Tài liệu Xây dựng ứng dụng giấu thông tin chủ sở hữu vào file âm thanh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------------- TRẦN SƠN TÙNG XÂY DỰNG ỨNG DỤNG GIẤU THÔNG TIN CHỦ SỞ HỮU VÀO FILE ÂM THANH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY TÍNH Hà Nội – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------------- TRẦN SƠN TÙNG XÂY DỰNG ỨNG DỤNG GIẤU THÔNG TIN CHỦ SỞ HỮU VÀO FILE ÂM THANH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. ĐẶNG VĂN CHUYẾT Hà Nội – 2017 MỤC LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................................4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................5 LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................7 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG FILE ÂM THANH................9 1.1. Giới thiệu chung ............................................................................................9 1.2. Phân loại các phƣơng pháp giấu tin.............................................................10 1.2.1. Phân loại theo phƣơng tiện chứa tin .....................................................10 a) Giấu tin trong ảnh ........................................................................................10 b) Giấu tin trong audio .....................................................................................11 c) Giấu tin trong video .....................................................................................12 d) Giấu tin trong văn bản dạng text .................................................................12 1.2.2. Phân loại theo cách thức tác động lên phƣơng tiện ..............................12 a) Phƣơng pháp chèn dữ liệu ...........................................................................12 b) Phƣơng pháp thay thế ..................................................................................12 c) Phƣơng pháp tạo các phƣơng tiện chứa.......................................................13 1.2.3. Phân loại theo mục đích sử dụng ..........................................................13 a) Steganography .............................................................................................13 b) Watermarking ..............................................................................................14 1.3. Các tính chất của giấu tin trong file âm thanh .............................................14 a) Tính vô hình.................................................................................................15 b) Dung lƣợng giấu tin .....................................................................................15 c) Tính bền vững ..............................................................................................15 d) Độ phức tạp tính toán ..................................................................................15 e) File âm thanh môi trƣờng đối với quá trình giải mã....................................16 1.4. Một số ứng dụng của giấu tin trong file âm thanh ......................................16 a) Bảo vệ bản quyền ........................................................................................16 b) Điểm chỉ số ..................................................................................................16 c) Gán nhãn ......................................................................................................16 1 d) Liên lạc bí mật .............................................................................................17 1.5. Tăng độ an toàn cho thông tin đem giấu .....................................................17 1.6. Đánh giá chất lƣợng âm thanh sau khi giấu tin ...........................................17 CHƢƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CÔNG CỤ HỖ TRỢ GIẤU TIN TRONG FILE ÂM THANH .....................................................................................19 2.1. Âm thanh và cấu trúc lƣu trữ của âm thanh ................................................19 2.1.1. Sóng âm và cảm giác âm ......................................................................19 2.1.2. Mã hóa âm thanh wave .........................................................................19 a) Lấy mẫu .......................................................................................................19 b) Chiều sâu bit ................................................................................................20 c) Kênh âm thanh (Channels) ..........................................................................20 2.1.3. Cấu trúc tập tin âm thanh WAVE .........................................................20 a) RIFF chunk ..................................................................................................21 b) FORMAT chunk ..........................................................................................21 c) DATA chunk ...............................................................................................22 2.2. Một số phƣơng pháp giấu tin trong file âm thanh .......................................22 2.2.1. Least Significant Bit .............................................................................22 a) Giới thiệu Least Significant Bit ...................................................................22 b) Mã hóa .........................................................................................................24 c) Giải mã: .......................................................................................................25 2.2.2. Mã hóa Parity (Parity Coding) ..............................................................25 2.2.3. Kỹ thuật trải phổ ...................................................................................26 a) Giới thiệu kỹ thuật trải phổ..........................................................................26 b) Các phƣơng pháp trải phổ............................................................................27 c) Ƣu điểm của kỹ thuật thông tin trải phổ ......................................................30 2.2.4. Kỹ thuật mã hóa echo (echo hiding) .....................................................31 2.2.5. Mã hóa Phase (Phase Coding) ..............................................................31 a) Giới thiệu mã hóa Phase ..............................................................................31 b) Mã hóa .........................................................................................................32 2 c) Giải mã ........................................................................................................33 CHƢƠNG III. CÀI ĐẶT, THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ...................................34 3.1. Môi trƣờng cài đặt .......................................................................................34 3.2. Triển khai cài đặt chƣơng trinh ...................................................................34 a) Mã hóa và Giải mã bằng thuật toán LSB ....................................................35 b) Mã hóa và Giải mã bằng thuật toán Phase coding.......................................35 c) Đánh giá chất lƣợng âm thanh dựa trên tham số PSNR ..............................35 3.3. Kịch bản thử nghiệm ...................................................................................35 3.4. Thử nghiệm..................................................................................................36 a) Tính tái tạo thông tin ...................................................................................37 b) Tính vô hình.................................................................................................38 c) Dung lƣợng giấu tin .....................................................................................41 d) Tính bền vững ..............................................................................................41 e) Độ phức tạp thuật toán.................................................................................43 f) Đánh giá PSNR ............................................................................................44 3.5. Nhận xét và đánh giá ...................................................................................44 KẾT LUẬN ...............................................................................................................46 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................47 3 CÁC TỪ VIẾT TẮT DES Data Encryption Standard RSA Là một thuật toán mật mã hóa khóa công khai HAS Human Auditory System HVS Human Vision System CBR Constant bitrate ABR Average bitrate VBR Variable bitrate LSB Least Significant Bit MSB Most Significant Bit SNR Signal-To-Noise Ratio DSSS Direct Sequency Spread Spectrum FHSS Frenquency Hopped Spread Spectrum DFT Dicrete Fourier Transform RIFF Resource Interchange File Format PCM Pulse Code Modulation 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Phân Loại Các Phƣơng Pháp Giấu ...............................................................13 Hình 2. Quá Trình Lấy Mẫu (Sampling) Đối Với Tín Hiệu Âm Thanh ...................20 Hình 3. Giá Trị 8 Bit Của Tín Hiệu A = 218 ............................................................22 Hình 4. Giá Trị 8 Bit Của Tín Hiệu B=219 Sau Khi Giấu Bit 1 Vào Lsb Của A.....23 Hình 5. Giá Trị 8 Bit Của Tín Hiệu C=219 Sau Khi Giấu Bit 0 Vào Lsb Của A.....23 Hình 6. Lsb Coding Cho Mẫu Wave Âm Thanh Tiêu Chuẩn 16bit .........................23 Hình 7. Parity Coding ...............................................................................................26 Hình 8. Mô Hình Kỹ Thuật Trải Phổ ........................................................................27 Hình 9. Khối Điều Chế Và Khối Giải Điều Chế DSSS ............................................27 Hình 10. Biểu Diễn Tín Hiệu Dƣới Dạng NRZ ........................................................28 Hình 11. Dạng Sóng Của Tín Hiệu Trƣớc Trải Phổ Và Sau Trải Phổ DSSS ...........29 Hình 12. Phổ Của Tín Hiệu FHSS ............................................................................29 Hình 13. Sơ Đồ Khối Tạo Và Khối Thu Tín Hiệu FHSS .........................................29 Hình 14. Echo Hiding ...............................................................................................31 Hình 15. Sự Dịch Chuyển Pha Của Tín Hiệu ...........................................................32 Hình 16. Các Hệ Điều Hành Hỗ Trợ Của Matlab .....................................................34 Hình 17. Giao Diện Chính Của Chƣơng Trình .........................................................34 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. So sánh sự khác biệt giữa giấu tin mật và thủy vân số ................................14 Bảng 2. Minh họa đặc tả RIFF chunk .......................................................................21 Bảng 3. Minh họa đặc tả FORMAT chunk ...............................................................21 Bảng 4. Minh họa đặc tả Data chunk ........................................................................22 Bảng 5. Thông tin tín hiệu âm thanh đầu vào ...........................................................37 Bảng 6. Tái tạo thông điệp sau khi mã hóa ...............................................................38 Bảng 7. So sánh tín hiệu của các file âm thanh trƣớc và sau khi giấu tin LSB ........39 Bảng 8. So sánh tín hiệu của file âm thanh trƣớc và sau khi giấu tin Phase coding .40 Bảng 9. Dung lƣợng file tín hiệu trƣớc và sau khi giấu thông điệp ..........................41 5 Bảng 10. Tái tạo thông tin sau khi thực hiện khử nhiễu trên file âm thanh ..............42 Bảng 11. Tái tạo thông tin sau khi thực hiện add noise trên file âm thanh...............42 Bảng 12. So sánh thời gian Mã hóa của 2 thuật toán ................................................43 Bảng 13. So sánh thời gian Giải mã của 2 thuật toán ...............................................43 6 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, khi mạng Internet phát triển mạnh mẽ, các ứng dụng công nghệ thông tin ngày càng trở nên phổ biến rộng rãi Việc truyền nhận thông tin đã trở nên dễ dàng, thuận tiện và tiết kiệm chi phí hơn. Hàng ngày, một khối lƣợng thông tin vô cùng lớn đƣợc máy tính tiếp nhận, quản lý và truyền đi trên hệ thống mạng. Đối với những thông tin bình thƣờng thì không ai để ý đến, nhƣng đối với những thông tin mang tính chất “bí mật” của một số cá nhân, đơn vị thì vấn đề “bí mật” thông tin thực sự vô cùng quan trọng. Bên cạnh đó, cùng với sự bùng nổ của Internet và các phƣơng tiện multimedia, những vấn nạn nhƣ ăn cắp bản quyền, không tôn trọng quyền chủ sở hữu... cũng gia tăng đòi hỏi phải không ngừng tìm các giải pháp bảo mật mới. Nhiều phƣơng án đã đƣợc các cá nhân, đơn vị tìm kiếm và đƣa ra, một trong các giải pháp có nhiều triển vọng là giấu tin. Căn cứ vào tình hình thực tế đó em nhận đề tài luận văn tốt nghiệp: “xây dựng ứng dụng giấu thông tin Chủ sở hữu vào file âm thanh”. Luận văn đƣợc thực hiện với mục đích Tìm hiểu công nghệ giấu tin trong file âm thanh, qua đó tìm giải pháp đáp ứng nhu cầu an toàn, bảo mật thông tin cho chủ sở hữu dữ liệu âm thanh đó. Nhiệm vụ của em đặt ra trong qua trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này là tìm hiểu một số phƣơng pháp giấu tin trong các file âm thanh, tìm hiểu một số thuật toán qua đó minh họa thử nghiệm, so sánh đánh giá tính tối ƣu của thuật toán. Qua quá trình nghiên cứu và căn cứ vào nhiệm vụ đề tài, em đặt ra bố cục của luận văn tốt nghiệp gồm những phần sau: - Lời mở đầu - Chƣơng I. Tổng quan về giấu tin trong file âm thanh - Chƣơng II: Cơ sở lý thuyết và các công cụ hỗ trợ giấu tin trong file âm thanh. - Chƣơng III: Cài đặt, Thử nghiệm và Đánh giá. - Kết luận Trong quá trình làm luận văn, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo giảng dạy tại khoa Sau đại học – ĐH Bách Khoa Hà Nội đã trang bị cho em vốn 7 kiến thức trong suốt thời gian học tập tại đây. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy PGS. TS. Đặng Văn Chuyết đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo và hƣớng dẫn em hoàn thành luận văn này. Do thời gian thực hiện luận văn có hạn cũng nhƣ kiến thức thức của bản thân còn nhiều hạn chế nên việc thực hiện luận văn chắc chắn sẽ có nhiều thiếu sót. Bản thân em kính mong nhận đƣợc sự chỉ bảo của quý thầy cô và ý kiến góp ý của các bạn cùng khóa. Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2017 Học Viên Trần Sơn Tùng 8 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG FILE ÂM THANH 1.1. Giới thiệu chung Hiding information là kỹ thuật giấu thông tin quan trọng vào đối tƣợng dữ liệu số mà không làm ảnh hƣởng trực giác đến chất lƣợng ban đầu của dữ liệu số. Dữ liệu số dùng để che giấu tin có thể là ảnh số (image), âm thanh số (audio), phim hoặc đoạn clip (video)... Từ thời kỳ cổ đại ngƣời ta đã sử dụng phƣơng pháp này để liên lạc mật cho nhau. Một ví dụ cổ điển hình về giấu tin (485-525 trƣớc công nguyên) là câu chuyện của một ngƣời tên là Histaiæus [3] muốn gửi thông tin quan trọng về “Kế hoạch ủng hộ cuộc nổi dậy chống lại đức vua Ba tƣ Xerxes” cho nhà nhiếp chính thành phố Miletus bằng cách xăm thông tin lên da đầu ngƣời nô lệ tin cậy của mình, cho đến khi tóc mọc dài trở lại ông ta cử ngƣời nô lệ đó đến gặp nhà nhiếp chính, trên đƣờng đi không bị lộ thông tin, có thể vƣợt qua mọi cuộc kiểm soát, khi đến gặp nhà nhiếp chính, nhà nhiếp chính chỉ việc cạo trọc đầu ngƣời nô lệ là có thể đọc đƣợc thông tin. Hay một phát minh khác của Pliny T. Elder (23-79 sau công nguyên) về mực “không màu” chính là sữa của một số loại động vật, khi mực này viết trên giấy để khô khó phát hiện ra, và chỉ khi giấy đó đƣợc hơ nóng các vết mực sẽ chuyển sang nâu, có thể đọc các dòng chữ đã viết. Vào thời kỳ phục hƣng, năm 1518 Johannes Trithemius viết cuốn sách về mã hóa “Polygraphia”. Trong cuốn sách này ngƣời ta thấy xuất hiện đầu tiên thuật ngữ “Steganographia”, đây là một từ ghép bắt nguồn từ ngôn ngữ Hy lạp steganos nghĩa là bao bọc “cover” và graphia nghĩa là bản viết “writing” Trải qua nhiều thời kỳ biến động của xã hội loài ngƣời, ngày nay khi mà kỹ thuật số bùng nổ, con ngƣời cũng “số hoá” lĩnh vực giấu tin phục vụ cho cuộc sống hiện đại. Giấu tin có một ƣu điểm mà mật mã học (Cryptography) còn hạn chế đó là có thể “bảo vệ đƣợc bản quyền số, hay khi giữa các đối tƣợng liên lạc mật với nhau trên các kênh thông tin công cộng mà ít bị nghi ngờ”. Lý do vì bản quyền số đã mã 9 hóa sau khi đƣợc giải mã thì khó có thể giữ đƣợc bản quyền, hay thông tin mật cần trao đổi giữa các bên, sau khi đƣợc mã hóa sẽ làm cho ngƣời khác biết rõ là các bên có trao đổi thông tin mật nào đó cho nhau. Giấu tin trong dữ liệu đa phƣơng tiện chính là bổ sung những thiếu sót cho các vấn đề trên của mật mã học. Về nguyên lý, giấu tin trong dữ liệu video, dữ liệu âm thanh hay trong dữ liệu ảnh số không khác gì nhiều. Giấu tin trong audio dựa vào hệ thống thính giác của con ngƣời nên thƣờng khó hơn trong các dữ liệu số khác do hệ thống thính giác của con ngƣời khá nhạy cảm với các nhiễu, tuy nhiên audio là loại dữ liệu đƣợc sử dụng khá phổ biến trên internet hiện nay vì vậy nó vẫn đƣợc quan tâm và nghiên cứu rộng rãi cho nhiều mục đích khác nhau nhƣ: bảo vệ bản quyền, chống sao chép, xuyên tạc nội dung. 1.2. Phân loại các phƣơng pháp giấu tin Do các phƣơng pháp giấu thông tin số đƣợc hình thành trong thời gian gần đây nên xu hƣớng phát triển vẫn chƣa ổn định. Nhiều phƣơng pháp mới vẫn đang đƣợc tiếp tục nghiên cứu đề xuất. Các phƣơng pháp có thể đƣợc phân loại theo phƣơng tiện chứa tin, theo cách thức tác động lên phƣơng tiện hoặc theo mục đích sử dụng. [3] 1.2.1. Phân loại theo phƣơng tiện chứa tin a) Giấu tin trong ảnh Thông tin sẽ đƣợc giấu cùng với dữ liệu ảnh nhƣng chất lƣợng ảnh ít thay đổi và không ai biết đƣợc đằng sau ảnh đó mang những thông tin có ý nghĩa. Ngày nay, khi ảnh số đã đƣợc sử dụng rất phổ biến, thì giấu thông tin trong ảnh đã đem lại rất nhiều những ứng dụng quan trọng trên nhiều lĩnh vực trong đời sống xã hội. Ví dụ nhƣ đối với các nƣớc phát triển, chữ kí tay đã đƣợc số hoá và lƣu trữ sử dụng nhƣ là hồ sơ cá nhân của các dịch vụ ngân hàng và tài chính, nó đƣợc dùng để nhận thực trong các thẻ tín dụng của ngƣời tiêu dùng. Phần mềm WinWord của MicroSoft cũng cho phép ngƣời dùng lƣu trữ chữ kí trong ảnh nhị phân rồi gắn vào vị trí nào đó trong file văn bản để đảm bảo tính an toàn của thông tin. Tài liệu sau đó đƣợc truyền trực tiếp qua máy fax hoặc lƣu truyền trên mạng. Theo đó, việc xác thực chữ 10 kí, thông tin đã trở thành một vấn đề cực kì quan trọng khi mà việc ăn cắp thông tin hay xuyên tạc thông tin bởi các tin tặc đang trở thành một vấn nạn đối với bất kì quốc gia nào, tổ chức nào. Thêm vào đó, lại có rất nhiều loại thông tin quan trọng cần đƣợc bảo mật nhƣ những thông tin về an ninh, thông tin về bảo hiểm hay các thông tin về tài chính, các thông tin này đƣợc số hoá và lƣu trữ trong hệ thống máy tính hay trên mạng. Chúng rất dễ bị lấy cắp và bị thay đổi bởi các phần mềm chuyên dụng. Việc xác thực cũng nhƣ phát hiện thông tin xuyên tạc đã trở nên vô cùng quan trọng, cấp thiết. Và một đặc điểm của giấu thông tin trong ảnh đó là thông tin đƣợc giấu trong ảnh một cách vô hình, nó nhƣ là một cách mà truyền thông tin mật cho nhau mà ngƣời khác không thể biết đƣợc bởi sau khi giấu thông tin thì chất lƣợng ảnh gần nhƣ không thay đổi. b) Giấu tin trong audio Giấu thông tin trong audio mang những đặc điểm riêng, khác với giấu thông tin trong các đối tƣợng đa phƣơng tiện khác. Một trong những yêu cầu cơ bản của giấu tin là đảm bảo tính chất ẩn của thông tin đƣợc giấu đồng thời không làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng của dữ liệu gốc. Để đảm bảo yêu cầu này, kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh phụ thuộc vào hệ thống thị giác của con ngƣời - HVS (Human Vision System) còn kỹ thuật giấu thông tin trong audio lại phụ thuộc vào hệ thống thính giác HAS (Human Auditory System). Và một vấn đề khó khăn ở đây là hệ thống thính giác của con ngƣời nghe đƣợc các tín hiệu ở các giải tần rộng và công suất lớn nên đã gây khó dễ đối với các phƣơng pháp giấu tin trong audio. Tuy nhiên HAS lại kém trong việc phát hiện sự khác biệt các dải tần và công suất điều này có nghĩa là các âm thanh to, cao tần có thể che giấu đƣợc các âm thanh nhỏ thấp một cách dễ dàng. Các mô hình phân tích tâm lí đã chỉ ra điểm yếu trên và thông tin này sẽ giúp ích cho việc chọn các audio thích hợp cho việc giấu tin. Vấn đề khó khăn thứ hai đối với giấu thông tin trong audio là kênh truyền tin. Kênh truyền hay băng thông chậm sẽ ảnh hƣởng đến chất lƣợng thông tin sau khi giấu. Ví dụ để nhúng một đoạn java applet vào một đoạn audio (16 bit, 44.100 Hz) có chiều dài bình thƣờng thì các phƣơng pháp nói chung cũng cần ít nhất là 20 bit/s. Giấu thông tin trong audio đòi 11 hỏi yêu cầu rất cao về tính đồng bộ và tính an toàn của thông tin. Các phƣơng pháp giấu thông tin trong audio đều lợi dụng điểm yếu trong hệ thống thính giác của con ngƣời. c) Giấu tin trong video Cũng giống nhƣ giấu thông tin trong ảnh hay trong audio, giấu tin trong video cũng đƣợc quan tâm và đƣợc phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng nhƣ điều khiển truy cập thông tin, xác thực thông tin và bảo vệ bản quyền tác giả. Ta có thể lấy một ví dụ là các hệ thống chƣơng trình trả tiền xem theo đoạn với các video clip (pay per view application). Các kỹ thuật giấu tin trong video cũng đƣợc phát triển mạnh mẽ và cũng theo hai khuynh hƣớng là thuỷ vân số và giấu tin mật. d) Giấu tin trong văn bản dạng text Giấu thông tin vào các văn bản dạng text khó thực hiện hơn do có ít các thông tin dƣ thừa, để làm đƣợc điều này phải khéo léo khai thác các dƣ thừa tự nhiên của ngôn ngữ. Một cách khác là tận dụng các định dạng văn bản (mã hóa thông tin và khoảng cách giữa các từ hay các dòng văn bản). Từ nội dung của thông điệp cần truyền đi, ngƣời ta cũng có thể sử dụng văn phạm phi ngữ cảnh để tạo nên các văn bản “phƣơng tiện chứa” rồi truyền đi. 1.2.2. Phân loại theo cách thức tác động lên phƣơng tiện a) Phương pháp chèn dữ liệu Phƣơng pháp này tìm các vị trí trong tệp (file) dễ bị bỏ qua và chèn các dữ liệu cần giấu vào đó, cách giấu này không làm ảnh hƣởng gì tới sự thể hiện của các file dữ liệu ví dụ nhƣ dữ liệu đƣợc giấu sau các ký tự EOF (End of file)[3]. b) Phương pháp thay thế Thực hiện việc thay thế các phần tử không quan trọng của phƣơng tiện chứa bằng các dữ liệu của thông điệp cần chuyển đi. Vì thay thế vào các phần tử không quan trọng của phƣơng tiện chứa nên dễ đánh lừa đƣợc cảm nhận của con ngƣời. Phƣơng pháp thay thế có nhiều cách thực hiện nhƣ: thay thế các bit ít quan trọng, thay thế trong miền tần số, các kỹ thuật trải phổ, thống kê. 12 c) Phương pháp tạo các phương tiện chứa Từ các thông điệp cần giấu phƣơng pháp này sẽ tạo ra các phƣơng tiện chứa để phục vụ cho việc truyền thông tin đó, tại phía ngƣời nhận dựa trên các phƣơng tiện chứa này có thể tái tạo lại các thông điệp. 1.2.3. Phân loại theo mục đích sử dụng Phƣơng pháp phân loại theo mục đích sử dụng đƣợc đề xuất năm 1999 bởi Fabien A. P. Petiscolas (Hình 1) Giấu tin (Hiding Information) Thủy vân số Giấu tin mật (Digital Watermarking) (Steganography) Thủy vân Dấu vân tay Ẩn thông Trong suốt (Watermarking) (Fingerprinting) tin (Pure) (Intrinsic) Hình 1. Phân loại các phương pháp giấu Theo Fabien thì có thể chia lĩnh vực giấu tin thành hai hƣớng lớn đó là steganography (giấu tin mật) và watermarking (thủy vân số). a) Steganography Đây là kỹ thuật giấu tin phổ biến nhất từ trƣớc tới nay, steganography là kỹ thuật ẩn dấu một file, message, image hoặc video bên trong một file, message, image hoặc video khác. Đối với phƣơng pháp này ngƣời ta quan tâm chủ yếu tới các mục tiêu: độ an toàn của thông điệp và lƣợng thông điệp tối đa có thể giấu mà vẫn đảm bảo an toàn, độ bảo mật của thông tin trong trƣờng hợp giấu tin bị phát hiện. 13 b) Watermarking Do yêu cầu bảo vệ bản quyền, xác thực và chống xuyên tạc... nên giấu tin thuỷ vân có yêu cầu khác với giấu tin bí mật. Yêu cầu đầu tiên là các dấu hiệu thuỷ vân phải đủ bền vững trƣớc các tấn công vô tình hay cố ý gỡ bỏ nó. Thêm vào đó các dấu hiệu thuỷ vân phải có ảnh hƣởng tối thiểu (về mặt cảm nhận) đối với các phƣơng tiện chứa. Nhƣ vậy các thông tin cần giấu sẽ càng nhỏ càng tốt. Phân biệt giấu thông tin bí mật và thuỷ vân đƣợc mô tả tóm lƣợc trong Bảng1 Bảng 1. So sánh sự khác biệt giữa giấu tin mật và thủy vân số [3] Mục tiêu Cách - - thức thực Giấu thông tin mật Thủy vân số (steganography) (watermark) Tàng hình các phiên liên - Chủ yếu phục vụ cho mục đích lạc, để bảo mật thông tin. bảo vệ bản quyền. Dùng trong các liên lạc xác - Chủ yếu dùng trong các hoạt động định. xuất bản. Không làm “thay đổi” - Có thể tác động nhỏ về cảm nhận phƣơng tiện chứa. tới phƣơng tiện chứa. Giấu đƣợc nhiều thông tin - Chỉ cần nhúng ít dữ liệu. nhất. Dữ liệu nhúng cần phải mạnh. hiện - Yêu cầu - Không quan tâm nhiều tới - Đảm bảo bền vững trƣớc các độ bền vững của phƣơng phƣơng pháp nén dữ liệu. tiện chứa. - - Không kiểm tra đƣợc nếu không có khóa thích hợp. Dữ liệu nhúng có thể nhận thấy hay không nhận thấy. - Không kiểm tra đƣợc nếu không có khóa thích hợp. 1.3. Các tính chất của giấu tin trong file âm thanh 14 Vì là một lĩnh vực mới phát triển nhƣng đã và đang đƣợc ứng dụng rộng rãi nên có rất nhiều phƣơng pháp giấu tin trong các phƣơng tiện mutilmedia đƣợc nghiên cứu và thực nghiệm. Để đánh giá một phƣơng pháp so với các phƣơng pháp khác ngƣời ta dựa vào một số các tính chất của phƣơng pháp hay các tiêu chí đánh giá sau [2] a) Tính vô hình Khái niệm này dựa trên dặc điểm của hệ thống thị giác hay thính giác của con ngƣời. Thông tin nhúng là không nhìn thấy đƣợc nếu một ngƣời với thính giác bình thƣờng không phân biệt đƣợc âm thanh gốc và âm thanh đã đƣợc nhúng thông tin. Giấu tin trong file âm thanh sẽ làm biến đổi một phần các tính chất, thông số của file âm thanh môi trƣờng. Tính vô hình thể hiện ở mức độ biến đổi của file âm thanh môi trƣờng. Một phƣơng pháp tốt sẽ làm cho thông tin mật trở nên vô hình trên file âm thanh môi trƣờng, ngƣời dùng bình thƣờng sẽ không phát hiện đƣợc trong file âm thanh đó có ẩn chứa thông tin. b) Dung lượng giấu tin Dung lƣợng giấu tin đƣợc tính bằng tỉ lệ của lƣợng tin giấu so với kích thƣớc file âm thanh. Vì tin mật đƣợc gửi cùng với file âm thanh môi trƣờng qua mạng hoặc qua các hình thức lƣu trữ khác nên đây cũng là một chỉ tiêu quan trọng. Các phƣơng pháp đều cố gắng làm sao giấu đƣợc càng nhiều tin trong khi vẫn giữ đƣợc bí mật. Tuy nhiên trong thực tế ngƣời ta vẫn phải cân nhắc giữa dung lƣợng và các chỉ tiêu khác nhƣ tính vô hình, tính bền vững. c) Tính bền vững Sau khi giấu tin vào file âm thanh, bản thân file âm thanh môi trƣờng có thể trải qua các khâu biến đổi khác nhau nhƣ lọc thông, thêm nhiễu, lọc nhiễu, cắt, nén file âm thanh. Tính bền vững là tiêu chí đánh giá sự nguyên vẹn của thông tin mật sau những biến đổi nhƣ vậy. d) Độ phức tạp tính toán 15 Chỉ tiêu về độ phức tạp trong mã hóa và giải mã cũng là một yếu tố quan trọng trong đánh giá các phƣơng pháp giấu tin trong file âm thanh. Yêu cầu về độ phức tạp tính toán phụ thuộc vào từng ứng dụng. e) File âm thanh môi trường đối với quá trình giải mã Yêu cầu cuối cùng là phƣơng pháp phải cho phép lấy lại đƣợc thông tin đã giấu trong file âm thanh mà không cần phải có file âm thanh gốc. 1.4. Một số ứng dụng của giấu tin trong file âm thanh Giấu tin trong file âm thanh ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi, các ứng đụng đƣợc phát triển tùy theo từng hoàn cảnh cụ thể và mục đích sử dụng khác nhau. Dƣới đây là một số ứng dụng đang đƣợc triển khai phổ biến trên thế giới [2]. a) Bảo vệ bản quyền Một biểu tƣợng bí mật đƣợc nhúng vào trong file âm thanh để xác nhận quyền sở hữu. Biểu tƣợng thủy vân (watermark) mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả, có thể có cấu trúc phức tạp đƣợc đính lên file âm thanh khi bán hoặc phân phối, thêm vào đó có thể gán một nhãn thời gian (time stamp) để chống giải mạo. Một watermark cũng có thể đƣợc dùng để phát hiện xem các file âm thanh có bị giả mạo hay không. b) Điểm chỉ số Mục tiêu của điểm chỉ số là để chuyển thông tin đến ngƣời nhận (chứ không phải chủ sở hữu) sản phẩm phƣơng tiện số nhằm xác định đây là bản sao duy nhất của sản phẩm. Về mặt ý nghĩa điểm chỉ số tƣơng tự nhƣ số sê ri của phần mềm. c) Gán nhãn Gán tiêu đề, nhãn thời gian, chú giải và các minh họa khác có thể đƣợc nhúng vào file âm thanh, ví dụ nhƣ đính tên ca sĩ, nhạc sĩ, trung tâm phát hành, ngƣời phát ngôn...lên các file âm thanh. Khi đó nếu sao chép file âm thanh thì cũng sao chép cả những dữ liệu nhứng trong nó và chỉ có chủ sở hữu hoặc những ngƣời đƣợc ủy quyền mới có có khóa mật (stego – key) để có thể tách ra và xem đƣợc các nội dung, thông điệp này. 16 d) Liên lạc bí mật Trong nhiều trƣờng hợp, sử dụng mật mã có thể gây chú ý không mong muốn. Ngoài ra việc sử dụng công nghệ mã hóa có thể bị hạn chế và thậm chí có thể bị cấm sử dụng. Ngƣợc lại, việc giấu tin trong môi trƣờng nào đó rồi gửi đi trên môi trƣờng mạng thì lại ít gây ra sự chú ý. Có thể dùng phƣơng pháp này để gửi đi một thông tin bí mật về thƣơng mại, chính trị, quân sự, hoặc các thông tin nhạy cảm khác. 1.5. Tăng độ an toàn cho thông tin đem giấu Mặc dù giấu tin trong audio là vô hình so với các phƣơng pháp an toàn bảo mật khác. Tuy nhiên trong trƣờng hợp nghi ngờ ngƣời ta có thể sử dụng các phƣơng pháp tấn công hoặc quan sát quy luật tự nhiên của các tín hiệu audio để tách ra đƣợc thông tin đã giấu. Trong trƣờng hợp này để tăng tính an toàn cho thông tin đem giấu ngƣời ta có thể sử dụng phƣơng pháp mã hóa cho thông tin mật trƣớc khi giấu sử dụng các kỹ thuật mã hóa nhƣ RSA, Elgama, AES hoặc DES. Tuy nhiên, luận văn này chỉ sử dụng kỹ thuật mã hóa đơn giản đó là chuyển thông tin cần giấu sang chuỗi bit nhị phân, sau đó sử dụng phép toán XOR giữa chuỗi bit thông điệp với chuỗi khóa đƣợc sinh ngẫu nhiên dựa trên mật khẩu do ngƣời dùng nhập vào và độ dài của thông điệp. 1.6. Đánh giá chất lƣợng âm thanh sau khi giấu tin Để đánh giá chất lƣợng của tín hiệu âm thanh ở đầu ra của bộ mã hoá, ngƣời ta thƣờng sử dụng hai tham số, sai số bình phƣơng trung bình – MSE (Mean Square Error) giữa tín hiệu gốc và tín hiệu đã giấu tin và tham số PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) tham số này đƣợc tính bằng hệ số tỷ lệ tín hiệu cực đại / tín hiệu nhiễu, hay nói cách khác PSNR cho biết chất lƣợng tín hiệu khôi phục của các thuật toán nén có mất mát dữ liêu [5]. MSE đƣợc tính theo biển thức (1) trong khi PSNR đƣợc tính theo biểu thức (2) ∑ ( )2 PSNR (dB) = 20 ( 17 (1) ) (2) Trong đó: biểu thị giá trị tín hiệu gốc biểu thị giá trị tín hiệu đã bị biến đổi N là độ dài của tín hiệu âm thanh. RMSE: Sai số bình phƣơng trung bình giữa tín hiệu gốc và tín hiệu đã giấu tin RMSE = √ n: là số bit sử dụng trong quá trình lƣợng tử hóa tín hiệu âm thanh. Thông thƣờng, nếu PSNR > 35dB thì hệ thống mắt ngƣời gần nhƣ không phân biệt đƣợc sự khác biệt giữa tín hiệu gốc và tín hiệu bị biến đổi để giấu tin. PSNR càng cao thì chất lƣợng của tín hiệu càng ít bị thay đổi so với gốc [5]. 18