Một phương pháp mới nhúng dữ liệu vào tín hiệu Audio - Vũ Văn Tâm

Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính V.V. Tâm, P.T.Hanh, "Một phương pháp mới nhúng dữ liệu vào tín hiệu audio." 58 mét ph­¬ng ph¸p míi nhĩng d÷ liƯu vµo tÝn hiƯu audio VŨ VĂN TÂM*, PHAN TRỌNG HANH** Tĩm tắt: Nhúng dữ liệu vào tín hiệu audio là một kỹ thuật mới trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số hiện nay. Quá trình nhúng phải thỏa mãn một số yêu cầu liên quan, đặc biệt là yêu cầu về tỷ số tín/tạp ( ) phải ở mức cao [1], hay nĩi cách khác là dữ liệu phụ được nhúng phải ít ảnh hưởng đến tín hiệu audio. Trên cơ sở phân tích các yêu tố ảnh hưởng đến  của tín hiệu nhúng, chúng tơi đã xây dựng mơ hình, các thuật tốn để nhúng dữ liệu phụ vào tín hiệu audio. Kết quả thử nghiệm cho thấy  đã được cải thiện, từ đĩ giảm thiểu ảnh hưởng của dữ liệu phụ lên tín hiệu audio. Từ khĩa: Nhúng tín hiệu, LSB, Dữ liệu phụ, Tín hiệu audio. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Khơng giống như hệ thống nhúng (embeded systems), tín hiệu nhúng (embeded signals) là thuật ngữ cịn mới và được đề xuất bởi các nhà khoa học Mỹ [1]. Tín hiệu nhúng dùng để chỉ một loại tín hiệu chủ mang trong nĩ dữ liệu phụ, nhưng dữ liệu phụ này hầu như khơng ảnh hưởng tới các tính chất của tín hiệu chủ và chỉ được tách ra bằng một thuật tốn đặc biệt. Tiềm năng ứng dụng của tín hiệu nhúng là rất lớn như: Sử dụng để ghi dấu bản quyền trong các tác phẩm điện tử như âm thanh, hình ảnh, bài báo hoặc được sử dụng để truyền, lưu trữ các bản tin mà khơng cần thêm đường truyền, vùng nhớ riêng biệt. Đã cĩ nhiều cơng trình nghiên cứu về tín hiệu nhúng, khi tín hiệu chủ là dạng ảnh, video, tuy nhiên các cơng trình nghiên cứu về tín hiệu nhúng khi tín hiệu chủ là âm thanh thì cịn ít [2,3], do tín hiệu audio cĩ ít đặc tính để cĩ thể cho phép nhúng dữ liệu phụ vào, vì vậy dữ liệu phụ dễ bị "lộ" và thường cĩ dung lượng thấp. Nhằm mục đích nâng cao chất lượng của tín hiệu nhúng, chúng tơi đã phân tích các tham số của tín hiệu nhúng, từ đĩ xây dựng mơ hình, xây dựng thuật tốn nhúng mới để giảm thiểu ảnh hưởng của dữ liệu phụ lên tín hiệu audio. 2. CƠ SỞ TỐN HỌC Hình 1 mơ tả quá trình nhúng, giải nhúng theo phương pháp thơng thường [2], tín hiệu chủ ( )C và dữ liệu phụ ( )B được đưa tới khối nhúng tại đây, B sẽ được kết hợp với C theo cách thức được qui định bởi thuật tốn nhúng và hình thành tín hiệu nhúng ( ')C . 'C được truyền, thu nhận và lưu trữ theo cách thức của hệ thống truyền dẫn vốn cĩ. Để tách B từ 'C , phía thu cần phải giải nhúng với quy trình ngược lại so với phía phát. Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 59 Giả sử khối nhúng sử dụng thuật tốn nhúng trên miền thời gian LSB [2,4], B gồm M các byte dữ liệu iB và C là tín hiệu audio gồm N mẫu âm thanh jC . 1 M i i B B    (1) 1 N j j C C    (2) Khi đĩ: 1 ' ' N j j C C   (3) Để đảm bảo nhúng được hết các iB thì: M N (4) - Lỗi nhúng :e Đối với mỗi mẫu 'C , lỗi nhúng je được tính theo cơng thức sau: 'j j je C C  (5) Dẫn tới: | | | ' |j j j ie C C B   (6) Dấu "=" ứng với trường hợp cả 8 bit LSB của jC khác hồn tồn với 8 bit của iB được nhúng tương ứng. - Tỷ số tín/tạp : Để đơn giản trong tính tốn, chúng ta coi N M H  (số mẫu của C bằng số byte của B ), khi đĩ  của 'C chính là tỷ số giữa tổng bình phương cơng suất của C và tổng bình phương cơng suất của e : 2 2 1 1 2 2 1 1 | | | | | | | | H H j j j j H H j i j i C C e B            (7) Hay ở dạng Đề xi ben: 2 2 1 1 10 10 2 2 1 1 | | | | ( ) 10log 10log | | | | H H j j j j H H j i j i C C dB e B                                   (8) Tín hiệu nhúng 'C Hình 1. Sơ đồ mơ tả quá trình nhúng, giải nhúng. Tín hiệu chủ C Dữ liệu phụ B Nhúng Dữ liệu phụ B Giải nhúng 'C Truyền dẫn, lưu trữ Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính V.V. Tâm, P.T.Hanh, "Một phương pháp mới nhúng dữ liệu vào tín hiệu audio." 60 Từ vế trái của (8) chúng ta nhận thấy để cĩ  lớn phải thỏa mãn một hoặc cả hai điều kiện sau: - Điều kiện 1: 2 1 | | H j j e   phải nhỏ => je phải nhỏ, kết hợp với (6) => phải giảm số bit của dữ liệu phụ khi nhúng vào jC (chia iB thành các đoạn nhỏ trước khi nhúng). Khi đĩ H sẽ tăng, tuy tổng lỗi nhúng e khơng giảm, nhưng lỗi nhúng je của từng mẫu jC sẽ giảm. - Điều kiện 2: 2 1 | | H j j C   phải lớn => jC lớn => chọn các jC cĩ giá trị lớn để nhúng. Điều này hồn tồn thực hiện được, bởi vì tín hiệu audio thường cĩ tần số lấy mẫu cao (từ 32KHz đến 48KHz), dữ liệu phụ cần nhúng thường ngắn gọn, do vậy N M . 3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH 3.1. Mơ hình Ở phía phát, B được chia thành M đoạn nhỏ 4 bit iB , chọn M mẫu jC cĩ giá trị lớn nhất trong N mẫu của C và thực hiện nhúng LSB [2] iB vào jC (thuật tốn 1). Ở phía thu, thực hiện tìm M mẫu ' jC cĩ chứa dữ liệu phụ và giải nhúng LSB [2] lấy ra M đoạn bit iB (thuật tốn 2), ghép M đoạn bit iB để hình thành B (hình 2). Thứ tự mẫu jC được nhúng là ngẫu nhiên; mẫu cĩ giá trị lớn nhất sẽ được nhúng trước, sau đĩ đến các mẫu cĩ giá trị nhỏ hơn và liền kề với giá trị của mẫu đã nhúng trước đĩ (hình 3). Hình 2. Sơ đồ mơ hình nhúng, giải nhúng mới. Hình 3. Thứ tự nhúng tín hiệu với M=3. Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 61 3.2. Xây dựng thuật tốn 3.2.1. Thuật tốn 1(nhúng tín hiệu) Private Sub nhung_Click() file1 tinhieuchu file2 tinhieunhung Open file1 ‘mở file chứa tín hiệu chủ C Open file2 ‘mở file để ghi tín hiệu nhúng C’ For k 1,2..length(head for file1) do ‘ghi lại phần head của file a data[k] for file1 data[k] to file2a end for N somau for file1 gk For j 1,2..N do ‘đọc các mẫu, cho 4 bit cuối = 0 gg+1 jC data[g] for file1 jD  jC - (4 bit LSB=0000) end for For H 1,2..M do ‘tìm M mẫu giá trị lớn nhất và nhúng 0D 0 find 0 For j 1,2..N do if 0jD D then find j 0 jD D end if end for find find HC D B  (embeded LSB) 0findD  end for For j 1,2..N do ‘ghi các mẫu vào file2 1k k  data[k] to file2  jC end for close fiel1 ’đĩng file tín hiệu chủ C close file2 ’đĩng file tín hiệu nhúng C’ End Sub 3.2.2. Thuật tốn 2 (giải nhúng tín hiệu) Private Sub giai_nhung_Click() file1 tinhieunhung Open file1 ‘mở file để đọc tín hiệu nhúng C’ Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính V.V. Tâm, P.T.Hanh, "Một phương pháp mới nhúng dữ liệu vào tín hiệu audio." 62 N somau for file1 ‘đọc số mẫu audio s length(head for file1) ‘độ lớn phần head của file For j 1,2..N do ‘đọc các mẫu audio s s+1 ' jC data[s] for file1 jD  ' jC - (4 bit LSB=0000) end for close fiel1 ‘đĩng file tín hiệu nhúng For H 1,2..M do ‘tìm M mẫu lớn nhất và giải nhúng 0 0D  0find  For j 1,2..N do if 0jD D then find j 0 jD D end if end for HB  (4 bit LSB for ' findC ) 0findD  end for End Sub 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ Tín hiệu chủ được dùng thử nghiệm là bài hát Love Srory cĩ các tham số như hình 4, dữ liệu phụ cần nhúng là ảnh xám cĩ kích thước (300 300) Pixel. Chương trình nhúng và giải nhúng được thực hiện trong mơi trường VisualBasic. Kết quả thử nghiệm cho thấy: 'C hầu như khơng thay đổi so với C , e rất nhỏ (hình 6), ảnh khơi phục cĩ chất lượng tương đương với ảnh gốc (hình 5); Quá trình nhúng được thực hiện từ mẫu jC cĩ biên độ lớn nhất, đến khi đủ M số mẫu cần thiết thì dừng lại. Do vậy e phân bố rải rác trên tồn 'C (chất lượng âm thanh của 'C sẽ suy giảm trên tồn bộ 'C mà khơng tập trung tại một đoạn như phương pháp nhúng LSB thơng thường). Đặc biệt e ,  sẽ thay đổi khi dung lượng của B , C thay đổi. Ngồi ra, do thứ tự các jC được nhúng là ngẫu nhiên và giá trị M phụ thuộc vào B nên phía thu cần phải cĩ M của phía phát mới cĩ thể giải nhúng được, vì vậy dữ liệu phụ đã được bảo mật. Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 63 4. KẾT LUẬN Việc chia nhỏ các byte của dữ liệu phụ B và lựa chọn các mẫu tín hiệu chủ jC cĩ biên độ lớn để nhúng là một phương pháp tiếp cận mới trong lĩnh vực nhúng dữ liệu vào tín hiệu audio. Trên cơ sở phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến lỗi nhúng e và tỷ số tín/tạp  của tín hiệu nhúng, chúng tơi đã xây dựng mơ hình, các thuật tốn mới nhằm nâng cao chất lượng của tín hiệu nhúng. Qua thử nghiệm mơ hình với tín hiệu chủ là âm thanh, dữ liệu 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 đĩ  đạt giá trị lớn. Ngồi ra phương pháp mới này cịn cho phép bảo mật được nội dung dữ liệu phụ đã nhúng. Kết quả nghiên cứu này khơng chỉ cĩ giá trị về mặt ứng dụng, mà cịn rất cĩ ý nghĩa trong lĩnh vực nghiên cứu về tín hiệu nhúng hiện nay. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Poulami Dutta, Debnath Bhattacharyya, and Tai-hoon Kim, “Data Hiding in Audio Signal”, International Journal of Database Theory and Application Vol. 2, No. 2, June 2009. [2]. Prof. Samir Kumar, BandyopadhyayBarnali, Gupta Banik, “LSB Modification and Phase Encoding Technique of Audio Steganography Revisited”, Hình 4. Các tham số cơ bản của tín hiệu chủ (audio) thử nghiệm. Hình 6. Tín hiệu audio trước nhúng, sau nhúng và lỗi nhúng. Hình 5. Ảnh xám trước nhúng và sau giải nhúng. Trước nhúng Sau nhúng Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính V.V. Tâm, P.T.Hanh, "Một phương pháp mới nhúng dữ liệu vào tín hiệu audio." 64 International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering Vol. 1, Issue 4, June 2012. [3]. Kriti Saroha, Pradeep Kumar Singh, “A Variant of LSB Steganography for Hiding Images in Audio”, International Journal of Computer Applications (0975 – 8887) [4]. Volume 11– No.6, December 2010. [5]. 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. [6]. 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. [7]. M. Namita Verma M. Vinay Kumar Jain, “Audio Steganography – A Review”, International Journal of Advanced Research in Electronics and Communication Engineering (IJARECE) Volume 2, Issue 1, January 2013. ABSTRACT A NEW METHOD TO EMBED DATA INTO AUDIO SIGNALS Nowadays, embedding data in audio signals is a new technique in terms of digital signal processing. The process of embedding signal must meet a number of relevant requirements, in particular the ratio of message interference must be at a high level [1], in other words, the sub-data which is embedded must have little impact on audio signals. On the basis of analyzing the factors impacting the ratio of message / interference of the embedded signals, we have built the model, the algorithm for embedding auxiliary data in audio signals. The testing results show that the ratio of message / interference has been improved, thereby minimizing the impact of sub-data on the audio signals. Keywords: Embedded signal, LSB, Sub-data, Audio signals. Nhận bài ngày 28 tháng 7 năm 2014 Hồn thiện ngày 15 tháng 9 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 9 năm 2014 Địa chỉ: * Đại học Kỹ thuật - Hậu cần Cơng an nhân dân; ** Học viện Kỹ thuật Quân sự.