Сорока Н.И., Кривинченко Г.А. Теория передачи информации

Подождите немного. Документ загружается.

241

мала, может быть достигнуто скрытие, неощутимое на слух. Разумеется, моди-

фикация считается малой по отношению к конкретному наблюдателю, по-

скольку специалисты по спектральному анализу способны обнаружить те изме-

нения, которые непрофессионалу могут показаться незначительными.

Процедура фазового кодирования заключается в следующем:

-Звуковая последовательность

[],(1)

Si iI

££

разбивается на серию

ко-

ротких сегментов (блоков)

[],(1)

Si nN

££ – рисунок 11.5, а, б.

-К n-му сегменту сигнала

[]

применяется

-точечное ДПФ, где

K IN

, и создаются массивы фаз

()

И амплитуд

()

для

££

(рису-

нок 11.5, в).

-Запоминается разность фаз между каждыми соседними сегментами для

££

(рисунок 11.5,г):

() () (); ()0.

nk nk n k k

fw fw f w fw

D= - D=

(11.8)

-Двоичная последовательность данных представляется как

data

или

data

=- , отображая, соответственно, “1” или “0” (рисунок 11.5, д):

()

k data

fwf

-С учетом разности фаз воссоздается новый массив фаз для

(рисунок

11.5, е).

212

()

() () ()

...

() () ()

...

()()()

k data

kkk

nk n k nk

Nk N k Nk

fwf

fw fw fw

fw f w fw

= +D

(11.9)

-Восстановление звукового сигнала осуществляется путем применения

операции обратного ДПФ к исходной матрице амплитуд и модифицированной

матрице фаз (рисунок 11.5, ж, з).

Перед процессом расшифровывания должна быть проведена синхрониза-

ция последовательности. Приемной стороне должны быть известны длина сег-

мента, точки ДПФ и интервал данных. Значение основной фазы первого сег-

мента определяется как "0" или "1", которые представляют закодированную

двоичную последовательность.

242

а) Исходный сигнал

б) Разбитие S на N

сегментов

в) Выделение амплитуды и

фазы каждого сегмента

г) Вычисление разности фаз

между соседними сегментами

д) Для сегмента

создается ис-

кусственная абсолютная фаза

243

е) Для всех остальных сегментов

создаются новые массивы фаз

()

ж) Новая фаза и исходная амплитуда

объединяются для получения нового

сегмента

з) Новые сегменты объединяют

вместе для получения “запол-

ненного” сигнала-контейнера

Рисунки 11.5 – Последовательность фазового кодирования

11.5.3. Метод расширения спектра (временная область)

В стандартном канале связи нередко бывает желательным сосредоточить

информацию в как можно более узком диапазоне частотного спектра, напри-

мер, для того чтобы сохранить имеющуюся полосу пропускания и уменьшить

мощность сигнала. С другой стороны, основной метод расширения спектра

предназначен для шифрования потока информации путем "рассеивания" коди-

рованных данных по всему возможному частотному спектру. Последнее делает

возможным прием сигнала даже при наличии помех на определенных частотах.

В [21] рассматривается технология расширения спектра сигнала прямой

последовательностью (РСПП). Как уже указывалось выше (см. методы скрытия

данных в изображении путем расширения спектра), методы РСПП расширяют

244

сигнал данных (сообщения), умножая его на элементарную посылку – ПСП

максимальной длины, модулированную известной частотой.

Поскольку аудиосигналы, используемые в качестве контейнеров, имеют

дискретный формат, то для кодирования в качестве частоты элементарной по-

сылки можно использовать частоту дискретизации. Как следствие, дискретный

характер сигнала устраняет наиболее сложную проблему, которая возникает при

получении сигнала с расширенным прямой последовательностью спектром, –

корректное определение начала и конца составляющих элементарной посылки с

целью фазовой синхронизации. Следовательно, возникает возможность исполь-

зования намного более высокой частоты следования элементарных посылок, и,

таким образом, получения значительной связанной с ней скорости передачи дан-

ных.

В РСПП для шифрования и дешифрования информации необходим один и

тот же ключ – псевдослучайный шум, который в идеальном случае имеет плос-

кую частотную характеристику во всем диапазоне частот (так называемый бе-

лый шум). Ключ применяется к скрываемой информации и трансформирует ее

последовательность в последовательность с расширенным спектром.

Метод РСПП по отношению к аудиосигналам заключается в следующем.

Сигнал данных умножается на сигнал несущей и псевдослучайную шумовую

последовательность, характеризующуюся широким частотным спектром. В ре-

зультате этого спектр данных расширяется на всю доступную полосу. В даль-

нейшем последовательность расширенных данных ослабляется и прибавляется

к исходному сигналу как аддитивный случайный шум.

11.5.4. Скрытие данных с использованием эхо-сигнала

Данный метод подразумевает под собой встраивание данных в аудиосиг-

нал – контейнер путем введения в него эхо–сигнала [21]. Данные скрываются

изменением трех параметров эхо–сигнала: начальной амплитуды, скорости за-

тухания [(начальная амплитуда – затухание)/

] и сдвига (рисунок 11.6).

Рисунок 11.6 – Регулируемые параметры эхо–сигнала

245

Когда сдвиг (задержка) между первичным и эхо–сигналом уменьшается,

начиная с некоторого значения задержки, ССЧ становится не способной обна-

ружить разницу между двумя сигналами, а эхо–сигнал воспринимается только

как дополнительный резонанс. Упомянутое значение трудно определить точно,

поскольку оно зависит от качества первичной звукозаписи, типа звука, для ко-

торого формируется эхо–сигнал, и

в конечном итоге, – от слушателя.

В общем случае согласно [21] для большинства звуков и большинства

слушателей смешивание происходит при задержке, соответствующей прибли-

зительно одной миллисекунде.

Стеганокодер использует два времени задержки: одно для представления

двоичного нуля ("сдвиг" на рисунке 11.6), а другое – для представления двоич-

ной единицы ("сдвиг +

"). Оба времени задержки меньше того предельного

времени, за которое ССЧ способна распознать эхо–сигнал. Кроме уменьшения

времени задержки для обеспечения неощущаемости также можно установить

уровни начальной амплитуды и времени затухания, которые бы не превышали

порог чувствительности ССЧ.

Для того чтобы в первичный сигнал закодировать более одного бита, сиг-

нал раскладывается на меньшие сегменты. Каждый сегмент при этом рассмат-

ривается как отдельный сигнал и в него может быть встроен (путем эхо–

отображения) один бит информации. Результирующий закодированный сигнал

(содержащий несколько бит) представляет собой новое объединение всех неза-

висимо закодированных сегментов исходного сигнала.

На рисунке 11.7 изображен пример, при котором сигнал был разделен на

7 равных сегментов, помеченных как

,,, ,,

abcdef

Рисунок 11.7 – Разбиение первичного сигнала на меньшие сегменты

для встраивания информации, представляющей собой последователь-

ность двоичных данных

Пусть необходимо, чтобы сегменты

acd

содержали "1". Следова-

тельно, для каждого из них нужно применить системную функцию представле-

ния единицы (рисунок 11.6). Каждый сегмент индивидуально сворачивается с

системной функцией. Нули, помещенные в сегменты

, кодируются ана-

логично, используя способ представления нуля (рисунок 11.6).

Полученные после сворачивания с соответствующей функцией результа-

ты повторно объединяются.

Для достижения минимальной заметности повторного объединения, в

[21] предварительно предлагается создать отдельные "единичный" и "нулевой"

246

эхо– сигналы, повторяя первичный и используя соответствующие представле-

ния "1" и "0". Полученные в результате сигналы изображены на рисунок 11.8.

Рисунок 11.8 – Создание "единичного" и "нулевого" эхо–сигналов (более

светлая линия)

"Единичный" и "нулевой" эхо–сигналы содержат, соответственно, только

единицы и нули. Для того чтобы объединить эти два сигнала, также создаются

два смешивающих сигнала (рисунок 11.9), которые представляют собой после-

довательность двоичных данных, состояние которой зависит оттого, какой бит

необходимо скрыть в том или ином сегменте первичного сигнала.

Рисунок 11.9 – Смешивающие сигналы

"Единичный" и "нулевой' смешивающие сигналы умножаются на соот-

ветствующие им эхо–сигналы. Иными словами, последние масштабируются

единицей или нулем на протяжении всего времени действия сигнала в зависи-

мости от того, какой бит предусматривается поместить в любой из его отдель-

ных сегментов. В дальнейшем два результата складываются друг с другом.

Необходимо заметить, что "нулевой" смешивающий сигнал представляет

собой инверсию "единичного". Кроме этого, фронты переходов каждого из сиг-

247

налов являются наклонными. Сумма обоих смешивающих сигналов всегда рав-

няется единице. Все это позволяет получить плавный переход между сегмента-

ми, кодированными разными битами, а также предотвращает возникновение

резких изменений в звучании результирующего (смешанного) сигнала.

Структурная схема, которая отображает полный процесс встраивания, по-

казана на рисунке 11.10

Рисунок 11.10 – Структурная схема встраивания информации методом

эхо–сигнала

Извлечение вложенной информации подразумевает под собой выявление

интервала между эхо–сигналами отдельных сегментов.

11.6. Скрытие данных в тексте

Для скрытия конфиденциальных сообщений в тексте (так называемая

лингвистическая стеганография) используется или обычная избыточность

письменной речи, или же форматы представления текста.

Наиболее сложным объектом для скрытия данных по многим причинам

является электронная (файловая) версия текста. В отличие от текстового файла

его "жесткая" копия (например, бумажная) может быть обработана как высо-

коструктурированное изображение и поэтому является относительно легко

поддающейся разнообразным методам скрытия, таким как незначительные из-

менения формата текстовых шаблонов, регулирование расстояния между опре-

деленными парами символов (кернинг), расстояния между строками и т.п. В

значительной степени такая ситуация вызвана относительным дефицитом в

текстовом файле избыточной информации, особенно в сравнении с графиче-

скими или, например, звуковыми файлами. В то время как в большинстве слу-

чаев существует возможность внести незаметные глазу и неощутимые на слух

модификации в изображение и звук, даже дополнительная буква или знак пунк-

туации в тексте могут быть легко распознаны случайным читателем.

Скрытие данных в тексте требует поиска таких модификаций, которые

были бы незаметными подавляющему большинству читателей. Авторы [21]

248

рассматривают три группы методов, которые получили наибольшее распро-

странение при встраивании скрываемых данных в текст:

–методы произвольного интервала, которые осуществляют встраивание

путем манипуляции с пробельными символами (свободным местом на печатной

полосе);

–синтаксические методы, которые работают с пунктуацией;

–семантические методы, в основу алгоритмов которых положено манипу-

лирование словами, зависимое от скрываемых бит данных.

11.6.1. Методы произвольного интервала

Существует, по меньшей мере, две причины, по которым манипулирова-

ние свободным местом в определенных случаях показывает довольно неплохие

результаты. Во–первых, изменение количества пробелов в конце текстовой

строки не вызывает существенных изменений в значении фразы или предложе-

ния. Во–вторых, среднестатистический читатель вряд ли заметит незначитель-

ные модификации свободного места страницы текста.

В [21] предложено три метода, которые для скрытия данных используют

свободное место в тексте. Указанные методы оперируют с интервалами между

предложениями, пропусками в конце текстовых строк и интервалами между

словами в тексте, выровненном по ширине.

11.6.1.1. Метод изменения интервала между предложениями. Метод

изменения интервала между предложениями позволяет встраивать в текст со-

общение, имеющее двоичный формат, путем размещения одного или двух про-

белов после каждого символа завершения предложения. В качестве символов

окончания предложения могут служить, к примеру, точки в обычном тексте,

точки с запятой для кода программ на языке С++ и т.п. При этом единичным

пробелом может кодироваться бит "1", двойным – бит "0".

Кроме несомненной простоты, данный метод имеет и ряд недостатков.

Во–первых, он не эффективен, поскольку для встраивания незначительного ко-

личества бит требуется текст значительного объема. В частности, один бит, ко-

торый возможно скрыть в одном предложении, эквивалентен скорости переда-

чи данных, соответствующей приблизительно одному биту на 160 байт тексто-

вого контейнера, при условии, что в среднем предложение представляет собой

две строки по 80 символов каждая.

Во–вторых, возможность скрытия весьма зависит от структуры текстово-

го контейнера (некоторые тексты, как например, верлибры или свободные сти-

хи характеризуются отсутствием стабильных согласованных или однозначных

знаков завершения строки).

В-третьих, существуют текстовые редакторы, которые автоматически

устанавливают после точки в конце предложения один–два пробела (так назы-

ваемое автозавершение). И, наконец, как отмечается в [21], непоследовательное

и противоречивое использование свободных мест может оказаться достаточно

заметным для читателя.

249

11.6.1.2. Метод изменения количества пробелов в конце текстовых

строк. Еще один метод использования свободных мест полосы текста для

встраивания конфиденциальных данных заключается в добавлении пробелов в

конец каждой текстовой строки. Количество добавляемых пробелов зависит от

значения встраиваемого бита. Два пробела кодируют один бит на строку, четы-

ре пробела – два бита, восемь – три и т.д. Такой подход позволяет существенно

увеличить, по сравнению с предыдущим методом, количество информации, ко-

торую можно скрыть в тексте аналогичного объема.

Дополнительные преимущества указанного метода состоят в том, что он

может быть применен к любому тексту. Изменения в формате последнего будут

в достаточной степени незаметными, поскольку используемые при этом сво-

бодные места являются периферийными по отношению к основному тексту.

Недостатком данного (как, в конечном счете, и предыдущего) метода яв-

ляется то, что некоторые программы обработки текста могут непреднамеренно

удалять дополнительно внесенные пробелы. Кроме того, характерным недо-

статком рассматриваемого метода является очевидная невозможность извлече-

ния скрытых данных из бумажной копии текста (из–за невидимости пробелов).

11.6.1.3. Метод изменения количества пробелов между словами вы-

ровненного по ширине текста. Данный метод позволяет скрывать данные в

свободных местах текста, выровненного по ширине. При этом биты данных

встраиваются путем управляемого выбора позиций, в которых будут размеще-

ны дополнительные пробелы. Один пробел между словами интерпретируется

как "0". Два пробела – как "1". В среднем метод позволяет встраивать по не-

сколько бит в одну строку.

Рассмотренные методы произвольного интервала эффективны, при усло-

вии, что текст представлен в формате ASCII. Как было уже отмечено выше, не-

которые данные могут оказаться утраченными после распечатывания текста. Пе-

чатные документы выдвигают к скрытию данных такие требования, которые да-

леко выходят за возможности текстового файла при кодировании ASCII. При

этом скрытие данных в «жестких» копиях текста может выполняться путем не-

значительных изменений расстояния между словами и отдельными буквами, из-

менением позиций базовых линий (линий, на которых лежат наиболее низкие

элементы букв или знаков пунктуации строки), изменением форм символов и т.п.

11.6.2. Синтаксические и семантические методы

Тот факт, что свободное место для встраивания выбирается произвольно,

является одновременно как преимуществом, так и недостатком с точки зрения

скрытости данных. Обычный читатель может и не заметить манипуляции с тек-

стом, тогда как текстовый редактор способен автоматически изменить количе-

ство и размещение пробелов, таким образом разрушая скрытые данные.

Низкая стойкость к атакам, в свете возможного переформатирования до-

кумента, выступает одной из причин поиска других методов встраивания дан-

ных в текстовые контейнеры. Кроме этого, синтаксические и семантические

методы вообще никоим образом не используют свободные места в тексте, кар-

250

динально отличаясь от рассмотренных выше алгоритмов. Однако, все они мо-

гут использоваться одновременно, дублируя или же дополняя друг друга.

К синтаксическим методам текстовой стеганографии относятся методы

изменения пунктуации и методы изменения структуры и стиля текста [21]. Су-

ществует немало случаев, когда правила пунктуации являются неоднозначными

и несоблюдение их не влияет существенно на общее содержание текста. Так,

например, фразы "красный, зеленый, синий" и "красный, зеленый и синий" экви-

валентны друг другу. Тот факт, что выбор подобных форм может быть произ-

вольным (разумеется, с позиций используемого в качестве контейнера текста,

поскольку очевидно, что стеганосистема, построенная на основе видоизменения

текста, известного широкому кругу лиц (например, классики), вряд ли может

считаться надежной), и используется при построении стеганосистем на основе

синтаксических методов. Периодическое изменение форм при этом может быть

поставлено в соответствие с двоичными данными. Например, появление в тексте

формы перечисления с союзом "и" может подразумевать под собой встроенный

бит "1", в то время как отсутствие союза при перечислении будет говорить о том,

что в данном случае встроен бит "0". Другим примером может служить исполь-

зование сокращений и аббревиатур. Средняя скорость передачи данных такими

методами составляет несколько бит на один килобайт текста [21].

Однако, в то время как письменный язык предоставляет достаточно воз-

можностей для синтаксического скрытия данных, эти возможности исчезают в

известных классических произведениях. Кроме того, хотя некоторые из правил

пунктуации и считаются неоднозначными, их противоречивое использование

может стать объектом внимания для цензора. Также возможны случаи, когда

изменение пунктуации приводит к снижению воспринимаемости текста или же

к приобретению текстом диаметрально противоположного смысла. Поэтому

синтаксические методы рекомендуется применять с осмотрительностью [21].

К синтаксическим методам также относятся методы изменения стиля и

структуры текста без значительного изменения его смысловой нагрузки.

Например, предложение "Существует немало случаев, когда правила пунктуа-

ции являются неоднозначными" можно сформулировать как "Правила пунктуа-

ции являются неоднозначными во многих случаях". Такие методы являются бо-

лее незаметными для посторонних, по сравнению с методами изменения пунк-

туации, однако возможность их использования ограничена сложностью автома-

тизирования процесса стеганографического встраивания и извлечения бит со-

общения.

Семантические методы подобны синтаксическим. Наряду с этим, вместо

того чтобы встраивать двоичные данные, используя двусмысленность грамма-

тической формы, семантические методы определяют два синонима, которые

отвечают значениям скрываемых бит. К примеру, слово "но" может быть по-

ставлено в соответствие к "0", а слово "однако" – к "1".

Для проведения скрытия с использованием семантических методов необ-

ходимо наличие таблицы синонимов. Кроме того, как отмечается в [21], если

слову отвечает достаточно большое количество синонимов, возникает возмож-