Kỹ thuật bảo vệ bản quyền nhạc số bằng thủy vân

Về lý thuyết: Thu thập và phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến: - Cấu trúc dữ liệu âm thanh - Mô hình hệ thống thủy vân và tách thủy vân với các tệp dữ liệu âm thanh - Các t

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG 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

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT VÀ TRUYỀN THÔNG

Trang 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

Trang 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

Trang 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 tượng và phạm vi nghiên cứu 11

3 Hướng nghiên cứu của đề tài 11

4 Nội dung của luận văn 11

5 Phương pháp nghiên cứu 12

CHƯƠNG 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 được 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

Trang 6

CHƯƠNG 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 lượng 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

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 55

3.1 Mô hình hệ thống thử nghiệm 55

3.2 Công nghệ sử dụng phát triển chương 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

Trang 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)

Trang 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

Trang 9

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

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

Trang 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

Trang 11

vực bảo vệ bản quyền, chống sao chép, phân biệt giả mạo, …Các sản phẩm số này có thể là văn bản, audio, video, phần mềm, ảnh, Thuỷ vân số là một phương pháp mới dựa trên lý thuyết tổng hợp của nhiều lĩnh vực khác nhau như mật mã học, lý thuyết thông tin, lý thuyết truyền thông và xử lý tín hiệu

số, xử lý ảnh Mục đích của phương pháp này là dấu thêm một lượng thông tin có ích vào sản phẩm số và lượng thông tin này được gọi là thuỷ vân

Chính vì tính khoa học và tính hữu ích trong ứng dụng thực tiễn của thủy vân số trong việc bảo vệ bản quyền, đặc biệt với các tác phẩm âm nhạc

như trình bày trên đây, nên em quyết định lựa chọn đề tài là: “Kỹ thuật bảo

vệ bản quyền bản nhạc số bằng thủy vân”

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Tìm hiểu tổng quan về các hướng tiếp cận chính cho việc bảo vệ bản nhạc số bằng phương pháp thủy vân Tập trung vào các thuật toán tách - nhúng thủy vân

3 Hướng nghiên cứu của đề tài

a Về lý thuyết:

Thu thập và phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến:

- Cấu trúc dữ liệu âm thanh

- Mô hình hệ thống thủy vân và tách thủy vân với các tệp dữ liệu âm thanh

- Các thuật toán nhúng - tách thủy vân tệp âm thanh

- Phương pháp đánh giá chất lượng thủy vân

b Về thực nghiệm:

- Áp dụng thử nghiệm thuật toán

- Kiểm tra, thử nghiệm và đánh giá kết quả

4 Nội dung của luận văn

Ngoài phần mở đầu trình bày lý do chọn đề tài và tình hình nghiên cứu

Trang 12

trong và ngoài nước về các kỹ thuật (thuật toán) thủy vân dữ liệu âm thanh, phần kết luận tóm tắt các kết quả chính đã đạt được và hướng nghiên cứu tiếp theo của luận văn, các kết quả chính của luận văn được trình bày trong 3 chương như sau đây:

Chương 1:Trình bày tổng quan về thủy vân dữ liệu đa phương tiện, trong

đó có dữ liệu âm thanh và tổng quan về cấu trúc dữ liệu âm thanh

Chương 2:Trình bày về một số thuật toán thủy vân âm thanh trong miền biến đổi và miền thời gian Trước khi trình bày cụ thể về các thuật toán, một

số kiến thức cơ bản liên quan được trình bày như mô hình tổng quát thủy vân

âm thanh, các phép biến DCT và Arnold và phương pháp đánh giá hiệu quả của hệ thống thủy vân âm thanh

Chương 3: Trình bày thử nghiệm một thuật toán thủy vân âm thanh bằng MatLab, kèm theo đánh giá và nhận xét

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu các tài liệu viết về dữ liệu âm thanh, thủy vân số, nhúng - tách thủy vân và các vấn đề liên quan

- Tổng hợp, so sánh, phân tích

- Xây dựng chương trình thử nghiệm

Trang 13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN DỮ LIỆU ÂM THANH

1.1 Thủy vân số và thủy vân dữ liệu âm thanh

1.1.1 Vài nét về lịch sử giấu tin

Từ Steganography bắt nguồn từ tiếng Hi Lạp và được sử dụng cho tới ngày nay, nó có nghĩa là tài liệu được phủ (covered writing) Các câu chuyện

kể về kỹ thuật giấu thông tin được truyền qua nhiều thế hệ Có lẽ những ghi chép sớm nhất về kỹ thuật giấu thông tin (thông tin được hiểu theo nghĩa nguyên thủy của nó) thuộc về sử gia Herodotus người Hy lạp Khi bạo chúa

Hy lạp Histiaeus bị vua Darius bắt giữ ở Susa vào thế kỷ thứ năm trước Công nguyên, ông đã gửi một thông báo bí mật cho con rể của mình là Aristagoras

ở Miletus Histiaeus đã cạo trọc đầu của một nô lệ tin cậy và xăm một thông báo trên da đầu của người nô lệ ấy Khi tóc của người nô lệ này mọc đủ dài, anh ta đã được gửi tới Miletus [2][6]

Một câu chuyện khác ở thời Hy-Lạp cổ đại cũng do Herodotus ghi lại Môi trường để ghi văn bản chính là các viên thuốc được bọc trong sáp ong Demeratus, một người Hy lạp, cần thông báo cho Sparta rằng Xerxes định xâm chiếm Hy lạp Để tránh bị phát hiện, anh ta đã bóc lớp sáp ra khỏi các viên thuốc và khắc thông báo lên bề mặt các viên thuốc này, sau đó bọc lại các viên thuốc bằng một lớp sáp mới Những viên thuốc được để ngỏ và lọt qua mọi sự kiểm tra một cách dễ dàng

Một cách giấu tin phổ biến là sử dụng mực không màu Đây là một phương tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin trong một thời gian dài Người Romans cổ đã biết sử dụng những chất sẵn có như nước quả, nước tiểu và sữa

để viết các thông báo bí mật giữa những hàng văn tự thông thường Khi bị hơ nóng, những loại mực không nhìn thấy này sẽ trở nên sẫm màu và có thể đọc được một cách dễ dàng Mực không màu cũng được sử dụng rất gần đây, như

Trang 14

trong thời gian chiến tranh Thế giới lần thứ II

Ý tưởng che giấu thông tin đã có từ hàng nghìn năm về trước nhưng kỹ thuật này được dùng chủ yếu trong quân đội và trong các cơ quan tình báo Mãi cho tới vài thập niên gần đây, giấu thông tin mới được các nhà nghiên cứu và các viện công nghệ thông tin quan tâm và đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về vấn đề này Cuộc cách mạng số hoá thông tin và sự phát triển nhanh chóng của mạng truyền thông là nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi này Những phiên bản sao chép hoàn hảo, các kỹ thuật thay thế, sửa đổi tinh vi, cộng với sự lưu thông phân phối trên mạng của các dữ liệu đa phương tiện đã sinh ra rất nhiều vấn đề nhức nhối về nạn ăn cắp bản quyền, phân phối bất hợp pháp, xuyên tạc trái phép

1.1.2 Định nghĩa

Giấu thông tin (Steganography) là một kỹ thuật nhúng thông tin

(embeding) vào trong một nguồn đa phương tiện gọi là các phương tiện

chứa(host data) mà không gây ra sự nhận biết về sự tồn tại của thông tin giấu

(invisible)

1.1.3 Mô hình kỹ thuật giấu tin

Mô hình của kỹ thuật giấu tin cơ bản được mô tả trong Hình 1.1 và Hình 1.2 Trong đó Hình 1.1 Biểu diễn quá trình giấu tin cơ bản [6]

Hình 1.1: Lược đồ chung cho quá trình giấu tin Phương tiện chứa: bao gồm các đối tượng được dùng làm môi trường để giấu tin như text, audio, video, image …

Bộ nhúng thông tin

Phương tiện chứa

Phương tiện chứa đã được giấu tin Thông tin cần giấu

Trang 15

Thông tin cần giấu: là một lượng thông tin mang một ý nghĩa nào đó tuỳ thuộc vào mục đích của người sử dụng Thông tin sẽ được giấu vào trong một phương tiện chứa nhờ một bộ nhúng

Bộ nhúng là những chương trình, thuật toán giấu tin và được thực hiện với một khoá bí mật giống như các hệ mã mật cổ điển Sau khi giấu tin, các phương tiện chứa có giấu tin sẽ được gửi đi hoặc được phân phối sử dụng trên mạng

Hình 1.2: Lược đồ chung cho quá trình tách tin Hình 1.2 chỉ ra các công việc giải mã thông tin đã giấu [6] Quá trình giải mã được thực hiện thông qua một bộ giải mã tương ứng với bộ nhúng thông tin cùng với khoá của quá trình nhúng Kết quả thu được gồm phương tiện chứa gốc và thông tin đã giấu Bước tiếp theo, thông tin giấu sẽ được xử

lý, kiểm định so sánh với thông tin giấu ban đầu

1.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin

Có nhiều cách để tiến hành phân loại các phương pháp giấu thông tin thông qua các tiêu chí khác nhau: như theo phương tiện chứa tin, các phương pháp tác động lên phương tiện chứa tin, hay phân loại dựa theo các mục đích

sử dụng

Theo mục đích sử dụng, giấu thông tin có hai loại như hình 1.3:

Bộ lọc thông tin

Phương tiện chứa đã

được giấu tin

Phương tiện chứa

Thông tin giấu Khóa K

Kiểm định

Trang 16

Hình 1.3: Phân loại kỹ thuật giấu tin

Giấu thông tin mật

Đây là ứng dụng phổ biến nhất từ trước tới nay Đối với giấu thông tin mật người ta quan tâm chủ yếu tới các mục tiêu sau:

- Độ an toàn của tin giấu (khả năng không bị phát hiện của tin giấu)

- Lượng thông tin tối đa có thể giấu trong một phương tiện chứa cụ thể

mà vẫn có thể đảm bảo an toàn

- Độ bảo mật của thông tin trong trường hợp giấu tin bị phát hiện

Giấu thông tin mật không quan tâm nhiều tới các yêu cầu về khả năng bền vững của phương tiện chứa Việc giải mã để nhận được thông tin cũng không cần phương tiện chứa gốc ban đầu Các yêu cầu về khả năng chống tấn công không được quan tâm lắm, thay vào đó là thông tin giấu phải được bảo mật Đối với các thuật toán giấu thông tin mật, người ta không chú trọng đến việc bảo vệ thông tin mật trước sự tấn công của các đối thủ Mà thay vào đó quan tâm đến tính ẩn và tính an toàn đối với dữ liệu cần giấu

Giấu thông tin thủy vân

Khác với kỹ thuật giấu thông tin để giữ bí mật thông tin, giấu thông tin thủy vân có mục tiêu là bảo vệ bản quyền và xác thực thông tin Vì vậy, kỹ thuật này không chống lại việc khai thác thông tin, mà quan trọng nhất đối với

nó là đảm bảo tuyệt đối tính bền vững Nghĩa là: không thể hủy bỏ được thông tin giấu trừ khi hủy sản phẩm chứa Ngoài ra các thông tin nhúng cần

có ảnh hưởng tối thiểu đối với phương tiện chứa Vì vậy, thông tin cần giấu càng nhỏ càng tốt

Giấu thông tin

Trang 17

Bảng so sánh giấu thông tin mật và giấu thông tin thủy vân [2]

Steganography

Giấu tin mật

Watermarking Thủy vân số

- Dùng trong các hoạt động xuất bản

Cách

thực

hiện

Không làm thay đổi phương tiện

chứa thông tin

Có thể tác động nhỏ về cảm nhận tới phương tiện chứa

Cách

thực

hiện

- Giấu được nhiều thông tin nhất

- Không quan tâm đến độ bền

của phương tiện chứa

- Không quan sát được việc giấu

- Dữ liệu nhúng có thể nhận thấy hay không nhận thấy

- Không kiểm tra được nếu

Bảng 1.1: So sánh giấu thông tin mật và giấu thông tin thủy vân

1.3 Thủy vân và yêu cầu cơ bản của thủy vân âm thanh

1.3.1 Phân loại thủy vân số

Nói đến thuỷ vân số là nói đến kỹ thuật giấu tin hướng đến những ứng dụng bảo đảm an toàn dữ liệu cho đối tượng được sử dụng để giấu tin như: bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc, nhận thực thông tin, điều khiển sao chép v.v… Có thể thấy rõ là phần ứng dụng của thủy vân rất lớn, mỗi ứng dụng lại có những yêu cầu riêng và tính chất riêng, do đó các kỹ thuật thuỷ vân cũng có những tính năng khác biệt tương ứng:

Trang 18

Hình 1.4: Phân loại thủy vân số Các kỹ thuật thuỷ vân trên hình 1.4[6] được phân biệt bởi những đặc trưng, tính chất của từng kỹ thuật và ứng dụng những kỹ thuật đó Thuỷ vân

“dễ vỡ” (fragile) là kỹ thuật nhúng thuỷ vân vào trong đối tượng đa phương tiện (ảnh, âm thanh…) sao cho khi phân phối sản phẩm trong môi trường mở nếu có bất cứ một phép biến đổi nào làm thay đổi đối tượng sản phẩm gốc thì thuỷ vân đã được giấu trong đối tượng sẽ không còn nguyên vẹn như trước khi giấu nữa (dễ vỡ) Các kỹ thuật thuỷ vân có tính chất này được sử dụng trong các ứng dụng nhận thực thông tin (authentication) và phát hiện xuyên tạc thông tin (tamper detection) Rất dễ hiểu vì sao những ứng dụng này cần đến kỹ thuật thuỷ vân dễ vỡ Ví dụ như để bảo vệ chống xuyên tạc một đối tượng đa phương tiện nào đó ta nhúng một thuỷ vân vào đối tượng và sau đó phân phối, quảng bá đối tượng đa phương tiện đó Khi cần kiểm tra lại ta sử dụng hệ thống đọc thủy vân Nếu không đọc được thuỷ vân hoặc thuỷ vân đã

bị sai lệch nhiều so với thuỷ vân ban đầu đã nhúng vào thì có nghĩa là có thể đối tượng đa phương tiện đó đã bị thay đổi Cái khó ở đây là ta phải phân biệt giữa sai lệch thuỷ vân do xuyên tạc và sai lệch do lỗi đường truyền Ngược lại, với kỹ thuật thuỷ vân dễ vỡ là kỹ thuật thuỷ vân bền vững (robust) Các

kỹ thuật thuỷ vân bền vững thường được ứng dụng trong các ứng dụng bảo vệ bản quyền Trong những ứng dụng đó, thuỷ vân đóng vai trò là thông tin sở hữu của người chủ hợp pháp Thuỷ vân được nhúng trong sản phẩm như một

Thủy vân số

Thủy vân ẩn Thủy vân hiện Thủy vân ẩn Thủy vân hiện

Trang 19

hình thức dán tem bản quyền Trong trường hợp như thế, thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm nhằm chống việc tẩy xoá, làm giả hay biến đổi phá huỷ thuỷ vân Một yêu cầu lí tưởng đối với thuỷ vân bền vững là nếu muốn loại bỏ thuỷ vân thì chỉ có một cách duy nhất là phá huỷ sản phẩm Thuỷ vân bền vững lại được chia thành hai loại là thuỷ vân ẩn và thuỷ vân hiện Thuỷ vân hiện là loại thuỷ vân được hiện ngay trên sản phẩm và người dùng có thể nhìn thấy được giống như các biểu tượng kênh chương trình vô tuyến mà chúng ta thường thấy VTV3, CCTV, TV5…Các thuỷ vân hiện trên ảnh thường dưới dạng chìm, mờ hoặc trong suốt để không gây ảnh hưởng đến chất lượng ảnh gốc Đối với thuỷ vân hiện, thông tin bản quyền hiển thị ngay trên sản phẩm

1.3.2 Mô hình hệ thống thủy vân âm thanh

Mô hình tổng quát của hệ thống thủy vân âm thanh được mô tả trên hình 1.5 Đầu vào hệ thống là tệp âm thanh, có thể là tệp âm nhạc nào đó cần bảo

vệ bản quyền và một ảnh thủy vân để nhúng vào tệp âm thanh Bộ nhúng thông tin là mô đun chương trình cài đặt thuật toán nhúng ảnh thủy vân vào

âm thanh Trong luận văn này ảnh thủy vân được xác trộn trước khi nhúng vào tệp âm thanh Có nhiều kỹ thuật xáo trộn ảnh Luận văn sử dụng phép biến đổi Arnold để xáo trộn ảnh thủy vân Sau khi biến đổi Arnold, ảnh được biến đổi sang miền tần số Các hệ số sau khi biến đổi DCT của ảnh được nhúng vào tệp âm thanh

Hình 1.5: Mô hình thủy vân âm thanh

Bộ nhúng thông tin

Tệp âm thanh

Tệp âm thanh đã thủy vân Ảnh thủy vân

Trang 20

Như đã trình bày trong chương 1 và theo [9], có nhiều kỹ thuật thủy vân

âm thanh Trong phạm vi luận văn này, hai kỹ thuật thủy vân âm thanh được nghiên cứu, đó là:

- Thủy vân âm thanh trong miền thời gian với kỹ thuật nhúng thủy vân vào LSB

- Thủy vân âm thanh trong miền biến đổi với kỹ thuật nhúng thủy vân vào các hệ số tập trung năng lượng cao của phép biến đổi cosine rời rạc DCT Việc tách thủy vân được thực hiện theo mô hình 1.6 Đầu vào của hệ thống là tệp âm thanh đã nhúng thủy vân với một khóa K Bộ lọc thông tin là

mô đun chương trình cài đặt thuật toán tách ảnh thủy vân khỏi dữ liệu âm thanh Đầu ra của hệ thống là tệp ảnh thủy vân và tệp âm thanh gốc Trong luận văn này, các thuật toán tách ảnh thủy vân được nghiên cứu tương ứng với các thuật toán nhúng ảnh thủy vân vào âm thanh như trình bày trên đây

Hình 1.6: Mô hình tách thủy vân âm thanh

Để cài đặt được mô hình nhúng ảnh thủy vân vào tệp âm thanh và tách ảnh thủy vân khỏi tệp âm thanh, một số kiến thức cơ sở được trình bày trong mục sau Các kiến thức cơ sở bao gồm phép biến đổi cosine rời rạc (thuận/nghịch), phép biến đổi Arnold (thuận/nghịch) để áp dụng trên các tín hiệu âm thanh và tín hiệu ảnh Ngoài ra một số độ đo đánh giá hiệu năng hệ thống nhúng và ảnh thủy vân khỏi tệp âm thanh được trình bày

Bộ lọc thông tin

Tệp âm thanh có

thủy vân

Tệp âm thanh gốc

Ảnh thủy vân Khóa K

Trang 21

1.3.3 Các đặc tính của thủy vân âm thanh

- Tính không thấy được: nghĩa không thể nhận thấy được sự xuất hiện của thủy vân Chúng ta không thể cảm nhận sự thay đổi của âm thanh sau khi được nhúng thủy vân vào

- Tính bền vững: nghĩa là thủy vân không thể phá hủy giá trị của âm thanh gốc

- Tính an toàn: có nghĩa là thủy vân không thể bị xóa một cách dễ dàng,

và có thể cung cấp đầy đủ bằng chứng về bản quyền

- Tính vững mạnh: có nghĩa là có thể chống lại các cuộc tấn công thủy vân của các tín hiệu âm thanh Chúng ta vẫn còn có thể trích xuất hình mờ ngay cả khi âm thanh bị tấn công

- Khả năng chứa thủy vân: là số lượng dữ liệu tối đa có thể được nhúng vào các hệ thống âm thanh

1.4 Một số ứng dụng đang đƣợc triển khai

Thủy vân có rất nhiều ứng dụng trong đời sống nổi bật nhất [6]:

Bảo vệ bản quyền tác giả: Đây là ứng dụng cơbản nhất của kỹ thuật

thuỷ vân số (digital watermarking) - một dạng của phương pháp giấu tin Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả (người ta gọi nó là thuỷ vân - watermark) sẽ được nhúng vào trong các sản phẩm, thuỷ vân đó chỉ một mình người chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và được dùng làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm Giả sử có một thành phẩm dữ liệu dạng đa phương tiện như ảnh, âm thanh, video và cần được lưu thông trên mạng Để bảo vệ các sản phẩm chống lại các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải có một kỹ thuật để “dán tem bản quyền” vào sản phẩm này Việc dán tem hay chính là việc nhúng thuỷ vân cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hưởng lớn nào đến việc cảm nhận sản phẩm Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này

là thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thuỷ vân này

Trang 22

mà không được phép của người chủ sở hữu thì chỉ còn cách là phá huỷ sản phẩm

Nhận thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin: Một tập các

thông tin sẽ được giấutrong phương tiện chứa sau đó được sử dụng để nhận biết xem dữ liệu trên phương tiện gốc đó có bị thay đổi hay không Các thuỷ vân nên được ẩn để tránh được sự tò mò của kẻ thù, hơn nữa việc làm giả các thuỷ vân hợp lệ hay xuyên tạc thông tin nguồn cũng cần được xem xét Trong các ứng dụng thực tế, người ta mong muốn tìm được vị trí bị xuyên tạc cũng như phân biệt được các thay đổi (ví dụ như phân biệt xem một đối tượng đa phương tiện chứa thông tin giấu đã bị thay đổi, xuyên tạc nội dung hay là chỉ

bị nén mất dữ liệu) Yêu cầu chung đối với ứng dụng này là khả năng giấu

thông tin cao và thuỷ vân không cần bền vững

Giấu vân tay hay dán nhãn: Thuỷvântrong những ứng dụng này được

sử dụng để nhận diện người gửi hay người nhận của một thông tin nào đó Ví

dụ như các vân khác nhau sẽ được nhúng vào các bản copy khác nhau của thông tin gốc trước khi chuyển cho nhiều người Với những ứng dụng này thì yêu cầu là đảm bảo độ an toàn cao cho các thuỷ vân tránh sự xoá giấu vết trong khi phân phối

Điều khiển truy cập: Các thuỷvân trong những trườnghợp này được sử

dụng để điều khiển truy cập đối với các thông tin Các thiết bị phát hiện ra thuỷ vân thường được gắn sẵn vào trong các hệ thống đọc ghi Ví dụ như hệ thống quản lí sao chép DVD đã được ứng dụng ở Nhật Các ứng dụng loại này cũng yêu cầu thuỷ vân phải được bảo đảm an toàn và cũng sử dụng phương pháp phát hiện thuỷ vân đã giấu mà không cần thông tin gốc

Chú giải: Các thông tin giấu được trong những trường hợp này

càngnhiều càng tốt, việc giải mã để nhận được thông tin cũng không cần phương tiện chứa gốc ban đầu Các yêu cầu mạnh về chống tấn công của kẻ

Trang 23

thù không cần thiết lắm thay vào đó là thông tin giấu phải được giấu kín (có thể sử dụng trong truyền thông tin mật)

1.5 Âm thanh số

1.5.1 Khái niệm về âm thanh và âm thanh số

Trong phần này một số đặc trưng âm thanh sẽ được trình bày [1]

Âm thanh: Là các dao động cơ học (biến đổi vị trí qua lại) của các

phân tử, nguyên tử hay các hạt làm nênvật chất và lan truyền trong vật chất như các sóng Âm thanh, giống như nhiều sóng, được đặc trưng bởi tần số, bướcsóng, chu kỳ, biên độ và vận tốc lan truyền (tốc độ âm thanh)

Hình 1.7: Tín hiệu âm thanh Một đặc tính của âm thanh đây là một sóng dọc, tức là nó là sự lan truyền dao động của đại lượng vô hướng là áp suất, là sự lan truyền dao động của đại lượng có hướng là vận tốc và vị trí của các phân tử hay nguyên tử trong môi trường, trong đó phương dao động luôn trùng với phương chuyển động của sóng

Cũng như các sóng cơ học khác, sóng âm mang năng lượng tỉ lệ với bình phương biên độ sóng Năng lượng đó truyền đi từ nguồn âm đến tai ta Cường

độ âm thanh là lượng năng lượng được sóng âm truyền đi trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm

Trang 24

Ngoài ra trường độ cũng góp phần ảnh hưởng đến chất lượng âm thanh

Âm thanh số: Là các mẫu được lấy theo phương pháp lượng tử hóa,

chuyển đổi giá trị mẫu (âm lượng) liên tục thành giá trị rời rạc Thông thường các mẫu này đã được lọc để loại bỏ những tần số không mong muốn (giữ lại tiếng nói từ 50 Hz đến 10 KHz, âm nhạc từ 20 Hz đến 20 kHz)

(a) Tín hiệu gốc dạng tương

tự (b) Lấy mẫu (c) Giá trị lấy mẫu và lượng

tử hóa (d) Dãy số sau khi số hóa

Hình 1.8: Số hóa tín hiệu âm thanh

1.5.2 Một số định dạng file âm thanh trên máy tính

Với sự phát triển của âm thanh số trong thời gian gần đây rất nhiều các loại định dạng âm thanh đã ra đời, mỗi loại định dạng âm thanh lại có những

đặc trưng, cấu trúc khác nhau

Có ba nhóm định dạng file âm thanh, gồm:

- Các loại định dạng không nén: WAV, AIFF và AU

Cả WAV và AIFF đều đựợc coi là các định dạng âm thanh “không thể mất” Chúng được tạo ra dựa trên nền tảng PCM “điều biến mã xung” (Pulse Code Modulation) với một vài thay dổi nhỏ trong bộ dữ liệu lưu trữ, bên cạnh

đó hai loại định dạng này có thể chuyển đổi được cho nhau mà không hề bị giảm chất lượng âm thanh

Chúng cũng được coi là “không mất dữ liệu” - không bị nén - và một

Trang 25

file âm thanh PCM stereo, chẳng hạn có tần số là 44.1kHz và độ nén là 16 bít (chất lượng đĩa CD) thì chất lựợng âm thanh có thể lên đến 10MB một phút sau khi được chuyển đổi (convert)

- Các loại định dạng: FLAC, ALAC, APE

FLAC (Free Lossless Audio Codec), ALAC (Apple Lossless Audio Codec) và APE (Monkey’s Audio) là các loại định dạng nén âm thanh, chúng

sử dụng các thuật toán nén dữ liệu Sự khác nhau giữa các file nén và các file FLAC đó là FLAC được thiết kế chuyên cho âm thanh thế nên tỉ lệ nén của nó tốt hơn và không bị mất dữ liệu Thông thường thì file FLAC bằng khoảng một nửa kích cỡ file WAV Một file FLAC cho âm thanh stereo với chất lượng CD chạy khoảng 5MB mỗi phút

Hầu hết các định dạng ta sử dụng hàng ngày được xếp vào loại “dễ mất

dữ liệu” (lossy); bởi lẽ đôi khi người ta phải giảm chất lượng âm thanh của file xuống để tăng “diện tích sử dụng” của file đó lên

- Các loại định dạng “dễ mất dữ liệu”: MP3, AAC, WMA, Vorbis

Một file MP3 với “chất lượng CD” trung bình chỉ chạy khoảng 1MB mỗi phút Đây là một file đã được nén tuy nhiên không giống như các định dạng

“không mất dữ liệu”, ta không thể chuyển đổi lại các file định dạng “dễ mất

dữ liệu” để chúng trở lại chất lượng âm thanh tốt được

Những định dạng “dễ mất dữ liệu” khác nhau sử dụng những thuật toán khác nhau để lưu trữ thông tin, và vì thế chúng thường có chênh lệch về tỷ lệ giữa kích cỡ file và chất lượng âm thanh Những định dạng “dễ mất dữ liệu” cũng sử dụng số bít để chỉ chất lượng âm thanh, thường vào khoảng

“192kbít/s” hay “192kbps”

- Một số định dạng âm thanh trên máy tính[2]

Trang 26

Phần mở

Định dạng tập tin âm thanh tiêu chuẩn được

sử dụng bởi Apple được coi là tương đương

Apple wav

Microsystems

Định dạng tập tin âm thanh tiêu chuẩn được

sử dụng bởi Sun, Unix và Java Những âm thanh trong các tập tin AU có thể PCM hoặc

nén với μ-law, a-law or G729 codecs

.mp3

Layer-3 định dạng MPEG là định dạng phổ biến nhất để tải về và lưu trữ âm nhạc Bằng cách loại bỏ các phần của tập tin âm thanh

mà chủ yếu là không nghe được, các tập tin mp3 được nén để khoảng một phần mười kích thước của một tập tin PCM tương đương

trong khi duy trì chất lượng âm thanh tốt

- khoảng 10MB mỗi phút của âm nhạc

.ra,.ram RealNetworks Định dạng Real Audio được thiết kế để

truyền tải âm thanh qua Internet Các định

Trang 27

dạng.ra cho phép các tập tin được lưu trữ trong một thời trang khép kín trên một máy tính, với tất cả các dữ liệu âm thanh chứa bên

trong tập tin đó

.acc

Fraunhofer, Dolby, Sony và

4 tiêu chuẩn hỗ trợ đầy đủ các tính năng phụ

.qt Apple Được sử dụng để định dạng đa phương tiện

Trang 28

CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN THỦY VÂN ÂM THANH TRÊN MIỀN

THỜI GIAN VÀ MIỀN TẦN SỐ

Trong chương này, một số thuật toán thủy vân âm thanh trong miền thời gian sử dụng kỹ thuật thay thế LSB và thủy vân âm thanh trong miền tần số

sử dụng biến đổi DCT được trình bày [12]

2.1 Thuật toán thủy vân âm thanh sử dụng biến đổi Cosine rời rạc

2.1.1 Biến đổi Cosine rời rạc

Các quá trình nén là xác định các thông số tin dư thừa trong miền không gian của hình ảnh hay tín hiệu video Nén không gian được thực hiện bởi phép biến đổi DCT (Discrete Cosine Tranform) DCT biến đổi dữ liệu dưới dạng biên độ thành dạng tần số Mục đích của quá trình biến đổi là tách liên kết của từng ảnh con, hoặc gói càng nhiều năng lượng của ảnh con vào một phần nhỏ các hệ số hàm truyền Việc mã hoá và truyền chỉ thực hiện đối với các hệ số năng lượng này, và có thể cho kết quả tốt khi tạo lại tín hiệu Video

có chất lượng cao

DCT đã trở thành tiêu chuẩn quốc tế cho các hệ thống mã chuyển vị bởi

nó có đặc tính gói năng lượng tốt, cho kết quả là số thực và có thuật toán nhanh [9]

Biến đổi Fourier rời rạc một chiều

Xét dãy rời rạc f x x 0,1, N 1 Biến đổi Fourier rời rạc thuận ngược một chiều xác định bởi

Biến đổi Fourier rời rạc hai chiều

Cặp biến đổi Fourier rời rạc hai chiều thuận ngược cho bởi

Trang 29

Phép biến đổi Cosin rời rạc

Cặp biến đổi Cosin rời rạc một chiều thuận ngược cho bởi

NÕuu u

Trang 30

2.1.2 Thuật toán thủy vân âm thanh sử dụng biến đổi Cosine rời rạc

Trong tài liệu [6] đã mô tả phương pháp nhúng thủy vân trên n hệ số DCT của tệp âm thanh sau khi biến đổi DCT, bao gồm cả thành phần DC theo công thức sau:

vi’=vi(1+αxi) (2.3) trong đó, vi là hệ số sau khi biến đổi DCT từ tệp âm thanh, xi là giá trị của dấu ẩn sẽ trộn với vi; α là tham số và vi’ là hệ số hiệu chỉnh (giá trị cộng thêm vào các vị trí tương ứng trong tệp âm thanh gốc)

Việc tách thủy vân có thể được thực hiện bằng cách đảo công thức (2.3)

ẩn trong miền thời gian-biên độ của tệp âm thanh

Áp dụng ý tưởng của Cox, các tác giả của tài liệu [12] đề xuất lược đồ nhúng và tách thủy vân tệp âm thanh trên cơ sở biến đổi cosine rời rạc, trong

đó dấu ẩn có thể là ảnh

Hình 2.1 mô tả quy trình này

Trang 31

Hình 2.1: Sơ đồ quy trình nhúng thủy vân biến đổi Cosine rời rạc

Thuật toán 2.1 Nhúng thủy vân sử dụng DCT

Từ Hình 2.1 thuật toán nhúng được mô tả như dưới đây

Input: Tệp âm thanh, Tệp ảnh (dấu ẩn – mark)

Output: Tệp âm thanh đã nhúng thủy vân

Các bước của thuật toán:

Bước 1: Đọc tệp âm thanh (có thể trong khuôn mẫu WAV như mô tả

Trang 32

Bước 7: Trộn tệp dấu ẩn trong miền tần số vào tệp âm thanh trong miền

tần số (sau khi biến đổi DCT) Việc trộn này có thể sử dụng kỹ thuật do Cox đề xuất như công thức (2.3)

Bước 8: Áp dụng DCT ngược (áp dụng công thức 2.2) tệp âm thanh đã

nhúng ảnh để có được tệp âm thanh trong miền quan sát

Bước 9: Kết thúc

Việc tách thủy vân được thực hiện theo sơ đồ trên hình 2.2

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình tách thủy vân biến đổi Cosine rời rạc

Thuật toán 2.2 Tách thủy vân sử dụng DCT

Việc tách thủy vân ảnh khỏi tệp âm thanh được thực hiện theo các bước sau đây

Input: Tệp âm thanh đã thủy vân, Tệp âm thanh gốc

Output: Tệp ảnh (dấu ẩn – Mark)

DCT

Âm thanh đã nhúng ảnh

Định dạng
Số trang	65
Dung lượng	836,06 KB