TIỂU LUẬN kỹ THUẬT TRẢI PHỔ và ỨNG DỤNG đề tài GIẤU THÔNG TIN bền VỮNG sử DỤNG kỹ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG cơ sở dữ LIỆU KHÔNG GIAN

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC TIỂU LUẬN KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ ỨNG DỤNG THUẬT TRẢI PHỔ TRONG CƠ SỞ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Học viên : NGUYỄN NGỌC

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

TIỂU LUẬN

KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ ỨNG DỤNG

THUẬT TRẢI PHỔ TRONG CƠ SỞ DỮ LIỆU

KHÔNG GIAN

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Học viên : NGUYỄN NGỌC ANH

MSHV : CB111487

Abstract: This paper proposes a digital watermarking

algorithm for space data using spread spectrum technic A

watermark bit is embedded by changing a parity of the

pseudo-random noise vector The algorithm is established

for robust resistance against additive random noise,

similarity transformation, and vertex insertion/removal,

and, to some extent, cropping Same experimental results

are expounded in order to illustrate practicability of the

method

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 không bền vững trước nhiều hình thức

tấn công 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 soát chất lượng dữ liệu sử dụng làm

môi 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 soát chất lượng môi

trường giấu tin, có độ bền vững cao trước nhiều hình

thức tấn công 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 môi 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 tôi 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 thông tin Mục III trình bày khái niệm dữ liệu không gian, thuộc tính chẵn lẻ và khả năng mang tin giấu của dữ liệu không gian Mục IV trình bày phương pháp giấu thông tin trải phổ trong mô 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 độ bảo mật Các ưu điểm trên được khai thác trong các hệ thống truyền tin trong môi trường có nhiễu và đòi hỏi tính bảo mật cao

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

A Robust Watermarking Algorthm for Space Data Using

Spread Spectrum Technic

của thông 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 thông trải phổ là tính đồng bộ Quá trình

giải điều chế tương quan sẽ không còn ý nghĩa nếu tín

hiệu thu được và chuỗi giả nhiễu không đồng bộ với

nhau Mô hình dữ liệu không 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 MÔ HÌNH DỮ LIỆU KHÔNG GIAN

1 Khái niệm về dữ liệu không 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 không gian Về mặt

hình học, mỗi vectơ này được biểu diễn thông qua

một "điểm" thuộc không gian R( )n Vớiξ1∈R(n),

)

(

2∈R n

ξ và δ∈R, δ≥0, ta xây dựng một δ-quan hệ

(⇔ ) như sau: δ

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

1 ξ

ξ δ ⇔ {∀i= n;ξ1i−ξ2i ≤δ}

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”

)

,

,

m

m

m

M M M

M x x x

trong đó x M j =x m j +r j Ta nói đỉnh ξi∈ ξm,ξM

M

j i

j

x

n

thuộc cơ sở dữ liệu không gian Mục đích của chúng

ta là xây dựng phương pháp giấu một bit thông 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 σ∈R, σ = f (K), (f là một hàm có biến phụ thuộc khoá K), σ ≤ Với mọi δ (n)

i∈R

ξ xây dựng vectơ

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

⎥

⎥

⎦

⎥

⎢

⎢

⎣

⎢

= σ

i x với mọi j∈{1 n}- tức là

)

(n

i∈Z

ζ hay ζi thuộc không gian vectơ với các tọa

độ nguyên, nói cách khác, ζi là ảnh của ξi khi ánh

xạ ξi vào không gian vectơ tọa độ nguyên

Ký hiệu ξ(không có chỉ số) như tập hợp mọi vectơ thuộc không gian vectơ tọa độ thực và ζ (không 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

{ζc ζl}

ζ =U , , trong đó:

- ζ∈{ }ζc nếu ∑

= ⎟⎟⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

⎥

⎥

⎦

⎥

⎢

⎢

⎣

⎢

n j

j

x

1 σ là số chẵn;

- ζ∈{ }ζl nếu ∑

= ⎟⎟⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

⎥

⎥

⎦

⎥

⎢

⎢

⎣

⎢

n j

j

x

1 σ là số lẻ

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 ζ sang 1 ζ nếu tổng số bước thay 2 đổi của mọi tọa độ của ζ là:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎜

⎝

⎛

⎥

⎥

⎥

⎦

⎥

⎢

⎢

⎢

⎣

=

j

j

x

1

1 2

σ là một số lẻ (1) 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∈{ } ζl (tương ứngξi∈{ } ζc ),

và hiểu rằng ξi thuộc tập { } ζl (tương ứng, ξi thuộc

tập { } ζc ), với bước σ Bằng cách này, ta đã gán cho

i

ξ một thuộc tính chẵn lẻ ứng với một đơn vị (hay

một bước) σ

2 Thủ tục thay đổi tính chẵn lẻ trên không gian

vectơ với các tọa độ nguyênζ

Ta có nhận xét sau:

{ }

{ } )

¸ , min

=

:

¸ Î

,

¸

Í

n j σ

x σ

x σ

x

σ

x

n k

v

ξ

j j k

k

i

Thủ tục Parity_Change(ξi, v )

If (⎣ ⎦ ⎣ ⎦k

M

k

i k

i x x

Else: ←( k+σ)

i k

i x

x

Thủ tục này thay đổi tính chẵn lẻ của ξi trong khi

vẫn giữ cho ξi∈ v và được sử dụng trong thuật

toán giấu thông tin trình bày dưới đây

IV KỸ THUẬT GIẤU THÔNG TIN TRẢI PHỔ

TRONG CƠ SỞ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN

1 Giấu thông tin

1) Ký hiệu thông tin cần giấu là b, b∈{ }0,1 ; Không

sợ nhầm lẫn, sử dụng ký hiệu D={i= D} là tập các

chỉ số của { }ξ ; V={ }ξi ξi∈ξm,ξM , i∈D (V là tập

không có thứ tự các vectơ ξ thuộc khối r , được sử

dụng làm môi trường chứa tin giấu) Giả thiết ξi∈V

có phân phối chuẩn, độc lập thống kê Chọn giá trị

R

∈

θ thoả điều kiện:

σ θ σ

θ =l ;l∈N+; ≥2 (2)

Chọn các cạnh của khối ξm,ξM sao cho mỗi cạnh

có chứa số nguyên lần các đoạn θ:

+

∈

=

=

θ

Khi đó ta có thể chia siêu khối hộp ξm,ξM thành

∏

=

= n

j

j

k

1

κ siêu khối vuông có kích thước θ

Ký hiệu siêu khối vuông này là θ và tập

ij , i = n , j = k

khối θ thuộc r Điều kiện của l trong (2) đảm bảo cho mỗi siêu khối θ có chứa l nsiêu khối chẵn

lẻ đơn vị σ Như vậy trong mỗi siêu khối r có chứa κkhối vuông θ và h=κ.l n khối đơn vị σ 2) Dùng khoá giấu tin làm mầm (seed) để sinh một vectơ giả ngẫu nhiên w r∈{ }±1( )κ , ∈ N+,

θ

κ κsẽ 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:

r

m w

w = nếu (b=1) (4)

r

w =− nếu (b=0) (5)

Dễ thấy w m∈{ }±1( )κ , mỗi bit thông tin đã được

"trải" thành κ bit

4) Xây dựng vectơ θ có quan hệ 1/1 với w m:

m w

↔

m ij k

k j n i

Bằng cách này ta đã gán cho mỗi thành phần

θ một giá trị của w m k , nói cách khác: θ ∈{ }±1( )κ

5) Với ∀ θ ∈ r , tạo phân hoạch

{ }

⎭⎬

⎫

⎩⎨

∪

⎭⎬

⎫

⎩⎨

θi =1 và θ ∈{ }θ − nếu θi =−1

6) Với ∀θj ∈ r ,∀ξi∈ θj , biến đổi vector

V

i∈

ξ như sau: If

{ }l j i { }c

i

⎭⎬

⎫

⎩⎨

∈

∨

∈

∧

⎭⎬

⎫

⎩⎨

∈

: Parity_Change(ξi, θj ) (6)

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

M

ξ , , khoá K, các tham số r,θ,κ

1) Thực hiện như bước 2 của thuật toán giấu tin ta

nhận được w r∈{ }±1( )κ

2) Gọi J = { j j = κ } là tập chỉ số cho các thành

phần của wr

3) Thực hiện như bước 5 của thuật toán giấu tin, ta

nhận được phân hoạch:

{ } { } ⎭⎬⎫

⎩⎨

∪

1

−

=

i

4) Xây dựng vectơ θ ∈{ }±1( )κ như sau:

1

∈

{ } i { }c i { } i { }l

i

iξ ∈ θ ∧ξ ∈ ζ ∨ξ ∈ θ ∧ξ ∈ ζ

θj =−1 nếu

{ } i { }l i { } i { }c

i

iξ ∈ θ ∧ξ ∈ ζ ∨ξ ∈ θ ∧ξ ∈ ζ

=

=

κ

θ κ

θ

1

1 1 ,

j

j j r

r

Trong đó z lc( θ,w r) là tích vô hướng (tương quan tuyến tính) của θ và w, nó nhận giá trị -1 nếu b=0

và nhận giá trị +1 nếu b=1 nếu không có tấn công Khi có tấn công [9], tức là cácξi bị dịch chuyển ngẫu nhiên trong phạm vi τ :

i i

ξ ← + ↔

δ τ τ ξ

ξi j ← i j+ i j; i j ≤ ;i∈{1,2, D};j∈{1,2, n}

Ta có thể viết: θ ←θ0+τ Theo cách xây dựng

θ trong các bước 2,3,4 của thuật toán giấu tin và giả thiết về tấn công [9], τ,θ là các biến ngẫu nhiên, có phân bố chuẩn, độc lập thống kê Theo lý thuyết xác suất ta có:

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

= +

=

κ

σ θ

κ τ

θ κ

θ,w 1( 0.w w ) 1( 0.w ) N 0,

Từ đây ta nhận được kết quả: ∃T≥0 để:

( r)

z θ, >T:b=1; (7a)

( ,w )<−T:b=0

( ,w ) T:

z

Vấn đề xác định ngưỡng T và lỗi bit vượt quá

khuôn khổ bài báo này, sẽ được trình bày trong bài

viết tiếp theo

V KẾT QUẢ CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM

Thuật toán giấu thông tin trong cơ sở dữ liệu không gian sử dụng thuộc tính chẵn lẻ theo phương pháp kiểm soát độ chênh lệch số lượng các bít chẵn lẻ đã được trình bày trong [9] Trong bài này thuật toán giấu tin vào dữ liệu không 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 công 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 công 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 công: 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 không 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 không quá ba phần vạn

(0.027%) cho cả 3 trường hợp (không giấu, giấu bit 0

và giấu bit 1)

VI 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 không gian nói riêng cũng như các ứng dụng giấu tin trong môi 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 thông, số 8/2002,

85-92

[9] VŨ BA ĐÌNH, Giấu thông tin trong cơ sở dữ liệu

không gian, Tạp chí nghiên cứu khoa học kỹ thuật và

công nghệ Quân sự, số 4, 30-37