Kỹ thuật audio WATERRMARKING trong phát thanh truyền hình
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.87 MB, 112 trang )
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Phạm Văn Giáp
KỸ THUẬT AUDIO WATERMARKING
TRONG PHÁT THANH TRUYỀN HÌNH
Chuyên ngành : Kỹ thuật Truyền thông
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Thạc sỹ Kỹ thuật Truyền thông
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. ĐẶNG QUANG HIẾU
Hà Nội – Năm 2013
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
1
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 5
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ......................................................................... 6
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................... 8
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................................. 8
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 11
Chương 1: Audio Watermarking.................................................................................... 14
1.1 Vấn đề giấu tin ..................................................................................................... 14
1.1.1 Khái niệm ...................................................................................................... 14
1.1.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin .............................................................................. 16
1.1.3 Các thành phần trong kỹ thuật giấu tin ......................................................... 17
1.1.4 Các giao thức giấu tin ..................................................................................... 18
1.1.5 Giấu tin trong dữ liệu đa phương tiện ............................................................ 21
1.2 Audio Watermarking ............................................................................................ 24
1.2.1 Giới thiệu ........................................................................................................ 24
1.2.2 Tiêu chí ........................................................................................................... 24
1.2.3 Các phương pháp kỹ thuật audio watermarking ............................................ 25
Chương 2: Kỹ thuật OFDM ........................................................................................... 38
2.1
Giới thiệu chương ............................................................................................. 38
2.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM ........................................................................ 38
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
2
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
2.3 Đơn sóng mang (Single Carrier) .......................................................................... 44
2.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier) ............................................................................. 45
2.5
Sự trực giao (Orthogonal)................................................................................ 47
2.5.1
Trực giao miền tần số ................................................................................ 48
2.5.2
Mô tả toán học của OFDM ........................................................................ 49
2.5.3 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM .............................................................. 55
2.6 Các đặc tính của OFDM ....................................................................................... 63
2.6.1 Ưu điểm ........................................................................................................ 63
2.6.2 Nhược điểm ................................................................................................... 64
2.7 Acoustic OFDM .................................................................................................... 65
2.7.1 Giới thiệu ........................................................................................................ 65
2.7.2. Công nghệ truyền dữ liệu âm thanh .............................................................. 66
2.7.3 Acoustic OFDM ............................................................................................ 67
2.7.4 Thử nghiệm truyền dữ liệu Âm thanh ............................................................ 75
2.7.5 Phác thảo của hệ thống thử nghiệm .............................................................. 78
2.7.6. Kết quả ......................................................................................................... 81
Chương 3: Kỹ thuật audio watermarking với file nén MP3 .......................................... 83
3.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 83
3.2 Tiêu chuẩn nén MPEG Audio Layer III ............................................................... 84
3.3 Cơ sở công nghệ Audio Watermarking ................................................................ 85
3.4 Hệ thống watermark âm thanh cho file MP3 ........................................................ 88
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
3
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
3.4.1 Lược đồ chính ................................................................................................. 88
3.3.2 Cơ chế rút thông tin. ....................................................................................... 90
3. 4.3 Cơ chế nhúng ................................................................................................ 91
3.4.4 Cơ chế phát hiện ............................................................................................. 93
3.4.5 Giải pháp thực hiện Watermaking................................................................. 94
3.5 Kết quả đánh giá audio watermark ....................................................................... 97
3.5.1 Đánh giá ......................................................................................................... 97
3.5.2 Kết quả thử nghiệm của Dimitrios Koukopoulos và Yannis C. Stamatiou
thuộc Đại học Ioannina – Hy Lạp ........................................................................... 99
3.6 Kết luận ............................................................................................................... 102
Chương 4 Hệ thống Audio watermaking trong phát thanh truyền hình ...................... 103
4.1 Giới thiệu ............................................................................................................ 103
4.2 Mã hóa để đo lường khán giả ............................................................................. 103
4.3 Các ứng dụng khác của Watermarking ............................................................... 104
4.4 Lợi ích của công nghệ audio watermarking ....................................................... 104
4.5 Quy trình đo lường khán giả ............................................................................... 105
4.6 Hệ thống trong truyền hình ................................................................................. 106
4.7 Giám sát phát sóng quảng cáo và thống kê ........................................................ 107
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................... 108
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 110
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
4
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
LỜI CAM ĐOAN
*____*____*
Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ Giảng
viên hướng dẫn TS. Đặng Quang Hiếu. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề
tài này là trung thực và những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích,
nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi trong
phần tài liệu tham khảo. Ngoài ra, đề tài còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng
như số liệu của các tác giả, cơ quan tổ chức khác, và cũng được thể hiện trong phần tài
liệu tham khảo.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội
đồng, cũng như kết quả luận văn của mình.
Hà Nội, ngày 12 tháng 09 năm 2013
Tác giả
Phạm Văn Giáp
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
5
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
Viết tắt
Diễn giải
HVS
Human Vision System
HAS
Human Auditory System
DCT
DiscreteCosine Transform
DFT
Discrete Fourier transform
DWT
Discrete wavelet transform
LSB
Least Significant Bit
OFDM
Orthogonal frequency-division multiplexing
ICI
Inter Symbols Interference
IFFT
Inverse fast Fourier transform
AWGN
Additive white Gaussian noise
FEC
Forward Error Correction
FM
Frequency modulation
AM
Amplitude modulation
PM
Phase modulation
SSB
Single Side Band
VSB
Vestigial side Band
DSBSC
Double Side Band Suppressed Carrier
ASK
amplitude-shift keying
FSK
Frequency shift keying
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
6
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
PSK
Phase shift keying
QAM.
Quadrature amplitude modulation
SNR
Signal-to-noise ratio
DSP
Digital Signal Processing
QPSK.
Quadrature Phase Shift Keying
BPSK
binary phase-shift keying
IQ
Inphase Quadrature
URL
Uniform Resource Locators
PN
Pseudo random Noise
STBC
Space Time Block Coding
HPF
High-pass filter
BER
Bit error rate
BCH
Bose Chaudhuri Hocquenghem
MP3
MPEG Audio Layer 3
CRC
Cyclic redundancy check
MDCT
Modified Discrete Cosine Transform
MPEG
The Moving Picture Experts Group
SDTV
Standard-definition television
HDTV
High-definition television
PAL
PHASE ALTERNATIVE LINE
VoD
Video on Demand
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
7
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
SDI
Serial digital interface
AES
Advanced Encryption Standard
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Các điều chế số
Bảng 2: Tín hiệu điều chế QPSK
Bảng3: Mã Gray
Bảng 4: Đặc điểm của Loa và Mic sử dụng
Bảng 5: Thông số hệ thống
Bảng 6: Mẫu watermark
Bảng 7: Thời gian kiểm tra nhúng watermark
Bảng 8 : Thời gian kiểm tra phát hiện watermark
Bảng 9 : Thời gian kiểm tra với chìa khóa khác nhau
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Mô hình giấu tin
Hình 1.2 Mô hình tách tin
Hình 1.3 Cách phân loại
Hình 1.4 Ý tưởng của phương pháp trải phổ truyền thống
Hình 2.1 So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang
chồng xung (b)
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
8
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống OFDM
Hình 2.3 Hệ thống OFDM cơ bản
Hình 2.4 Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM
Hình 2.5 Symbol OFDM với 4 subscriber
Hình 2.6: Phổ của sóng mang con OFDM .
Hình 2.7: Truyền dẫn sóng mang đơn.
Hình 2. 8: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.
Hình 2.9: Các sóng mang trực giao
Hình 2.10 Thêm CP vào symbol OFDM
Hình 2.11: T ích của hai vector trực giao bằng 0
Hình 2.12: Giá trị của sóng sine bằng 0
Hình 2.13: Tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau.
Hình 2.14: Tích hai sóng sine cùng tần số.
Hình 2.15 : Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK
Hình 2. 16 : Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK
Hình 2.17: Chùm tín hiệu M-QAM
Hình 2.18: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray. Mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay
đổi một bit đơn.
Hình 2.19: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM
Hình 2.20 Phương pháp điều chế Acoustic OFDM
Hình 2.21 Tín hiệu Acoustic OFDM
Hình 2.22 Phổ tín hiệu khung đồng bộ trong Acoustic OFDM
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
9
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
Hình 2.23 Khoảng cách tuyến truyền so với BER
Hình 2.24 Góc song đến so với BER
Hình 2.25 Thuộc tín biên độ và pha
Hình 2.26 Cấu hình hệ thống
Hình 3.1 Lược đồ chính
Hình 3.2 : Nhúng Watermark
Hình 4.1 Quy trình đo khán giả
Hình 4.2 Nhúng watermark thời gian thực trong tín hiệu truyền hình
Hình 4.3 Chi tiết bộ chèn Watermark
Hình 4.4. Hệ thống audio watermark cho Truyền hình
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
10
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Hiện đang làm việc và công tác tại một công ty cung cấp dịch vụ truyền hình trả tiền tại
Việt Nam – Công ty Cổ phần Nghe Nhìn Toàn Cầu ( AVG) tôi được tiếp xúc nhiều với
các công nghệ truyền hình. Tuy nhiên một vấn đề cấp thiết tại Việt Nam mà các nhà
đài đang nghiên cứu hoặc rất mới tại Việt Nam đó là việc đo lường khá giả xem truyền
hình và công tác bảo vệ bản quyền cũng như tuân thủ thông tin bản quyền mà các nhà
đài phát quảng bá.
Trong quá trình nghiên cứu tôi thấy rằng công nghệ Audio watermarking là một giải
pháp cho nhu cầu trên.
Vì vậy trong khuôn khổ đề tài luận văn này tôi muốn đưa ra một công nghệ có thể giải
quyết các vấn đề thực tế mà truyền hình tại Việt Nam đang quan tâm và là hướng phát
triển trong tương lai.
Lịch sử nghiên cứu:
Xin chân thành cám ơn sự hướng dẫn tận tình của TS. Đặng Quang Hiếu đã giúp tôi
trong quá trình nghiên cứu đề tài này. Từ những kiến thức cơ bản về lý thuyết viễn
thông, về các phương pháp bảo vệ bản quyền và cụ thể về phương pháp watermark tôi
đã nhận thấy rằng audio watermark là một phương pháp mới có hướng phát triển tốt
khi giải quyết vấn đề tôi đang nghiên cứu. Nghiên cứu vấn đề audio watermarking tôi
nhận ra rằng phương pháp Acoustic OFDM là một giải pháp đáp ứng được cái mà công
nghệ Việt Nam đang hướng tới: đo lường khán giả xem truyền hình, triển khai rộng rãi
do giá thành rẻ, xây dựng trên các thiết bị dân dụng. Giải quyết được vấn đề quảng bá
thông tin đến khán giải với phương pháp Acoustic OFDM nhưng từ nơi cung cấp thì
các thông tin được bảo vệ như thế nào trên việc đó tôi thấy rằng việc sử dụng audio
watermark cho file nén MP3 là một trong các giải pháp tối ưu. Do đặc điểm phân phối
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
11
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
tài nguyên số đang là xu thế của thời đại. Và trong truyền hình cần một phương pháp
để đánh dấu bản quyền cũng như kết hợp với phương pháp đo lường khán giải để tối
ưu giải pháp và tiết kiệm chi phí. Đó là sử dụng cùng một phương pháp Audio
watermarking.
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
Mục đích nghiên cứu của luận văn này là đưa ra một phương pháp chung cho việc đo
lường khán giả và bảo vệ bản quyền trong truyền hình quảng bá hiện đang có tiềm
năng tại Việt Nam. Đối tượng tôi nghiên cứu đó là vấn đề chèn ghép thông tin trong âm
thanh và khả năng ẩn chứa thông tin trong âm thanh. Phạm vi mà đề này nghiên cứa đó
là ứng dụng trong truyền thông tin trong Acoustic OFDM và bảo vệ bản quyền trong
file MP3 trong truyền hình.
Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Sử dụng acoustic OFDM để ẩn giấu thông tin mang lại :Có thể truyền thông tin văn
bản đơn giản từ 1 tới 2 giây. Thông tin có thể được truyền qua sóng âm thanh trong
băng tần âm thanh (20Hz-20kHz) Truyền tín hiệu có thể được chồng lên trên âm thanh
mà không gây khó chịu cho người.Tuy nhiên có hạn chế: Hệ thống sử dụng phương
pháp này ảnh hưởng của thiết bị và môi trường
Phương pháp watermark cho file MP3: phương pháp này không đòi hỏi không gian
tính toán, do đó nó cung cấp khả năng của nhúng watermark và phát hiện trong thời
gian thực, không bị méo phát hiện của âm thanh. Đây là một đặc điểm vô cùng quan
trọng trong thông tin quản bá và phát tán các dữ liệu có âm thanh tới nhiều người sử
dụng.
Trên phương diện nghiên cứu hai phương pháp của Audio watermark tôi đã xây dựng
lên một cái nhìn tổng thể về một hệ thống sử dụng công nghệ Audio watermark trong
nhu cầu phát triển của truyền hình Việt Nam. Bên cạnh đó tôi cũng đưa ra một mô hình
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
12
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
hệ thống có thể triển khai tại Việt Nam và đó cũng là hướng tới trong tương lai để xây
dựng một nền công nghệ truyền hình tiên tiến tại Việt Nam.
Phương pháp nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu là tìm hiểu và sử dụng các công trình công bố về từng vấn đề
của công nghệ Audio watermark. Trên cơ sở đó tôi tổng hợp các kết quả chân thực,
chính xác và tính ứng dụng cao trong thực tế để xây dựng nên một mô hình hệ thống
đáp ứng được nhu cầu công nghệ truyền hình tại Việt Nam.
***********
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
13
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
Chương 1: Audio Watermarking
1.1 Vấn đề giấu tin
1.1.1 Khái niệm
Giấu tin là giấu (hoặc nhúng) một lượng thông tin nào đó vào trong đối tượng khác.
“Giấu tin” nhiều khi không phải chỉ hành động giấu theo nghĩa thông thường, mà chỉ
mang ý nghĩa quy ước.
Mục đích của giấu tin
Giấu tin phục vụ cho hai mục đích trái ngược nhau:
- Bảo mật cho những dữ liệu được giấu trong đối tượng chứa
- Bảo đảm an toàn (bảo vệ bản quyền) cho chính đối tượng chứa dữ liệu giấu trong đó.
Hai mục đích giấu tin phát triển thành hai lĩnh vực với yêu cầu và tính chất khác nhau :
- Giấu thông tin bí mật (Steganography): Kỹ thuật giấu tin mật trong một đối tượng.
- Thuỷ vân số (Watermarking) : Kỹ thuật giấu tin (kiểu đánh dấu), được dùng để bảo
vệ chính đối tượng chứa tin giấu.
Mô hình giấu tin:
Hình 1.1 Mô hình giấu tin
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
14
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
Đầu vào:
Thông tin cần giấu: Tuỳ theo mục đích của người dùng, nó có thể là thông điệp(với
giấu tin bí mật) hay là các logo, hình ảnh bản quyền.- Phương tiện chứa: các file ảnh,
text, audio…là môi trường để giấu tin.- Khoá: thành phần để góp phần làm tăng độ bảo
mật.
Bộ nhúng thông tin: là chương trình thực hiện việc giấu tin.
Đầu ra:
là phương tiện chứa, đã có tin giấu trong đó
Mô hình tách tin từ phương tiện chứa
Diễn ra theo quy trình ngược lại với giấu tin: đầu ra là các thông tin được giấu và
phương tiện chứa..
Hình 1.2 Mô hình tách tin
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
15
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
1.1.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin
Có nhiều cách để tiến hành phân loại các phương pháp giấu thông tin theo các tiêu chí
khác nhau, như theo các phương tiện chứa tin, các phương pháp tác động lên phương
tiện chứa tin, hay phân loại theo các ứng dụng cụ thể.
Phân loại theo phương tiện chứa tin
- Giấu thông tin trong ảnh.
- Giấu thông tin trong các file âm thanh.
- Giấu thông tin trong video.
- Giấu thông tin trong văn bản dạng text.
Phân loại theo cách thức tác động lên phương tiện
- Phương pháp chèn dữ liệu: tìm vị trí trong file dễ bị bỏ qua, và chèn các dữ liệu cần
giấu vào đó (vd: dữ liệu được giấu sau các ký tự EOF) .
- Phương pháp thay thế: thay thế các phần tử không quan trọng của phương tiện chứa,
bằng các dữ liệu của thông điệp cần giấu (vd: thay thế các bit ít quan trọng, thay thế
trong miền tần số, các kỹ thuật trải phổ, thống kê…)
- Phương pháp tạo các phương tiện chứa: Từ thông điệp cần chuyển đi, sẽ tạo ra hợp lý
phương tiện chứa, để phục vụ cho việc truyền thông tin đó
Phân loại theo mục đích sử dụng
- Giấu thông tin bí mật.
- Giấu thông tin thuỷ vân.
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
16
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
1.1.3 Các thành phần trong kỹ thuật giấu tin
1.1.3.1 Phương tiện chứa tin
Để có thể che giấu thông tin an toàn và hiệu quả, ngoài việc phải có thuật toán giấu tin
tốt, giao thức liên lạc đảm bảo, phương tiện chứa phù hợp cũng là yếu tố quan trọng.
Phương tiện chứa C có thể là bất kỳ dạng dữ liệu nào mà máy tính có thể đọc được như
file hình ảnh, âm thanh số, bản tin dạng text…Nhưng phương tiện chứa phải có đủ
lượng thông tin dư thừa tối thiểu, để có thể giấu thông tin, vì dữ liệu khi biến đổi để
giấu tin, có thể bị phát hiện.
Có hai yêu cầu đặt ra với phương tiện chứa:
-Phương tiện chứa tin phải được giữ bí mật.
-Không sử dụng phương tiện chứa tin đến lần thứ hai.
Yêu cầu thứ nhất để tránh kẻ tấn công có phương tiện chứa đó, thì việc giấu tin trở lên
vô nghĩa. Yêu cầu thứ hai để tránh kẻ tấn công có thể so sánh hai“phiên bản” phương
tiện chứa đó, để phát hiện những chỗ khác nhau, dẫn đến nghi ngờ về một liên lạc bí
mật. Do đó phải huỷ toàn bộ các phương tiện chứa đã được dùng tại phía người gửi, và
phương tiện chứa sau khi đã tách lấy thông tin ở người nhận.
Để tránh việc nghi ngờ của kẻ tấn công, phương tiện chứa trước khi giấu tin (C) và sau
khi giấu tin (S), phải đảm bảo giống nhau về mặt tri giác, sau đó mới đến các yêu cầu
về thuộc tính thống kê, về chất lượng…
Có thể sử dụng nhiều loại phương tiện chứa khác nhau, nhưng vì lý do phổ biến và dễ
thực hiện, ảnh luôn được coi là phương tiện chứa chủ yếu.
1.1.3.2 Thông tin cần che giấu.
Thông điệp mà hai đối tác cần trao đổi, có thể là bất cứ loại dữ liệu nào.Với kỹ thuật
hiện nay, có thể giấu nhiều loại dữ liệu trong phương tiện chứa. Do yêu cầu an toàn,
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
17
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
kích thước của phương tiện chứa phải lớn hơn rất nhiều kích thước của thông điệp, nên
thông điệp dạng text (có kích thước nhỏ) thường được dùng nhiều nhất. Tuy nhiên
người ta có thể giấu cả ảnh, bản đồ với yêu cầu ở mức độ cần thiết, phương tiện chứa là
ảnh hay bản đồ khác.
1.1.3.3 Khoá giấu tin
Khoá giấu tin là thành phần quan trọng quyết định độ bảo mật của hệ thống giấu tin.
Khoá giấu tin có thể phân loại theo hình thức phân phối và ta có hai hình thức:
- Phân phối khoá: Một trung tâm sản xuất, phân phối khoá tới các đối tác liên lạc theo
một kênh an toàn. Cách làm này khá phức tạp vì đòi hỏi một kênh an toàn để chuyển
khoá, khi các đối tác ở xa thì việc chuyển khoá là một vấn đề đáng quan tâm.
- Thoả thuận khoá: Hai đối tác có thể trực tiếp thoả thuận khoá với nhau hay thông qua
một trung tâm. Khoá được quy ước lấy từ cơ sở dữ liệu nào đó mà hai phía cùng sở
hữu. Cách làm này tuy có một số yếu tố bất lợi, nhưng thực hiện đơn giản hơn so với
trao đổi khoá.
Trong giấu tin bí mật có thể dùng cả khoá bí mật và khoá công khai.
Để đảm bảo bí mật liên lạc, khoá giấu tin cần đáp ứng được hai yêu cầu:
- Một là khoá giấu tin phải đảm bảo “tính tri giác”, tức là khoá phải góp phần tàng hình
thông tin giấu, để tránh bị đối phương phát hiện.
- Hai là khoá đồng thời phải đủ mạnh, để nếu đối phương có nghi ngờ và kiểm tra
phương tiện chứa, cũng “khó” thể lấy được thông tin giấu trong đó.
1.1.4 Các giao thức giấu tin
Khi một thuật toán giấu tin được sử dụng, thuật toán đó sẽ nằm trong khuôn khổ một
giao thức xác định, thích hợp để xử lý dữ liệu.
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
18
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
Theo lý thuyết, có ba kiểu giao thức cơ bản: giấu tin thuần tuý, giấu tin với khoá bí
mật, giấu tin với khoá công khai. Trong đó kiểu giấu tin sau cùng được xây dựng trên
nguyên tắc mật mã khoá công khai.
1.1.4.1 Giấu tin thuần thuý
Giấu tin thuần tuý là hệ thống giấu tin, không yêu cầu phải trao đổi trước một số thông
tin bí mật.
Trong hệ thống giấu tin thuấn tuý, người giấu tin và người tách tin phải thực hiện cùng
một thuật toán nhúng và tách thông tin, thuật toán này phải được giữ bí mật.
Định nghĩa 1: Giấu tin thuần tuý
Bộ bốn giá trị δ = (C, M, D, E) được gọi là Hệ giấu tin thuần tuý trong đó:
C là tập các phương tiện chứa thông tin có thể, M là tập các thông điệp cần giấu |C| ≥
|M|.
E: C×M→C là hàm nhúng và D: C→M là hàm tách, với tính chất D(E(c, m) ) = m với
m € M và c € C.
Trong giấu tin thuần tuý, độ bảo mật thông tin dựa trên chính thuật toán, phương tiện
chứa trước và sau khi nhận tin giấu cũng phải được bảo vệ cẩn thận. Nếu đối phương
tấn công vào nơi cất giữ phương tiện chứa, việc giấu thông tin sẽ không hiệu quả, khi
đó đối phương không những phát hiện được việc liên lạc bí mật, mà còn lấy được cả
thông tin giấu trong đó.
Phương pháp giấu tin thuần tuý phải được kết hợp với việc mã hoá thông tin.Trước tiên
việc mã hoá sẽ làm tăng độ bảo mật của thông điệp, sau đó nhúng bản mã vào trong
phương tiện chứa. Cách này sẽ làm tăng độ bảo mật và vẫn đảm bảo tính vô hình của
kênh liên lạc, nó thực sự khó khăn cho việc phát hiện hay tấn công các thông điệp.
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
19
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
1.1.4.2 Giấu tin sử dụng khoá bí mật
Đối với hệ thống giấu thông tin thuần tuý, độ an toàn phụ thuộc hoàn toàn vào độ bí
mật của thuật toán giấu và tách thông tin.
Để cho hệ thống an toàn hơn, người ta thực hiện trao đổi một số thông tin bí mật giữa
hai đối tác. Trong hệ thống giấu tin với khoá bí mật, người gửi chọn phương tiện chứa
thông tin, sử dụng khoá bí mật k, tiến hành nhúng thông điệpvào phương tiện chứa tin
đó. Giấu tin với khoá bí mật vẫn phải đảm bảo phươngtiện chứa (trước và sau khi giấu
tin) phải giống nhau về cảm nhận, để tránh kẻgiám sát phát hiện được phiên liên lạc.
Đây là một tiêu chuẩn khi chọn khoá.
Định nghĩa 2: Giấu tin sử dụng khoá bí mật
Bộ năm giá trị δ = (C, M, K, DK, EK) được gọi là hệ giấu tin sử dụng khoá bí mật, trong
đó:
C là tập các phương tiện chứa có thể, M là tập các thông điệp cần giấuvới |C| ≥ |M|, K
là tập các khoá bí mật.
EK : C ×M×K →C và DK : C ×K →M với điều kiện Dk (EK (c, m, k), k) = mvới mọi m
€ M, c € C và k € K.
Giao thức truyền thông tin bằng giấu tin sử dụng khoá bí mật, yêu cầu các bên tham gia
phải trao đổi khoá trước.
Có thể dùng một số đặc tính của chính phương tiện chứa làm khoá, hàm băm tính toán
các giá trị này để làm khoá. Người nhận cũng tính hàm băm trênchính các giá trị này,
để lấy khoá giải mã tách thông tin.
Với cách này, không phải trao đổi khoá trên kênh an toàn, nhưng vì hàm băm không
phải là bí mật, nên việc liên lạc bí mật sẽ không đảm bảo.
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
20
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
Có thể chọn các thành phần quan trọng trong phương tiện chứa để làmkhoá, các thành
phần đó nếu bị thay đổi sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng tới phươngtiện chứa, và có thể
nhận ra được.
1.1.4.2 Giấu tin với khoá công khai
Hệ thống giấu tin với khoá công khai cũng yêu cầu có hai khoá: khóa bí mật và khóa
công khai. Khóa công khai được lưu trong Cơ sở dữ liệu khoá công khai, giống như
mật mã với khoá công khai, và được dùng trong quá trình nhúng thông tin. Khoá bí mật
chỉ người nhận mới biết và được dùng trong quá trình tách lấy thông tin, tái tạo lại
thông điệp ban đầu.
Cách dễ nhất để xây dựng hệ thống giấu tin với khoá công khai là sử dụng hệ mật mã
với khoá công khai. Giả sử hai đối tác đã trao đổi khoá công khai của thuật toán mã
hoá công khai.
Nguyên lý của giấu tin với khoá công khai là dùng hàm giải mã D để giải mã trên mọi
phương tiện chứa thông tin C, mà không cần quan tâm việc nó chứa hay không chứa
thông điệp bí mật (D là hàm trên tập C). Trong trường hợp phương tiện chứa không có
thông tin thu được khi giải mã, ta chỉ thu được các phần tử ngẫu nhiên m, ta gọi là các
phần tử “ngẫu nhiên tự nhiên ” của phương tiện chứa.
Trong giao thức giấu tin với khoá công khai, khi cố gắng để tách tin,kẻ tấn công chỉ có
thể nhận được các thông tin “ngẫu nhiên”, vì không có khoá giải mã tương ứng.
1.1.5 Giấu tin trong dữ liệu đa phương tiện
1.1.5.1 Giấu tin trong ảnh
Giấu tin trong ảnh, hiện nay, là bộ phận chiếm tỉ lệ lớn nhất trong các hệ giấu tin trong
đa phương tiện, bởi lượng thông tin được trao đổi bằng ảnh là rất lớn, mặt khác giấu tin
trong ảnh đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng bảovệ thông tin như: nhận thực
thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy cập,
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
21
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
giấu thông tin mật... Chính vì thế vấn đề này đã nhận được sự quan tâm rất lớn của các
cá nhân, tổ chức, trường đại học, và viện nghiên cứu trên thế giới.
Thông tin được giấu vào dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi, và“khó” biết
được đằng sau ảnh đó mang thông tin có ý nghĩa. Ngày nay, khi ảnh số đã được dùng
phổ biến, thì giấu tin trong ảnh đã đem lại nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống
xã hội.
Ví dụ như các nước phát triển, chữ kí tay đã được số hoá, lưu trữ, sử dụng như là hồ sơ
cá nhân của các dịch vụ ngân hàng và tài chính, nó được dùng để nhận thực trong các
thẻ tín dụng của người tiêu dùng.
Một đặc điểm của giấu tin trong ảnh là thông tin được giấu trong ảnh một cách vô hình.
Nó như là một cách mà truyền thông tin mật cho nhau mà người khác “khó” thể biết
được, bởi sau khi giấu tin, thì chất lượng ảnh gần như không thay đổi, đặc biệt là đối
với ảnh mầu hay ảnh xám
1.1.5.2 Giấu tin trong audio
Giấu tin trong audio mang đặc điểm riêng, không giống với giấu tin trong đối tượng đa
phương tiện khác. Một trong những yêu cầu cơ bản của giấu tin là đảm bảo tính chất ẩn
của thông tin được giấu, đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng của dữ liệu
gốc. Để đảm bảo yêu cầu này, kỹ thuật giấu tin trong ảnh phụ thuộc vào hệ thống thị
giác của con người - HVS (Human Vision System),kỹ thuật giấu tin trong audio lại phụ
thuộc vào hệ thống thính giác HAS (Human Auditory System).
Một vấn đề khó khăn ở đây là hệ thống thính giác của con người nghe được các tín
hiệu ở các giải tần rộng và công suất lớn, nên đã gây khó dễ đối với các phương pháp
giấu tin trong audio. Nhưng thật may là HAS lại kém trong việc phát hiện sự khác biệt
các dải tần và công suất, điều này có nghĩa là các âm thanh to, cao tần có thể che giấu
được các âm thanh nhỏ thấp một cách dễ dàng.Các mô hình phân tích tâm lí đã chỉ ra
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
22
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
điểm yếu trên, và thông tin này sẽ giúp ích cho việc chọn các audio thích hợp cho việc
giấu tin.
Vấn đề khó khăn thứ hai đối với giấu tin trong audio là kênh truyền tin.Kênh truyền
hay băng thông chậm sẽ ảnh hưởng đến chất lượng thông tin sau khi giấu. Ví dụ để
nhúng một đoạn java applet vào một đoạn audio (16 bit,44.100 Hz) có chiều dài bình
thường, thì các phương pháp nói chung cũng cần ít nhất là 20 bit/s.
Giấu tin trong audio đòi hỏi yêu cầu rất cao về tính đồng bộ và tính an toàn của thông
tin. Các phương pháp giấu tin trong audio đều lợi dụng điểm yếu trong hệ thống thính
giác của con người.
Và trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này. Đề tài sẽ đi tới nghiên cứu sâu hơn việc “
giấu thông tin trong âm thanh”.
1.1.5.3 Giấu tin trong video
Cũng giống như giấu tin trong ảnh hay trong audio, giấu tin trong video cũng được
quan tâm, và phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng như điều khiển truy cập thông
tin, nhận thực thông tin và bảo vệ bản quyền tác giả.
Các kỹ thuật giấu tin trong video phát triển mạnh mẽ, và cũng theo hai khuynh hướng
là thuỷ vân số và data hiding. Một phương pháp giấu tin trongvideo được đưa ra bởi
Cox, là phương pháp phân bố đều. Ý tưởng cơ bản là phân phối tin giấu dàn trải theo
tần số của dữ liệu chứa (gốc). Người ta đã dùng hàm cosin riêng và hệ số truyền sóng
riêng để giấu tin.
Trong các thuật toán khởi nguồn, kỹ thuật cho phép giấu ảnh vào video,nhưng thời
gian gần đây các kỹ thuật cho phép giấu cả âm thanh và hình ảnh vào video.Phương
pháp Swanson đã giấu theo khối, đã giấu được 2 bít vào khối 8*8.Gần đây nhất là
phương pháp Mukherjee, giấu audio vào video sử dụng cấu trúc lưới đa chiều.
Kỹ thuật giấu tin sử dụng cả đặc điểm thị giác và thính giác của con người.
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
23
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
1.2 Audio Watermarking
1.2.1 Giới thiệu
Các kỹ thuật Watermarking trên âm thanh số hiện nay chủ yếu khai thác khuyết điểm
của hệ thính giác người (Human Auditory System - HAS) – đó là đặc ính ít nhạy cảm
với những thay đổi nhỏ trên miền thời gian và miền tần số. Tewfik và Hamdy đã phân
tích các phương pháp ẩn dữ liệu trong tín hiệu âm thanh số tiêu biểu là: mã hóa LSB,
mã hóa pha, trải phổ, ẩn echo. Các kỹ thuật LSB tuy không bền vững, nhưng khả năng
lưu trữ lớn. Mã hóa pha bền vững trước các thao tác lấy mẫu lại, khả năng lưu trữ thấp.
Bằng cách chèn các echo có biên độ nhỏ vào miền thời gian, phương pháp ẩn echo
được đánh giá cao về khả năng bền vững và tỉ lệ nhúng, tuy nhiên khả năng trong suốt
kém. Được đánh giá cao hơn cả là kỹ thuật chuyển đổi thông tin với hai hướng tiếp cận
chính là kỹ thuật trải phổ và điều biến chỉ mục lượng tử. Ưu điểm quan trọng đem lại
thành công cho hướng phát triển này là không sử dụng tín hiệu gốc trong quá rình rút
trích và khó có thể dò tìm Watermark bằng các phương pháp phân tích thông kê. Tuy
nhiên lượng tử hóa không đem lại hiệu quả cao do khả năng chống tấn công thấp. Hiện
nay, trải phổ đang là kỹ thuật được đánh giá cao, được nghiên cứu tập trung phát
triển, và cải tiến.
1.2.2 Tiêu chí
Một thuật toán Watermarking nói chung phải thoả một số tiêu chí:
− Khả năng lưu trữ: dung lượng thông tin được ẩn, tính chất này phụ thuộc vào thuật
toán nhúng và kích thước đối tượng chứa.
− Tính bảo mật: khóa Watermark phải được phát sinh một cách bí mật, chỉ người sở
hữu mới có quyền truy cập.
− Tính bền vững: khả năng chống chịu tấn công của Watermark.
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
24
HV: Phạm Văn Giáp
Audio watermarking for Broadcasting
− Khả năng trong suốt: khả năng che
đậy sự tồn tại của tín hiệu được nhúng
(Watermark) trên tín hiệu gốc trước các cảm nhận của người dùng thông qua 2 cơ quan
thính giác (đối với âm thanh) hoặc thị giác (đối với ảnh).
Một vài tính chất khác cần xem xét khi xây dựng hệ thống Watermarking bao gồm:
thời gian thực, khả năng khôi phục, khả năng trong suốt … .
1.2.3 Các phương pháp kỹ thuật audio watermarking
Có rất nhiều kỹ thuật audio watermarking. Dưới đây là một vài kỹ thuật được sử dụng
nhiều với các ứng dụng khác nhau.
1.2.3.1 Phân loại
Có rất nhiều cách phân loại các kỹ thuật Watermarking trên âm thanh khác nhau, dựa
trên các tiêu chí, quan điểm khác nhau. Tuy nhiên, trong phần trình bày này, cũng như
các nhà nghiên cứu audio watermarking trên âm thanh, người ta chia các kỹ thuật thành
2 nhóm chính:
- Nhóm có sử dụng tín hiệu gốc trong quá trình rút trích.
- Nhóm không cần đến tín hiệu gốc trong quá trình rút trích thông tin.
GVHD: TS. Đặng Quang Hiếu
25
