Một phương pháp mới nhúng dữ liệu vào tín hiệu audio

Chia sẻ: Thi Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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 nói 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 tôi đã xây dựng mô hình, các thuật toán để nhúng dữ liệu phụ vào tín hiệu audio.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Một phương pháp mới nhúng dữ liệu vào tín hiệu audio

Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính mét ph¬ng ph¸p míi nhóng d÷ liÖu vµo tÝn hiÖu audio VŨ VĂN TÂM*, PHAN TRỌNG HANH** Tóm 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 nói 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 tôi đã xây dựng mô hình, các thuật toán để nhúng dữ liệu phụ vào tín hiệu audio. Kết quả thử nghiệm cho thấy  đã được cải thiện, từ đó giảm thiểu ảnh hưởng của dữ liệu phụ lên tín hiệu audio. Từ khóa: Nhúng tín hiệu, LSB, Dữ liệu phụ, Tín hiệu audio. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Không giống như hệ thống nhúng (embeded systems), tín hiệu nhúng (embeded signals) là thuật ngữ còn 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 nó dữ liệu phụ, nhưng dữ liệu phụ này hầu như không ảnh hưởng tới các tính chất của tín hiệu chủ và chỉ được tách ra bằng một thuật toán 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 không cần thêm đường truyền, vùng nhớ riêng biệt. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về tín hiệu nhúng, khi tín hiệu chủ là dạng ảnh, video, tuy nhiên các công trình nghiên cứu về tín hiệu nhúng khi tín hiệu chủ là âm thanh thì còn ít [2,3], do tín hiệu audio có ít đặc tính để có thể cho phép nhúng dữ liệu phụ vào, vì vậy dữ liệu phụ dễ bị "lộ" và thường có dung lượng thấp. Nhằm mục đích nâng cao chất lượng của tín hiệu nhúng, chúng tôi đã phân tích các tham số của tín hiệu nhúng, từ đó xây dựng mô hình, xây dựng thuật toán nhúng mới để giảm thiểu ảnh hưởng của dữ liệu phụ lên tín hiệu audio. 2. CƠ SỞ TOÁN HỌC Hình 1 mô tả quá trình nhúng, giải nhúng theo phương pháp thông 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 toán 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 có. Để tách B từ C ' , phía thu cần phải giải nhúng với quy trình ngược lại so với phía phát. 58 V.V. Tâm, P.T.Hanh, "Một phương pháp mới nhúng dữ liệu vào tín hiệu audio." Nghiên cứu khoa học công nghệ Dữ liệu Tín hiệu Dữ liệu phụ B chủ C phụ B Nhúng Giải nhúng C ' Tín hiệu nhúng C ' Truyền dẫn, lưu trữ Hình 1. Sơ đồ mô tả quá trình nhúng, giải nhúng. Giả sử khối nhúng sử dụng thuật toán nhúng trên miền thời gian LSB [2,4], B gồm M các byte dữ liệu Bi và C là tín hiệu audio gồm N mẫu âm thanh C j . M B   Bi (1) i 1 N C  Cj (2) j 1 N Khi đó: C '  C 'j (3) j 1 Để đảm bảo nhúng được hết các Bi thì: M N (4) - Lỗi nhúng e : Đối với mỗi mẫu C ' , lỗi nhúng e j được tính theo công thức sau: ej  C 'j  C j (5) Dẫn tới: | e j || C ' j  C j | Bi (6) Dấu "=" ứng với trường hợp cả 8 bit LSB của C j khác hoàn toàn với 8 bit của Bi được nhúng tương ứng. - Tỷ số tín/tạp  : Để đơn giản trong tính toán, chúng ta coi N  M  H (số mẫu của C bằng số byte của B ), khi đó  của C ' chính là tỷ số giữa tổng bình phương công suất của C và tổng bình phương công suất của e : H H  | C j |2 | C j |2  j 1  j 1 (7) H H 2 2 | e j 1 j | | B | i 1 i Hay ở dạng Đề xi ben:  H 2  H 2   j  | C |  | C j |   (dB)  10 log10  j H1   10 log10  jH1  (8)  2   2   | ej |    | Bi |   j 1   i 1  Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 59 Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính Từ vế trái của (8) chúng ta nhận thấy để có  lớn phải thỏa mãn một hoặc cả hai điều kiện sau: H - Điều kiện 1: | e j |2 phải nhỏ => e j phải nhỏ, kết hợp với (6) => phải giảm j 1 số bit của dữ liệu phụ khi nhúng vào C j (chia Bi thành các đoạn nhỏ trước khi nhúng). Khi đó H sẽ tăng, tuy tổng lỗi nhúng e không giảm, nhưng lỗi nhúng e j của từng mẫu C j sẽ giảm. H - Điều kiện 2: | C j |2 phải lớn => C j lớn => chọn các C j có giá trị lớn để j 1 nhúng. Điều này hoàn toàn thực hiện được, bởi vì tín hiệu audio thường có tần số lấy mẫu cao (từ 32KHz đến 48KHz), dữ liệu phụ cần nhúng thường ngắn gọn, do vậy N  M . 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3.1. Mô hình Ở phía phát, B được chia thành M đoạn nhỏ 4 bit Bi , chọn M mẫu C j có giá trị lớn nhất trong N mẫu của C và thực hiện nhúng LSB [2] Bi vào C j (thuật toán 1). Ở phía thu, thực hiện tìm M mẫu C ' j có chứa dữ liệu phụ và giải nhúng LSB [2] lấy ra M đoạn bit Bi (thuật toán 2), ghép M đoạn bit Bi để hình thành B (hình 2). Hình 2. Sơ đồ mô hình nhúng, giải nhúng mới. Hình 3. Thứ tự nhúng tín hiệu với M=3. Thứ tự mẫu C j được nhúng là ngẫu nhiên; mẫu có giá trị lớn nhất sẽ được nhúng trước, sau đó đến các mẫu có giá trị nhỏ hơn và liền kề với giá trị của mẫu đã nhúng trước đó (hình 3). 60 V.V. Tâm, P.T.Hanh, "Một phương pháp mới nhúng dữ liệu vào tín hiệu audio." Nghiên cứu khoa học công nghệ 3.2. Xây dựng thuật toán 3.2.1. Thuật toán 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 C j  data[g] for file1 D j  C j - (4 bit LSB=0000) end for For H  1,2..M do ‘tìm M mẫu giá trị lớn nhất và nhúng D0  0 find  0 For j  1,2..N do if D j  D0 then find  j D0  D j end if end for C find  D find  BH (embeded LSB) D find  0 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 close file2 ’đóng file tín hiệu nhúng C’ End Sub 3.2.2. Thuật toán 2 (giải nhúng tín hiệu) Private Sub giai_nhung_Click() file1  tinhieunhung Open file1 ‘mở file để đọc tín hiệu nhúng C’ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 61 Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính 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 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 D j  D0 then find  j D0  D j end if end for BH  (4 bit LSB for C ' find ) D find  0 end for End Sub 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ Tín hiệu chủ được dùng thử nghiệm là bài hát Love Srory có các tham số như hình 4, dữ liệu phụ cần nhúng là ảnh xám có kích thước (300  300) Pixel. Chương trình nhúng và giải nhúng được thực hiện trong môi trường VisualBasic. Kết quả thử nghiệm cho thấy: C ' hầu như không thay đổi so với C , e rất nhỏ (hình 6), ảnh khôi phục có chất lượng tương đương với ảnh gốc (hình 5); Quá trình nhúng được thực hiện từ mẫu C j có biên 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 thanh của C ' sẽ suy giảm trên toàn bộ C ' mà không tập trung tại một đoạn như phương pháp nhúng LSB thông thường). Đặc biệt e ,  sẽ thay đổi khi dung lượng của B , C thay đổi. Ngoài ra, do thứ tự các C j được nhúng là ngẫu nhiên và giá trị M phụ thuộc vào B nên phía thu cần phải có M của phía phát mới có thể giải nhúng được, vì vậy dữ liệu phụ đã được bảo mật. 62 V.V. Tâm, P.T.Hanh, "Một phương pháp mới nhúng dữ liệu vào tín hiệu audio." Nghiên cứu khoa học công nghệ Hình 4. Các tham số cơ bản của tín hiệu chủ (audio) thử nghiệm. Trước nhúng Sau nhúng Hình 5. Ảnh xám trước nhúng và sau Hình 6. Tín hiệu audio trước nhúng, sau giải nhúng. nhúng và lỗi nhúng. 4. KẾT LUẬN Việc chia nhỏ các byte của dữ liệu phụ B và lựa chọn các mẫu tín hiệu chủ C j có 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 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, 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 đó  đạt giá trị lớn. Ngoài ra phương pháp mới này còn cho phép bảo mật được nội dung dữ liệu phụ đã nhúng. Kết quả nghiên cứu này không chỉ có giá trị về mặt ứng dụng, mà còn rất có 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”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 63 Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính 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 Hoàn thiện ngày 15 tháng 9 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 9 năm 2014 Địa chỉ: * Đại học Kỹ thuật - Hậu cần Công an nhân dân; ** Học viện Kỹ thuật Quân sự. 64 V.V. Tâm, P.T.Hanh, "Một phương pháp mới nhúng dữ liệu vào tín hiệu audio."