CC BY
14УДК 51
Пряничникова Н.О.
магистрант 1 курса кафедры высшая и прикладная математика Пензенский государственный университет (г. Пенза, Россия)
ЦИФРОВОЕ КОДИРОВАНИЕ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ В АЛГОРИТМАХ СТЕГАНОГРАФИИ
Аннотация: изучаются теоретические понятия стеганографии. Рассматриваются основные особенности сокрытия скрытых вложений в звуковых файлах.
Ключевые слова: стеганография, звуковые файлы, WAVE, LSB метод, эхо-кодирование, фазовое кодирование, широкополосное кодирование.
Стеганография - метод передачи сообщений, скрывающий сам факт того, что мы скрываем информацию. Главным отличием от криптографии, где злоумышленник точно знает и может понять является ли перехваченное сообщение зашифрованным файлом, стеганографические методы позволяют скрывать информацию таким образом, что невозможно заподозрить наличие зашифрованного послания.
Стегоконтейнер - это исходный файл, предназначенный для сокрытия информации (секретных сообщений).
В наше время выделяют 3 типа стегоконтейнеров:
1. Текст. Применение стеганографии для сокрытия и передачи данных с помощью текстовых файлов достаточно затруднительно. Реализовать это можно двумя способами, имеющими общую идею:
• Использовать регистр букв.
• Использовать пробелы.
2. Изображения. Гораздо эффективнее зашифровывать сообщение в графические файлы. В этом случае все строиться согласно принципу замены цвета в изображении на похожий. Такой метод скрытия является очень эффективным, потому что выявить факт скрытия данных гораздо сложнее, чем в текстовом файле. При этом скрываться могут не только текстовые данные, но и другие изображения.
3. Звуковые файлы. Это самый эффективный вариант сокрытия данных. Объясняется это тем, что у обычных людей даже не возникнет мысли, что музыка может хранить в себе еще и скрытую информацию. При стеганографии на аудио файлах происходит изменение в объеме звуковой волны.
Чаще всего используются звуковые файлы формата WAVE, идеально подходящие для алгоритмов стеганографии за счет своей избыточности. За счет того, что данные, полученные напрямую с аналогово-цифрового преобразователя, хранятся в файлах формата WAVE в несжатом и никоем образом не измененном виде, реализация стеганографическх алгоритмов становится значительно проще.
Рассмотрим четыре метода стеганографии для аудио файлов.
Широкополосное кодирование. В сигнал добавляется модулированный сообщением шум с амплитудой чуть выше предела маскирования. Преимуществом данной схемы является эффективность работы и высокая пропускная способность, недостатком - вносимые в сигнал слышимые искажения.
При сокрытии одного бита в последовательности коэффициентов выходная последовательность символов вычисляется следующим образом:
, _[Xi + ^¿М^ st = 1
Xi
' = (Xi + ы^х^ Si = 1 [xi-UiMai Si = 11
где Е -1,+1 - случайная двоичная последовательность, а^ - порог слышимости /-той полосы, - символ исходной последовательности, ^ -скрываемый бит.
Для вычисления порога слышимости может быть использована психоакустическая модель, содержащаяся в формате кодирования МР3, или любая другая. Таким образом, метод позволяет управлять психоакустическим характером вносимых в сигнал искажений.
Для извлечения скрытого бита из последовательности коэффициентов используется функция корреляции принятых коэффициентов и исходной случайной последовательности. Следует отметить, что из-за ненадежности извлечения данный метод требует использования кодов коррекции ошибок. Это приводит к уменьшению, как быстродействия, так и пропускной способности метода.
Фазовое кодирование. В данном методе используется тот факт, что человеческое ухо воспринимает не значения фазы, а только их разность.
Сигнал разбивается на участки, значения фазы на первом участке используются для кодирования скрываемого сообщения, значения фаз остальных участков таким образом, чтобы разность фаз между участками осталась неизменной.
Для кодирования значений фаз, на множестве фаз выделяется набор равномерно распределенных значений, соответствующих битам 0 и 1. Значение фазы заменяется ближайшим значением, соответствующим требуемому биту.
Разность значений в наборе зависит от частоты полосы, и варьируется от п на
п
чувствительных полосах до — на высокочастотных полосах.
Для кодирования одного бита скрываемого сообщения используется определенная последовательность изменений кодирования 0 и для кодирования 1. Для извлечения скрытого сообщения используется следующая функция обнаружения:
4 = 1 - р1)2 - г^щ - р^2,
где Т1,(1- амплитуда и фаза -го полученного сигнала, и = [а0, Рг,&2,Рз} - ожидаемая последовательность фаз при кодировании бита 1, V =
[а0, р1,а2> Рз) - ожидаемая последовательность фаз при кодировании бита 0, а1 и РI - ближайшие к значения фаз, соответствующие 1 и 0.
Если ц> 0, бит скрытого сообщения принимается равным 1, иначе равным 0.
Метод обеспечивает высокую эффективность кодирования по критерию отношения сигнал-шум, однако его пропускная способность невелика, и составляет от 8 до 32 бит в секунду.
Эхо-кодирование. Использует неравномерные промежутки между эхо -сигналами для кодирования последовательности значений. При наложении ряда ограничений соблюдается условие незаметности для человеческого восприятия. Эхо характеризуется тремя параметрами: начальной амплитудой, степенью затухания, задержкой. При достижении некоего порога между сигналом и эхом они смешиваются. В этой точке человек не может отличить эти два сигнала. Наличие этой точки сложно определить, так как она зависит от качества исходной записи и слушателя. Как правило, используется задержка около одной тысячной секунды, что вполне приемлемо для большинства записей и слушателей. Используются две различные задержки при кодирования нуля и единицы. Обе эти задержки должны быть меньше, чем порог чувствительности уха слушателя к получаемому эху.
Выше приведенные методы имеют ряд недостатков: они сложны для реализации и понимания, вносят явные искажения в аудио файл и имеют очень низкую пропускную способность. Поэтому при разработке программного обеспечения для стеганографии в настоящее время они используются достаточно редко.
Метод ЬББ. Является методом, использующим избыточность звуковых файлов. Как известно, младшие разряды цифровых отсчетов содержат очень мало полезной информации. Их заполнение дополнительной информацией практически не влияет на качество восприятия, что и обеспечивает возможность скрытия. У данной группы методов имеется ряд отличительных особенностей.
Сначала рассмотрим негативные особенности. С изменением информации искажаются статистические характеристики цифровых потоков. Ввиду этого для снижения компрометирующих признаков требуется коррекция статистических характеристик. К достоинствам можно отнести: возможность скрытой передачи большого объема информации, возможность защиты авторского права, скрытого изображения, товарной марки, регистрационных номеров и т.п.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Генне, О. В. Основы стегоанализа // Защита Информации. - 2000 - №3. -С. 57-58.
2. Быков, С. Ф., Мотуз, О. В. Основы стегоанализа // Защита информации. -2000 - №3. - С. 38-41.
3. С. Ю. Очимов, Стегоанализ аудиофайлов, базирующийся на алгоритмах сжатия // Вестник СибГУТИ. - 2010 - №1 . - С. 33-37.
4. Wave file format - формат звукового файла WAVE [Электронный ресурс]: microsin. - 2011 - Москва. - Режим доступа: http://microsin.net/programming/pc/wav-format.html
5. Структура WAVE файла [Электронный ресурс] : Audio Coding. - 2008 -Москва. - Режим доступа - http://audiocoding.ru/article/2008/05/22/wav-file-structure.html
6. Е.Л. Зорин, Н.В. Чичиварин. Стеганография в САПР : учебное пособие. -Москва : МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013 - 90 с.
7. Забелин, М. А. Стегоанализ аудиоданных на основе методов сжатия // Вестник СибГУТИ. - 2010 - №1 . - С. 41-46.
Pryanichnikova N.O.
Penza State University (Penza, Russia)
DIGITAL ENCODING OF AUDIO SIGNALS IN STEGANOGRAPHY ALGORITHMS
Abstract: theoretical concepts of steganography are studied. The main features of hiding hidden attachments in soundfiles are considered.
Keywords: steganography, sound files, WAVE, LSB method, echo coding, phase coding, broadband coding.
