Тезисы к докладу на конференции "Компьютерный мониторинг и информационые технологии 2007" на тему "Стеганография: скрытие данных в аудиосигналах"

Задача надежной защиты информации от несанкционированного доступа является одной из древнейших и не решенных до настоящего бремени проблем.

Цифровая стеганография — направление классической стеганографии, основанное на сокрытии или внедрении дополнительной информации в цифровые объекты, вызывая при этом некоторые искажения этих объектов. Как правило, данные объекты являются мультимедиа-объектами (изображения, видео, аудио, текстуры 3D-объектов) и внесение искажений, которые находятся ниже порога чувствительности среднестатистического человека не приводит к заметным изменениям этих объектов.

Рисунок 1 - Классификация систем цифровой стеганографии

Рисунок 2 - Потенциальные области применения стеганографии

Систему слуха человека можно представить, как анализатор частотного спектра, который может обнаруживать и распознавать сигналы в диапазоне 10 – 20000 Гц. Систему слуха человека можно смоделировать, как 26 пропускающих фильтров, полоса пропускания, которых увеличивается с увеличением частоты. Система слуха человека различает изменения фазы сигнала слабее, нежели изменения амплитуды или частоты.

Методы кодирования в аудиозаписях

Метод LSB(Least Significant Bit) - суть этого метода заключается в замене последних значащих битов в контейнере (изображения, аудио или видеозаписи) на биты скрываемого сообщения. Разница между пустым и заполненным контейнерами должна быть не ощутима для органов восприятия человека.

Так, например, только одна секунда оцифрованного звука с частотой дискретизации 44100 Гц и уровнем отсчета 8 бит в стерео режиме позволяет скрыть за счет замены наименее значимых младших разрядов на скрываемое сообщение около 10 Кбайт информации. При этом изменение значений отсчетов, составляет менее 1%. Такое изменение практически не обнаруживается при прослушивании файла большинством людей.

Эхо-методы применяются в цифровой аудиостеганографии и используют неравномерные промежутки между эхо-сигналами для кодирования последовательности значений.

Рассмотрим подробнее метод кодирования с расширением спектра. ЦВЗ (цифровой водяной знак) внедряется в аудиосигналы (последовательность 8- или 16-битных отсчетов) путем незначительного изменения амплитуды каждого отсчета. Для обнаружения ЦВЗ не требуется исходного аудиосигнала. Пусть аудиосигнал состоит из N отсчетов x_i, m=1,2,…,N , где значение N не меньше 88200 (соответственно 1 секунда для стереоаудиосигнала, дискретизированного на частоте 44,1 кГц). Для того чтобы встроить ЦВЗ, используется функция f(x(i), w(i)), где w(i) - отсчет ЦВЗ, изменяющийся в пределах [-a; a], a - некоторая константа. Функция f должна принимать во внимание особенности системы слуха человека во избежание ощутимых искажений исходного сигнала. Отсчет результирующего сигнала получается следующим образом: y(i) = x(i) + f(x(i),w(i)). Отношение сигнал-шум в этом случае вычисляется как

Обнаружение ЦВЗ происходит следующим образом. Обозначим через S следующую сумму:получаем Первая сумма в (4) равна нулю, если числа на выходе ГСЧ распределены равномерно и математическое ожидание значения сигнала равно нулю. В большинстве же случаев наблюдается некоторое отличие, обозначаемое w, которое необходимо также учитывать. Следовательно, принимает вид

Сумма ,как показано выше, приблизительно равна нулю. Если в аудиосигнал не был внедрен ЦВЗ, то S будет приблизительно равна С другой стороны, если в аудиосигнал был внедрен ЦВЗ, то S будет приблизительно равна Однако, это исходный сигнал, который по условию не может быть использован в процессе обнаружения ЦВЗ. Сигнал х(і) можно заменить на у(і), это приведет к замене Следовательно, вычитая величину из S, и деля результат на , получим результат r, нормированный к 1. Детектор ЦВЗ, используемый в этом методе, вычисляет величину r, задаваемую формулой

Пороговая величина обнаружения теоретически лежит между 0 и 1, с учетом аппроксимации этот интервал сводится к [0 - a; 1 + a]. Опытным путем установлено, что для того чтобы определить действительно ли определенный ЦВЗ находится в сигнале, пороговое значение ЦВЗ должно быть выше 0,7. Если требуется большая достоверность в определении наличия ЦВЗ в сигнале, пороговое значение необходимо увеличить. Работа кодера и декодера представлены на рис.3.

Рисунок 3 - Блок-схема стегокодера и стегодекодера

Актуальность проблемы информационной безопасности постоянно растет и стимулирует поиск новых методов защиты информации. Весьма характерной тенденцией в настоящее время в области защиты информации является внедрение криптологических методов. Однако на этом пути много ещё нерешенных проблем, связанных с разрушительным воздействием на криптосредства таких составляющих информационного оружия как компьютерные вирусы, логические бомбы, автономные репликативные программы и т.п. Объединение методов компьютерной стеганографии и криптографии явилось бы хорошим выходом из создавшегося положения. В этом случае удалось бы устранить слабые стороны известных методов защиты информации и разработать более эффективные новые нетрадиционные методы обеспечения информационной безопасности.

Литература

1. Тигулев Максим. Стегонозавр или тайнопись на компьютере.
2. Карасев Андрей. Компьютерная тайнопись – графика и звук приобретают подтекст. – Мир ПК. - № 1/97. – С.132-134.
3. В. Г. Грибунин, И. Н. Оков, И. В. Туринцев. Цифровая стеганография. – M.: СОЛОН-Пресс, 2002. – 261 с.
4. О. В. Генне. Основные положения стеганографии.