CC BY
140
Статья исполняет и формирует основную образовательную программу подготовки магистров по направлению «Информационная безопасность»
Ключевые слова: безопасность, уши, голос, глаза, обнаружение, опознание, поле зрения, разрешение, дальность действия, телекамера
The article considers some problems issues of master main education programs for «Information security»
Article performs and creates the main educational program of masters preparation in the information security direction
Keywords: security, ears, voice, eyes, detection, identification, field of view, resolution, actions distance, TV-camera
Из пяти человеческих органов чувств два (слух и зрение) еще в XIX — начале XX вв. глубоко исследованы и ограничены в частотных диапазонах 16 Гц...16 кГц и 375...750 ТГц соответственно [1, 2]. Касательно слухового аппарата. Слуховой аппарат человека (первичный акустический преобразователь) состоит из трех частей: I — наружного, II — среднего и III — внутреннего уха (рис. 1а) [3].
Наружное ухо включает ушную раковину 1 и слуховой проход 2, заканчивающийся мембраной 3, называемой барабанной перепонкой. Длина слухового прохода примерно 27 мм, и он представляет собой закрытую с одного конца трубу. Барабанная перепонка имеет вид конической диафрагмы, обращенной острием в сторону среднего уха. Площадь ее равна приблизительно 80 мм2. Среднее ухо, отделенное от наружного барабанной перепонкой, представляет собой полость, заполненную воздухом и содержащую три слуховых
косточки: молоточек 4, наковальню 5 и стремя 6. Молоточек прикреплен одним концом к барабанной перепонке, а вторым — соприкасается с наковальней, которая при помощи связки
соединена со стременем. Основание стремени закрывает отверстие 7, называемое овальным окном. Полость среднего уха соединяется с носоглоткой с помощью евстахиевой трубы 8.
Рис. 1. Строение уха: а - общий вид (1 - ушная раковина, 2 - слуховой проход,
3 - барабанная перепонка, 4 - молоточек, 5 - наковальня, 6 - стремя, 7 - овальное окно, 8 - евстахиева труба, 9 - полукружные кольца, 10 - улитка, 11 - перепонка круглого окна, 12 - слуховой нерв); б - схема устройства улитки (13 - перегородка, 14 - преддверная лестница, 15 - стремечко, 16 - барабанная лестница, 17 - перепонка круглого окна, 18 - геликотрема)
1 — НИЯУ МИФИ, профессор;2 — ОАО «НПК «Дедал», зам. ген. директора; 3 - НИЯУ МИФИ, магистрант.
При изменении атмосферного давления воздух может входить или выходить через евстахиеву трубу, благодаря чему барабанная перепонка не реагирует на медленные изменения статического давления. Внутреннее ухо выполняет две функции: во-первых, является органом равновесия и, во-вторых, содержит чувствительные к звуку нервные окончания и механизмы их возбуждения. Функции равновесия осуществляются полукружными кольцами 9. Окончания слуховых нервов находятся в улитке 10, представляющей собой спирально свернутый заполненный жидкостью канал, длина которого примерно 35 мм. Если улитку развернуть и вытянуть, она будет иметь вид, схематически показанный на рис. 1б. Полость улитки почти вдоль всей ее длины разделена перегородкой 13. Верхняя половина 14 называется пред-дверной лестницей, нижняя 16 — барабанной лестницей. Последняя отделена от полости среднего уха перепонкой круглого окна 17 (11 на рис. 1а). Пред-дверная и барабанная лестницы соединяются у вершины улитки через отверстие 18, называемое геликотремой. Перегородка 13 имеет довольно сложное устройство. Самым же важным для восприятия звука элементом перегородки является так называемая ба-зилярная мембрана, состоящая из нескольких тысяч поперечных волокон, слабо связанных друг с другом. Длина базилярной мембраны 32 мм, ширина ее около стремени 0,05 мм, а около ге-ликотремы 0,5 мм. На базилярной мембране, вдоль всей ее длины, покоится так называемый орган Корти, содержащий около 30 000 чувствительных клеток, к которым подходят окончания слухового нерва 12 (рис. 1а). Работа слухового аппарата происходит следующим образом. При изменениях внешнего давления со звуковой частотой барабанная перепонка совершает колебательные движения, передающиеся через систему слуховых косточек (молоточек, наковальню) на основание стремечка, которое, подобно поршню, проталкивает жидкость, заставляя ее совершать движение вдоль преддвер-ной и барабанной лестниц. Колебания жидкости вызывают колебательные движения продольной перегородки и соответственно базилярной мембра-
Звуковой ---------1
сигнал
ны. В процессе передачи колебаний от барабанной перепонки к овальному окну слуховые косточки выполняют роль трансформатора, согласующего сравнительно небольшое акустическое сопротивление воздушной среды с большим сопротивлением жидкости во внутреннем ухе. Происходит это частично из-за большой разницы в эффективных площадях барабанной перепонки и основания стремечка, частично вследствие рычажного действия молоточка и наковальни. Результирующий коэффициент трансформации, обусловленный обоими явлениями, равен примерно 20. Описанный выше процесс переливания жидкости через геликотрему имеет место только при низкочастотных колебаниях. Колебания более высоких частот передаются из преддверной в барабанную лестницу непосредственно через мягкую часть продольной перегородки улитки.
Основной особенностью колебаний базилярной мембраны является локализация в определенном ее месте максимума колебательного смещения, причем место локализации зависит от частоты звукового воздействия. Например, звуки с частотой 100...200 Гц вызывают максимум смещения волокон, находящихся вблизи геликотремы, в то время как при частоте 15. 20 кГц максимум наблюдается вблизи овального окна. На рис. 1б отмечены участки максимального смещения мембраны на разных частотах: звуки разных частот воспринимаются различными группами нервных окончаний, находящихся в органе Корти, т.е. осуществляется спектральное разложение сложного колебания. Таким образом, систему слухового восприятия человека можно представить в виде последовательно соединенных блоков (рис. 2). Сначала звук поступа-
Блок обработки слуховых сигналов (?...!)
2
ет в слуховой блок, состоящий из наружного и среднего уха. Он выполняет задачу согласующего устройства звукового давления (согласует параметры звуковой волны, поступающей на вход уха, с воспринимающим следующим блоком — механизмом слухового восприятия — спектральным анализатором).
Спектральный анализатор включает в себя улитку, в которой происходит спектральное разложение сигнала на составляющие и преобразование их в нервные импульсы. Нервные импульсы поступают в следующий блок — обработки слуховых сигналов, который начинается нервом, отходящим от улитки, и заканчивается отделами слуха мозга. В нем происходит обработка звуковых сигналов и восприятие (осознание) ее человеком. Этот блок может включить обратную защитную связь (1 на рис. 2), суть которой в следующем. Мышца tensor tympani удерживает барабанную перепонку в состоянии легкого натяжения; эта мышца состоит из двух небольших мышц, которые тянут барабанную перепонку внутрь, а стремя наружу. Если ухо подвергается воздействию шума, превышающего приблизительно 90 дБ в течение примерно более 10 мс, происходит сокращение мышцы tensor tympani, в результате чего основные несущие части среднего уха становятся более жесткими, что снижает чувствительность к звукам низкой и средней частоты. «Слухачи» могут напрягать в целях вслушивания отдельные частотные элементы-нервы улитки с помощью обратной связи (2 на рис. 2). В психоакустике подход двоякий к одному и тому же звуковому колебанию — объективный и субъективный. Звук — это объективное, существующее вне нашего сознания явление, описываемое совокупностью физических харак-
Входной слуховой блок
Рис. 2. Структурно-блочная функциональная схема слухового восприятия
Действия
----------
индивидуума
0,02 0,05 ОД 0,2 0,5 1 2 5 10 20
Частота, кГц
Рис. 3. Область слухового восприятия и ограничивающие зависимости
Рис. 4. Линии равной громкости для чистых тонов (для людей различных возрастов)
теристик — интенсивностью, частотой, спектром и др. Воздействуя на слух, он создает раздражение, размеры и характер которого зависят от перечисленных выше физических характеристик звука. В таком смысле эти характеристики могут быть названы физическими параметрами раздражения. Раздражение вызывает субъективный эффект, называемый ощущением, которое является чувственной копией физического явления. Поскольку это так, слуховое ощущение может быть разложено в ряд компонент, называемых параме-
трами ощущения. Каждый из параметров ощущения зависит в определенной мере от всех параметров раздражения, однако один из них является главным, определяющим, а остальные имеют второстепенное значение. Этот главный параметр раздражения называется физическим коррелятом ощущения. Параметры раздражения могут быть измерены с помощью приборов, а о параметрах ощущения (громкость, высота, тембр) можно составить представление лишь на основании словесного описания их испытателем (вслушивающимся).
Важно установить зависимость ощущения от параметров раздражения. Одним из наиболее простых опытов такого рода является определение пороговых значений, под которыми понимаются такие значения параметра раздражения, при которых исследуемое ощущение только появляется. Удобно это проанализировать на примере порога слышимости.
Минимальное звуковое давление, при котором еще существует слуховое ощущение, называется порогом слышимости. Он характеризует чувствительность слуха: чем выше порог, тем меньше чувствительность. Значение порога слышимости зависит от условий опыта, характера звукового сигнала и его частоты. Под условиями опыта понимают особенности звукового поля: создается ли оно одним громкоговорителем, помещенным перед слушателем, или многими источниками, равномерно распределенными вокруг головы; имеются ли отражения от границ помещения (так называемое диффузное поле) или приняты меры по их устранению; проводились ли измерения минимального давления непосредственно около ушной раковины или в этой же точке при отсутствии слушателя (т.е. в свободном поле). В электроакустике обычно пользуются результатами измерений, сделанных для свободного звукового поля при размещении излучателя перед слушателем [3, 4].
Измерение порога слышимости проводится по методу так называемого балансного регулирования. Суть метода состоит в том, что испытуемый, слушая изменяющийся по интенсивности чистый тон, имеет возможность переменить направление изменения, как только звук станет не слышен. Услышав звук, он проводит обратное переключение и так далее. Таким образом, регулируемый тон балансирует между значениями «слышен» и «не слышен». Частота звука при этом медленно меняется, и перо самописца вычерчивает на движущейся (синхронно с изменением частоты) бумажной ленте зигзагообразную кривую, средняя линия которой дает искомую зависимость порога слышимости. Описанные измерения проводятся с участием многих испытуемых, обладающих здоровым слухом, причем для получения усредненных
результатов кривые для разных испытуемых записываются на одном бланке (то есть накладываются друг на друга). Полученная таким способом кривая порога слышимости синусоидальных звуков, измеренная в условиях свободного поля, показана на рис. 3. Видно, что порог слышимости меняется в зависимости от частоты. Наибольшую чувствительность ухо имеет на частотах 2000.3500 Гц, где порог слышимости наименьший. При максимальной чувствительности слух воспринимает давление около 10-5 Па. Важно (любопытно, интересно), что звуковое давление, возникающее вследствие флуктуации плотности воздуха при броуновском движении молекул, имеет при температуре 25 °С значение 5-10-6 Па. Если бы ухо было вдвое чувствительней, оно слышало бы непрерывный шум флук-туаций. Таким образом, чувствительность слуха находится на пределе биологической целесообразности. Как видно из рис. 4, ухо не только значительно менее чувствительно к звукам низкой частоты, но, кроме того, неравномерно оценивает громкость на различных частотах. Уровни болевого порога около 120 дБ — выше нулевого уровня (0 дБ), соответствующего (рис. 3, 4) 2-10"5 Па, т.е. минимальному порогу слухового восприятия [5, 6]. Как звуковой анализатор ухо обладает одним очень существенным недостатком: в присутствии чистого тона определенной частоты ухо не воспринимает звуки близких частот и меньшей интенсивности (рис. 5). Это явление, называемое маскировкой, имеет место не только при чистых тонах, но и при любых звуках. Впрочем, иногда маскировка чрезвычайно удобна: например, в тех случаях, когда желательно, чтобы какой-то разговор не был слышен посторонним, часто значительно проще ввести дополнительный звук, чем понизить звуковой уровень речи (важно для утечки и защиты речевой информации). Еще другие свойства нашего слуха: определение направления, расстояния, различение отдельных дискретных составляющих на фоне сплошного шумового спектра. Эти свойства обусловлены наличием двух ушей; у людей, страдающих понижением слуха в одном ухе, эти способности отсутствуют [4]. Как определяется направление прихода звука, понятно из рис. 6. Если только
100 80
* 60
| 40 §
£ 20
Чистый тон
Порог
СЛЫШИМОСТИ
0,05 ОД 0,2 0,5 1 2 5 10
Частота,кГц
Рис. 5. Маскирующее действие чистого тона
Дифрагированная волна
Звуковая тень
Рис. 6. Определение направления прихода звука
Хрусталик глаза
Радужная оболочка глаза
Оптическая ось
Склера
Сосудистая оболочка
Направление зрения
Роговица
Водянистая ткань (густая жидкость)
^Приблизительно 17 мм^
Оптический нерв, ведущий к мозгу
Мертвая зона (колбочки и палочки отсутствуют)
Рис. 7. Человеческий глаз (в разрезе)
Оптический Светочувствительный Блок обработки
Рис. 8. Структурно-блочная функциональная схема зрения
1 свВт = 1 вТ = 683 лм при X = 555 нм
нм 780 Частота / 384
700
428
600
500
500
600
-1000
400 Длина волны А
750
■ ТГц
Рис. 9. Фотометрическая и энергетическая характеристики зрения
источник звука расположен не в плоскости симметрии головы, расстояния от источника звука до каждого из ушей различны и, следовательно, до одного уха звук дойдет на какую-то малую долю секунды раньше, чем до другого. Мозг в состоянии «измерить» эту разницу во времени и таким образом определить направление, откуда идет звук. Однако точность такого определения не очень высока, поскольку, если расстояние до источника звука неизвестно, угол, под которым приходит звук, нельзя определить, зная только разницу во времени прихода звука. Впрочем, на основании опыта «слушатель» часто может определить расстояние до источника звука, исходя из его громкости. Кроме того, за исключением случая, когда источник расположен почти в плоскости симметрии головы, одно ухо всегда находится в звуковой тени, так сказать, «за углом», и звук доходит до него только в результате дифракции на лицевой или затылочной части головы. Это обстоятельство усиливает разницу во времени между импульсами, поступающими в мозг от обоих ушей, а также снижает громкость звука, попадающего в затененное ухо. При восприятии переданной речевой информации в качестве приемника выступает слуховой аппарат человека. Люди с «острым слухом» способны различать частоты в диапазоне 16.16 000 Гц. При этом слуховой аппарат человека позволяет решать следующие задачи слухового восприятия: распознавать речь (фонемы, слоги, слова); определять направление источника звука; адаптироваться к шумам и тишине (регулировка чувствительности); идентифицировать говорящего по речевым сигналам и т.д. Основными характеристиками слуха являются: чувствительность к чистым тонам; область слухового восприятия; громкость звуков; маскировка звуков; временные характеристики слуха. Система зрительного восприятия представлена на рис. 7, 8. На рис. 7 приведено стандартное изображение разреза глаза — «светового окна» в мозг. Это «световое окно», по различным оценкам, дает человеку 75...90% всей информации из внешнего мира. Блоки зрительной системы (рис. 8) охвачены прямыми и обратными связями, которые создают возможность адаптивной перестройки оптической системы
аппарату фокусироваться на дальних или ближних объектах (предметах, процессах) [7, 8].
На рис. 9 приведены фотометрическая (лм) и энергетическая (Вт) характеристики зрения. Самая высокая чувствительность на длине волны 555 нм, полоса воспринимаемых глазом длин волн -380...780 нм (~400...750 нм), т.е. полоса частот 750...400 ТГц. На рис. 10 показан принцип стереозре-ния: нужно зрительно найти (определить) расстояние I, рассматривая предметы А и В двумя глазами. Неравенство углов Za1 Ф Za2 дает разницу а1Ь1 Ф а2Ь2 в расстояниях между палочками или колбочками на ретине, что и анализируется блоком обработки зрительной информации (рис. 8). Любая разновидность информации распространяется в виде информационных полей: химических, физических, биологических и других (рис. 11а). Физические поля — носители информации (рис. 11б) — это поля температурные (тепловые), акустические, электромагнитные (в том числе электрические и магнитные) и другие. Технические каналы утечки информации через физические поля электромагнитных частотных диапазонов классифицированы на рис. 11в, а технические каналы утечки информации через физические поля акустических частотных диапазонов — на рис. 11г [5 - 9] ■
Окончание в № 6 за 2013 год
Литература
1. Буланова Т.А., Малафеев В.М., Петраков А.В. Читающе-опознающие автоматы в невидимых диапазонах электромагнитного спектра./ Под ред. А.В. Петракова. — М.: РИО МТУСИ, 2008. — 164 с.
2. Гаранин М.В., Журавлев В.И., Кунегин С.В. Системы, и сети передачи информации./ Учебное пособие. — М.: Радио и связь, 2001. — 236 с.
3. Вахитов Ш.Я. Теоретические основы, электроакустики и электроакустическая аппаратура. — М.: Искусство, 1982. — 416 с.
4. Тэйлор Р. Шум.. Перевод с англ. под ред. М.А. Исаковича. — М.: Мир, 1978. - 308 с.
5. Соболев А.Н., Кириллов В.М. Физические основы, технических средств обеспечения, информационной безопасности: Учебное пособие. — М.: Гелиос АРВ, 2004. — 224 с.
6. Шепурев Н.П., Петраков А.В., Федяев Ю.С. Физические основы, утечки аудиоинформации техническими каналами. — М.: НИЯУ МИФИ, 2013. — 112 с.
7. Петраков А.В. Совмещение разноспектрозональных и прецизионных телевизионных растров. — М.: РадиоСофт, 2009. — 208 с.
8. Баскакова Е.С., Петраков А.В., Федяев Ю.С. Физические основы, утечки видеоинформации техническими каналами. — М.: НИЯУ МИФИ, 2013. — 110 с.
9. Петраков А.В. Телевидение предельных возможностей. — М.: Знание, 1991. — 64 с.
Электромагнитные (в том числе электрические и _магнитные)_
б)
Технические каналы утечки информации через физические поля электромагнитных частотных диапазонов
Электрические и магнитные каналы
Оптические каналы
Каналы паразитных электромагнитных излучений и наводок (за счет ПЭМИН)
Другие
Технические каналы утечки информации через физические поля акустических частотных диапазонов
Рис. 11. Варианты классификации полей - распространителей информационных сигналов: а - вариант классификации информационных полей; б - вариант классификации физических информационных полей; в - вариант классификации технических каналов утечки информации
физическими полями электромагнитных частотных диапазонов; г - вариант классификации технических каналов утечки информации физическими полями акустических частотных диапазонов
и светочувствительного блока. Зрачок может менять свой диаметр от 2 до 8 мм (адаптация), что позволяет глазу приспосабливаться в широких пределах
освещенности (~10-5...105 лк); среднее значение диаметра зрачка 6 мм. Хрусталик может менять свою кривизну (аккомодация), позволяя зрительному
