Kỹ thuật bảo vệ bản quyền nhạc số bằng thủy vân (Luận văn thạc sĩ)

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CNTT VÀ TRUYỀN THÔNG

Trần Thị Thành

KỸ THUẬT BẢO VỆ BẢN QUYỀN NHẠC SỐ BẰNG
THỦY VÂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên, tháng 9 năm 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CNTT VÀ TRUYỀN THÔNG
Trần Thị Thành

KỸ THUẬT BẢO VỆ BẢN QUYỀN NHẠC SỐ BẰNG
THỦY VÂN

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số : 60 48 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS Đặng Văn Đức

Thái Nguyên, tháng 9 năm 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

3

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “Kỹ thuật bảo vệ bản quyền bản nhạc số
bằng thủy vân” là sản phẩm của riêng cá nhân, không sao chép lại của người
khác. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là
của cá nhân hoặc là được tổng hợp, nghiên cứu từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả
các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ và trích dẫn rõ ràng.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo
quy định cho lời cam đoan của mình.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 07 năm 2015
Học viên

Trần Thị Thành

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

4

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy Đặng Văn Đức - Viện
Công nghệ thông tin, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tôi
trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ
Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy và cung cấp
cho chúng tôi những kiến thức rất bổ ích trong thời gian học cao học, giúp tôi
có nền tảng tri thức để phục vụ nghiên cứu khoa học sau này.
Tôi cũng xin cảm ơn Lãnh đạo và đồng nghiệp tại đơn vị đã tạo điều kiện
và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi
cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình và bạn bè, những người luôn quan
tâm, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình học tập.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 07 năm 2015
Trần Thị Thành

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

5

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. 4
MỤC LỤC ........................................................................................................ 5
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN .......................... 7
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ..................................................................... 8
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................... 9
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 10
1. Đặt vấn đề .................................................................................................. 10

2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu............................................................ 11
3. Hƣớng nghiên cứu của đề tài ................................................................... 11
4. Nội dung của luận văn .............................................................................. 11
5. Phƣơng pháp nghiên cứu.......................................................................... 12
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN DỮ LIỆU ÂM THANH .. 13
1.1 Thủy vân số và thủy vân dữ liệu âm thanh .......................................... 13
1.1.1 Vài nét về lịch sử giấu tin .................................................................. 13
1.1.2 Định nghĩa .......................................................................................... 14
1.1.3 Mô hình kỹ thuật giấu tin ................................................................... 14
1.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin ..................................................................... 15
1.3 Thủy vân và yêu cầu cơ bản của thủy vân âm thanh .......................... 17
1.3.1 Phân loại thủy vân số ......................................................................... 17
1.3.2 Mô hình hệ thống thủy vân âm thanh ................................................ 19
1.3.3 Các đặc tính của thủy vân âm thanh .................................................. 21
1.4 Một số ứng dụng đang đƣợc triển khai ................................................. 21
1.5 Âm thanh số ............................................................................................. 23
1.5.1 Khái niệm về âm thanh và âm thanh số ............................................. 23
1.5.2 Một số định dạng file âm thanh trên máy tính ................................... 24

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

6

CHƢƠNG 2. THUẬT TOÁN THỦY VÂN ÂM THANH TRÊN MIỀN
THỜI GIAN VÀ MIỀN TẦN SỐ ................................................................ 28
2.1 Thuật toán thủy vân âm thanh sử dụng biến đổi Cosine rời rạc ....... 28
2.1.1 Biến đổi Cosine rời rạc ...................................................................... 28
2.1.2 Thuật toán thủy vân âm thanh sử dụng biến đổi Cosine rời rạc ........ 30

2.2 Thuật toán thủy vân âm thanh sử dụng biến đổi DCT trên đoạn tín
hiệu có năng lƣợng cao ................................................................................. 33
2.3 Thuật toán thủy vân âm thanh sử dụng DCT và biến đổi Arnold ..... 38
2.3.1 Biến đổi Arnold .................................................................................. 38
2.3.2 Thuật toán thủy vân âm thanh sử dụng DCT và biến đổi Arnold ...... 42
2.4 Thuật toán thủy vân âm thanh sử dụng kỹ thuật thay thế LSB......... 46
2.4.1 Thuật toán LSB cơ bản ...................................................................... 46
2.4.2 Thuật toán thủy vân âm thanhsử dụng kỹ thuật thay thế LSB ........... 50
2.5 Kỹ thuật đánh giá hiệu quả của hệ thống thủy vân âm thanh ........... 53
2.5.1 Tỷ lệ lỗi bit (Bit Error Rate – BER) ................................................... 53
2.5.2 Hệ số tương quan chuẩn hóa (Normalized Correlation Coefficient –
NCC) ........................................................................................................... 53
2.5.3 Chất lượng cảm nhận (Perceptual Quality) ........................................ 53
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM .............. 55
3.1 Mô hình hệ thống thử nghiệm ................................................................ 55
3.2 Công nghệ sử dụng phát triển chƣơng trình thử nghiệm ................... 57
3.3 Đánh giá kết quả thử nghiệm ................................................................. 57
KẾT LUẬN .................................................................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 61
PHỤ LỤC 1. Cấu trúc file âm thanh dạng WAV....................................... 63

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

7

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
AAC - Định dạng âm thanh chuẩn (Advanced Audio Coding)
AIFF - Định dạng không mất thông tin (Audio Interchange File Format)

DCT - Phép biến đổi Cosin rời rạc (Discrete Cosine Tranform).
FLAC - Nén âm thanh không mất dữ liệu (Free Lossless Audio Codec),
FT - Biến đổi Fourier (Fourier Transform)
LSB - Bít ít quan trọng nhất (Least Significant Bít)
MP3 - Định dạng nén âm thanh (Movie Picture Experts Group-Layer 3)
PCM - Điều biến mã xung (Pulse Code Modulation)
WAV - Định dạng âm thanh dạng sóng (Waveform Audio Format)
WMA - Định dạng âm thanh của Microsoft (Windows Media Audio)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

8

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Lược đồ chung cho quá trình giấu tin ............................................. 14
Hình 1.2: Lược đồ chung cho quá trình tách tin ............................................. 15
Hình 1.3: Phân loại kỹ thuật giấu tin .............................................................. 16
Hình 1.4: Phân loại thủy vân số ...................................................................... 18
Hình 1.5: Mô hình thủy vân âm thanh ............................................................ 19
Hình 1.6: Mô hình tách thủy vân âm thanh..................................................... 20
Hình 1.7: Tín hiệu âm thanh ........................................................................... 23
Hình 1.8: Số hóa tín hiệu âm thanh ................................................................. 24
Hình 2.1: Sơ đồ quy trình nhúng thủy vân biến đổi Cosine rời rạc ................ 31
Hình 2.2: Sơ đồ quy trình tách thủy vân biến đổi Cosine rời rạc ................... 32
Hình 2.4: Sơ đồ quy trình tách thủy vân trên đoạn tín hiệu có năng lượng cao
trong miền biến đổi ........................................................................................ 37
Hình 2.5: Phân phối các tọa độ ảnh ................................................................ 39
Hình 2.7: Sơ đồ quy trình nhúng thủy vân sử dụng DCT và biến đổi Arnold 44

Hình 2.8: Sơ đồ quy trình tách thủy vân sử dụng DCT và biến đổi Arnold ... 46
Hình 2.9:Sơ đồ quy trình nhúng thủy vân bằng phương pháp thay thế LSB . 51
Hình 2.10: Sơ đồ quy trình tách thủy vân bằng phương pháp thay thế LSB .. 52
Hình 3.1: Mô hình thử nghiệm thủy vân tệp âm thanh ................................... 56
Hình 3.2: Mô hình thử nghiệm tách thủy vân ................................................. 56
Hình 3.3: Giao diện nhúng thủy vân ............................................................... 57
Hình 3.4: Giao diện hoàn thành nhúng thủy vân ............................................ 58
Hình 3.5: Giao diện tách thủy vân .................................................................. 58
Hình 3.6: Giao diện khi hoàn thành tách thủy vân và so sánh ảnh ................. 59

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

9

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: So sánh giấu thông tin mật và giấu thông tin thủy vân .................. 17
Bảng 1.2: Một số định dạng file âm thanh trên máy tính ............................... 27
Bảng 2.1: Thuật toán chu kỳ xáo trộn Arnold ............................................... 39

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

10

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Cuộc cách mạng thông tin dữ liệu số đã đem lại những thay đổi sâu sắc

trong xã hội và trong cuộc sống. Những thuận lợi thông tin dữ liệu số mang
lại cũng đề ra những thách thức và cơ hội mới cho quá trình đổi mới. Sự ra
đời những phần mềm có tính năng mạnh, các thiết bị mới như máy ảnh kỹ
thuật số, máy quét chất lượng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số,… đã với
tới thế giới tiêu dùng rộng lớn để sáng tạo, xử lý và thưởng thức các dữ liệu
số. Mạng Internet toàn cầu đã biến thành một xã hội ảo nơi diễn ra quá trình
trao đổi thông tin trong mọi lĩnh vực chính trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế,
thương mại… Đồng thời trong môi trường mở và tiện nghi như thế xuất hiện
nhiều những vấn nạn, tiêu cực đang rất cần đến các giải pháp hữu hiệu cho
vấn đề an toàn thông tin như nạn ăn cắp bản quyền, nạn xuyên tạc thông tin,
truy nhập thông tin trái phép... Trong bối cảnh như vậy, việc thực thi quyền sở
hữu dữ liệu và đảm bảo sự toàn vẹn dữ liệu là một yêu cầu quan trọng đòi hỏi
các giải pháp đồng bộ, bao gồm các khía cạnh về kỹ thuật, về tổ chức và cả
luật pháp. Tháng 3/1998 ở Hồng Kông, chính quyền đã tịch thu một số lượng
đĩa CD âm nhạc lậu trị giá 85 triệu đôla, và vào 6/1998, ở Đức cũng đã tịch
thu các sản phẩm phần mềm và kĩ thuật số lậu trị giá 1,9 triệu đô la. Quốc hội
Mỹ thông qua dự luật về “Hành động bảo vệ bản quyền kỷ nguyên kĩ thuật
số” (Digital Millenium Copyright Act) để bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ với các
sản phẩm kĩ thuật số [6]. Tất cả các việc đó nói nên sự cần thiết phải có một
cách để bảo vệ các sản phẩm kĩ thuật số khỏi các thao tác sao chép, xử lý trái
phép và ngăn chặn các hoạt động này xảy ra. Một phương pháp chống sao
chép trái phép và bảo vệ bản quyền cho các sản phẩm số - thuỷ vân số (digital
watermarking) đã ra đời trong hoàn cảnh này. Thuỷ vân số là một phương
pháp dùng để bảo vệ các sản phẩm số. Nó có thể được dùng trong các lĩnh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn full