Một phương pháp mới nhúng tín hiệu vào dữ liệu audio

iện nay. Quá trình nhúng tín được kết hợp với C theo cách thức được qui định bởi hiệu phải thỏa mãn một số yêu cầu liên quan, đặc biệt là thuật toán nhúng và hình thành tín hiệu nhúng (C ') . C ' yêu cầu về tỷ số tín/tạp phải ở mức cao [1], hay nói cách khác là tín hiệu phụ được nhúng phải ít ảnh hưởng đến tín được truyền, thu nhận và lưu trữ theo cách thức của hệ hiệu chủ. Trên cơ sở phân tích các yêu tố ảnh hưởng đến thống truyền dẫn vốn có. Để tách B từ C ' , phía thu cần tỷ số tín/tạp của tín hiệu nhúng, chúng tôi đã xây dựng mô phải giải nhúng với quy trình ngược lại so với phía phát. hình, các thuật toán để nhúng tín hiệu phụ vào dữ liệu audio. Kết quả thử nghiệm cho thấy tỷ số tín/tạp của tín Tín hiệu Tín hiệu Tín hiệu hiệu nhúng đã được cải thiện, từ đó giảm thiểu ảnh hưởng phụ B chủ C phụ B của tín hiệu phụ lên dữ liệu audio. Từ khóa - nhúng tín hiệu; LSB; tín hiệu phụ Nhúng Giải nhúng C ' I. ĐẶT VẤN ĐỀ Tín hiệu Không giống như hệ thống nhúng (embeded nhúng C ' systems), tín hiệu nhúng (embeded signals) là thuật ngữ còn mới và được đề xuất bởi các nhà khoa học Mỹ [1]. Truyền dẫn, lưu trữ Tín hiệu nhúng dùng để chỉ một loại tín hiệu chủ mang trong nó tín hiệu phụ, nhưng tín hiệu phụ này hầu như Hình 1. Sơ đồ khối mô tả quá trình nhúng, giải nhúng. không ảnh hưởng tới các tính chất của tín hiệu chủ và chỉ được tách ra bằng một thuật toán đặc biệt. Tiềm năng Giả sử khối nhúng sử dụng thuật toán nhúng trên ứng dụng của tín hiệu nhúng là rất lớn như: Sử dụng để miền thời gian LSB [2], [4], B gồm M các byte dữ liệu ghi dấu bản quyền trong các tác phẩm điện tử như âm Bi và C là dữ liệu audio gồm N mẫu âm thanh C j . thanh, hình ảnh, bài báo hoặc được sử dụng để truyền, M lưu trữ các bản tin mà không cần thêm đường truyền, BB (1)  i vùng nhớ riêng biệt. i1 Đã có nhiều công trình nghiên cứu về tín hiệu nhúng, N CC (2) khi tín hiệu chủ là dữ liệu ảnh, video...; tuy nhiên các  j công trình nghiên cứu về tín hiệu nhúng khi tín hiệu chủ j là âm thanh thì còn ít [2], [3], do tín hiệu âm thanh có ít N Khi đó:CC'' (3) đặc tính để có thể cho phép nhúng tín hiệu phụ vào, vì  j vậy tín hiệu phụ dễ bị "lộ" và thường có dung lượng j 1 thấp. Để đảm bảo nhúng được hết các Bi thì : Nhằm mục đích nâng cao chất lượng của tín hiệu MN (4) nhúng, chúng tôi đã phân tích các tham số của tín hiệu - Lỗi nhúng e : nhúng, từ đó xây dựng mô hình, xây dựng thuật toán Đối với mỗi mẫu C ' , lỗi nhúng e được tính theo nhúng mới để giảm thiểu ảnh hưởng của tín hiệu phụ lên j j dữ liệu audio. công thức sau: e C'  C (5) II. CƠ SỞ TOÁN HỌC j j j Hình 1 mô tả quá trình nhúng, giải nhúng theo Dẫn tới: |ej | | C 'j  C j | phương pháp thông thường [2], tín hiệu chủ ()C và tín ISBN: 978-604-67-0349-5 490 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) Sử dụng LSB nên: |e | | B | (6) ' j j toán 1). Ở phía thu, thực hiện tìm M mẫu C j có chứa tín hiệu phụ và giải nhúng LSB [2] lấy ra M đoạn bit Dấu "=" ứng với trường hợp cả 08 bit LSB của C j B (thuật toán 2), ghép M đoạn bit B để hình thành khác hoàn toàn với 8 bit của B được nhúng tương ứng. i i i B (Hình 2). Chúng ta đang xét trong miền thời gian, nên đơn vị của e sẽ là điện áp (Von). Tín hiệu Tín hiệu Tín hiệu - Tỷ số tín/tạp  : phụ B phụ B chủ C Để đơn giản trong tính toán, chúng ta coi NMH  (số mẫu của C bằng số byte của B ), khi Ghép B đó của chính là tỷ số giữa tổng bình phương công i  C ' Chia B Đánh suất của C và tổng bình phương công suất của e . thành B thành dấu M H H các mẫuC có 2 2 j |CCj | |j |   đoạn Bi giá trị lớn Giải nhúng  j1  j 1 (7) nhất ' H H C j lấy Bi |e |2 | B |2 giá trị M j  i j 1 i1 Tìm mẫu Hay ở dạng Đề xi ben: Nhúng Bi vào C j đã được đánh dấu đã nhúng H H 2  2  |C | |C | j    j  M j 1 j 1 Truyền dẫn, lưu trữ  (dB ) 10 log   10 log   (8) 10 H 10 H Hình 2. Sơ đồ mô hình nhúng, giải nhúng mới. |e |2  |B |2  j  i j 1  i1  Thứ tự mẫu C j được nhúng là ngẫu nhiên, mẫu có Từ vế trái của (8) chúng ta nhận thấy để có  lớn giá trị lớn nhất sẽ được nhúng trước, sau đó đến các phải thỏa mãn một hoặc cả hai điều kiện sau: mẫu có giá trị nhỏ hơn và liền kề với giá trị của mẫu đã H nhúng trước đó (Hình 3). - Điều kiện 1: |e |2 phải nhỏ, nên e phải nhỏ,  j j B = 101000110101 j1 1 2 kết hợp với (6), phải giảm số bit của tín hiệu phụ khi 3 = 1010 0011 0101 nhúng vào C j (chia nhỏ Bi thành các đoạn nhỏ trước Bi khi nhúng). khi đó H sẽ tăng, tuy tổng lỗi nhúng e 1 3 2 không giảm, nhưng lỗi nhúng e của từng mẫu C sẽ j j = 00000001 01100100 10010110 00110010 C j giảm. 2 1 3 H 2 - Điều kiện 2: |C | phải lớn, nên C lớn, vậy ' = 00000001 01100011 10011010 00110101  j j C j j1 Hình 3. Thứ tự nhúng tín hiệu với M=3. phải chọn các C có giá trị lớn để nhúng. Điều này hoàn j B. Thuật toán toàn thực hiện được, bởi vì dữ liệu audio thường có tần 1) Thuật toán 1: số lấy mẫu cao (từ 32KHz đến 48KHz), thời gian phát lớn (do truyền tin quảng bá) đồng thời tín hiệu phụ cần Private Sub nhung_Click() nhúng thường ngắn gọn, do vậy NM . file1  tinhieuchu file2  tinhieunhung III. XÂY DỰNG MÔ HÌNH Open file1 ‘mở file chứa tín hiệu chủ C Open file2 ‘Mỏ file để ghi tín hiệu nhúng C’ A. Mô hình For k 1,2..length(head for file1) do ‘ghi phần head Ở phía phát, B được chia thành M đoạn nhỏ 4 bit a  data[k] for file1 data[k] to file2  a Bi , chọn M mẫu C j có giá trị lớn nhất trong N mẫu end for của C và thực hiện nhúng LSB [2] B vào C (thuật i j N  somau for file1 ISBN: 978-604-67-0349-5 491 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) g  k end for For j 1,2..N do ‘đọc các mẫu, cho 4 bit cuối =0 B  (4 bit LSB for C ' ) g  g+1 H find D find  0 C j  data[g] for file1 end for D  C - (4 bit LSB=0000) j j End Sub end for IV. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ For H 1,2..M do ‘tìm M mẫu lớn nhất và nhúng D  0 Tín hiệu chủ được dùng thử nghiệm là bài hát Love 0 Story có các tham số cơ bản như Hình 4. Tín hiệu phụ find  0 cần nhúng là ảnh xám có kích thước (300 300) Pixel. For j 1,2..N do Chương trình nhúng và giải nhúng được thực hiện trong môi trường VisualBasic. if DDj  0 then find j Kết quả thử nghiệm cho thấy: C ' hầu như không thay đổi so với C , e rất nhỏ (Hình 5), ảnh khôi phục có chất DD0  j lượng tương đương với ảnh gốc (Hình 6). end if end for CDB  (embeded LSB) find find H D  0 find end for For j 1,2..N do ‘ghi các mẫu vào file2 k k 1 data[k] to file2  C j end for close fiel1 ‘đóng file tín hiệu chủ C Hình 4. Các tham số cơ bản của tín hiệu chủ (audio) thử nghiệm. close file2 ‘đóng file tín hiệu nhúng C’ End Sub 2) Thuật toán 2: Private Sub giai_nhung_Click() file1  tinhieunhung Open file1 ‘mở file tín hiệu nhung N  somau for file1 ‘đọc các mẫu audio s  length(head for file1) ‘độ lớn phần head của file For j 1,2..N do ‘đọc các mẫu s  s+1 ' C j  data[s] for file1 ' D j  C j - (4 bit LSB=0000) end for close fiel1 ‘đóng file tín hiệu nhúng For H 1,2.. M do ‘tìm M mẫu lớn nhất và giải nhúng D0  0 find  0 For j 1,2..N do if DD then j 0 find j DD 0 j Hình 5. Dữ liệu audio trước nhúng, sau nhúng và lỗi nhúng. end if ISBN: 978-604-67-0349-5 492 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) Quá trình nhúng được thực hiện từ mẫu C có biên mà còn rất có ý nghĩa trong lĩnh vực nghiên cứu về tín j hiệu nhúng hiện nay. độ lớn nhất, đến khi đủ M số mẫu cần thiết thì dừng lại. Do vậy e phân bố rải rác trên toàn C ' (chất lượng âm TÀI LIỆU THAM KHẢO thanh của C ' sẽ suy giảm trên toàn bộ C ' mà không [1] Poulami Dutta, Debnath Bhattacharyya, and Tai-hoon Kim, “Data Hiding in Audio Signal”, International Journal of tập trung tại một đoạn như phương pháp nhúng LSB Database Theory and Application Vol. 2, No. 2, June 2009. thông thường). Đặc biệt e ,  sẽ thay đổi khi dung [2] Prof. Samir Kumar, BandyopadhyayBarnali, Gupta Banik, “LSB lượng của B , C thay đổi. Ngoài ra, do thứ tự các C Modification and Phase Encoding Technique of Audio j Steganography Revisited”, International Journal of Advanced được nhúng là ngẫu nhiên và giá trị M phụ thuộc vào B Research in Computer and Communication Engineering Vol. 1, nên phía thu cần phải có M của phía phát mới có thể Issue 4, June 2012. giải nhúng được, vì vậy tín hiệu phụ đã được bảo mật. [3] Kriti Saroha, Pradeep Kumar Singh, “A Variant of LSB Steganography for Hiding Images in Audio”, International Journal of Computer Applications (0975 – 8887) volume 11– No.6, December 2010. [4] Randa A.Al-Dallah, Aseel M.Al-Anani, Rola I. Al-Khalid, Samah A. Massadeh, “An Efficient technique for data hiding in audio Signals”, American Academic & Scholarly Research Journal Special Issue Vol. 4, No. 5, Sept 2012. [5] F.Siebenhaar, C. Neubauer, R. Bauml, and J. Herre, “New High Data Rate Audio Watermarking based on SCS (Scalar Costa Scheme)”, in 113th Convention of the AES, Los Angeles, USA, October 5-8 2002. [6] Mrs.Namita Verma Mr.Vinay Kumar Jain, “Audio Steganography – A Review”, International Journal of Advanced Research in Electronics and Communication Engineering Hình 6. Ảnh xám trước nhúng và sau giải nhúng. (IJARECE) Volume 2, Issue 1, January 2013. V. KẾT LUẬN Việc chia nhỏ các byte của tín hiệu phụ B và lựa chọn các mẫu tín hiệu chủ C có biên độ lớn để nhúng j là một phương pháp tiếp cận mới trong lĩnh vực nhúng tín hiệu vào dữ liệu audio. Trên cơ sở phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến lỗi nhúng e và tỷ số tín/tạp  chúng tôi đã xây dựng mô hình, các thuật toán mới nhằm nâng cao chất lượng của tín hiệu nhúng. Qua thử nghiệm mô hình với tín hiệu chủ là âm thanh, tín hiệu phụ là dạng ảnh xám cho thấy e và  đã được cải thiện rõ rệt, đặc biệt khi ứng dụng trong lĩnh vực truyền tin quảng bá, do C là rất lớn vì vậy e sẽ giảm rất nhỏ từ đó  đạt giá trị lớn. Ngoài ra, phương pháp mới này còn cho phép bảo mật được nội dung tín hiệu phụ đã nhúng. Kết quả nghiên cứu này không chỉ có giá trị về mặt ứng dụng, ISBN: 978-604-67-0349-5 493 DANH SÁCH TÁC GIẢ A Nguyễn Minh Đức 317 Hà Quốc Anh 445 Phan Trọng Đức 75, 185, 294 Lê Tuấn Anh 343, 348 Nguyễn Thúy Anh 379 G Lê Ngọc Ánh 266 Nguyễn Hồng Giang 1 Trương Vũ Bằng Giang 190 B Võ Nguyễn Quốc Bảo 1, 227, 238, H 249, 304, 358 Phan Trọng Hanh 490 Hà Đắc Bình 175, 233, 244 Nguyễn Thị Bích Hạnh 36 Nguyễn Quốc Bình 16 Nguyễn Vĩnh Hạnh 7 Phạm Bá Bình 426 Thân Thị Hạnh 450 Trần Thái Hà 180 C Võ Xung Hà 180 Trần Văn Cảnh 7 Nguyễn Anh Hào 106 Đào Ngọc Chiến 201 Vĩnh Hào 221, 337 Tăng Tấn Chiến 470 Nguyễn Văn Hải 180 Bùi Đức Chinh 119, 180 Trần Thị Thanh Hải 137 Nguyễn Đình Chinh 85 Vũ Hải 137 Đoàn Hữu Chức 133 Vũ Duy Hải 153, 311, 317 Phạm Thành Công 65 Nguyễn Thanh Hằng 407 Hoàng Mạnh Cường 311 Vũ Thị Hằng 185 Lê Quốc Cường 304 Vũ Thanh Hiền 459 Nguyễn Mạnh Cường 323 Phạm Thanh Hiệp 285 Vũ Đức Hiệp 23 D Bùi Duy Hiếu 391 Lương Vinh Quốc Danh 165 Nguyễn Minh Hiếu 254 TrinhQuang Duc 79 Tạ Chí Hiếu 354 Nguyễn Văn Duẫn 106, 125 Trần Văn Hiếu 238 Trần Trung Duy 238, 249 Nông Thị Hoa 95 Nguyễn Lê Mai Duyên 36 Nguyễn Quang Hoan 137 Chu Tiến Dũng 227 Phạm Khắc Hoan 119 Cù Tiến Dũng 323 ChuDuc Hoang 79, 323 Lưu Hồng Dũng 112 Nguyễn Đức Hoàng 358 Trần Đức Dũng 175, 233 Nguyễn Huy Hoàng 285, 402 Bạch Gia Dương 209 Nguyễn Minh Hoàng 374 Bùi Đức Dương 412 Quách Công Hoàng 384 Phùng Mạnh Dương 384 Trần Thuận Hoàng 384 Trần Văn Hội 209 Đ Đào Quang Huân 317 Trần Văn Đại 482 Ngô Hoàng Huy 432 Phan Ngọc Điệp 482 Trần Quang Huy 85 Nguyễn Quốc Định 70, 75, 185, Lê Đức Hùng 397 294, 402, 445 Lê Tấn Hùng 337 Bùi An Đông 32 Nguyễn Kiêm Hùng 40, 391 Giang Minh Đức 348 Nguyễn Lê Hùng 1 Nguyễn Minh Đức 65 Nguyễn Ngọc Hùng 100 494 Nguyễn Quốc Hùng 137 Nguyễn Minh Nhật 458 Phạm Mạnh Hùng 153, 311, 317 Nguyễn Lương Nhật 227, 366 Trần Công Hùng 343 Nguyễn Tùng Hưng 106, 125 P Nguyễn Xuân Hưng 95 Nguyễn Hùng Phong 90 Phạm Việt Hưng 201 Nguyễn Hữu Phong 358 Đặng Phan Thu Hương 379 Phan Hải Phong 48 Nguyễn Lê Hoài Hương 36 Đỗ Văn Phương 106 Trần Thị Hương 407 Võ Thị Lưu Phương 348 Trần Tiến Phức 337 K Hà Hoàng Kha 374, 416 Q Nguyễn Trương Khang 54, 171 Nguyễn Trúc Quyên 348 Nguyễn Văn Khang 201, 311 Hoàng Quang Khải 90 S Đặng Nam Khánh 391 Nguyễn Trần Sơn 397 Nguyễn Duy Khánh 59, 165, 215 Phan Thanh Sơn 112 Lê Hồng Khiêm 221 Nguyễn Chí Sỹ 374 Phạm Duy Khiêm 304 Đặng Lê Khoa 54, 171 T Nguyễn Hữu Khương 274 Nguyễn Đăng Nhật Tâm 397 NguyenPhan Kien 79, 323 Nguyễn Xuân Tâm 329 Đào Trung Kiên 147 Vũ Văn Tâm 490 Huỳnh Như Kiên 279 Lưu Hoàng Tân 416 Trần Đức Tân 85, 90 L Trương Ngọc Tân 59, 215, 465 Lê Thị Lan 147 Ngô Diên Tập 477 Đào Duy Liêm 366 Từ Lâm Thanh 238, 249 Đàm Quang Linh 260 Đoàn Thị Thanh Thảo 426 NguyenThanh Linh 79 Hoàng Thị Phương Thảo 59, 465 Trần Văn Líc 158 Lê Văn Thái 119 Vũ Đình Long 85 Nguyễn Như Thắng 285 Bùi Tấn Lộc 470 Đỗ Thế Thiện 358 Lê Văn Lợi 266 Trần Khải Thiện 458 Vũ Thành Luân 215, 465 Huỳnh Quốc Thịnh 32 Tống Văn Luyên 190 Vũ Văn Thỏa 194 Nguyễn Văn Thọ 36, 244 M Mai Anh Thơ 458 Lê Thị Phương Mai 450 Võ Tấn Thông 221 Nguyễn Ngọc Mai 391 Nguyễn Đức Thuận 153 Phạm Thị Thanh Thủy 147 N Hoàng Đình Thuyên 70, 75, Hoàng Văn Nam 137 294, 402 Lê Hải Nam 426 Huỳnh Trọng Thưa 343 Nguyễn Tất Nam 16 Nguyễn Văn Thương 477 Trần Xuân Nam 7, 23, 298 Hoàng Trọng Thức 260 Trần Đức Nghĩa 90 Nguyễn Thị Minh Thy 366 Đỗ Nguyên Nghĩa 329 Trần Khải Cát Tiên 458 Phạm Xuân Nghĩa 422 Hoàng Trang 254 Phạm Phúc Ngọc 153 Phạm Minh Triển 385 Phạm Thị Đan Ngọc 238, 249 Đỗ Quốc Trinh 445 Nguyễn Đình Minh Nhật 279 Võ Thanh Trí 397 495 Hoàng Quang Trung 298 Lại Hữu Phương Trung 317 Lê Trọng Trung 70, 402 Nguyễn Hữu Trung 65, 379 Nguyễn Linh Trung 90 Nguyễn Tu Trung 194, 432 Trần Hữu Trung 133 Trần Ngọc Trung 7 Nguyễn Nhật Trường 450 Nguyễn Thế Truyện 439 Bùi Trọng Tú 32, 100, 260, 397 Dương Thị Thanh Tú 465 Nguyễn Thanh Tú 54, 171 Trần Xuân Tú 48, 391 Phạm Đình Tuân 384 Dương Văn Tuấn 100 Huỳnh Văn Tuấn 54, 171 Nguyễn Anh Tuấn 422 Nguyễn Lương Anh Tuấn 274 Phạm Văn Tuấn 158, 266, 279, 329, 482 Trần Minh Tuấn 482 Văn Phú Tuấn 233 Huỳnh Hữu Tuệ 133, 358 Nguyễn Bá Tuệ 158 Vũ Sơn Tùng 65 Nguyễn Duy Tùng 153 Lê Văn Tươi 165 Trương Phong Tuyên 165 V Bùi Văn 329 Nguyễn Đình Văn 137 Đặng Anh Việt 384 Hoàng Văn Việt 112 Nguyễn Thế Vinh 439 Đinh Đức Anh Vũ 260 Hồ Anh Vũ 100 Lê Quốc Vượng 290 Y Vũ Văn Yêm 59, 215, 465 Phạm Thị Ngọc Yến 147 Trần Thị Bảo Yến 343 496 KỶ YẾU HỘI THẢO QUỐC GIA 2014 VỀ ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG VÀ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Chịu trách nhiệm xuất bản: PHẠM NGỌC KHÔI Biên tập: NGUYỄN TIẾN HÙNG Trình bày bìa: ĐẶNG NGUYÊN VŨ NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 70 Trần Hưng Đạo - Hoàn Kiếm - Hà Nội ĐT: 04 3942 2443 Fax: 04 3822 0658 Website: Email: nxbkhkt@hn.vnn.vn CHI NHÁNH NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 28 Đồng Khởi - Quận 1 - TP Hồ Chí Minh. ĐT: 08 3822 5062 In 150 bản, khổ 19 x 27 cm, tại Xưởng in - Trường Đại học Thông tin liên lạc. Đăng ký xuất bản số: 1672-2014/CXB/3-104/KHKT. Quyết định xuất bản số: 117/QĐXB-NXBKHKT, ngày 21/8/2014. In xong và nộp lưu chiểu quý III năm 2014.