ШИФРОВАНИЕ ЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

Введение

Из года в год шифрование любого вида информации становится все сложнее и сложнее из-за прогрессивного роста киберпреступности.

В сравнении с числовой, текстовой и графической информацией, звуковая информация долгое время являлась технически сложной в реализации. И хотя методы и приёмы работы со звуковой информацией стали разрабатываться сравнительно недавно, в настоящее время этой проблемы практически не существует. В связи с этим, у звукозаписей отсутствует длительная и проверенная история шифрования. Из-за этого большинство методов шифрования звуковой информации двоичным кодом весьма далеки от стандартизации.

В данной статье рассмотрены современныевиды шифрования звуковой информации, описаны их достоинства и недостатки и предложен способ шифрования звуковой информации для передачи по открытым каналам сети.

1. Виды записи звуковой информации

В настоящее время методы информационных технологий позволяют оперативно и без особых усилий записывать на электронные носители и воспроизводить с них аудио файлы.

Способы звукозаписи можно разделить на две категории:

• Цифровая запись (формат WAV);
• MIDI-запись.

Известно, что цифровой записью или же записью формата WAV (WAVeform-audio) принято считать такую запись, при которой реальные звуковые волны преобразуются в цифровую информацию. Это происходит за счет измерения звука тысячи раз в секунду (каждую миллисекунду).

Для использования такого способа записи, у электронного носителя должна быть установлена звуковая карта. Это необходимо в связи с тем, что звуковые волны имеют сложную форму и для качественного оцифровывания необходима высокая частота квантования.

MIDI-запись же считается набором определенных команд, указывающими порядок нажатия клавиш на синтезаторе, к примеру, что приведет к воспроизведению определенной звуковой информации.

MIDI-синтезатор — это такое устройство, которое отвечает стандартам MIDI. Этот стандарт является общепринятой спецификацией, которая связана с организацией цифрового интерфейса музыкальных устройств. Данная спецификация включает в себя стандарт на аппаратную и программную части. MIDI спецификацию используют для создания локальной сети электронных инструментов (рис.1) [1].

Рисунок 1. Локальная сеть электронных инструментов

2. Методы шифрования звуковой информации

Компании, как правило, разрабатывают собственные корпоративные стандарты шифрования звуковой информации (aiff, .m4a – Apple, ape - Ashland Monkey's и др.) [2].

Принято различать два основных направления: метод FM (Frequency Modulation) и метод таблично волнового (Wave-Table) синтеза

2.1. Метод FM (Frequency Modulation)

Метод FM (англ., Frequency Modulation – частотная модуляция), – рис.2, – основан на теории разложения на примарные компоненты [3]. Согласно данной теории, любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, а, следовательно, может быть описан числовыми параметрами, т.е. кодом.

Рисунок 2. Метод FM, где:

а – звуковой сигнал на входе АЦП;

б – дискретный сигнал на выходе АЦП.

Звуковые сигналы, имеющие непрерывный спектр, называются аналоговыми. Для разложения аналоговых сигналов в гармонические ряды и кодирования их в форме дискретных цифровых сигналов, используются аналогово-цифровые преобразовательные устройства (АЦП). Для проведения обратного преобразования дискретных цифровых сигналов в звуковую информацию для воспроизведения (рис.3) используют цифро-аналоговые преобразующие устройства (ЦАП).

Рисунок 3. Метод FM, где:

а – дискретный сигнал на входе ЦАП;

б – звуковой сигнал на выходе ЦАП.

Существенным недостатком такого шифрования звуковой информации является неизбежная потеря данных. Использование метода FM приводит к снижению качества оригинальной звуковой дорожки. Полученный результат по качеству сравним со звучанием электромузыкальных инструментов в электронной музыке. Однако шифрование звуковой информации методом FM обеспечивает создание компактного кода, потребляющего минимум ресурсов. Данный метод имел широкое распространение во времена сильной ограниченности ресурсов средств вычислительной техники.

2.2. Метод таблично-волнового (Wave-Table) синтеза

В современном мире метод таблично-волнового синтеза широко распространен прежде всего из-за того, что он лучше всего соответствует текущему уровню техники.

Используя метод Wave-Table, необходимо предварительно подготовить таблицы, в которых будут храниться образцы звуков для самых различных музыкальных инструментов. Такие образцы принято именовать сэмплами (англ., sample – образец).

Числовые коды отображают типы инструментов, номера их моделей, высоту тона, интенсивность, продолжительность звука и другие параметры, характеризующие звуковую информацию. В связи с тем, что роль сэмплов исполняют реальные существующие в природе звуки, то качество выходит очень высоким и сравнимо с качеством звучания реальных музыкальных инструментов.

Недостаток данного метода - необходимость предварительной подготовки тембров. Сэмплы могут занимать большой объем памяти, а разные модели синтезаторов могут воспроизводить различное звучание из-за различий наборов стандартных инструментов.

3. Способ шифрования звуковой информации

Рассмотрим пример шифрования звуковой информации на примере составленной нами программы Code16, написанной на языке Borland Delphi 7.

Рисунок 4. Пользовательский интерфейс программы Code16, где:

а – график зависимости амплитуды от времени;

б – кнопка выбора файла для построения графика (а);

в – кнопка воспроизведения/остановки wav файла;

г – кнопки, отвечающие за шифрование и расшифровку wav файла;

д – окна вывода и ввода кода доступа;

е – окна ввода личных кодов отправителя и получателя;

ж – окно вывода характеристик wav файла.

3.1. Шифрование wav файла

При нажатии кнопки “Зашифровать”, если не были заполнены поля “Пароль отправителя/получателя”, программа предложит заполнить их (рис.5).

Рисунок 5. Пример окна программы, всплывающее при пустом поле

После введения паролей необходимо выбрать оригинальный wav файл для шифрования, а затем выбрать место сохранения и имя зашифрованного wav файла и txt файла. В итоге мы получим 2 новых файла для дальнейшей расшифровки.

Рисунок 6. Пример окон выбора и сохранения файла.

Далее начинается процесс шифрования wav файла по специальному алгоритму, включающему следующие этапы:

1. Извлечение амплитуды файла в динамический байтовый массив, каждый элемент которого находится в диапазоне от 0 до 255.

2. Генерация кода доступа случайной длины (5-12 символов), который записывается в массив.

3. Обращение к элементам динамического массива и умножение его на элемент массива кода, принадлежащий индексу, полученным путём остатка от деления индекса динамического массива на длину кода доступа (при 0 он приравнивается к длине кода доступа).

4. Запись числа динамического массива в txt файл согласно алгоритму:

1. Если при умножении получается число больше 255, то строчке присваивается значение текущего элемента динамического массива. Если же при умножении получается число меньше 256, то строчке присваивается значение 0.
2. Шифрование txt файла с использованием двух паролей (получателя и отправителя), один из которых является комбинацией знаков (0 – умножение, 1 – сложение, 2 – вычитание и т.д.), а другой представляет собой комбинацию чисел.

­

Рисунок 7. Примеры оригинальных и зашифрованных файлов, где:

а – амплитуда оригинального wav файла;

б – амплитуда зашифрованного wav файла;

в – значения в зашифрованном txt файле (значения не в байтовой системе);

г – значения оригинального txt файла (значения в байтовой системе).

3.2. Дешифрование wav файла

Для дешифрования звукового файла wav формата необходимо ввести в специально отведённые поля код доступа, пароль получателя и отправителя. Если ошибочно забыли ввести данную информацию, то всплывёт окно для ввода данных, как показано на рис.5.

Аналогично пункту 3.1 открываются окна выбора зашифрованного wav и txt файла, а также окно сохранения расшифрованного wav файла (пример окон на рис.6), данные wav файла также сохраняются в динамический массив для дальнейшей расшифровки.  Сначала расшифруется txt файл с помощью паролей отправителя и получателя используя обратные действия (умножение – деление, сложение - вычитание). Затем используя расшифрованный txt файл и код доступа, расшифруем элементы динамического массива:

1. Если в txt файле встречается 0, затем элемент динамического массива делится на соответствующий элемент массива кода доступа (целочисленное деление).
2. Если встречается число, отличное от нуля, тогда элементу динамического массива присваивается значение строчки расшифрованного txt файла.

Заключение

В различных видах шифрования, звуковая информация преобразуется в числовую форму и кодируется в набор нулей и единиц и представляется в некотором универсальном виде. Универсальность представления таких данных не дает возможности определить какая конкретно информация закодирована в шифре: текст, картинка, музыка или видеозапись - это дает дополнительные преимущества усиления криптостойкости алгоритмов шифрования. Предлагаемый способ шифрования звуковой информации может использоваться в различных целях, в частности:

• Скрыть смысловое содержание ведущегося разговора;
• Скрыть тематику ведущегося разговора и т.д.,

что в настоящее время практикуется во всех современных использующихся мессенджерах (WhatsApp, Facebook Messenger, Viber, Telegram и др.)

Представленный в статье алгоритм удобно использовать для шифрования аудиосообщений в целях совершенствования безопасности передачи данных.

Список литературы:

1. Артюшенко В. М., Афонин М. Ю., Шелухин О. И. Цифровое сжатие видеоинформации и звука – Дашков и Ко, 2004 – 371 с.
2. Все о звуке и звукорежиссуре http://sound-editor.blogspot.com
3. Голиков А.М. Модуляция, кодирование и моделирование в телекоммуникационных системах. Теория и практика. – СПб.: Лань, 2018 – 468 с.
4. Никифоров С. Н., Методы защиты информации. Шифрование данных – СПб.: Лань, 2018 – 106 с.
5. Шниперов А. В., Высокоскоростное шифрование – М.: LAP Lambert Academic Publishing, 2012 – 104 с.