Реализация встраивания цифрового водяного знака в звуковые файлы методом эхо-сигналов

РЕФЕРАТ Данная дипломная работа содержит 29 рисунков, 10 таблиц, 29 источников.

Объект исследования — метод встраивания цифрового водяного знака в звуковые файлы.

Цель работы — реализовать встраивание цифрового водяного знака в звуковые файлы методом эхо-сигналов.

Результат работы — программная реализация.

Дальнейшие исследования должны вестись по направлению расширения спектра типов файлов, в которые может быть встроен цифровой водяной знак.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: СТЕГАНОГРАФИЯ, ЗВУКОВЫЕ ФАЙЛЫ, ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ, СКРЫТИЕ ИНФОРМАЦИИ, ЭХО-СИГНАЛЫ, ПРОГРАММИРОВАНИЕ, РЕАЛИЗАЦИЯ.

РЕФЕРАТ Дана діпломна робота містить, 29 малюнків, 10 таблиць, 29 джерел.

Об`ект дослідження — метод вбудовування цифрового водяного знаку в звукові файли.

Мета работи — реалізувати вбудовування цифрового водяного знаку в звукові файли методом ехо-сигналів.

Результат роботи — програмна реалізація.

Подальші дослідження повинні проводитись по напрямку розширення спектру типів файлів в котрі може бути вбудован цифровий водяний знак.

КЛЮЧОВІ СЛОВА: СТЕГАНОГРАФІЯ, ЗВУКОВІ ФАЙЛИ, ЗАХИСТ ІНФОРМАЦИЇ, СКРИТТЯ ИНФОРМАЦІЇ, ЕХО СИГНАЛИ, ПРОГРАМУВАННЯ, РЕАЛІЗАЦИЯ.

ABSTRACT

This diploma contains, 29 pictures, 10 tables, 29 sources.

Object of researching — digital watermark injection into audio files method.

Purpose of work — implement digital watermark injection by using echo-signals method.

Result — program implementation.

Further researches should be performed for expanding of range of file types for injection of digital watermark.

KEY WORDS: STEGANOGRAPHY, SOUND FILES, INFORMATIONAL SECURITY, HIDING OF INFORMATION, ECHO SIGNALS, PROGRAMMING, IMPLEMENTATION.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ,

СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

АКФ — Автокорреляционная функция

ГОСТ — государственный стандарт

ДСТУ — Державний стандарт України Гц — Герцы

ОВПФ — Опасные и вредные производственные факторы ОС — Операционная система

ПЭВМ — Персональная электронная вычислительная машина ССЧ — Слуховая система человека США — Соединенные Штаты Америки Флеш-память (англ. flash memory) — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти (ПППЗУ).

ЦВЗ — Цифровой водяной знак

ISO — Международная организация по стандартизации, ИСО (International Organization for Standardization, ISO) —международная организация, занимающаяся выпуском стандартов.

MPEG — (англ. Moving Picture Experts Group — русск. Группа экспертов по движущемуся изображению) — группа специалистов в подчинении ISO, собирающаяся для выработки стандартов сжатия цифрового видео и аудио. Первое собрание происходило в 1988 году в Ганновере.

SD — формат карты флеш-памяти, разработанный для использования в портативных устройствах. На сегодняшний день широко используется в цифровых фотоаппаратах, мобильных телефонах, КПК, коммуникаторах, GPS-навигаторах и в игровых приставках.

MFC — Microsoft Foundation Classes — библиотека на языке C++, разработанная Microsoft и призванная облегчить разработку GUI-приложений для Microsoft Windows путем использования богатого набора библиотечных классов.

WAV (англ. wave «волна») — формат файла-контейнера для хранения записи оцифрованного аудиопотока. Под Windows этот формат чаще всего используется в качестве оболочки для несжатого звука (PCM), когда для каждого отсчёта амплитуды сигнала выделяется определённое число бит. Однако в контейнер WAV можно поместить звук, сжатый почти любым кодеком (но с воспроизведением таких файлов могут возникать проблемы).

MP3 (более точно, англ. MPEG-½/2.5 Layer 3; но не MPEG-3) — третий слой формата кодирования звуковой дорожки MPEG, лицензируемый формат файла для хранения аудиоинформации.

ВВЕДЕНИЕ

Задача защиты информации от несанкционированного доступа решалась во все времена на протяжении истории человечества. Уже в древнем мире выделилось два основных направления решения этой задачи, существующие и по сегодняшний день: криптография и стеганография. Целью криптографии является скрытие содержимого сообщений за счет их шифрования. В отличие от этого, при стеганографии скрывается сам факт существования тайного сообщения.

Слово «стеганография» имеет греческие корни и буквально означает «тайнопись». Исторически это направление появилось первым, но затем во многом было вытеснено криптографией. Тайнопись осуществляется самыми различными способами. Общей чертой этих способов является то, что скрываемое сообщение встраивается в некоторый безобидный, не привлекающий внимание объект. Затем этот объект открыто транспортируется адресату. При криптографии наличие шифрованного сообщения само по себе привлекает внимание противников, при стеганографии же наличие скрытой связи остается незаметным.

Какие только стеганографические методы не использовали люди для защиты своих секретов! Известные примеры включают в себя использование покрытых воском дощечек, вареных яиц, спичечных коробков и даже головы раба (сообщение читалось после сбривания волос гонца). В прошлом веке широко использовались так называемые симпатические чернила, невидимые при обычных условиях. Скрытое сообщение размещали в определенные буквы невинных словосочетаний, передавали при помощи внесения в текст незначительных стилистических, орфографических или пунктуационных погрешностей. С изобретением фотографии появилась технология микрофотоснимков, успешно применяемая Германией во время мировых войн. Крапление карт шулерами — это тоже пример стеганографии.

Во время Второй мировой войны правительством США придавалось большое значение борьбе против тайных методов передачи информации. Были введены определенные ограничения на почтовые отправления. Так, не принимались письма и телеграммы, содержащие кроссворды, ходы шахматных партий, поручения о вручении цветов с указанием времени и их вида; у пересылаемых часов переводились стрелки. Был привлечен многочисленный отряд цензоров, которые занимались даже перефразированием телеграмм без изменения их смысла.

Скрытие информации перечисленными методами возможно лишь благодаря тому, что противнику неизвестен метод скрытия. Между тем, еще в 1883 году Кергофф писал о том, что система защиты информации должна обеспечивать свои функции даже при полной информированности противника о ее структуре и алгоритмах функционирования. Вся секретность системы защиты передаваемой сведений должна заключаться в ключе, то есть в предварительно (как правило) разделенном между адресатами фрагменте информации. Несмотря на то, что этот принцип известен уже более 100 лет, и сейчас встречаются разработки, пренебрегающие им. Конечно, они не могут применяться в серьезных целях.

Развитие средств вычислительной техники в последнее десятилетие дало новый толчок для развития компьютерной стеганографии. Появилось много новых областей применения. Сообщения встраивают теперь в цифровые данные, как правило, имеющие аналоговую природу. Это — речь, аудиозаписи, изображения, видео. Известны также предложения по встраиванию информации в текстовые файлы и в исполняемые файлы программ.

Для того чтобы перейти к обсуждению вопросов внедрения информации в аудиосигналы, необходимо определить требования, которые могут быть предъявлены к стеганосистемам, применяемым для встраивания информации в аудиосигналы:

— скрываемая информация должна быть стойкой к наличию различных окрашенных шумов, сжатию с потерями, фильтрованию, аналогово-цифровому и цифро-аналоговому преобразованиям;

— скрываемая информация не должна вносить в сигнал искажения, воспринимаемые системой слуха человека;

— попытка удаления скрываемой информации должна приводить к заметному повреждению контейнера (для цифрового водяного знака (ЦВЗ));

— скрываемая информация не должна вносить заметных изменений в статистику контейнера.

Для внедрения скрываемой информации в аудиосигналы можно использовать методы, применимые в других видах стеганографии. Например, можно внедрять информацию, замещая наименее значимые биты (все или некоторые). Или можно строить стеганосистемы, основываясь на особенностях аудиосигналов и системы слуха человека.

Систему слуха человека можно представить, как анализатор частотного спектра, который может обнаруживать и распознавать сигналы в диапазоне 10 — 20 000 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.

Аудиосигналы можно разделить на три класса:

— разговор телефонного качества, диапазон 300 — 3400 Гц;

— широкополосная речь 50 — 7000 Гц;

— широкополосные аудиосигналы 20 — 20 000 Гц.

Практически все аудиосигналы имеют характерную особенность. Любой из них представляет собой достаточно большой объем данных, для того, чтобы использовать статистические методы внедрения информации. Первый из описываемых методов, рассчитанный на эту особенность аудиосигналов, работает во временной области.

1. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ МЕТОДОВ СТЕГАНОГРАФИЧЕСКОЙ

ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ АУДИО ФАЙЛОВ

1.1 Анализ методов основанных на использовании преобразовании во

временной области. Метод встраивания с расширением спектра Алгоритм, предложенный в работе [1], удовлетворяет большинству из предъявляемых требований, изложенных выше. ЦВЗ 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), i =1, …, N, где значение N не меньше 88 200 (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 [-б; б], б — 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))(1.1)

Отношение сигнал-шум в этом случае вычисляется как

(1.2)

Важно отметить, что применяемый в схеме генератор случайных чисел должен иметь равномерное распределение. Стойкость ЦВЗ, в общем случае, повышается с увеличением энергии ЦВЗ, но это увеличение ограничивается сверху допустимым отношением сигнал-шум.

Обнаружение ЦВЗ происходит следующим образом. Обозначим через S следующую сумму:

(1.3)

Комбинируя (1.1) и (1.3), получаем

(1.4)

Первая сумма в (1.4) 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 Д, которое необходимо также учитывать. Следовательно, (1.4) принимает вид

(1.5)

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, х (i) — это исходный сигнал, который по условию не может быть использован в процессе обнаружения ЦВЗ. Сигнал можно заменить на y (i), это приведет к замене на, ошибка при этом будет незначительной. 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

(1.6)

Пороговая величина обнаружения теоретически лежит между 0 и 1, с учетом аппроксимации этот интервал сводится к [0 — е; 1 + е]. 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. 1.1.

На рис. 1.2 показана эмпирическая функция плотности вероятности для аудиосигнала с ЦВЗ и без ЦВЗ. Эмпирическая функция плотности вероятности аудиосигнала без ЦВЗ показана непрерывной кривой, пунктирная кривая описывает эмпирическую функцию плотности вероятности аудиосигнала с встроенным ЦВЗ. Оба распределения были вычислены с использованием 1000 различных значений ЦВЗ при отношении сигнал-шум 26 дб.

Рисунок 1.1 — Блок-схема стеганокодера и стеганодекодера Внедрение в один аудиосигнал большого количества различных ЦВЗ приводит к увеличению слышимости искажений.

Рисунок 1.2 — Функция плотности распределения величины обнаружения для сигналов с ЦВЗ и без ЦВЗ Максимальное число ЦВЗ ограничено энергией каждого из них.

Декодер способен правильно восстановить каждый ЦВЗ при условии использования кодером уникальных ключей. На рис. 1.3 показан пример обнаружения ЦВЗ с использованием 1000 различных ключей, из которых только один — верный.

Рисунок 1.3 — Распознавание заданного ключа встраивания ЦВЗ В работе проверялась стойкость рассматриваемого метода внедрения информации к сжатию MPEG до скоростей 80 кб/с и до 48 кб/с. После восстановления при сжатии до скорости 80 кб/с можно наблюдать незначительное уменьшение пороговой величины обнаружения в аудиосигналах с ЦВЗ (рис. 1.4). При сжатии аудиосигнала до 48 кб/с появляются звуковые эффекты, ощутимо снижающие качество сигналов с ЦВЗ.

Стойкость алгоритма встраивания ЦВЗ к фильтрации проверена применением к нему скользящего фильтра средних частот и фильтра нижних частот. Аудиофайлы с внедренным ЦВЗ профильтрованы скользящим фильтром средних частот длины 20, который вносит в аудиоинформацию значительные искажения.

Рисунок 1.4 — Влияние сжатия данных на ЦВЗ На рис. 1.5 показано, как изменяется пороговая величина обнаружения при применении вышеописанного фильтра. В общем, порог обнаружения увеличивается в отфильтрованных сигналах. Это происходит по причине того, что функция плотности распределения сигналов после фильтрации сдвигается вправо по сравнению с относительной функцией распределения сигналов, не подвергавшихся фильтрации.

Рисунок 1.5 — Влияние на ЦВЗ применения к аудиосигналу скользящего фильтра средних частот ЦВЗ сохраняется и при применении к аудиосигналу фильтра нижних частот. Однако при фильтрации аудиосигналов с ЦВЗ фильтром нижних частот Хэмминга 25-го порядка с частотой среза 2205 Гц имело место уменьшение вероятности обнаружения наличия ЦВЗ.

Для проверки стойкости ЦВЗ к передискретизации Р. Бассиа и И. Питасом аудиосигналы были передискретизированы на частоты 22 050 Гц и 11 025 Гц и назад на начальную частоту. ЦВЗ сохранялся.

При переквантовании аудиосигнала из 16-битного в 8-битный и обратно внедренный ЦВЗ сохраняется, несмотря на частичную потерю информации. На рис. 1.6 показано насколько хорошо ЦВЗ сохраняется в 1000 аудиосигналах при их переквантовании в 8-битные отсчеты и обратно в 16-битные.

Рисунок 1.6 — Влияние переквантования сигнала на ЦВЗ

Девиация функции плотности распределения переквантованного сигнала увеличивается, как и в случае применения фильтра нижних частот, следовательно, имеет место уменьшение эффективности обнаружения.

1.2 Анализ методов основанных на использовании преобразовании в

спектральной области. Внедрение информации модификацией фазы

аудиосигнала Метод, предлагающий использовать слабую чувствительность системы слуха человека к незначительным изменениям фазы сигнала, был предложен В. Бендером, Н. Моримото и др.

Внедрение информации модификацией фазы аудиосигнала — это метод, при котором фаза начального сегмента аудиосигнала модифицируется в зависимости от внедряемых данных. Фаза последующих сегментов согласовывается с ним для сохранения разности фаз. Это необходимо потому, что к разности фаз человеческое ухо более чувствительно. Фазовое кодирование, когда оно может быть применено, является одним из наиболее эффективных способов кодирования по критерию отношения сигнал-шум.

Процедура фазового кодирования состоит в следующем:

Звуковой сигнал разбивается на серию N коротких сегментов рис. 1.7(а), 1.7(б).

К n-му сегменту сигнала применяется k-точечное дискретное преобразование Фурье, где К=I/N, и создаются матрицы фаз и амплитуд для (рис 1.7(в)).

Запоминается разность фаз между каждыми двумя соседними сегментами рис. (1.7(г)).

(1.7)

Бинарная последовательность данных представляется, как р/2 ир/2 (рис 1.7(д)), .

С учетом разности фаз создается новая матрица фаз для n > 0, (рис. 1.7(е)):

(1.8)

Стеганокодированный сигнал получается путем применения обратного дискретного преобразования Фурье, к исходной матрице амплитуд и модифицированной матрице фаз.

Рисунок 1.7 — Блок-схема фазового кодирования

Получателю должны быть известны: длина сегмента, и точки ДПФ. Перед декодированием последовательность должна быть синхронизирована.

Недостатком этой схемы является ее низкая пропускная способность. В экспериментах В. Бендера и Н. Моримото пропускная способность канала варьировалась от 8 до 32 бит в секунду.

1.3 Анализ методов основанных на использовании добавления эхо;

сигналов для стеганографической защиты аудио файлов. Встраивание

информации за счет изменения времени задержки эхо-сигнала

Теми же авторами был предложен метод внедрения информации с использованием эхо-сигнала.

Этот метод позволяет внедрять данные в сигнал прикрытия, изменяя параметры эхо-сигнала. К параметрам эхо, несущим внедряемую информацию (рис. 1.8), относятся: начальная амплитуда, время спада и сдвиг (время задержки между исходным сигналом и его эхо). При уменьшении сдвига два сигнала смешиваются. В определенной точке человеческое ухо перестает различать два сигнала, и эхо воспринимается, как добавочный резонанс. Эту точку трудно определить точно, так как она зависит от исходной записи, типа звука и слушателя. В общем случае, по исследованиям В. Бендера и Н. Моримото, для большинства типов сигналов и для большинства слушателей слияние двух сигналов происходит при расстоянии между ними около 0,001 секунды.

Рисунок 1.8 — Параметры эхо-сигнала

Кодер использует два времени задержки: одно для кодирования нуля, другое для кодирования единицы. И то, и другое время задержки меньше того, на котором человеческое ухо может распознать эхо. Кроме уменьшения времени задержки необходимо добиться установлением начальной амплитуды и времени спада того, чтобы внедренная информация не могла быть воспринята системой слуха человека.

Кодирование. Для простоты, был выбран пример только двух импульсов (один для копирования исходного сигнала, другой для формирования эхо-сигнала). Увеличение количества импульсов приведет к увеличению количества отсчетов эхо-сигналов.

Пусть на рис. 1.9 а показан способ кодирования «единицы» а на рис. 1.9б — способ кодирования «нуля». Внедрение данных показано на рис. 1.10.

Задержка (h д) между исходным сигналом и его эхо зависит от внедряемых в данный момент данных. Единице соответствует задержка (1 д), а нулю — задержка эхо-сигнала (0 д).

Для того чтобы закодировать более одного бита, исходный сигнал разделяется на маленькие участки. Каждый участок рассматривается как отдельный сигнал, и в него внедряется один бит информации. Результирующий закодированный сигнал (содержащий несколько бит внедренной информации) представляет собой комбинацию отдельных участков. На рис. 1.11 показан пример, в котором сигнал разделяется на семь участков — a, b, c, d, e, f, g.

Рисунок 1.9 — Кодирование одного бита информации (а — единица, б — нуль) Рисунок 1.10 — Внедрение одного бита информации В участки a, с, d, g будет внедрена единица. Следовательно, на этих участках система будет функционировать так, как показано на рис. 1.9а. Нули будут внедрены в участки b, e, f, на этих участках система будет функционировать так, как показано на рис. 1.9б.

Рисунок 1.11 — Разделение сигнала на участки Для достижения минимума заметности сначала создаются два сигнала: один, содержащий только «единицы», и другой — содержащий только нули. Полученные в результате сигналы показаны на рис. 1.12.

Затем создаются два переключающих сигнала — нулевой и единичный (рис. 1.13). Каждый из них представляет собой бинарную последовательность, состояние которой зависит от того, какой бит должен быть внедрен в данный участок звукового сигнала.

Рисунок 1.12 — Сигналы, содержащие только одно бинарное значение Рисунок 1.13 — Переключающие сигналы Далее вычисляется сумма произведений нулевого смешивающего сигнала и аудиосигнала с задержкой «нуль», а также единичного смешивающего сигнала и аудиосигнала с задержкой «единица». Другими словами, когда в аудиосигнал необходимо внедрить «единицу», на выход подается сигнал с задержкой «единица», в противном случае — сигнал с задержкой «нуль». Так как сумма двух смешивающих сигналов всегда равна единице, то обеспечивается гладкий переход между участками аудиосигнала, в которые внедрены различные биты. Блок-схема стеганокодера показана на рис. 1.14.

Рисунок 1.14 — Блок-схема стеганокодера Декодирование. Декодирование внедренной информации представляет собой определение промежутка времени между сигналом и эхо. Для этого необходимо рассмотреть амплитуду (в двух точках) автокорреляционной функции дискретного косинусного преобразования логарифма спектра мощности (кепстра).

В результате вычисления кепстра получится последовательность импульсов (эхо, дублированное каждые д секунд) (рис. 1.15).

Рисунок 1.15 — Результат вычисления кепстра Для определения промежутка времени между сигналом и его эхом необходимо рассчитать автокорреляционную функцию кепстра.

Всплеск автокорреляционной функции будет иметь место через 1 д или 0 д секунд после исходного сигнала (рис. 1.16). Правило декодирования основано на определении промежутка времени между исходным сигналом и всплеском автокорреляции.

При декодировании «единица» принимается, если значение автокорреляционной функции через 1 д секунд больше чем через 0 д секунд, в противном случае — «нуль» .

Рисунок 1.16 — Поведение автокорреляционной функции при различной внедренной информации

По исследованиям В. Бендера и Н. Моримото данная схема позволяет внедрять 16 бит в одну секунду аудиозаписи незаметно, без потери ее качества.

Некоторое сравнение уже производилось такими авторами, как Конахович и Пузыренко [7], приведем сводную таблицу некоторых характеристик (табл. 1.1)

Используя описания данные в предыдущем разделе можно сделать сравнение по некоторым характеристикам позволяющее сделать выбор в пользу того или иного метода встраивание информации.

Необходимо заметить, что метод встраивания в наименее значимый бит не был рассмотрен ввиду его слабой защищенности ко всем видам атак.

Таблица 1.1 — Показатели звукового искажения в случае скрытия данных в аудиосреде

Продолжение таблицы 1.1

В связи с тем, что скрытие данных методами расширения спектра и кодирования фаз используют данные об участках искажений, как ключевые, которые могут быть определены опытным специалистом, использование этих методов не совсем безопасно.

Использование времени задержки, как ключевые данные, в методе эхо-сигналов в связке с данными об участках, в которых скрыта информация, может быть более эффективна и более защищена даже для специалистов.

Если оценивать методы со стороны пропускной способности, то при определенных качествах контейнера, кодирование фазы в 2 раза выигрывает у эхо-сигналов. Необходимо произвести исследования в этом направлении для увеличения пропускной способности метода эхо-сигналов.

Можно произвести расчет вместительности звукового файла среднего размера (продолжительности) — 3минуты:

16 * 3 * 60 = 2880 бит = 360 байт (1.9)

Учитывая тенденции развития информационных технологий и увеличения объемов информации, которые требуется передавать, это очень мало. Даже спрятанная в носке карточка micro SD потенциально лучшее решение для передачи информации. Единственный минус, что карточку не передашь по почте.

Именно в связи с этим требуется плотное изучение различных методов увеличение пропускной способности метода эхо-сигналов.

Подводя итоги раздела можно смело сказать, что использование метода встраивания информации в звуковые файлы, используя преобразования эхо-сигналов, подходит для защиты аудио файлов цифровыми водяными знаками. Устойчивость к амплитудным и частотным атакам позволяет обойти остальные, неустойчивые к этим атакам, методы.

2 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЭХО-СИГНАЛОВ ПРИ

ВСТРАИВАНИИ В АУДИО ФАЙЛЫ

2.1 Исследования влияния времени задержки эхо-сигнала на

эффективность стеганографической защиты информации Для того чтобы провести исследования влияния времени задержки эхо-сигнала на эффективность стеганографической защиты информации в полной, или, хотя бы, в приближении к полной, мере, необходимо собрать достаточное количество, различных по качеству, контейнеров. Список принятых для исследования файлов можно посмотреть в таблице 2.1

Таблица 2.1 — Список аудиофайлов использованных для исследования

Так же было принято использовать определенный набор задержек для встраивания бит данных. Список их на таблице 2.2.

Таблица 2.2 — Список задержек для исследования

Для исследования влияния времени задержки эхо-сигнала на эффективность стеганографической защиты информации, метод встраивания был реализован в среде Math CAD. Данная среда была выбрана в силу простоты использования.

В реализованный, описанный в [7], алгоритм, были внесены изменения в соответствии с выбранными значениями задержки.

Далее были проведены исследования, результаты которых весьма ожидаем. Так, параметры под номером 1, которые максимально близки к рекомендуемым авторами работы [7], как и ожидалось, едва различимы натренированным ухом.

Параметры 2 оказались совсем неприемлемыми для использования не зависимо от качества использованного контейнера.

А вот параметры 3 показали, что возможно использование контейнера, сходного по качествам с использованным под номером 1 (динамичная электронная музыка). При использовании таких параметров задержки, вероятность правильного извлечения достигла 92% (на 1000 испытаний — 923 успешных).

Можно заметить, что на текущий момент использование контейнера, сходного по качествам с использованным под номером 1, вызовет наименьшие подозрения, и желание проверить этот контейнер на наличие скрытой информации. Однако не всегда защита аудиофайла цифровым водяным знаком нужна именно для такого типа файлов.

2.2 Исследование влияния амплитуды эхо-сигнала на эффективность

стеганографической защиты информации Для исследования влияния амплитуды были использованы те же аудио файлы, что и для исследования влияния времени задержки (табл. 2.1), а значения амплитуды были взяты такие: 30%, 50%, 80%, 100%.

Заметим так же, что рекомендованное значение амплитуды накладываемого эхо-сигнала — 80% для сигнала с меньшей задержкой и 30%, для сигнала с большей задержкой.

Для наглядности, влияние значения амплитуды эхо-сигнала на конечный сигнал были сделаны снимки графиков, полученных в среде Math CAD (рис 2.1 и 2.2).

Рисунок 2.1 — Сравнение результатов встраивания в звуковой файл без применения уменьшения амплитуды сигнала наложения. Вверху полученный сигнал, внизу — исходный Однозначно использования 100% значений амплитуды для эхо-сигналов приведет к значительному, заметному ССЧ изменению аудио файла. Также стоит заметить, что изменение значения амплитуды вплоть до 30% не особо влияет на значения АКФ значений Кепстра, а следовательно, не влияет на качество извлечения. В связи с этим можно использовать значения равные 50% или даже 30%, не боясь потерять вероятность корректного извлечения битов данных.

Рисунок 2.2 — Сравнение результатов встраивания в звуковой файл с применением уменьшения амплитуды сигнала наложения до 30%. Вверху полученный сигнал, внизу — исходный

2.3 Обоснование параметров формирования эхо-сигнала для

эффективной стеганографической защиты информации Используя результаты исследований влияния значений задержки и амплитуды эхо-сигнала, резонно было бы выбрать именно полученные в ходе этих исследований данные.

Однако эти данные не претендуют на идеальность и возможно, требуется более плотное изучение этих характеристик. В любом случае эти исследования показали, что для схожих типов контейнеров, необходимо подобрать определенные значения характеристик для увеличения эффективности стеганографической защиты информации.

Положившись на результаты исследований, было принято взять значения задержек эхо-сигналов, равные 0,0012 и 0,0008. Данные значения снижают эффективность алгоритма извлечения, уменьшая вероятность правильного извлечения бита, однако подходит практически для всех типов контейнеров. Значение амплитуды было выбрано равное 30%, в связи с тем, что оно помогает увеличить вероятность того, что факт наличия скрытой информации не будет раскрыт.

Как видно на рисунке 2.3, извлечение, даже при уменьшении амплитуды до 30% вполне реально.

Рисунок 2.3 — Сравнение результатов АКФ Кепстра до и после встраивание единичного бита при значении амплитуды равной 30%.

Проведенные исследования не претендуют на идеальность и правдивость, т.к. оценивались одним человеком. Тем не менее, использование полученных рекомендаций однозначно поможет достичь определенной высокой эффективности использования метода встраивания информации в аудио файлы, используя преобразования эхо-сигналами.

3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДА

СТЕГАНОГРАФИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ АУДИО

ФАЙЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭХО-СИГНАЛОВ

3.1 Разработка алгоритмов встраивания и извлечения цифрового

водяного знака в аудио файл Для встраивания и извлечения цифрового водяного знака в аудио файл необходимо разработать два алгоритма, которые возможно будет реализовать на языке программирования С++.

Начнем с алгоритма встраивания:

Перевести встраиваемое сообщение в двоичный код;

Сверить вместительность контейнера и размер встраиваемого сообщения. В случае если сообщение не помещается в контейнер, завершить выполнение с ошибкой;

В зависимости от частоты дискретизации, разделить контейнер на равные части, для того, чтобы обеспечить пропускаемую способность 16 бит в секунду;

Взять первую часть контейнера;

Создать эхо-сигнал путем смещения оригинального сигнала на значение задержки соответствующее текущему биту;

Уменьшить амплитуду эхо-сигнала до 30%. Так же требуется создать спадающий и возрастающий фронты в конце и начале эхо-сигнала соответственно для предотвращения появления резких переходов, слышных ССЧ;

Наложить эхо-сигнал на оригинальный сигнал;

Выполнить пункты 5 — 7, для всех бит встраиваемого сообщения.

Так же этот алгоритм можно увидеть ниже на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 — Алгоритм встраивания эхо-сигнала Алгоритм извлечения (по сути, является алгоритмом проверки ЦВЗ):

Перевести проверяемое сообщение в двоичный код;

Сверить вместительность контейнера и размер проверяемого сообщения. В случае если сообщение не помещается в контейнер, завершить выполнение с ошибкой;

В зависимости от частоты дискретизации, разделить контейнер на равные части, для того, чтобы обеспечить пропускаемую способность 16 бит в секунду;

Взять первую часть контейнера;

Посчитать АКФ Кепстра для текущего фрагмента контейнера;

Сравнить значения АКФ Кепстра соответствующие времени равному значению смещения эхо-сигналов. Если значение на уровне смещения равного «1» больше, чем «0», то встраивался бит 1;

Сравнить полученный бит с соответствующим битом проверяемого сообщения;

Повторить шаги 5 — 7 для всех бит проверяемого сообщения.

Далее, если все биты совпали (возможен вариант проверять процент совпадения, т.к. метод эхо-сигналов обладает не 100% вероятностью правильного извлечения бит), делаем вывод о том, что аудио файл защищен. Алгоритм так же представлен на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 — Алгоритм извлечения встраиваемого сообщения и проверка ЦВЗ

3.2 Описание интерфейса разработанной программной реализации

метода стеганографической защиты информации Для реализации метода стеганографической защиты информации аудио файлов с использованием эхо-сигналов был выбран язык программирования С++. Среда программирования — Microsoft Visual Studio 2008. Для упрощения создания интерфейса было решено использовать библиотеку разработки MFC, предоставленную корпорацией Microsoft для разработки под ОС Windows. Интерфейс программы изображен на рисунках 3.3 — 3.4.

Рисунок 3.3 — Интерфейс программы Sound Watermark.

Рисунок 3.4 — Окно «О программе»

Для того чтобы встроить ЦВЗ в аудио файл необходимо:

Выбрать аудиофайл для встраивания путем ввода пути вручную, выбора файла через окно выбора файла, которое появится при нажатии на кнопку Browse;

Выбрать файл ЦВЗ (на данный момент поддерживаются только текстовые файлы txt);

Нажать на кнопку Add watermark.

При успешном встраивании пользователь увидит сообщение, изображенное на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 — ЦВЗ успешно внедрен в аудио файл Для того чтобы проверить звуковой файл на наличие ЦВЗ необходимо:

Выбрать аудиофайл для проверки;

Выбрать файл ЦВЗ;

Нажать на кнопку Verify watermark.

При успешном извлечении пользователь увидит сообщение, изображенное на рисунке 3.6

Рисунок 3.6 — Успешно извлеченный ЦВЗ соответствует эталонному Для упрощения использования программы были добавлены такие возможности:

— ограничение на использование входных файлов. Невозможно использовать файлы отличные от формата WAV (PCM16 или PCM32). При использовании отличных от этого формата файлов пользователь увидит окно с ошибкой (Рис 3.7). Так же при нажатии на кнопку browse для выбора звукового файла, выбор будет ограничен только файлами типа wav (рис. 3.8);

Рисунок 3.7 — Ошибка о неверном формате файла контейнера.

Рисунок 3.8 — Окно выбора аудио файла с ограничением на тип файла.

— возможность просто перетащить файл в поле ввода пути (Drag&Drop);

— при попытке встроить или проверить водяной знак без выбора файлов появится ошибка (рис. 3.9).

Рисунок 3.9 — Ошибка о пустых полях ввода пути к файлам

3.3 Практические рекомендации по использованию и улучшению

программной реализации В целом программа имеет завершенный вид, однако есть множество путей для ее развития.

Существует возможность значительно расширить границы применение этой программы путем реализации алгоритма встраивания ЦВЗ для более распространенного формата MP3. Существует множество open source библиотек, которые позволяют получить из MP3 файла по сути то же, что возможно получить из WAV файла и без библиотек — значения амплитуд. Получив которые, не составит никакого труда реализовать алгоритм встраивания ЦВЗ в звуковые файлы MP3 формата.

Так же необходимо переработать механизм встраивания для добавления возможности использования любых файлов, а не только текстовых файлов.

Дополнительно к доработке программной реализации можно доработать алгоритм встраивания для того, чтобы улучшить вероятность правильного извлечения битов встроенного сообщения. Достичь этого можно путем реализации алгоритма изменения пропускной способности файла в зависимости от качества используемого контейнера.

На сегодняшний день, наличие такого программного комплекса позволит улучшить положение дел на фронте борьбы с пиратством среди аудио файлов.

Программа реализована и готова к использованию. Возможность ее доработки и выпуска дополнительных версий дает хорошую почву для коммерческого использования.

4. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНИ И ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

4.1 Анализ условий труда Рассматривается отдел по разработке программного обеспечения, в котором размещается команда из 10 программистов, один из которых также является их руководителем и ответственным. На каждом рабочем месте установлена IBM/PC-совместимая ПЭВМ (на базе AMD Athlon XP 1600). Все оборудование подключено в электрическую сеть трехфазную четырехпроводную напряжением 380/220 В с глухозаземленной нейтралью переменного тока частотой 50Гц. Имеется один телефон. Помещение имеет размеры 12×8×3,5 м, размещается на втором этаже пятиэтажного кирпичного здания. Площадь помещения 96 м², его объём 336 м³. На каждого сотрудника приходится 9,6 м² площади помещения и 33,6 м³ объёма, что соответствует санитарно-техническим нормам и требованиям НПАОП 0.00−1.28−10, так как более чем необходимые 6 м² и 20 м³ соответственно.

Выделим и подробно рассмотрим систему Человек-Машина-Среда (рисунок 4.1) для анализа и выявления опасных и вредных производственных факторов (ОВПФ). Подсистемами системы являются «Человек», «Машина», «Среда». В качестве подсистемы «Человек» рассмотрим программистов. Подсистемы «Машина» являются ПЭВМ. Составляющими элементами подсистемы «Среда» является производственная среда в помещении. Также в систему вводится элемент «Предмет труда», под которым будем понимать разрабатываемый программный продукт.

Элемент «Человек» условно разделим на функциональные части:

Ч1 — человек, управляющий компьютером;

Ч2 — человек, рассматриваемый с точки зрения непосредственного влияния на среду;

Ч3 — человек, отражающий психофизиологическое состояние, формируемое под влиянием внешних воздействий.

Элемент «Машина» условно делим на три элемента:

М1 — машина, исполняющая основную технологическую функцию;

М2 — машина, исполняющая функции аварийной защиты;

М3 — машина, исполняющая функции управления внешней средой.

Рисунок 4.1 — Структура системы Ч-М-С

1) Ч1-М1 — влияние «Человека» на управление «Машины».

2) М1-ПТ — влияние «Машины» на «Предмет Труда».

3) Ч1-ПТ, ПТ-Ч1 — влияние «Человека» на «Предмет Труда» и наоборот.

4) Ч2-ОС — влияние «Человека» как биологического объекта на «Среду».

5) ОС-Ч3 — влияние «Среды» на состояние организма «Человека».

6) ПТ-Ч3 — влияние состояния «Предмета Труда» на психофизиологическое состояние «Человека».

7) М1-ОС, М3-ОС — влияние «Машины» на «Среду».

8) Ч1-Ч2 — влияние интенсивности работы «Человека» на его интенсивность обмена веществ.

9) Ч1-Ч3, Ч3-Ч1 — влияние интенсивности труда на психофизиологическое состояние «Человека» и наоборот.

10) Ч3-Ч2 — влияние психофизиологических процессов на интенсивность биологических процессов в организме «Человека».

11) Ч1-М2 — контроль «Человеком» безопасной работы машины.

12) Ч1-М3 — контроль «Человека» влияния машины на «Среду».

13) ПТ-М2, М2-ПТ — влияние функций аварийной защиты на «Предмет Труда» и наоборот.

14) М1-М2, М2-М1 — влияние состояния функций аварийной защиты на оборудования.

15) ОС-М1 — влияние «Среды» на работу машины.

Исходя из анализа этой системы, согласно ГОСТ 12.0.003−74 можно выделить следующие ОВПФ, присутствующие на рабочем месте:

— физические факторы:

1 повышенный уровень ионизирующих излучений;

2 аномальный микроклимат, т. е. повышенная или пониженная влажность воздуха; повышенная подвижность воздуха; повышенная или пониженная температура воздуха;

3повышенная напряженность электромагнитного поля;

4 повышенный уровень звукового давления;

5 отсутствие или недостаток естественного освещения;

6 недостаточная освещенность рабочего места;

7 повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может пройти через тело человека.

— химические факторы: отсутствуют;

— биологические факторы: отсутствуют;

— психофизиологические факторы:

1 статические перегрузки;

2 эмоциональное и интеллектуальное напряжение;

3 перенапряжения зрительных анализаторов.

Следующим этапом проведем оценку условий труда на данном рабочем месте. В таблице 4.1 приведена оценка факторов производственной среды и трудового процесса.

При выявлении опасных и вредных факторов производственной среды был выявлен доминирующий фактор — повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека. Остальные факторы по гигиенической классификации условий труда позволяют отнести рабочее место к 3 классу I степени.

Таблица 4.1 — Оценка факторов производственной среды и трудового процесса

4.2 Техника безопасности В помещении используется трехфазная четырехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью, напряжением 220/380 В, ток переменный частотой 50 Гц.

По степени опасности поражения электрическим током согласно НПАОП 40.1−1.21−98, помещение производства относится к классу помещений без повышенной опасности, так как исключена возможность одновременного прикосновения человека к корпусам электрооборудования и заземленным металлическим конструкциям зданий и сооружений, имеющих связь с землей.

Для создания безопасных условий труда проводится вводный, первичный на рабочем месте, повторный, целевой и внеплановый инструктажи с обязательной регистрацией в журналах регистрации, согласно НПАОП 0.00−4.12−05.

Согласно НПАОП 40.1−1.32−01, в помещении проведено зануление, т.к. зануление основная мера защиты от поражения электрическим током в электроустановках напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью в случае прикосновения человека к металлическим корпусам электрооборудования и металлическим конструкциям, оказавшимся под напряжением вследствие повреждения изоляции или короткого замыкания сети или электроустановок.

Зануление — это намеренное соединение металлических нетоковедущих частей с нулевым проводом питающей сети (рис. 4.1). Время отключения поврежденного участка сети не более 0,2 с.

Рисунок 4.2 — Схема зануления В помещении, где одновременно используется более 5 персональный ЭВМ, на заметном и доступном месте устанавливается аварийный резервный выключатель, который может полностью отключить электропитание помещения, кроме освещения.

ЭВМ подключатюся к электросети с помощью штепсельных соединений и розеток заводского изготовления. Штепсельную электросеть прокладывают рядом со стенами, как правило, в металлических трубах. Открытая прокладка кабелей под полом запрещается.

Согласно НПУАП 40.1−1.21−98 проводится контроль изоляции не реже одного раза в год на участках фаза-фаза, фаза-нуль, фаза-нуль-защитный провод. Сопротивление изоляции не меньше 0,5 МОм.

Анализ условий труда позволил выявить опасный фактор производственной среды — повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека.

В связи с этим проведем проверочный расчет зануления, т. е. расчет правильности выбора сечения нулевого тока и автомата защиты.

Мощность потребления электрооборудования в помещении: Р=3,5кВт.

Определяем максимальный ток, потребляемый оборудованием:

Imax=PH/Uф = 3500/220 = 15,91 А,(4.1)

где Uф — напряжение электрической цепи, 220 В.

Выбираем защитный провод с резиновой и пластмассовой изоляцией (алюминий 2 жилы, в воздухе) по ПУЭ табл. 1.3.36 с экономической плотностью тока Jэк=1,7 А/мм2. Далее определяем сечение проводника по экономической плотности тока:

Sэк=Imax/Jэк = 15,91/1,7=9,36 мм2(4.2)

Выбираем S=10 мм2.

Определяем активное сопротивление петли «фаза-нуль». Так как сечение фазного проводника мало, принимаем сечение нулевого провода равным Sф, тогда Rн=Rф:

=0,7 Ом,(4.3)

где — удельное сопротивление, для алюминия — 0,028 Ом мм2/м;

l — длина провода до подстанции 250 м;

S — сечение проводника 10 мм².

Для алюминиевых проводов внутреннее индуктивное сопротивление фазного, нулевого проводов и внешнее индуктивное сопротивление «фаза-нуль» малы, ими можно пренебречь. Поэтому сопротивление петли «фаза-нуль»:

=0,7+0,7=1,4 Ом (4.4)

По формуле рассчитываем действительный ток короткого замыкания:

(4.5)

где — полное сопротивление обмоток трансформатора, =0,26 Ом.

Выбираем автоматический выключатель с номинальным током, исходя из формулы:

IH=Iкз/k = 132/1,25 = 105 A,(4.6)

где к — коэффициент кратности тока, принимается в пределах 1,25, если защита осуществляется автоматическим выключателем, имеющим только электромагнитный расцепитесь (для автоматов с Iном?100А).

4.3 Производственная санитария и гигиена труда Работа, выполняемая программистом в помещении с вычислительными машинами, связана с обработкой различных документов и информации, и подразумевает работу без физического напряжения. Согласно ДСН 3.3.6.042−99 работа относится к категории 1а (легкие работы).

Значение уровня шума в помещении, составляет 45 дБ, что согласно ДПН В.25−28−2006 отвечает нормам уровня шума до 50 дБ.

Поддержание на допустимом уровне значений факторов производственной среды и трудового процесса, определяющих микроклимат, осуществляется при помощи кондиционирования в теплое время года и с использованием отопления в холодное. Параметры микроклимата приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 — Нормированные параметры микроклимата

Зрительную работу программиста можно охарактеризовать как работу высокой точности: разряд зрительной работы — III, подразряд — а. Освещенность при работе с экраном дисплея Ен = 300 лк.

В данном помещении применяется одностороннее естественное боковое освещение. Естественное освещение для любой точки характеризуется коэффициентом естественной освещенности (КЕО). Необходимая освещенность естественным светом может быть обеспечена при определенном соотношении общей площади световых проемов и площади пола помещения. Норма КЕО при естественном освещении должна составлять более 2%. Общая площадь окон 12 м². Искусственная освещенность составляет 380 лк (при нехватке естественного освещения используются люминесцентные лампы).

Для создания благоприятных условий труда согласно НПАОП 0.00−1.28−10, требованиями к организации рабочего места для выполнения работ программиста клавиатура размещена на столе на высоте по отношению к полу 700 мм. Дисплей помещён на столе так, что его экран располагался в вертикальной плоскости под углом менее 15о. Во избежание перенапряжения органов зрения соблюдается расстояние до монитора 40−50 см.

В помещении для размещения ПЭВМ используются стандартные столы высотой 700 мм, ширина стола — 1600 мм, глубина стола — 800 мм (рис. 4.3).

При расположении рабочих мест необходимо придерживаться следующих условий:

— рабочие места с ЭВМ располагаются на расстоянии не меньше 1 м от стен с оконными проемами;

— расстояние между боковых поверхностей ЭВМ должно быть не меньше 1,2 м;

— расстояние между тыльной поверхностью одной ЭВМ и экраном другой ЭВМ не должно быть меньше 2,5 м;

— проход между рядами рабочих месть должен быть не меньше 1 м.

Для предупреждения утомления и повышения работоспособности лиц, работающих в помещении вычислительного центра необходимо установить рациональный режим труда и отдыха. Для программистов ЭВМ устанавливается восьмичасовой рабочий день с перерывом через 4 часа работы. Через каждый час работы вводится перерыв на 5−10 минут, а через 2 часа — на 15 минут. Направление взора оператора на рабочем месте выбрано параллельно плоскости расположения светильников с целью исключения слепящих яркостей, бликов и отражений от экрана монитора.

Для снижения электромагнитного излучения следует использовать жидко кристаллические или плазменные мониторы.

4.4 Пожарная профилактика По взрывопожарной и пожарной опасности производство в данном помещении в соответствии с НАПБ Б.03.001−2004 относится к категории В.

По пожарной опасности помещение относится к классу П-IIа, согласно НПАОП 4.01−1.21−98. Отдел разработок расположен в здании, выполненном из строительных конструкций II степени огнестойкости. В помещении имеются вещества и материалы, которые могут гореть (бумага, пластмасса, паркетный пол, деревянные столы, на которых стоит компьютерная техника и т. д.). Причинами возгорания в данном помещении могут являться: возможности замыкания в электрических цепях, нарушение правил пожарной безопасности. Согласно НПАОП 4.01−1.21−98 в помещении находятся электрические машины, аппараты со степенью защиты оболочки IP 44, так как установлены стационарно или на передвижных механизмах, не искрящие по условиям работы.

Предотвращение образования в горючей среде источников зажигания достигается контролем сети электропитания и соблюдением правил пожарной профилактики.

Для прекращения процесса горения используются углекислотные огнетушители. Т.к. они позволяют сохранить дорогостоящую технику от разрушительного воздействия пены, воды и песка.

Согласно требованиям в помещении необходимо разместить:

— два ручных углекислотных огнетушителя ВВК-1,4 (один огнетушитель на ЗПК, но не менее одного в помещении);