Сокрытие информации в звуковой среде

Особое развитие нашли методы цифровой стеганографии в аудиосреде. С их помощью обеспечивается пересылка больших объемов скрытых данных в звуковых сообщениях, которые транслируются по телевизионной, радио или телефонной сети. Современные средства телекоммуникации позволяют передавать звуковые сигналы не только в реальном времени, но и в цифровом формате через любую сеть передачи данных. Известно, что слуховой аппарат человека функционирует в широком динамическом диапазоне; он очень чувствителен к случайным аддитивным помехам, способен различать относительную фазу, совсем нечувствителен к абсолютной фазе. Эти особенности слухового аппарата позволяют удачно использовать стеганографические методы в аудиосреде.

Стеганографические методы защиты данных в звуковой среде

Метод наименьших значащих битовприменяется при цифровом представлении аудиосигнала и пригоден для использования при любых скоростях связи. При преобразовании звукового сигнала в цифровую форму всегда присутствует шум дискретизации, который не вносит существенных искажений. “Шумовым” битам соответствуют младшие биты цифрового представления сигнала, которые можно заменить скрываемыми данными. Например, если звуковой сигнал представлен в 16-битовом виде, то изменение четырех младших битов не приведет к заметным на слух искажениям. В качестве стегоключа обычно используется указатель местоположения битов, в которых содержатся скрываемые данные.

Методы широкополосного кодированияиспользуют те же принципы, что методы сокрытия данных в изображениях. Их суть заключается в незначительной одновременной модификации целого ряда определенных битов контейнера при сокрытии одного бита информации. Существует несколько разновидностей метода. В наиболее распространенном варианте исходный сигнал модулируется высокоскоростной псевдослучайной последовательностьюw(t), которая определена на области значений{-1, 1}. Вследствие этого для передачи результата необходима большая (иногда более чем в 100 раз) полоса пропускания. Обычно последовательностиw(t)выбирают ортогональными к сигналу контейнера. Результирующий стегосигналs(t)представляет собой суммарный сигнал контейнераc(t)и скрываемых данныхd(t):

s(t) = v(t) + d(t)w(t),

где коэффициент затухания предназначен для выбора оптимального уровня шума, который вносится вставляемыми данными.

Для извлечения скрытых данных d(t)на принимающей стороне необходимо иметь туже самую псевдослучайную импульсную последовательностьюw(t), обеспечив при этом ее синхронизацию со стегосигналом:s(t)w(t) = v(t)w(t) + d(t). В связи с этим данную псевдослучайную битовую последовательность обычно используют в качестве стегоключа.

Метод сокрытия в эхо-сигнале. Скрывать данные можно также путем внедрения эха в звуковой сигнал. Известно, что при небольших временных сдвигах эхо-сигнал практически неразличим на слух. Поэтому, если ввести определенные временные задержки (например, ₁для единичного бита данных и₀ — для нулевого), величина которых не превышает порог обнаруживаемости, то, разбивая исходный звуковой сигналv(t)на сегменты, в каждый из них можно ввести соответствующий эхо-сигнал, в зависимости от скрываемого бита:c(t) = v(t) + v(t – ).

В базовой схеме предусмотрено сокрытие в аудиосигнале одного бита, но сигнал можно разбить случайным образом на lотрезков и в каждый их них вставить по биту. Для выделения эхо-сигнала и восстановления скрытых данных применяется автокорреляционный анализ. В качестве стегоключа здесь обычно используются значения величин₀и₁с учетом выбранных границ для отрезков.

Фазовые методы сокрытияприменяются как для аналогового, так и для цифрового сигнала. Они используют тот факт, что плавное изменение фазы на слух определить нельзя. В таких методах защищаемые данные кодируются либо определенным значением фазы, либо изменением фаз в спектре. Если разбить звуковой сигнал на сегменты, то данные обычно скрывают только в первом сегменте при соблюдении двух условий:

• сохранность относительных фаз между последовательными сегментами;

• результирующий фазовый спектр стегосигнала должен быть гладким, поскольку резкие скачки фазы являются демаскирующим фактором.

Рассмотрим сокрытие данных путем сдвига фазы. Сигнал контейнера сразбивается наNкоротких сегментовc_i(n)длинойl(m), и с помощью БПФ строиться матрица фаз_i(k)и амплитудный спектрA_i(k):

_i(k) = arctan и A_i(k) =

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:

(k) =

Кроме того, создается новая матрица фаз:

(k) = (k) + [(k) – (k) ]

. . .

(k) = (k) + [(k) – (k) ]

После этого с помощью ОБПФ создается стегосигнал с использованием новой матрицы фаз и амплитудного спектра A_i(k). Таким образом, с изменением начальной фазы₀(k) фазы всех последующих сегментов будут изменены на соответствующую величину. При извлечении скрытого значения получатель секретной информации, зная длину последовательностис(m), сможет вычислить БПФ и обнаружить фазы₀(k).