ارائه یک روش واترمارکينگ صوت مقاوم در برابر حمله نویز با استفاده از تبدیل موجک گسسته

Transcript

1 ارائه یک روش واترمارکينگ صوت مقاوم در برابر حمله نویز با استفاده از تبدیل موجک گسسته و عليرضا نقش فاطمه السادات قنادی 5 سعيد نصری 5 دانشکده مهندسی برق واحد نجف آباد دانشگاه آزاد اسالمی نجف آباد ایران. 2 دانشکده مهندسی برق واحد نجف آباد دانشگاه آزاد اسالمی نجف آباد ایران. دانشکده مهندسی برق واحد نجف آباد دانشگاه آزاد اسالمی نجف آباد ایران. چکيده در این مقاله هدف ارائه یک الگوریتم واترمارکينگ مقاوم صوت در برابر حمله نویز با استفاده از تبدیل موجک گسسته میباشد. برای دستيابی به این هدف اطالعات در ضرایب فرکانس پایين تعبيه میگردد. این مشخصههای فرکانس پایين ابتدا توسط روش تبدیل ویولت استخراج میگردند و رشته بيت پيام بر روی این نمونهها که شامل بخش اعظمی از انرژی فرکانس پایين سيگنال هستند درج میگردد تا الگوریتم واترمارکينگ ارائه شده در مقابل حمالت از حداکثر مقاومت بهره مند گردد. در الگوریتم جدید رشته بيت پيام توسط کدهای کانولوشن کدگذاری میگردد. یکی از ویژگیهای این کدها مقاومت زیاد در مقابل نویز و اعوجاج کانال است. روش پيشنهادی در مقایسه با دیگر روشهای ارائه شده در حوزه تبدیل موجک دارای سرعت استخراج واترمارک باالتر و خطای کمتر در ظرفيت برابر می باشد. کليد واژه- واترمارکينگ تبدیل موجک گسسته مقاومت نویز 9 بهعنوان راه حلی 2 شده است. در این بين پنهانسازی رایت مقدمه 1. 5 پيشرفت در سالهای اخير فن اوری رسانههای دیجيتال چشمگيری داشته است. این فن اوری در مقایسه با سيستمهای آنالوگ قدیمی برتری و نتایج بسياری همچون انتقال سریع اطالعات و کپی بدون از دست دادن هيچ بخشی از منبع را دسترس عموم قرار میدهد. همچنين یکی دیگر از برتریهای بسيار مهم رسانههای دیجيتال قابليت پردازش و ویرایش آسان آنها میباشد. بهصورت موازی رشد این صنعت در اینترنت و وایرلس نيز مشهود است و با موفقيت و مقبوليت بسيار گستردهای مواجه شده است. از سویی دیگر این رشد برخی از مشکالت و مسائل را نيز به همراه آورده است. قابليت کپی سریع بدون هيچگونه محدودیت در تعداد کپی و یا از دست رفتن اطالعات سبب به وجود آمدن قانون کپی برای اثبات حق و حقوق مؤلف ارائه شده است. سيگنال واترمارک سيگنالی محرمانه و غير قابل مشاهده است که در داخل اطالعات اصلی تعبيه میگردد. این تعبيه به گونهای است که تا هنگامیکه داده اصلی از نظر کيفيت در سطحی قابل قبول قرار دارد سيگنال واترمارک نيز در آن قابل کشف و آشکارسازی باقی میماند. در این مقاله بهمنظور دستيابی به مشخصههایی هر چه قویتر از تبدیل ویولت و استخراج اطالعات فرکانس پایين استفاده شده است. بر اساس توضيحات داده شده میتوان دریافت که مساله اساسی ارائه روشی برای پنهانسازی است که بتواند به بهترین نحو ممکن و بهصورتی متعادل تمامی مالکهای ارزیابی را برآورده سازد. بلوکهای مختلف به منظور بهبود هر یک از این مالکهای 3 - Watermarking 1 - Digital Multi Media 2 - Copy Right

2 سنجش وجود دارند ولی مساله مهم ترکيب و به کارگيری این بلوکها به گونهای است که بهترین نتایج حاصل شده و موازنهای قابل قبول بين تمامی ابعاد ارزیابی برقرار گردد. 2. ساختار کلی یک سيستم پنهانساز روشهای مختلف پنهانسازی را میتوان بر اساس حوزهای که عمل درج سيگنال پيام در آن انجام میشود تقسيم بندی نمود. سه نوع متداول انجام پنهانسازی در حوزههای فرکانس زمان و هيستوگرام میباشد. یک سيستم پنهانسازی مطابق شکل 5 در حالت کلی بهعنوان ساختاری متشکل از دو قسمت پنهانسازی و استخراج است. در قسمت تعبيه و یا پنهانسازی دو سيگنال 5 و دیگری سيگنال مجزا وجود دارد یکی سيگنال پذیرنده پيام که بهعنوان واترمارک بر روی پذیرنده کد میگردد. روند پردازش با تبدیل ویولت گسسته چنين آغاز میشود در ابتدا سيگنال از یک فيلتر دیجيتال پائينگذر نيمباند با پاسخ ضربه[ h[n عبور میکند و لذا خروجی فيلتر برابر است با کانولوشن ورودی و پاسخ ضربه فيلتر. در نتيجه این عمل فيلترینگ تمام مؤلفههای فرکانسی که بيشتر از نصف بزرگترین فرکانس موجود در سيگنال باشند حذف میشوند. از آنجا که بيشترین فرکانس موجود در سيگنال خروجی فيلتر برابر است با / 2 π رادیان نيمی از نمونهها قابل حذفاند. لذا با حذف یکی در ميان نمونهها طول سيگنال نصف خواهد شد بدون اینکه اطالعاتی را از دست داده باشيم. روند مشابهی نيز با استفاده از یک انجام g[n] فيلتر دیجيتال باالگذر نيم باند با پاسخ ضربه میپذیرد. درنتيجه در خروجی اولين مرحله از اعمال تبدیل ویولت دو نسخه یکی باالگذر و دیگری پائين گذر با طول کاهشیافته )نصف شده( از سيگنال اوليه به فرم زیر به دست میآیند[ 2 ]: y high [k] = x[n]. g[2k n] )5( استخراج انواع حمالت تعبيه n سيگنال نویز فشرده سيگنال y low [k] = x[n]. g[2k n] واترمارک سازی و... واترمارک n شده شکل 5: ساختار کلی یک سيستم پنهان ساز.4 تبدیل گسسته ویولت روش ارائه شده.3 تبدیل دیگری که برای انجام عمل پنهانسازی بسيار مورد توجه قرار گرفته است تبدیل موجک گسسته (DWT) میباشد که در هر دو زمينه پنهانسازی صوت و تصویر به کار گرفته میشود. DWT تبدیلی است که در مراحل مختلف به سيگنال اعمال میشود و سيگنال را در سطوح و باندهای مختلف مورد پردازش قرار میدهد. تبدیل ویولت سيگنال را با رزولوشنهای متفاوت نمایش میدهد. در اغلب موارد ویولت توسط فيلتر بانکی متشکل از فيلترهای پایين گذر و باال گذر پيادهسازی میشود[ 5 ]. در این تحقيق به منظور دستيابی به مشخصههایی هر چه قویتر از تبدیل ویولت و استخراج اطالعات فرکانس پایين استفاده شده است. این مشخصههای فرکانس پایين ابتدا توسط روش تبدیل ویولت استخراج میگردند و رشته بيت پيام بر روی این نمونهها که شامل بخش اعظمی از انرژی فرکانس پایين سيگنال هستند درج میگردد تا الگوریتم واترمارکينگ ارائه شده در مقابل حمالت نویز از حداکثر مقاومت بهره مند گردد. مدوال سيون کوانت شی یکی از روشهای درج ر شته بيت پيام بر روی سيگنال صوت است که از مقاومت خوبی نسبت به حمالت نویز بهرهمند است.یکی دیگر از اهداف این تحقيق 1 - Host Signal

3 اف ز ایش م قاو م ت الگ و ری تم و ات ر ما رک ي ن گ د ر م قا بل ان واع حمالت استت. بدین منظور رشتته بيت پيام توستط کدهای کانولوشتن کدگذاری میگردد. یکی از ویژگیهای استاستی این کدها مقاومت زیاد در مقابل نویز و اعوجاج کانال استتت. این مقاومت در اثر کدگ شایی نرم در هنگام ا ستخراج ر شته بيت پيام به وجود میآید. کدگ شایی نرم از اطالعاتی فراتر از اطالعات دودویی در مرحله استخراج بهره میگيرد. ب ه م نظ و ر تل ف ي ق ه ر چ ه ب ه ت ر ای ن الگ و ری تم کد گذ ا ر ی با ستتيستتتمهای واترکينگ در این مقاله چگونگی استتتخراج اطالعات نرم از مدوالتور کوانت شی ارائه شده و این مدوالتور به طریقی مناسب با دکودر نرم ترکيب میگردد. د ر اث ر ا ستتت ت فاده ا ز ای ن اطال عا ت م قاو م ت الگ و ری تم واترمتارکينتگ بته نحو چشتتتم گيری در مقتابتل حمالت ف شرده سازی و نویزی بهبود مییابد. در واقع یک دمدوالتور نرم کوانتشتی جدید ارائه میگردد که میتواند با استتفاده از اطالعات نرم تا حد زیادی مقاومت را بهبود بخشد. یکی از آسيبها و یا حمالتی که ممکن است به سيگنالهای واترمارک شده وارد شود ایجاد اغتشاش و یا نویز در سيگنال واترمارک شده در اثر عواملی مختلف همچون ضبط مجدد صدا و... میباشد. در شبيهسازی این حمله مطابق شکل 2 ابتدا سيگنال صوت مورد پردازش قرار گرفته و اطالعات واترمارکينگ در آن تعبيه میگردد. سپس این سيگنال از کانال 5 AWGN نویزی با شدت SNRهای متفاوت عبور مینماید. در هنگام استخراج اطالعات از سيگنال نویزی مقدار BER ایجاد شده در SNR مرتبط محاسبه و ذخيره سازی میگردد تا به کمک آن منحنی BER برای تخریب از نوع نویز سفيد رسم گردد. استخراج داده و اضافه کردن نویز با مقادیر متفاوت SNR انجام عمل واترماینگ محاسبه BER رسم منحنی BER بر اساس مقدار SNR متناظر شکل : 2 چگونگی شبيه سازی حمله نویز به سيگنال واترمارکينگ 5. پارامترهای استفاده شده در روش پيشنهادی دو پارامتر مهم در ارزیابی عملکرد روش پيشنهادی شدت مخفی سازی میباشد. و نرخ خطای بيت (SNR) (BER) 1-5. شدت مخفی سازی در این قسمت روش محاسبه شدت مخفی سازی مورد بررسی قرار میگيرد. دقت محاسبهی این پارامتر در مخفی سازی امری حياتی است چراکه اگر شدت پنهانسازی اطالعات از آستانه شنوایی باالتر آثار نامطلوب شنيداری به وجود خواهد آمد و اگر این ميزان از آستانه شنوایی پایينتر باشد مقاومت آب نقش نگار در برابر حمالت مختلف کاهش خواهد یافت. در الگوریتمهای واترمارکينگ شدت SNR سيگنال نتيجه شد از رابطه زیر بدست میآید:[ 9 ] )2( F و F که در آن به ترتيب نمونههای زمانی سيگنال صوت قبل و بعد از عمل واترمارکينگ و F 2 2 مجموع مربعات نمونههای زمانی سيگنال صوت قبل از تعبيه اطالعات میباشد. معموال شدت مخفی سازی باید بر روی مقادیر بزرگتر از آن تنظيم گردد. یا 22dB 1 Additive White Gaussian Noise

4 2-5. نرخ خطای بيت نرخ خطای بيت یا نرخ بازیابی کميتی است که عملکرد روش پيشنهادی با آن ارزیابی میشود و از رابطه )9( به دست میآید.[ 9 ] تعداد بیتهای خطا کل تعداد بیتهای واتر مارک BER =.6 ) 9( نتایج الگوریتم پيشنهادی توسط نرمافزار MATLAB 2014a شبيهسازی گردیده و بر روی انواع صوت سنتی آرام تند و گفتار مورد آزمایش قرار گرفته است. صوتهای مورد آزمایش دارای نرخ و از نوع فرمت هستند. Wav در شبيهسازیهای انجام شده در این قسمت ابتدا 51S ثانيه سيگنال صوت با سطح شدت 2.9 S= Sample/S و نرخ نمونهبرداری مارکينگ در آن تعبيه میگردد. سپس این سيگنال از کانال AWGN نویزی با شدت SNRهای متفاوت عبور مینماید. در هنگام استخراج اطالعات از سيگنال نویزی مقدار BER ایجاد شده در SNR کمک آن منحنی مرتبط محاسبه و ذخيرهسازی میگردد تا به BER برای تخریب از نوع نویز سفيد رسم گردد. اطالعات واترمارکينگ در این شبيه سازی از نوع متن بوده و جمله signature This is a در سرتاسر سيگنال صوت درج شده است. همانطور که مشاهده میشود متن در نظر گرفته شده دارای 53 کاراکتر میباشد و هر کاراکتر باید توسط 8 بيت نمایش داده شود. بنابراین هر جمله دارای 512=8*53 بيت اطالعات میباشد. پس از انجام عمل تعبيه اطالعات ویولت معکوس به تمامیضرائب اعمال شده و سيگنال صوت مجددا بازسازی میگردد. آزمایش نویز بر روی دو نوع سيگنال صوت متفاوت توسط روش جدید ارائه شده و نتایح این شبيهسازی در زیر نمایش داده میشود مورد پردازش قرار گرفته و اطالعات واتر شکل 9 : منحنی BER حاصل شده پس از اعمال حمله نویزی به سيگنال صوت 5 واتر مارک شده با نرخ نمونهبرداری و سطح مخفی سازی 2.9 =S

5 شکل 0 : منحنی BER حاصل شده پس از اعمال حمله نویزی به سيگنال صوت 2 واتر مارک شده با نرخ نمونهبرداری و سطح مخفی سازی 2.9 =S BER منحنی حاصل از بهکارگيری هر دو روش پنهانسازی در شکلهای 9 و 0 نمایش داده شده است. در این دو شکل منحنی آبی رنگ شبيهسازی به کمک روش تبدیل ویولت ساده و منحنی قرمز رنگ شبيهسازی با روش جدید ارائه شده را نمایش میدهد. بهخوبی میتوان دریافت که الگوریتم ارائه شده در کانالهای نویزی عملکردی بهمراتب بهتر را نشان میدهد. بهبود عملکرد سيستم در مقابله با نویز اضافه شونده بهمراتب بهتر میباشد. با توجه به منحنیهای خطای بيت مقدار خطا در صوت شماره 5 به اندازه 2dB و در صوت شماره 2 به اندازه 5dB بهبود یافته است..7 نتيجه گيری پنهانسازی دارای کاربردهای متنوع و کليدی در حوزههایی همچون حفظ حقوق مولفين ارسال و دریافت امن اطالعات میباشد. یک سيستم پنهانسازی شامل دو قسمت اصلی درج اطالعات پيام بر روی سيگنال پذیرنده و استخراج این اطالعات از سيگنال پذیرنده است. قبل از مرحله استخراج اطالعات ممکن است تغييراتی در سيگنال ایجاد گردد که مرحله استخراج را با مشکالتی روبرو ساخته و به اطالعات درج شده نيز آسيب وارد میشود. ازاینرو مقاالت تحقيقی به مقاومسازی روشهای پنهانسازی در مقابل این حمالت پرداختهاند. در این مقاله درج اطالعات از طریق مدوالسيون کوانتشی در حوزه ویولت مورد تمرکز قرار گرفت و به افزایش مقاومت آن در برابر حمالت نویز پرداخته شد و در این راستا رشته بيت پيام توسط کدهای کانولوشن کدگذاری گردیند. کدهای کانولوشن در فن اوریهایی نظير ارتباطات رادیویی موبایل مخابرات ماهواره و پخش دیجيتالی تصاویر کاربرد دارد.

6 یکی از مزایای استفاده از کد کانولوشن توانمندی این مدل کد برای اطالعات است. کنترل خطاهای قطاری رخ داده در زنجيره در هنگام حمالت از نوع نویز کدهای کانولوشن بهطور قابل قبول خطا را حذف مینمایند.همانطور که در منحنیهای خطا مشاهده گردید الگوریتم ارائه شده قابليت بهبود تا حد را از خود نشان میدهد. مراجع [1] N.V.Lalitha, Ch.Srinivasa, DWT-Arnold transform based audio watermarking, IEEE Asia Pacific Conference on Postgraduate Research in Microelectronics and Electronics, PP , December 2013 [2] A.Padungdit, Image watermarking using joined wavelet and time domain, ICT International Conference, No.3, PP , March dB [3] S.Wu, J.Huang, Efficiently self-synchronized audio watermarking for assured audio data transmission, IEEE Transaction on Broadcasting, Vol. 51, No. 1, PP 69-76, MARCH 2005