CC BY
96
УДК 621.396.67
Некоторые возможности использования стеганографии в преобразованиях цифрового телевидения
В.С. Бугаев, А.В. Петраков
На основе анализа статистики длительности телекиносюжетов показаны возможности сжатия видеоинформации и стегоскрытия в ней данных.
Based on analyses of statistics of subject image duration there are shown the possibilities of video compression and embedding of stego in it.
Введение. Люди всегда обменивались друг с другом информацией, и каждый раз, передавая ее одним людям, они хотели скрыть ее от других. Надежная защита информации является одной из древнейших и нерешенных до настоящего времени проблем. Методы скрытия секретных сообщений известны с давних пор, и такая человеческая деятельность получила название «стеганография». Это слово происходит от греческих слов steganos (секрет, тайна) и graphy (запись) и означает «тайнопись».
Развитие стеганографии как научной деятельности началось только в 1983 г. после выступления Г. Симмонса о «проблеме двух заключенных» на конференции «СгурШ-83». Ранее стеганография носила закрытый характер и интересовала узкий круг ученых.
С развитием цифровых технологий и Интернета многие привычные формы общения - почта, телеграф, телефон - стали осуществляться через Интернет по одним и тем же электрическим каналам. Это значительно обострило проблему защиты информации. Компьютерные технологии придали новый импульс развитию стеганографии, появилась компьютерная стеганография, которая обеспечила незаметное с позиций потребительских качеств встраивание данных в файлы-контейнеры, содержащие в цифровом виде звук или изображение.
Компьютерная стеганография нашла свое применение во многих областях человеческой деятельности:
тайная передача конфиденциальной информации в мультимедийных файлах;
защита авторских прав на аудио- и видеопроизведения в электронном виде;
создание тайных архивов;
преодоление систем мониторинга и управления сетевыми ресурсами;
камуфлирование программного обеспечения;
обслуживание политического, технического, экономического, военного и других видов шпионажа и др.
Статистика длительности телекиносюжетов. Статистику исследуют с целью вероятного сжатия и стеганографического скрытия. В [1] было обращено внимание специалистов на проблему совмещения растров в телекинокамерах цветного ТВ, и этому вопросу неоднократно уделялось внимание [2, 3, 4, 5]. В соответствии с [2-5] контролировать совмещенность растров в цветных камерах возможно следующим образом:
а) периодическим включением тест-таблицы на всю площадь растра с прерыванием передачи с камеры на время контроля;
б) по одним и тем же параметрам видеосигналов на одноименных точках растров без прерывания передачи с камеры;
в) включением тест-таблицы на краях растров за пределам предъявляемого зрителю кадра.
Наиболее точное совмещение растров по всей площади возможно при реализации аппаратуры по пункту «а». Однако чрезвычайно нежелательно прерывание передачи с камеры на время контроля и подстройки совмещенности. Становится необходимым отыскивание и использование технологических пауз в передачах для включения тест-таблицы на всю площадь растра и передачи ее по каналам без ущерба для основной телепередачи.
Рассмотрим, например, передачу кинофильмов по телевидению. Любой ТВ фильм и кинофильм - это сотни последовательно сменяющих друг друга сюжетов различной длительности. Авторами были экспериментально исследованы [6] длительности сюжетов более двадцати фильмов, переданных по ТВ; результаты исследований опубликованы в [7]. На рис. 1 представлены примеры трех гистограмм распределений сюжетов по их длительности, причем по оси абсцисс отложе-
Рис. 1. Гистограммы распределения длительностей сюжетов: а - фильма «Рассказ о простой вещи»; б - фильмов «Море студеное», «Семнадцать мгновений весны» (4-я серия)
В [7] в качестве вывода показано, что длительность и периодичность моментов смены сюжетов в кинофильмах, а также инерционность передающих ТВ трубок позволяют осуществлять т/^цжпш^<^мещенности растров в цветных ТВ ^МсШерах жгвремя передачи без какого-либо ущерба качеству. Мало того, результаты исследования статистики длительности телекиносюжетов могут быть использованы для осуществления и другого рода целей.
Конкретно, в частных беседах одного из авторов с М.И. Кривошеевым (1976 г.) и затем с Ю.Б. Зубаревым (1977 г.) обсуждались вопросы сжатия информационных видеопотоков, учитывая такую временную избыточность.
Теперь стало возможным использовать неизменные видеопоследовательности не только для сжатия видеопотоков, но и для внедрения в них дополнительной информации (стеганографические методы) [8].
Криптографические системы передачи информации применяют такие методы шифрования сообщений, что криптоаналитику требуется значительное время для расшифрования шифрованного сообщения.
Стеганографические системы передачи информации используют методы сокрытия встраиваемой (тайной) информации, которые никаким образом не нарушают естественность восприятия (изображений или звуков) человеком основного информационного потока (контейнера), содержащего скрытые сообщения. Вследствие того, что ТВ изображение и его звуковое сопровождение, пред-
Рис. 2. Суммарная гистограм.м2рас"пределения длительностей сюжетов 22 фильмов
ны интервалы времени чарев/5 с до 1 мин, а затем через 1 мин. Хии
На рис. 2 представлена суммарная гистограмма 22 фильмов, переданных по телевидению.
Можно видеть по рис. Он/2, что сюжетов продолжительностью более четырех минут не бывает, т.е. не реже четырех минут происходит смена сюжета в любом фильме. МоменЩ^мены сюжетов длятся десятые доли секунды. Иными словами, телезрителю в моменты смены сюжетов не предъявляются (или может быть не пред^Оено) до десятка ТВ кадров без ущерба для качества телепередачи. За это время по каналам может быть передана тест-таблица на весь растр, несущая инф^0ацию о совмещенности растров по всей их площади.
ставленные в цифровой форме, уже имеют «шумовые» составляющие при дискретизации и квантовании, облегчается маскировка встраиваемых сообщений в цифровые видео- и аудиопотоки [9, 12, 13].
Цифровые потоки сжимаются в соответствии с каким-либо форматом - алгоритмом JPEG, МРЕД-2 и другими [10, 11, 14], и поэтому содержательную (контентную) часть цифрового потока сопровождает управляющая (форматная) часть потока. Стеганографические системы строят таким образом, чтобы формат изображений мог позволить скрывать сообщения в цифровых данных и содержательной (неформатные системы) и управляющей (форматные системы) частях информационного потока. Кроме того, важно, чтобы формат был распространен, например, как JPEG; в нем современные видеокамеры и цифровые фотоаппараты сохраняют кадры видеозаписей и отснятые фотокадры.
Сжатие данных без потерь или с потерями в используемом формате влияет на информативность стеганографической системы.
Неформатные стеганографические системы в любом случае вносят добавочные искажения в контент (это дополнительно к квантованию и различным форматным преобразованиям), поэтому важны чутье и чувство меры разработчиков (и пользователей) стеганографической системы.
Неформатные методы сокрытия в графических изображениях: в исходных данных изображения; с использованием таблиц квантования; в спектре изображения после квантования (замена наименее значимых бит - НЗБ); в графических изображениях с палитрой цветов (палитра цветов - условный набор цветов с интенсивностью цветовых составляющих в каком-либо фиксированном цветовом пространстве, причем каждая точка изображения содержит лишь номер цвета из палитры, а не информацию о ее цвете в цветовом пространстве).
Форматные методы сокрытия в графических изображениях: в косвенных данных; с использованием маркеров комментариев; с использованием уменьшенного изображения; в палитре; после палитры; в нулевых байтах; дописывание данных в конец файла ВМР.
В [10, 11, 14, 15], например, разобраны основные понятия стеганографии, описаны стеганографические методы сокрытия аудиовидеоинформации и методы стеганоанализа мультимедиаконтейнеров, приведен обзор программных продуктов и запатентованных решений в области компьютерной стеганографии.
Практически во всех видах атак стеганоана-литик решает три задачи: точное доказательство факта наличия сокрытого сообщения в контейнере, определение его длины и нахождение смысла сокрытого сообщения. Безусловно, чем меньший объем скрываемого (внедряемого в стеганокон-тейнер) сообщения, тем меньше вероятность обнаружения сокрытого сообщения. В [10, 11] показывается это на примерах использования алгоритма сжатия с потерями JPEG (варианты использования таблиц квантования с различной степенью качества блоков ЯДВ 8^8 после дискретного косинусного преобразования).
Алгоритм преобразования графического изображения ^ЕС с применением стеганографии. Этот алгоритм показан на рис.3. При сжатии он состоит из нескольких последовательных операций, выполняемых одна за другой: преобразования цветового пространства; поддискретизации; прямого дискретного косинусного преобразования (ДКП); квантования; скрытия данных методом замены НЗБ; кодирования. А при восстановлении изображения эти операции выполняются в обратном порядке.
Метод замены наименее значимых бит в спектре изображения использует психофизиологические особенности зрения человека. Он основан на использовании того факта, что замена НЗБ частот блоков изображения после их квантования (перед этапом кодирования) заменит изображение на зрительно неотличимое от оригинального.
Этот метод позволяет скрывать большое число бит, и его стойкость к атаке пассивного противника значительна. Предварительное кодирование скрываемых данных, а также замена НЗБ в псевдослучайной последовательности дополнительно повышают стойкость данного метода. При его использовании объем скрываемых данных пропорционален объему сжатого изображения, и тогда увеличение объема внедряемой информации может приводить к изменениям исходного изображения и снижению эффективности последующего этапа кодирования. Однако возможность варьировать качество сжатого изображения в широком диапазоне не позволяет определить, являются ли возникающие в результате сжатия погрешности следствием скрытия данных или использования больших коэффициентов квантования.
Метод встраивания дополнительной информации в цифровой поток, сжатый по стандарту MPEG-2. Стеганографические методы в стандарте MPEG-2, известном также как DVD, ра-
Исходное
изображение
Восстановленное
изображение
Рис. 3. Применение стеганографии в файлах формата JPEG
ботают в реальном времени и обладают малой вычислительной сложностью. Они встраивают информацию непосредственно в поток сжатых данных, не увеличивая его размеры.
Сообщение внедряется в поток видеоданных, сжатых по стандарту МРБО-2, заменой специально выбранных, подходящих кодовых слов кода переменной длины, заменяя наименее значащий бит их оцифрованного значения на значение сообщения. Для того чтобы убедиться, что внесенные изменения не будут заметны после декодирования и что поток видеоданных не изменил своих размеров, необходимо выбирать только кодовые слова, для которых найдется хотя бы одно другое кодовое слово, удовлетворяющее условиям: одинаковая длина нулевой серии; различие между значениями коэффициентов ДКП равно 1;
одинаковая длина кодовых слов.
Согласно стандарту МРБО-2 [16], таких кодовых слов существует множество. В процессе встраивания сообщений задействуются кодовые слова, полученные как при межкадровом, так и при внутрикадровом кодировании. Для встраивания выполняется поиск подходящих кодовых слов. Младший бит таких слов заменяется на бит сообщения. Извлечение реализуется аналогично:
ищутся подходящие кодовые слова, из которых берутся младшие биты.
Скорость передачи скрытой информации определяется числом подходящих кодовых слов, с помощью чего можно достичь скорости передачи информации 29 кбит/с.
Экспертные оценки показывают, что вышеописанный процесс встраивания водяного знака не приводит к каким бы то ни было зрительным эффектам при кодировании потока видеоданных на скоростях 4, 6, 8 Мбит/с. Оценить степень влияния встроенных водяных знаков на качество видео при скоростях меньше 2 Мбит/с не представляется возможным из-за изначально низкого его качества.
Дополнительно к теоретическим исследованиям кафедрой ЗИТПС МТУСИ разработан комплекс из шести лабораторных работ, охватывающих различные применения в стеганографии [17].
ЛИТЕРАТУРА
1. Новаковский С.В., Лунева З.П. Проблемы совмещения в телекинокамерах цветного телевидения. -Техника кино и телевидения, 1971, № 12, с. 30-34.
2. Петраков А.В., Горохов В.П., Клевалин В.А. Измерение нестабильности растров передающих телевизионных трубок. - Техника кино и телевидения, 1971, № 6, с. 52.
3. Турченков Л.П. Автоматическая стабилизация положения и размеров растра. - Техника кино и телевидения, 1973, № 3, с. 41-43.
4. Лунева З.П., Новаковский С.В. Автоматическое управление совмещением в камерах ЦТ. - Техника кино и телевидения, 1974, № 4, с. 46-54.
5. Петраков А.В. Стабилизация совмещения растров цветных телевизионных камер. - Техника кино и телевидения, 1975, № 2, с. 47-50.
6. Петраков А. В. Стабилизация размеров и положения растра передающих телевизионных трубок.
Научно-технический отчет ВЗЭИС, 1975.
7. Петраков А.В. О возможности совмещения растров в телекинокамерах ЦТ. - Техника кино и телевидения, 1976, № 10, с. 45-46.
8. Петраков А.В., Романцов А.П., Бугаев В.С. Место стеганографии в преобразованиях цифрового телевидения. Тр. 14-й всероссийской науч.-техн. конф. «Современное телевидение» (март 2006г). -М.: ФГУП МКБ «Электрон», 2006, с. 23-26.
9. Дворянкин С.В., Петраков А.В. К понятию и разновидностям электрорадиостеганологии. Материалы XXXIII научно-методической конференции проф.-преп. состава Моск. технич. ун-та связи и информатики. - М.: ЗАО «Информсвязьиздат»,
1999, с. 129-130.
Список статей, опубликованных в журнале «Электротехнические и информационные комплексы и системы» за 2006 г.
Арсеньев М.В., Шелухин Д.О. Оценка параметров модели потока импульсных помех по результатам экспериментальных измерений в каналах управления информационных систем
и электротехнических комплексов..........................................................................№2
Арсеньев М.В., Шелухин Д.О. Оценка характеристик потока ошибок в каналах управления
информационных систем и электротехнических комплексов по параметрам модели...............................№1
Артюшенко В.М. Анализ взаимного влияния кабельных линий в электротехнических системах....................№2
Артюшенко В.М. Влияние изменения параметров высокочастотных кабелей на характеристики
распределительной сети системы кабельного телевидения....................................................№3
Артюшенко В.М., Пожидаев Г.И. Схемы подключения измерительного оборудования
в электротехнических комплексах и системах ..............................................................№1
Артюшенко В.М., Пожидаев Г.И. Эффективность экранирования скрученной симметричной цепи
цифрового кабеля.........................................................................................№2
Артюшенко В.М., Самаров Е.К. Применение алгоритма фильтрации Калмана-Бьюси
в задачах анализа качества электроэнергии................................................................№1
Артюшенко В.М., Сотников И.А. Расчет и оптимизация уровней напряжений сигналов
в распределительных сетях системы кабельного телевидения.................................................№2
Баев А.Б. Информационная система управления децентрализованным предприятием
на базе модели экономической прибыли.....................................................................№1
Баринов А.В. Задержка в мультимедийных системах..........................................................№4
Баскаков А.И., Мин-Хо Ка, Дронов Д.В. Методика расчета допустимой нелинейности
ЧМ-генератора георадара..................................................................................№3
Баскаков А.И., Терехов В.А., Пермяков В.А., Гусевский В.И., Жердев П.А. Анализ точностных характеристик космических РСА-интерферометров с переменной базой, сформированной
из однопозиционных РСА на космических аппаратах, находящихся на синхронно-связанных орбитах..............№1
Белюченко И.М. Один из способов кодирования информации источника.........................................№3
10. Грибунин В.Г., Оков И.Н., Туринцев И.В. Цифровая стеганография. - М.: СОЛОН-Пресс, 2002.
11. Аграновский А.В., Девянин П.Н., Хади РА., Чере-мушкин А.В. Основы компьютерной стеганографии. Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 2003.
12. Петраков А.В. Крипто- и стеганографический аспекты в цифровом телевидении. - Техника кино и телевидения, 2004, №6, с. 35-39.
13. Петраков А.В. Знакомство с цифровым телевидением: охранно-защитные технологии. Учеб. пособие. - М.: РИО МТУСИ, 2003.
14. Романцов А.П. Криптография и стеганография. Учеб. пособие/ Под ред. А.В. Петракова. - М.: РИО МТУСИ, 2002.
15. Романцов А.П. Стеганографическая защита цифровыми водяными знаками. Учеб. пособие/ Под ред. А.В. Петракова. - М.: РИО МТУСИ, 2003.
16. ISO/IEC 13818-2:1996(E), «Information Technology -Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio Information» , Video International Standard, 1996.
17. Романцов А.П., Бугаев В.С., Фролов М.А. Комплекс лабораторных работ по стеганографии. Учеб. пособие/ Под ред. А.В. Петракова. - М.: РИО МТУСИ, 2005.
Поступила 22. 09. 2006 г.
Белюченко И.М. Статистические особенности измерений на расстоянии..........................................№2
Беляев Д.В., Зикий А.Н., Румянцев К. Е. Экспериментальное исследование транзисторного
детектора СВЧ..............................................................................................№3
Ботуз С.П. Методы и модели управления удаленным доступом к объектам интеллектуальной
собственности в сети Internet/Intranet.....................................................................№4
Бугаев В.С., Петраков А.В. Некоторые возможности использования стеганографии
в преобразованиях цифрового телевидения....................................................................№4
Воловач В.И. Особенности распознования сигналов тревоги в телевизионных системах видеоконтроля.............№1
Голованов С.В., Пастухов А.С. Сравнительный анализ эффективности спутниковых
и гибридных сетей передачи данных..........................................................................№2
Душин В.К., Саморуков И.И., Теодорович Н.Н., Феоктистов А.Н. Системы бесперебойного
питания локальных вычислительных сетей.....................................................................№2
Заломанова С.С., Артюшенко В.М. Анализ и оценка электромагнитного влияния между
однопроводными линиями.....................................................................................№3
Карамнов А.В. Анализ методов компенсации реактивной мощности в электросетях на основе
портативных электростанций.................................................................................№1
Князютенков В.А. Живучесть и устойчивость предприятия связи в условиях воздействий среды,
изменений структуры и параметров...........................................................................№4
Ковынцев А.М. Анализ особенностей оборудования XDSL с линейным кодом TC-PAM................................№3
Лукьянцев Д. А. Оценка качества передачи трафика речи, видео и данных в условиях приоритета................№1
Осин А.В., Ахметшин Р.Р. Сегментация речи с использованием вейвлет-преобразования..........................№2
Осин А.В., Миротинцев А.А. Оценка качества работы VoIP-сети на основе имитационного
моделирования в среде NS2..................................................................................№2
Паниткин А.С., Теодорович Н.Н. Влияние защитного заземления на побочные излучения в ЛВС....................№2
Петраков А. В., Мусатов А. С. Направления научной деятельности и тематика исследований кафедры «Защита информации в технологиях предприятий связи» Московского технического
университета связи и информатики...........................................................................№4
Петраков А.В. Элементы крипто- и стеганографических технологий в цифровом телевидении......................№4
Птицын Г. А. Вероятностные модели распада динамических сетей...............................................№4
Румянцев К.Е., Горбунов А.В., Амплиев А.Е. Экспериментальные исследования элементов
радиотехнических процессоров на основе волоконно-оптических структур.......................................№3
Самохин Д.В. Анализ возможностей снижения энергопотребления малогабаритных вентиляторов....................№1
Спиридонов В.М., Петраков А.В. Телевидение прямого эфира для мобильных терминалов:
стандарт DVB-H.............................................................................................№3
Суворов А.А. Повышение эффективности реверсивного канала интерактивной сети системы
кабельного телевидения.....................................................................................№3
Феоктистов А.Н. Теоретические и экспериментальные исследования электромагнитной
совместимости тиристорных регуляторов в аппаратах бытового назначения......................................№3
Шелухин О.И., Арсеньев М.В. Разработка марковской модели потока ошибок в информационных
системах при воздействии помех импульсного типа............................................................№1
Шелухин О.И., Березенко С.В. Управление мощностью мобильной станции в сетях с кодовым
разделением каналов на основе оценки ошибки сигнал-помеха..................................................№2
Шелухин О.И., Куюн А.В., Лукьянцев Д.А. Особенности влияния фрактальности трафика
на построение очередей телекоммуникационных сетей..........................................................№2
Шелухин О.И., Лукьянцев Д.А. Многоуровневая ON/OFF-модель Интернет-трафика корпоративной
сети спутниковой связи.....................................................................................№2
Шелухин О.И., Невструев И. А. Формирование фрактальных процессов с заданным распределением.................№1
Шелухин О.И., Осин А.В. Мультифрактальные свойства трафика реального времени...............................№3
Шелухин О.И., Осин А.В., Ахметшин Р.Р. Оценка самоподобности телекоммуникационного
трафика с помощью вейвлетов................................................................................№3
Шелухин О.И., Осин А.В., Невструев И.А., Урьев Г.А. Сравнительный анализ методов оценки
стационарности самоподобных процессов......................................................................№1
Шелухин О.И., Осин А.В., Урьев Г.А. Экспериментальные исследования речевых потоков в VoIP-сетях............№2
Шелухин О.И., Пружинин А.В., Осин А.В., Урьев Г.А. Математические модели и имитационное
моделирование агрегированного трафика VoIP.................................................................№1
Шелухин О.И., Урьев Г.А. Результаты экспериментальных исследований видеотрафика
телекоммуникационной сети..................................................................................№1
