giá trị R ∈ σ , σ = f(K), (f là một hàm có biến phụ thuộc khố K),
  xij  


σ≤ δ . Với mọi , ξi ∈R xây dựng vetor i     với mọi j ∈ (1…n)tức là ,
 
(n)


ξi ∈Z(n) hay ξi thuộc không gian vector với các tọa độ nguyên, nói cách khác, ζi là
ảnh của ξi khi ánh xạ ξi vào không gian vectơ tọa độ ngun.
Ký hiệu ξ (khơng có chỉ số) như tập hợp mọi vectơ thuộc không gian vectơ
tọa độ thực và ζ (khơng có chỉ số) như tập hợp mọi vectơ thuộc không gian vectơ
tọa độ nguyên. Để tránh sử dụng quá nhiều ký hiệu, ta cũng quy ước dùng các cụm
từ "vectơ ζ " hay "ζ " để chỉ một vectơ tọa độ nguyên và "không gian ζ " để chỉ
không gian tọa độ nguyên n-chiều.
Tạo một phân hoạch của không gian ζ :
ζ = U{ζc ,ζl }, trong đó:

Nhận xét: Tính chẵn lẻ của ζ thay đổi khi có một tọa độ nào đó thay đổi một đơn

vị - hay một bước σ . Trường hợp tổng quát, tính chẵn lẻ của ζ thay đổi khi ζ
thay đổi từ ζ1 sang ζ2 nếu tổng số bước thay đổi của mọi tọa độ của ζ là:

Không gian ζ được chia thành các khối n-chiều chẵn lẻ xen kẽ nhau (theo
mọi chiều của không gian). Ta gọi mỗi khối này là một khối chẵn lẻ đơn vị, hay
khối hộp đơn vị, ký hiệu là (σ) .
Ta quy định viết ξi {ζ l } (tương ứngξi {ζc }), và hiểu rằng ξi thuộc tập {ζ l }
(tương ứng, ξi thuộc tập {ζ c }), với bước σ . Bằng cách này, ta đã gán cho ξi một
thuộc tính chẵn lẻ ứng với một đơn vị (hay một bước) σ .
2. Thủ tục thay đổi tính chẵn lẻ trên khơng gian vectơ với các tọa độ nguyênζ
Ta có nhận xét sau:


Thủ tục này thay đổi tính chẵn lẻ của ξi trong khi vẫn giữ cho ξi ∈ (v) và
được sử dụng trong thuật tốn giấu thơng tin trình bày dưới đây.
IV. KỸ THUẬT GIẤU THÔNG TIN TRẢI PHỔ TRONG CƠ SỞ DỮ LIỆU
KHƠNG GIAN
1. Giấu thơng tin
1) Ký hiệu thơng tin cần giấu là b, b {0,1}; Không sợ nhầm lẫn, sử dụng ký hiệu D
= {i i =1..D} là tập các chỉ số của {ξ }; V={ξ i }ξi ξm,ξM , i D (V là tập khơng có thứ
tự các vectơ ξ thuộc khối r , được sử dụng làm mơi trường chứa tin giấu). Giả thiết
ξi ∈V có phân phối chuẩn, độc lập thống kê. Chọn giá trị θ R thoả điều kiện:

Chọn các cạnh của khối ( ξm, ξM ), sao cho mỗi cạnh có chứa số nguyên lần các
đoạn θ :

n

j
Khi đó có thể chia khối hộp ( ξm, ξM ) thành k   k siêu khối vng có

kích thước θ

j 1

Ký hiệu siêu khối vuông này là θ và tập {( θij) }, i=1..n, j= 1..kj là tập có thứ tự
các siêu khối (θ) thuộc ® . Điều kiện của l trong (2) đảm bảo cho mỗi siêu khối
(θ) có chứa ln siêu khối chẵn lẻ đơn vị σ . Như vậy trong mỗi siêu khối (r) có
chứa κ khối vng (θ) và h = κ. ln khối đơn vị (σ) .
2) Dùng khoá giấu tin làm mầm (seed) để sinh một vectơ giả ngẫu nhiên w ∈{±


1}(k) , k/ θ ∈ N+ , κ sẽ được sử dụng với vai trò của hệ số trải phổ ở bước 3.
3) Thông tin cần giấu b được "trải phổ" thông qua phép biến đổi w m ← b* w r :

Dễ thấy w m ∈{± 1}(k) , mỗi bit thông tin đã được trải thành k bit.
4) Xây dựng vectơ θ có quan hệ 1/1 với w m : θ ↔ w m như sau:

Bằng cách này ta đã gán cho mỗi thành phần θ k một giá trị của wmk ,
nói cách khác:  ∈{± 1}(k) .
5) Với ∀ θ ∈ r , tạo phân hoạch {( θ)} = {( θ)+} ∪{( θ)-}.Trong đó
( θ) ∈{( θ)+} nếu:

6)Với ∀ (θj) ∈ (r), ∀ξi ∈(θj) biến đổi vector ξi ∈V như sau: nếu

Tín hiệu watermark được thành lập qua các bước 1, 2 và 3. Bước 5, 6 thực hiện
giấu 1 bit thông tin vào khối (ξm ,ξM ) .
2.Khôi phục thông tin
Tại thời điểm khôi phục thông tin, ta đã có (ξm ,ξM ), khố K, các tham số r , θ ,k.
1)Thực hiện như bước 2 của thuật toán giấu tin ta nhận được w r ∈{± 1}(k) .

2) Gọi J= {j |j = 1…k} là tập chỉ số cho các thành phần của w r .
3) Thực hiện như bước 5 của thuật toán giấu tin, ta
nhận được phân hoạch:


4) Xây dựng vector  ∈{± 1}(k) như sau:

Trong đó zlc (  , w r ) là tích vơ hướng (tương quan tuyến tính) của  và
w , nó nhận giá trị -1 nếu b=0 và nhận giá trị +1 nếu b=1 nếu khơng có tấn cơng.
Khi có tấn công [9], tức là các ξi bị dịch chuyển
ngẫu nhiên trong phạm vi  :

Ta có thể viết:  ←  0 +  . Theo cách xây dựng  trong các bước 2,3,4 của
thuật toán giấu tin và giả thiết về tấn công [9],  , , là các biến ngẫu nhiên, có
phân bố chuẩn, độc lập thống kê. Theo lý thuyết xác suất ta có:


Từ đây ta nhận được kết quả: ∃T ≥ 0 để:

Vấn đề xác định ngưỡng T và lỗi bit vượt q khn khổ bài báo này, sẽ được
trình bày trong bài viết tiếp theo.

V. KẾT QUẢ CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM
Thuật tốn giấu thơng tin trong cơ sở dữ liệu khơng gian sử dụng thuộc tính
chẵn lẻ theo phương pháp kiểm sốt độ chênh lệch số lượng các bít chẵn lẻ đã
được trình bày trong [9]. Trong bài này thuật tốn giấu tin vào dữ liệu khơng gian
có sử dụng kỹ thuật trải phổ được đề cập với mục tiêu tăng cường độ mật của bản
tin giấu đồng thời vẫn giữ được tính bền vững trước các tấn cơng. Thuật toán
được cài đặt và thử nghiệm trên CSDL bản đồ số tỷ lệ 1:50.000 (2D) với giả
thiết các tọa độ kinh và vĩ độ được phép sai số độ dài ∆=0.025km, sai số tọa độ

cho phép ∆λ, ∆ϕ được tính theo cơng thức (1) và (2) đã trình bày trong [9]. Lấy δ
= α.min {∆λ,∆ϕ}=α.∆ϕ với α là hệ số quyết định khả năng che giấu
(undetectability) của thông tin. Thực nghiệm được tiến hành trên 10.000 mẫu giấu
bit 0; 10.000 mẫu giấu bit 1 và 10.000 mẫu không giấu thông tin. Điều kiện tấn
cơng: α=0.1; δ=1.59*10-5.

Hình 1: Kết quả thử nghiệm trên mẫu bản đồ số tỷ lệ 1:50.000 kích thước
(0.01x0.01)0
Bước 2 trong thuật toán giấu tin nhằm đảm bảo tính bảo mật, bước 3 đảm
bảo khả năng tự sửa sai khi môi trường giấu tin bị tấn công, các bước 4 và 5 cho
phép đồng bộ quá trình giấu và hồi phục thông tin - một trong những vấn đề khó
khăn và quan trọng cần giải quyết trong kỹ thuật truyền tin trải phổ. Khi kích


thước khối tăng lên (số đỉnh khoảng 1000) lỗi bit sẽ giảm đáng kể. Hình 1 trình
bày kết quả thử nghiệm với khối khơng gian kích thước (0.01x0.01) độ (khoảng
1km2 trên bản đồ phẳng tỷ lệ 1:50.000), có chứa 909 đỉnh, số mẫu thử nghiệm là
10.000. Kết quả cho thấy lỗi bít trung bình khơng q ba phần vạn. (0.027%) cho
cả 3 trường hợp (không giấu, giấu bit 0 và giấu bit 1).
KẾT LUẬN
Phương pháp và các kết quả thử nghiệm đã được trình bày trong bài này
cho thấy giấu thông tin bền vững sử dụng kỹ thuật thông tin trải phổ trong dữ liệu
không gian là phương pháp khả thi. Kết quả bài báo có thể tiếp tục được phát triển
cho các ứng dụng giấu thông tin trong môi trường dữ liệu khơng gian nói riêng
cũng như các ứng dụng giấu tin trong mơi trường dữ liệu số nói chung.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] I.J.COX ET. AL., Secure Spread Spectrum
Watermarking of Images, Audio and Video, Proc IEEE International Conf on
Image Processing, ICIP-96, Vol.3, pp 243-246.

[2] D. KUNDUR, D. HATZINAKOS, A Robust Digital Image Watermarking
Method using Wavelet-Based Fusion, Toronto, Ontario, Canada M5S 3G4.
[3] DICKINSON B., TAO B., Adaptive Watermarking in DCT Domain, Proc.
of IEEE International Conf. on Acoustics Speech and Signal Processing,
ICASSP-97, Vol.4, pp.1985-2988, 1997.
[4] MARTIN KUTTER, FREDRIC JORDAN, FRANK BOSSEN, Digital
Signature of Color Images using Amplitude Modulation, 1015 Lausanne
Switzerland, năm 2000.
[5] M. RAMKUMAR, ALI N. AKANSU, A Robust Data Hiding Scheme for
Images Using DFT, New Jersey Institute of Technology, Newark, NJ 07102.
[6] R. Z. WANG, C. F. LIN, AND J. C. LIN. Image Hiding by LSB Substitution
and Genetic Algorithm,
Proceedings of International Symposium on Multimedia Information
Processing, Chung-Li, Taiwan, R.O.C, December 1998, 671-683.
[7] VŨ BA ĐÌNH, NGUYỄN XUÂN HUY, ĐÀO THANH TĨNH, Đánh giá


khả năng giấu dữ liệu trong bản đồ số, Tạp chí Tin học và Điều khiển học, số
4/2000, 347-353.
[8] VŨ BA ĐÌNH, NGUYỄN XUÂN HUY, ĐÀO THANH TĨNH, Kỹ thuật
giấu dữ liệu trong bản đồ số, Chuyên san Bưu chính Viễn thơng, số 8/2002,
85-92.
[9] VŨ BA ĐÌNH, Giấu thơng tin trong cơ sở dữ liệu khơng gian, Tạp chí
nghiên cứu khoa học kỹ thuật và công nghệ Quân sự, số 4, 30-37.