THUẬT TOÁN ẩn dữ LIỆU KHÔNG GIAN sử DỤNG kỹ THUẬT TRẢI PHỔ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIVIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC TIỂU LUẬN KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ ỨNG DỤNG Đ ề t à i: THUẬT TOÁN ẨN DỮ LIỆU KHÔNG GIAN SỬ DỤNG KỸ THUẬT TRẢI PHỔ Giảng viên hướng d

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

TIỂU LUẬN

KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ ỨNG DỤNG

Đ

ề t à i: THUẬT TOÁN ẨN DỮ LIỆU KHÔNG GIAN SỬ DỤNG

KỸ THUẬT TRẢI PHỔ

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Học viên : VŨ PHI TÙNG

MSHV : CB110941

Hà Nội, tháng 02/2012

THUẬT TOÁN ẨN DỮ LIỆU KHÔNG GIAN SỬ DỤNG KĨ THUẬT TRẢI PHỔ

A ROBUST WATERMARKING ALGORITHM FOR SPACE DATA USING SPREAD

SPECTRUM TECHNIC

TÓM TẮT

Bài báo này trình bày về thuật toán ẩn nội

dung số đối với dữ liệu không gian sử dụng

phương pháp trải phổ Một bít ẩn được

nhúng bào bằng cách thay đổi mã chẵn lẻ

của một vector nhiễu giả ngẫu nhiên Thuật

toán được đưa ra để làm giảm đáng kể

nhiễu ngẫu nhiên thêm vào, biến đổi tương

đương, và có thể mở rộng, cắt Một vài kết

quả thí nghiệm đã được tiến hành để mô

phỏng cho phương pháp này

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

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

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

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) là 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

dữ liệu không gian Về mặt hình học, mỗi

vectơ này được biểu diễn thông qua một

"điểm" thuộc không gian R(n) Với ξ∈R(n),

δ-quan hệ (

¿

δ

{ξ1δ

⇔ξ2}⇔{∀i=1 n;∣ξ1i ξ2i∣≤δ}

Khi đó δ mang ý nghĩa của sai số cho phép

Ký hiệu ⟨ r⟩≡⟨ξ m ,ξ M ⟩ ≡⟨ξ m ,ξ M = ξ m + r⟩ là một “khối hộp” n-chiều

được giới hạn bởi điểm “dưới trái”

x m

1

,x m

2

,…,x m n

ξ m¿ ) và điểm “trên phải” x M

1

,x M

2

,…,x M n

trong đó xM j= xm j+ rj Ta nói đỉnh ξ i ∈⟨ ξ m ,ξ M ⟩

nếu ∀j ∈{1 n}, xm j≤xi j≤xM j Giả thiết trong khối hộp này có chứa D đỉnh (hay “node”)

- là các bản ghi thuộc cơ sở dữ liệu không gian Mục đích của chúng ta là xây dựng phương pháp giấu một bit thông tin vào khối hộp ⟨ ξ m ,ξ M ⟩ nói trên, với giả thiết

Chia không gian thành các “khối hộp đơn vị” như sau:

có biến phụ thuộc khoá K), σ ≤ δ Với mọi

ξi∈ R(n) xây dựng vector ζi = (⌊x i j

thuộc không gian vectơ với các tọa độ

gian vectơ tọa độ nguyên Để tránh sử dụng quá nhiều ký hiệu, ta cũng quy ước dùng các cụm từ "vectơ ζ " hay "ζ " để chỉ một vectơ tọa độ nguyên và "không gian ζ "

để chỉ không gian tọa độ nguyên n-chiều

Tạo một phân hoạch của không gian ζ : ζ=

U { ζc,ζl} , trong đó:

j=1

n

(⌊x j

σ ⌋) là số chẵn;

− ζ∈ { ζl} nếu ∑

j=1

n

(⌊x j

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

của mọi tọa độ của ζ là:

Π = ∑j=1

n

(⌊∣x2j

−x1j∣

σ ⌋) là một số lẻ (1)

Không gian ζ được chia thành các khối

n-chiều chẵn lẻ xen kẽ nhau (theo mọi n-chiều

của không gian) Ta gọi mỗi khối này là

một khối chẵn lẻ đơn vị, hay khối hộp đơn

bước σ Bằng cách này, ta đã gán cho

một đơn vị (hay một bước) σ

2 Thủ tục thay đổi tính chẵn vectơ với các tọa độ nguyên ζ

Ta có nhận xét sau:

x k

σ

x k

j

σ

x j

σ

Thủ tục Parity_Change ( ξi,⟨ v⟩ )

If ( ⌊ xi k⌋=⌊ xM k⌋ ) then xi k  ( xi k− σ )

Thủ tục này thay đổi tính chẵn lẻ của

<v> và được sử dụng trong thuật toán ẩn

dữ liệu trình bày dưới đây

IV KỸ THUẬT GIẤU THÔNG TIN TRẢI PHỔ TRONG CƠ SỞ

DỮ LIỆU KHÔNG GIAN

1.Ẩn dữ liệu

1) Ký hiệu thông tin cần giấu là b, b ∈ {0,1} ; Không sợ nhầm lẫn, sử dụng ký hiệu D = {i|i = 1 D} là tập các chỉ số của { ξ } ; V{ ξ i ∨ ξ i ∈⟨ ξ m ,ξ M ⟩ } (V là tập không có thứ

tự các vectơ ξ thuộc khối r , được sử dụng làm môi trường chứa tin giấu) Giả thiết

thống kê Chọn giá trị

θ ∈R thoả điều kiện:

θ = l.σ; l∈ + ¿

(2)

mỗi cạnh có chứa số nguyên lần các đoạn θ

:

j

(3) Khi đó ta có thể chia siêu khối hộp ⟨ ξ m ,ξ M ⟩

j=1

n

thước θ

2) Dùng khoá giấu tin làm mầm (seed) để

¿

+ ¿ − ¿ 1 } (K) , K θ ∈N+ , K sẽ được sử dụng với vai trò của hệ số trải phổ ở bước 3

3) Thông tin cần giấu b được "trải phổ"

w

m = wr nếu b=1 (4)

w

m = -wm nếu b=0 (5)

Dễ thấy wm ∈{

¿

+ ¿ − ¿ 1 } (K) , mỗi bit thông tin đã được "trải" thành κ bit

như sau:

∀k {1 K},∈ ∀i {1 n}, ∈ ∀j ∈ {1 kj}, θk

Bằng cách này ta đã gán cho mỗi thành

hoạch

{ ⟨ θ ⟩ ¿ =

+ ¿

¿

+ ¿

⟨ θ ⟩ ∈ { ⟨ θ ⟩–} nếu θi = -1

sau:

If ⟨ θ j ⟩ ∈ ⟨ +θ ⟩¿ ¿

ζ l ¿ ∨⟨ θ j ⟩ ∈ {⟨ θ ⟩–}∧ ξ i ∈{ ζ c ¿ :

Pariy_Change( ξ i ,⟨ θ j ⟩ ) (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 ⟨ ξ m ,ξ M ⟩ .

2 Khôi phục thông tin

Tại thời điểm khôi phục thông tin, ta đã có

⟨ ξ m ,ξ M ⟩ , khoá K, các tham số r, θ,K.

1) Thực hiện như bước 2 của thuật toán

giấu tin ta nhận được wr ∈{

¿

+ ¿ − ¿ 1 } (K)

2) Gọi J = {j|j= 1 K} là tập chỉ số cho các

3) Thực hiện như bước 5 của thuật toán giấu tin, ta nhận được phân hoạch:

+ ¿

các giá trị θi = 1 và θi = -1

4) Xây dựng vector như sau:

¿

θj = 1 nếu:

¿

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]

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

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