TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC TIỂU LUẬN KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ ỨNG DỤNG Đề tài: GIẤU THÔNG TIN BỀN VỮNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG CƠ SỞ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN Hà Nội, tháng 02/2012 Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Học viên : NGUYỄN NGỌC ANH MSHV : CB111487 Lớp : KTTT1B 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 transformation, and vertex 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. Ph ương 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 b ền 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 truy ền. 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 hiệ u 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 Giấu thông tin bền vững sử dụng kỹ thuật trải phổ trong cơ sở dữ liệu không gian A Robust Watermarking Algorthm for Space Data Using Spread Spectrum Technic 1 2 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 t ương 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 trên và hai ký hiệu i ζ và i ξ (không có dấu 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) 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 không gian n chiều R (n) ( )(n R∈ ξ ) là cơ sở dữ liệu không gian. Về mặt hình học, mỗi vectơ này được biểu diễn thông qua một "điểm" thuộc không gian () n R . Với )( 1 n R∈ ξ , )( 2 n R∈ ξ và δ∈ R, δ≥0 , ta xây dựng một δ -quan hệ ( δ ⇔ ) như sau: ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ ⇔ 21 ξξ δ ⇔ { } δξξ ≤−=∀ ii ni 21 ; 1 . Khi đó δ mang ý nghĩa của sai số cho phép. Ký hiệu Mm r ξξ ,≡ ≡ r mMm += ξξξ , là một “khối hộp” n-chiều được giới hạn bởi điểm “dưới trái” ), ,( 21 n mmmm xxx ξ và điểm “trên phải” ), ,( 21 n MMMM xxx ξ , trong đó jj m j M rxx += . Ta nói đỉnh Mmi ξξξ ,∈ nếu {} j M j i j m xxxnj ≤≤∈∀ , 1 . 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 Mm ξξ , nói trên, với giả thiết δ ≥ j r với mọi j∈ { 1 n }. Chia không gian thành các “khối hộp đơn vị” như sau: Chọn giá trị R∈ σ , )(Kf = σ , ( f là một hàm có biến phụ thuộc khoá K ), δσ ≤ . Với mọi )(n i R∈ ξ xây dựng vectơ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎥ ⎥ ⎦ ⎥ ⎢ ⎢ ⎣ ⎢ = σ ζ j i i x với mọi j∈ { 1 n }- tức là )(n i Z∈ ζ hay i ζ thuộc không gian vectơ với các tọa độ nguyên, nói cách khác, i ζ là ảnh của i ξ khi ánh xạ i ξ vào không gian vectơ tọa độ nguyên. Ký hiệu ξ (không có chỉ số) như tập hợp mọi vectơ thuộc không gian vectơ tọa độ thực và ζ (không có chỉ số) như tập hợp mọi vectơ thuộc không 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 : { } lc ζζζ ,U= , trong đó: - { } c ζζ ∈ nếu ∑ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎥ ⎥ ⎦ ⎥ ⎢ ⎢ ⎣ ⎢ n j j x 1 σ là số chẵn; - { } l ζζ ∈ nếu ∑ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎥ ⎥ ⎦ ⎥ ⎢ ⎢ ⎣ ⎢ n j j x 1 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 từ 1 ζ sang 2 ζ nếu tổng số bước thay đổi của mọi tọa độ của ζ là: 3 ∑ = ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎥ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎢ − =Π n j jj xx 1 12 σ là một số lẻ. (1) Không gian ζ được chia thành các khối n-chiều chẵn lẻ xen kẽ nhau (theo mọi chiều của không gian). Ta gọi mỗi khối này là một khối chẵn lẻ đơn vị , hay khối hộp đơn vị, ký hiệu là σ . Ta quy định viết {} li ζξ ∈ (tương ứng { } ci ζξ ∈ ), và hiểu rằng i ξ thuộc tập {} l ζ (tương ứng, i ξ thuộc tập {} c ζ ), với bước σ . Bằng cách này, ta đã gán cho i ξ một thuộc tính chẵn lẻ ứng với một đơn vị (hay một bước) σ . 2. Thủ tục thay đổi tính chẵn lẻ trên không gian vectơ với các tọa độ nguyên ζ Ta có nhận xét sau: {} {} ) 1  ¸,min= : 1  ¸  Î,  ¸  Í nj σ x σ x σ x σ x nkvξ jjkk i . Thủ tục Parity_Change () v i , ξ If ( ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ k M k i xx = ) then )( σ −← k i k i xx Else: )( σ +← k i k i xx Thủ tục này thay đổi tính chẵn lẻ của i ξ trong khi vẫn giữ cho v i ∈ ξ và được sử dụng trong thuật toán giấu thông tin trình bày dưới đây. IV. KỸ THUẬT GIẤU THÔNG TIN TRẢI PHỔ TRONG CƠ SỞ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN 1. Giấu thông tin 1) Ký hiệu thông tin cần giấu là b, {} 1,0∈b ; Không sợ nhầm lẫn, sử dụng ký hiệu {} DiiD 1== là tập các chỉ số của {} ξ ; V= {} Mmii ξξξξ , ∈ , Di ∈ (V là tập không có thứ tự các vectơ ξ thuộc khối r , được sử dụng làm môi trường chứa tin giấu). Giả thiết V i ∈ ξ có phân phối chuẩn, độc lập thống kê. Chọn giá trị R∈ θ thoả điều kiện: σθσθ 2;;. ≥∈= + Nll (2) Chọn các cạnh của khối Mm ξξ , sao cho mỗi cạnh có chứa số nguyên lần các đoạn θ : + ∈==∀ N r knj j j θ 1 (3) Khi đó ta có thể chia siêu khối hộp Mm ξξ , thành ∏ = = n j j k 1 κ siêu khối vuông có kích thước θ. Ký hiệu siêu khối vuông này là θ và tập { } j ij kjni 1, 1, == θ là tập có thứ tự các siêu khối θ thuộc r . Điều kiện của l trong (2) đảm bảo cho mỗi siêu khối θ có chứa n l siêu khối chẵn lẻ đơn vị σ . Như vậy trong mỗi siêu khối r có chứa κ khối vuông θ và n lh . κ = khối đơn vị σ . 2) Dùng khoá giấu tin làm mầm (seed) để sinh một vectơ giả ngẫu nhiên { } () ,1 κ ±∈ r w , + ∈ N θ κ κ sẽ được sử dụng với vai trò của hệ số trải phổ ở bước 3. 3) Thông tin cần giấu b được "trải phổ" thông qua phép biến đổi rm wbw ∗← : rm ww = nếu () 1=b (4) rm ww −= nếu () 0=b (5) Dễ thấy {} ( ) κ 1±∈ m w , mỗi bit thông tin đã được "trải" thành κ bit. 4) Xây dựng vectơ θ có quan hệ 1/1 với m w : m w↔ θ như sau: {} {} { } k m ijkj wkjnik =≡∈∀∈∀∈∀ θθκ , 1, 1, 1 Bằng cách này ta đã gán cho mỗi thành phần 4 k θ một giá trị của k m w , nói cách khác: {} ( ) κ θ 1 ±∈ . 5) Với r ∈∀ θ , tạo phân hoạch {} ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ − ∪ ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ + = θθθ . Trong đó { } + ∈ θ θ nếu: 1= i θ và { } − ∈ θ θ nếu 1−= i θ . 6) Với ,, jij r θξθ ∈∀∈∀ biến đổi vector V i ∈ ξ như sau: If {} { } cijlij ζξθθζξθθ ∈∧ ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ − ∈∨∈∧ ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ + ∈ : Parity_Change ( ) ji θξ , (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 Mm ξξ , . 2. Khôi phục thông tin Tại thời điểm khôi phục thông tin, ta đã có Mm ξξ , , khoá K, các tham số κθ ,,r . 1) Thực hiện như bước 2 của thuật toán giấu tin ta nhận được {} () κ 1 ±∈ r w . 2) Gọi {} κ 1 == jjJ là tập chỉ số cho các thành phần của r w . 3) Thực hiện như bước 5 của thuật toán giấu tin, ta nhận được phân hoạch: {} {} ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ − ∪= + θθθ với các giá trị 1= i θ và 1−= i θ . 4) Xây dựng vectơ {} () κ θ 1 ±∈ như sau: 1: =∈∀ j Jj θ nếu { } {} { } {} liicii i ζξθξζξθξ ∈∧∈∨∈∧∈∃ −+ ; 1−= j θ nếu { } {} { } {} ciilii i ζξθξζξθξ ∈∧∈∨∈∧∈∃ −+ . 5) Tính () ∑ = == κ θ κ θ κ θ 1 . 1 . 1 , j jj rrlc wwwz . Trong đó ( ) rlc wz , θ là tích vô hướng (tương quan tuyến tính) của θ và w , nó nhận giá trị -1 nếu b=0 và nhận giá trị +1 nếu b=1 nếu không có tấn công. Khi có tấn công [9], tức là các i ξ bị dịch chuyển ngẫu nhiên trong phạm vi τ : iii δξξ +← ↔ δττξξ ≤+← j i j i j i j i ; ; { }{ } njDi , 2,1;, 2,1 ∈∈ Ta có thể viết: τθθ +← 0 . Theo cách xây dựng θ trong các bước 2,3,4 của thuật toán giấu tin và giả thiết về tấn công [9], θτ , là các biến ngẫu nhiên, có phân bố chuẩn, độc lập thống kê. Theo lý thuyết xác suất ta có: () ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +=+= κ σ θ κ τθ κ θ ,0)w.( 1 )w.w.( 1 w, 00 Nz rrrrlc Từ đây ta nhận được kết quả: 0≥∃T để: ( ) rlc wz , θ ;1: => bT (7a) ( ) 0:, =−< bTwz rlc θ ; (7b) ( ) :, TwzT rlc ≤≤− θ b không xác định. (7c) Vấn đề xác định ngưỡng T và lỗi bit vượt quá khuôn khổ bài báo này, sẽ được trình bày trong bài viết tiếp theo. 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 đượ c 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 5 tính theo công thức (1) và (2) đã trình bày trong [9]. Lấy {} ϕαϕλαδ ∆=∆∆= .,min. với α là hệ 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 công: α=0.1; δ=1.59*10 -5 . 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 gi ảm đáng kể. Hình 1 trình bày kết quả thử nghiệm với khối không gian kích thước (0.01x0.01) độ (khoảng 1km 2 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. [7] VŨ BA ĐÌNH, NGUYỄN XUÂN HUY, ĐÀO THANH TĨNH, Đánh giá khả năng giấu dữ liệu trong bản đồ số, Tạp chí Tin học và Điều khiển học, số 4/2000, 347-353. [8] VŨ BA ĐÌNH, NGUYỄN XUÂN HUY, ĐÀO THANH TĨNH, Kỹ thuật giấu d ữ liệu trong bản đồ số, Chuyên san Bưu chính Viễn thông, số 8/2002, 85- 92. [9] VŨ BA ĐÌNH, Giấu thông tin trong cơ sở dữ liệu không gian, Tạp chí nghiên cứu khoa học kỹ thuật và công nghệ Quân sự, số 4, 30-37. . TẠO SAU ĐẠI HỌC TIỂU LUẬN KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ ỨNG DỤNG Đề tài: GIẤU THÔNG TIN BỀN VỮNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG CƠ SỞ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN Hà Nội, tháng. trong khi vẫn giữ cho v i ∈ ξ và được sử dụng trong thuật toán giấu thông tin trình bày dưới đây. IV. KỸ THUẬT GIẤU THÔNG TIN TRẢI PHỔ TRONG CƠ SỞ DỮ LIỆU