Д.П. Рублёв, В.М. Федоров, О.Б. Макаревич, Л.К.Бабенко
ТРТУ МЕТОД ВСТРАИВАНИЯ ДАННЫХ В АУДИОПОТОК НА ОСНОВЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФАЗОВЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ

В последние годы в связи с широким распространением сетевых средств передачи мультимедийной информации, в частности голосового трафика и видеопотоков, актуальным является построение на их основе потоковых стегосистем. Стегосистемы, использующие модификацию наименее значимых битов исходных мультимедиа-данных, уязвимы к атакам активных злоумышленников [1,2] и изменениям, вносимым средствами компрессии данных с потерей качества. Построение стегосистем, ориентированных на создание стойких скрытых каналов передачи информации возможно как на основе встраивания в цифровое представление нескомпрессированных данных, так и встраивания данных в поток информации, поступающей с выхода кодера. Встраивание данных в выходной поток кодера возможно при его доступности и условии целостности передаваемых данных либо малом уровне их искажений и обеспечивает высокую пропускную способность. При отсутствии доступа кодеру и встраивании в нескомпрессированные данные необходимы методы, работающие с отображениями пространственно-временной области. Встраивание информации в методах данного класса осуществляется внесением изменений в обратимом отображении стегоконтейнера, выбираемом в соответствии с требуемой стойкостью информационных признаков и необходимостью сохранения субъективного качества сигнала. Всем этим требованиям удовлетворяет метод фазового кодирования [3], основанный на малой чувствительности человека к абсолютной фазе звукового сигнала.

При применении метода фазового кодирования встраивание информации осуществляется в частотно-временном представлении аудиосигнала изменением абсолютных значений фаз неперекрывающихся фрагментов. На протяжении каждого фрагмента встраивание информации не производится. Относительные фазы в пределах каждого фрагмента постоянны, что достигается разбиением каждого фрагмента на сегменты и сохранением разности фаз между сегментами, равными соответствующим разностям в исходном фрагменте сигнала. Таким образом, обеспечивается постоянство относительной фазы гармоник сигнала между сегментами при её модуляции, скрываемой информацией на границах фрагментов. Для синхронизации на приёмной стороне необходима информация о длине скрытого сообщения, а также длине фрагмента и сегмента. По значению фаз начального сегмента определяется бит данных.

В результате разрывов фаз в каждой из частотных компонент наблюдаются фазовые искажения, что ограничивает допустимый поток данных для фазового кодирования. Одной из причин искажений является фактическая замена начальных фаз двоичным кодом. Чтобы уменьшить искажения, изменённая начальная фаза должна быть максимально приближена к исходной. Однако для надёжности извлечения скрытой информации разница между двумя состояниями фазы должна быть увеличена. Другим источником искажений являются границы фрагментов, где происходит изменение фазы. Эти искажения устраняются путём введения перекрывающихся фрагментов. Варьирование параметров метода позволяет производить его оптимизацию для различных типов аудиоконтейнеров и предполагаемых угроз, что обеспечивает достаточный уровень стойкости информации к возможным искажениям при минимизации искажений, вносимых в контейнер. В ходе экспериментов было установлено, что при реализации подобного подхода речевой сигнал подвергается искажениям, как воспринимаемым на слух, так и отображаемым на сонограмме сигнала. Одной из причин искажений является фактическая замена информации, содержащейся в начальных фазах гармоник двоичным кодом. В результате происходит разрушение фазовых соотношений гармоник. Также изменения во временную картину распределения частотных компонент вносит преобразование Фурье. Авторами были предложены следующие модификации метода. Встраивание информации осуществляется поворотом фазовых составляющих на определённый угол. При этом для кодирования бита сообщения используются векторы гармоник, принадлежащие выделенным полуплоскостям, при этом верхняя полуплоскость соответствует значению бита “1”, нижняя — значению бита “0” информационной последовательности сообщения. Фазовые соотношения гармоник в пределах сегмента при встраивании бита информации в таком случае остаются неизменными, что приводит к существенному уменьшению искажений. Так как при повороте фазовых составляющих значения амплитуд сохраняются, изменения фаз могут быть произведены путём изменения знаков действительной и мнимой составляющей без получения амплитудного и фазового спектров, что улучшает временные характеристики метода и устраняет искажения, вносимые прямым и обратным преобразованиями. Таким образом, вектор гармоники в комплексном пространстве может принимать 4 позиции.

На основе данного метода была определена математическая модель, содержащая алгоритмы встраивания и выделения сообщений из файлов контейнеров. Обозначим последовательность битов данных, подлежащих скрытию как {mi}, где i=1..M, M – длина последовательности данных. Поток аудиоданных, содержащийся в файле-контейнере, представляется в виде последовательности фрагментов. Начальные фазы гармоник каждого фрагмента модулируются одним битом скрытого сообщения, что при встраивании сообщения длиной M бит приводит к необходимости разбиения исходного аудиопотока, по меньшей мере на М фрагментов. Каждый из M фрагментов представляется, в свою очередь, в виде N последовательных сегментов. К сегментам, составляющим фрагмент, применяется дискретное преобразование Фурье, результатом которого являются массивы амплитуд и фаз гармоник сегментов. При встраивании информации сохраняется разность фаз смежных сегментов. Фазы первых сегментов каждого фрагмента модулируются внедряемой информацией. Фазы последующих сегментов устанавливаются в соответствии с сохранёнными разностями фаз. При реализации данного метода стеганографии целесообразно использование быстрого преобразования Фурье (БПФ), что ограничивает выбор эффективных длин сегментов значениями.

Встраивание информации осуществляется следующим образом:

1. Поток аудиоданных C представляется в виде неперекрывающихся M фрагментов. К каждому фрагменту применяется следующая последовательность операций.

2. Последовательность отсчётов  каждого фрагмента разбивается на N сегментов.

3. К каждому N -му сегменту применяется дискретное преобразование Фурье.

4. Сохраняется разность фаз между смежными сегментами, образуя новый массив разностей фаз.

5. Скрываемое сообщение M , представленное в виде битовой последовательности изменяет фазы гармоник на границах фрагментов.

6. Заново создаётся матрица фаз, используя сохранённую разность фаз.

7. Используя новый массив фаз  и массив амплитуд, вычисляются составляющие комплексного спектра, что необходимо для выполнения обратного преобразования Фурье.

Обратным преобразованием Фурье восстанавливаются сегменты потока аудиоданных, к которым далее применяются техники устранения артефактов. Для восстановления информации из аудиопотока производится разбиение последовательности отсчётов на фрагменты и сегменты, но рассматриваются лишь фазы первого сегмента каждого из фрагментов. На основе известных параметров метода (длины скрытого сообщения, длин фрагментов и сегментов) первые сегменты каждого из выделенных фрагментов представляются в виде массивов амплитуд и фаз гармоник (повтор шагов 1–2 алгоритма). По фазам начальных сегментов устанавливается скрытая битовая последовательность и производится восстановление сообщения. Проведённые эксперименты показали значительное улучшение качества сигнала при использовании метода отражения фазовой плоскости по сравнению с методом прямой замены фазовых составляющих. Для устранения артефактов на границах сегментов, содержащих встроенную информацию, использовались техники минимизации искажений, не

оказывающие влияния на границы сегмента. Применение перекрывающихся окон с последующим линейным переходом приводит к значительным изменениям значений фазовых составляющих и допустимо при обработке сегментов, не несущих скрытой информации.

Библиографический список

1. Хомяков Е.И., Федоров В.М., Макаревич О.Б. Стеганография:применение и обнаружение // Материалы Второго регионального научнопрактического семинара «Информационная безопасность - юг России».

Таганрог. 2000. С.139-143.

2. Грибунин В.Г., Оков И.Н., Туринцев И.В. Цифровая стеганография - М.:СОЛОН-Пресс, 2002. - 272 с.

3. Bender W., Gruhl D., Morimoto N., Techniques for data hiding // Proc. SPIE/ 1995. Vol. 2420. P.40.

Источник: http://www.contrterror.tsure.ru/site/magazine4/Pdf/05-28-Rublev-Fedorov-Makarevich-Babenko.pdf
В библиотеку