ОБЗОР МЕТОДОВ ЦИФРОВОЙ АУДИО СТЕГАНОГРАФИИ

1. ВВЕДЕНИЕ В АУДИО СТЕГАНОГРАФИЮ

Слово стеганография происходит от греческих слов: «steganos», что дословно означает «скрывать» или «секрет» и «-graphy», что означает «письмо» или «рисование». Отсюда, стеганография – это искусство сокрытия секретной информации в файле таким образом, что только отправитель и получатель могут знать о ее наличии. Конфиденциальная информация закодирована так, что само существование сообщения утаивается.

Основная цель стеганографии – это безопасный обмен данными совершенно незаметным образом, который отрицает сам факт наличия секретных сообщений. Если метод стеганографии вызывает у кого-то подозрения, то такой метод необходимо признать неудачным.

Основная модель аудио стеганографии состоит из носителя (аудио файл), сообщения и пароля. Под носителем понимается файл, который скрывает или будет скрывать секретную информацию. Стеганографическая модель изображена на рис.1. Сообщение – это данные, которые отправитель хочет оставить в тайне. В качестве передаваемого сообщения могут выступать простой текст, изображение, аудио и другие типы файлов. Пароль символизирует ключ, зная который, получатель сможет гарантированно декодировать сообщение из файла. Файл-носитель с конфиденциальной информацией называется стегофайлом.

Рисунок 1. Стеганографическая модель.

Процесс сокрытия информации состоит из следующих двух шагов:

1. Идентификация избыточных битов в файле-носителе. Избыточными битами называются те биты, которые могут быть модифицированы без порчи качества или нарушения целостности файла-носителя.
2. Избыточные биты в файле-носителе заменяются битами секретной информации.

2. БАЗОВЫЕ ПОДХОДЫ В АУДИО СТЕГАНОГРОФИИ

2.1. МЕТОД LSB

Одним из самых распространённых методов является LSB (Least Significant Bit, наименьший значащий бит) алгоритм, который заменяет наименьший значащий бит в нескольких байтах файла-носителя, чтобы скрыть последовательность байтов, содержащих скрытые данные. Это, как правило, эффективно тогда, когда замена младшего бита не влечет за собой значительное ухудшение качества.

Например, имеется 8-битное изображение в градациях серого. 00h (00000000b), что обозначает чёрный цвет, FFh (11111111b) — белый. Всего имеется 256 градаций (2⁸). Допустим, что сообщение состоит из 1 байта — например, 01101011b. При использовании 2 младших бит в описаниях пикселей, потребуется 4 пикселя. Допустим, они чёрного цвета. Тогда пиксели, содержащие скрытое сообщение, будут выглядеть следующим образом: 00000001 00000010 00000010 00000011. Тогда цвет пикселей изменится: первого — на 1/255, второго и третьего — на 2/255 и четвёртого — на 3/255. Такие градации, мало того, что практически незаметны для человека, могут вообще не отобразиться при использовании низкокачественных устройств вывода.

Методы LSB являются неустойчивыми ко всем видам атак и могут быть использованы только при отсутствии шума в канале передачи данных.

2.2. ЧЕТНОЕ КОДИРОВАНИЕ

Четное кодирование является одним из самых надежных способов аудио стеганографии. Вместо того, чтобы разбивать сигнал в отдельных выборках, этот метод разбивает сигнал на отдельные части и встраивает каждый бит секретного сообщения в четный бит. Если четный бит в выбранной области не подлежит кодированию в секретный бит, то процесс инвертирует младший бит одной из выборки данной области. На рис.2 представлена процедура такого кодирования.

Рисунок 2. Четное кодирование.

2.3. ФАЗОВОЕ КОДИРОВАНИЕ

Метод фазового кодирования работает путем замены фазы исходного звукового сегмента на опорную фазу, которая представляет собой секретную информацию. Остальные сегменты фазы корректируются для сохранения определенной фазы между сегментами. С точки зрения отношения сигнала к шуму, фазовое кодирование является одним из наиболее эффективных методов кодирования. Когда происходит резкое изменение фазового соотношения между каждой частотной составляющей, шумы становятся заметными. Тем не менее, если фазу модифицировать не сильно, то человеческое ухо не распознает каких-либо изменений. Исходя из этого можно сказать, что этот метод основан на том, что изменения, внесенные в аудиофайл, будут незаметны для человеческого слуха.

Фазовое кодирование включает в себя следующие шаги:

1. Разделить оригинальный звуковой сигнал на более мелкие сегменты таким образом, чтобы их общая длина была равна длине сообщения;
2. Создается матрица фаз с помощью дискретного преобразования Фурье;
3. Вычисляется разность фаз между соседними сегментами;
4. В связи с тем, что фазовые сдвиги между двумя соседними сегментами могут быть легко обнаружены, в стегосигнале должны быть сохранены разности фаз. Поэтому секретное сообщение встраивается только в фазу первого сегмента:

5. Используя новую фазу первого сегмента создается новая матрицы фаз и разницы между ними;
6. Звуковой сигнал восстанавливается путем применения обратного дискретного преобразования Фурье с использованием новой матрицы и исходной матрицы величин, после чего звуковые сегменты сцепляются.

Получатель должен знать длину сегмента, чтобы извлечь секретное сообщение из звукового файла. После чего получатель с помощью дискретного преобразования Фурье может извлечь секретную информацию.

Рисунок 3. Фазовое кодирование.

2.4. МЕТОД РАСШИРЕННОГО СПЕКТРА

В аудио стеганографии метод расширенного спектра пытается передать секретные сведения по спектру частот звукового сигнала. Этот метод чем-то схож с методом LSB, который передает биты сообщения случайным образом по всему звуковому файлу. Тем не менее, в отличие от способа LSB, метод расширенного спектра распространяет секретную информацию по спектру частот звукового файла, используя код, который не зависит от фактического сигнала. В результате конечный сигнал занимает полосу пропускания, которая размером больше, чем требуемый размер для передачи.

Метод расширенного спектра может внести вклад в повышение производительности по сравнению с методами LSB, фазового и четного кодирований путем умеренной скорости передачи данных и высоким уровнем устойчивости. Однако, метод расширенного спектра имеет один существенный недостаток – он может вносить шум в аудиофайл. Схема работы метода на рис.4.

Рисунок 4. Схема работы метода расширенного спектра.

2.5. ЭХО-МЕТОД

Данный метод встраивает секретную информацию в звуковой файл, вводя эхо в дискретный сигнал. Главные преимущества эхо-метода – это высокая скорость передачи данных, а также повышенная устойчивость по сравнению с другими методами. Если из исходного сигнала можно выделить только одно эхо, то может быть закодирован только один бит секретной информации. Следовательно, перед началом процесса кодирования исходный сигнал разбивается на блоки. После выполнения кодирования блоки объединяются вместе, чтобы образовать окончательный выходной сигнал.

Рисунок 5. Пример работы эхо-метода.

ВЫВОД

Основные недостатки использования таких методов как эхо, расширенного спектра и четности кодирования заключаются в том, что они вносят шум в аудиофайл, который может быть довольно различимым для человеческого уха, а также надежность данных методов вызывает вопросы.

Фазовое кодирование имеет основной недостаток, заключающийся в низкой скорости передачи данных из-за того, что секретное сообщение кодируется только на первом сегменте сигнала. Следовательно, этот метод используется только тогда, когда передается небольшое количество данных.

Среди выше предложенных методов стеганографии метод наименьшего значащего бита или LSB является самым простым методом для встраивания секретной информации. Метод LSB позволяет закодировать большое количество данных в звуковой файл, обеспечивает более высокий уровень безопасности по сравнению с другими методами, является эффективным методом для сокрытия секретной информации от злоумышленников, а также гарантирует неизменность размера файла даже после кодирования и подходит для любого типа формата аудиофайла.

Список литературы:

1. Публикации для учащихся [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://shkolnie.ru/informatika/6169/index.html (дата обращения: 17.05.2016)
2. База знаний «allbest» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://knowledge.allbest.ru/programming/3c0a65625b3ad78b5d43a88521216d37_0.html (дата обращения: 17.05.2016)
3. Грибунин В. Г., Оков И. Н., Туринцев И. В. Цифровая стеганография. - М.: Солон-Пресс, 2002.
4. Пономарев К.И. Стеганография: история и современные технологии. МИЭМ, 2009.
5. Min Wu, Bede Liu. “Multimedia Data Hiding”, Springer- Verlag New York, 2003.
6. W. Bender, W. Butera, D. Gruhl, R. Hwang, F. J. Paiz, S. Pogreb, “Techniques for data hiding”, IBM Systems Journal, July 2000.
7. Robert Krenn, “Steganography and steganalysis”, January 2004.