Cкрытая передача информации в аудиосигналах с использованием вейвлет-преобразования

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 04 Ноября 2013 в 20:01, курсовая работа

Описание работы

В данной работе мы рассмотрим метод встраивания ЦВЗ в аудиосигнал модификацией амплитуды сигнала и обнаружения самого ЦВЗ. А также для улучшения качества этого метода применим Фурье преобразование и различные вейвлет преобразования.

Содержание работы

Введение ……………………………………………………………………………….3
1. Стегосистема ………………………………………………………………………..4
2. Скрытие данных в аудиосигналах ………………………………………………..14
3. Преобразование Фурье ……………………………………………………………18
4. Вейвлет преобразования ………………………………………………………….19
5. Встраивание ЦВЗ в аудиосигнал,
исследование влияния сжатия ……………………………………………………...22
Заключение ………………………………………………………………………….28
Список литературы …………………………………………………………………29

Приложение ………………………………………………………………………..30

Файлы: 1 файл

курсовая.doc

— 349.50 Кб (Скачать файл)


Казанский Государственный  Университет

 

Физический факультет

 

Кафедра радиофизики

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

 

Cкрытая передача информации в аудиосигналах с использованием вейвлет-преобразования

 

 

 

 

 

 

 

Исполнитель: студентка 3 курса

                              Гуляева Н.Е.

 

Научный руководитель:

                                                                        Бочкарев В.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

КАЗАНЬ, 2010

 

 

Содержание

 

 

Введение ……………………………………………………………………………….3

 

1. Стегосистема ………………………………………………………………………..4

 

2. Скрытие данных в аудиосигналах ………………………………………………..14

 

3. Преобразование Фурье ……………………………………………………………18

 

4. Вейвлет преобразования ………………………………………………………….19

 

5. Встраивание ЦВЗ в аудиосигнал,

исследование влияния сжатия ……………………………………………………...22

 

Заключение ………………………………………………………………………….28

 

Список литературы …………………………………………………………………29

 

Приложение ………………………………………………………………………..30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Цифровая стеганография занимается встраиванием информации с целью ее скрытой передачи, встраиванием цифровых водяных знаков (ЦВЗ), встраиванием идентификационных номеров,  встраиванием заголовков.

ЦВЗ могут применяться, в основном, для защиты от копирования  и несанкционированного использования. В связи  с бурным развитием технологий мультимедиа остро встал вопрос защиты авторских прав и интеллектуальной собственности, представленной в цифровом виде.

ЦВЗ могут  быть не только видимыми, но и (как правило) невидимыми. Невидимые ЦВЗ анализируются специальным декодером, который  выносит решение об их корректности. ЦВЗ могут содержать некоторый аутентичный код, информацию о собственнике, либо какую-нибудь управляющую информацию. Наиболее подходящими объектами защиты при помощи ЦВЗ являются неподвижные изображения, файлы аудио и видеоданных.

Цифровая стеганография – это наука о незаметном и надежном скрытии одних битовых последовательностей в других, имеющих аналоговую природу. В определении содержатся главные требования к стеганографическому преобразованию: незаметность, надежность и устойчивость к различного рода искажениям. Упоминание об аналоговой природе цифровых данных подчеркивает тот факт, что встраивание информации выполняется в оцифрованные непрерывные сигналы.

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

В данной работе мы рассмотрим метод  встраивания ЦВЗ в аудиосигнал модификацией амплитуды  сигнала и обнаружения самого ЦВЗ. А также для улучшения качества этого метода  применим Фурье преобразование и различные вейвлет преобразования.

 

Стегосистема

 

Задачу встраивания  и выделения сообщений из другой информации выполняет стегосистема. Стегосистема состоит из следующих основных элементов, представленных на рис.1.1:

 

 


 

 

 

 

 

 

- прекодер  – устройство, предназначенное для  преобразования скрываемого сообщения к виду, удобному для встраивания в сигнал-контейнер. (Контейнером называется информационная последовательность, в которой прячется сообщение);

- стегокодер – устройство, предназначенное для осуществления  вложения скрытого сообщения в другие данные с учетом их модели;

- устройство выделения  встроенного сообщения;

- стегодетектор – устройство, предназначенное для определения  наличия стегосообщения;

- декодер – устройство, восстанавливающее скрытое сообщение.  Этот узел может отсутствовать,  как будет пояснено далее.

Данные, содержащие скрытое  сообщение, могут подвергаться преднамеренным атакам или случайным помехам.

Как показано на рис.1.1, в  стегосистеме происходит объединение  двух типов информации так, чтобы они могли быть различимы двумя принципиально разными детекторами. В качестве одного из детекторов выступает система выделения ЦВЗ, в качестве другого – человек.

Прежде, чем осуществить вложение ЦВЗ в контейнер, ЦВЗ должен быть преобразован к некоторому подходящему виду. Например, если в качестве контейнера выступает изображение, то и последовательность ЦВЗ зачастую представляется как двумерный массив бит. Для того, чтобы повысить устойчивость ЦВЗ к искажениям нередко выполняют его помехоустойчивое кодирование, либо применяют широкополосные сигналы. Первоначальную обработку скрытого сообщения выполняет показанный на рис.1.1 прекодер. В качестве важнейшей предварительной обработки ЦВЗ (а также и контейнера) назовем вычисление его обобщенного преобразования Фурье. Это позволяет осуществить встраивание ЦВЗ в спектральной области, что значительно повышает его устойчивость к искажениям. Предварительная обработка часто выполняется с использованием ключа для повышения секретности встраивания. Далее ЦВЗ «вкладывается» в контейнер, например, путем модификации младших значащих бит коэффициентов. Этот процесс возможен благодаря особенностям системы восприятия человека. Хорошо известно, что изображения обладают большой психовизуальной избыточностью. Глаз человека подобен низкочастотному фильтру, пропускающему мелкие детали. Особенно незаметны искажения в высокочастотной области изображений. Эти особенности человеческого зрения используются, например, при разработке алгоритмов сжатия изображений и видео.

Процесс внедрения ЦВЗ также  должен учитывать свойства системы  восприятия человека. Стеганография использует имеющуюся в сигналах психовизуальную избыточность, но другим, чем при сжатии данных образом. Приведем простой пример. Рассмотрим полутоновое изображение с 256 градациями серого, то есть с удельной скоростью кодирования 8 бит/пиксел. Хорошо известно, что глаз человека не способен заметить изменение младшего значащего бита. Еще в 1989 году был получен патент на способ скрытого вложения информации в изображение путем модификации младшего значащего бита. В данном случае детектор стего анализирует только значение этого бита для каждого пиксела, а глаз человека, напротив, воспринимает только старшие 7 бит. Данный метод прост в реализации и эффективен, но не удовлетворяет некоторым важным требованиям к ЦВЗ, как будет показано далее.

В большинстве стегосистем для внедрения и выделения ЦВЗ используется ключ. Ключ может быть предназначен для узкого круга лиц или же быть общедоступным. Например, ключ должен содержаться во всех DVD-плейерах, чтобы они могли прочесть содержащиеся на дисках ЦВЗ. Иногда по аналогии с криптографией стегосистемы делят на два класса: с открытым ключом и с секретным ключом. На наш взгляд, аналогия неверна, так как понятие открытого ключа в данном случае в корне различно. Правильным выражением было бы  «общедоступный ключ», причем ключ встраивания совпадает с ключом выделения. Не существует, насколько известно, стегосистемы, в которой бы при выделении ЦВЗ требовалась другая информация, чем при его вложении. Хотя и не доказана гипотеза о невозможности существования подобной системы. В системе с общедоступным ключом достаточно сложно противостоять возможным атакам со стороны злоумышленников. В самом деле, в данном случае нарушителю точно известен ключ и месторасположение ЦВЗ, а также его значение.

Различают стегодетекторы, предназначенные для обнаружения факта наличия ЦВЗ и устройства, предназначенные для выделения этого ЦВЗ (стегодекодеры). В первом случае возможны детекторы с жесткими (да/нет) или мягкими решениями. Для вынесения решения о наличии/отсутствии ЦВЗ удобно использовать такие меры, как расстояние по Хэммингу, либо взаимную корреляцию между имеющимся сигналом и оригиналом (при наличии последнего, разумеется). А что делать, если у нас нет исходного сигнала? Тогда в дело вступают более тонкие статистические методы, основанные на построении моделей исследуемого класса сигналов [5].

В зависимости от того, какая информация требуется детектору  для обнаружения ЦВЗ, стегосистемы ЦВЗ делятся на три класса: открытые, полузакрытые и закрытые системы. Эта классификация приведена в табл.1.

 

 

 

 

 

 

 

Что требуется детектору

Выход детектора

Исходный

сигнал

Исходный ЦВЗ

Да/Нет

ЦВЗ

Закрытые

Тип I

+

+

+

-

Тип II

+

-

-

+

Полузакрытые

-

+

+

-

Открытые

-

-

-

+




 

Табл.1. Классификация систем встраивания ЦВЗ

 

Наибольшее применение могут иметь  открытые стегосистемы ЦВЗ, которые аналогичны системам скрытой передачи данных. Наибольшую устойчивость по отношению к внешним воздействиям имеют закрытые стегосистемы I типа.

Рассмотрим  подробнее понятие контейнера. До стегокодера – это пустой контейнер, после него – заполненный контейнер, или стего. Стего должен быть визуально неотличим от пустого контейнера. Различают два основных типа контейнеров: потоковый и фиксированный.

Потоковый контейнер  представляет собой непрерывно следующую  последовательность бит. Сообщение вкладывается в него в реальном масштабе времени, так что в кодере неизвестно заранее, хватит ли размеров контейнера для передачи всего сообщения. В один контейнер большого размера может быть встроено и несколько сообщений. Интервалы между встраиваемыми битами определяются генератором псевдослучайной последовательности с равномерным распределением интервалов между отсчетами. Основная трудность заключается в осуществлении синхронизации, определении начала и конца последовательности. Если в данных контейнера имеются биты синхронизации, заголовки пакетов и т.д., то скрываемая информация может идти сразу после них.  Трудность обеспечения синхронизации превращается в достоинство с точки зрения обеспечения скрытности передачи. Кроме того, потоковый контейнер имеет большое практическое значение: представьте себе, например, стегоприставку к обычному телефону. Под прикрытием обычного, незначащего телефонного переговора можно было бы передавать другой разговор, данные и т.п., и не зная секретного ключа нельзя было бы не только узнать содержание скрытой передачи, но и сам факт ее существования. Не случайно, что работ, посвященных разработке стегосистем с потоковым контейнером, практически не встречается.

У фиксированного контейнера размеры и характеристики заранее известны. Это позволяет осуществлять вложение данных оптимальным в некотором смысле образом. В книге мы будем рассматривать, в основном, фиксированные контейнеры (далее – контейнеры).

Контейнер может быть выбранным, случайным или навязанным. Выбранный контейнер зависит от встраиваемого сообщения, а в предельном случае является его функцией. Этот тип контейнера больше характерен для стеганографии. Навязанный контейнер может появиться в сценарии, когда лицо, предоставляющее контейнер, подозревает о возможной скрытой переписке и желает предотвратить ее. На практике же чаще всего сталкиваются со случайным контейнером.

Встраивание сообщения  в контейнер может производиться  при помощи ключа, одного или нескольких. Ключ - псевдослучайная последовательность (ПСП) бит, порождаемая генератором, удовлетворяющим определенным требованиям (криптографически безопасный генератор). В качестве основы генератора может использоваться, например, линейный рекуррентный регистр. Тогда адресатам для обеспечения связи может сообщаться начальное заполнение этого регистра. Числа, порождаемые генератором ПСП, могут определять позиции модифицируемых отсчетов в случае фиксированного контейнера или интервалы между ними в случае потокового контейнера. Надо отметить, что метод случайного выбора величины интервала между встраиваемыми битами не особенно хорош. Причин этого две. Во-первых, скрытые данные должны быть распределены по всему изображению. Поэтому, равномерное распределение длин интервалов (от наименьшего до наибольшего) может быть достигнуто лишь приближенно, так как мы должны быть уверены в том, что все сообщение встроено, то есть «поместилось» в контейнер. Во-вторых, длины интервалов между отсчетами шума распределены не по равномерному, а по экспоненциальному закону. Генератор же ПСП с экспоненциально распределенными интервалами сложен в реализации.

Скрываемая информация внедряется в соответствии с ключом в те отсчеты, искажение которых не приводит к существенным искажениям контейнера. Эти биты образуют стегопуть. В зависимости от приложения, под существенным искажением можно понимать искажение, приводящее как к неприемлемости для человека-адресата заполненного контейнера, так и к возможности выявления факта наличия скрытого сообщения после стегоанализа.

ЦВЗ могут быть трех типов: робастные, хрупкие и полухрупкие (semifragile). Под робастностью понимается устойчивость ЦВЗ к различного рода воздействиям на стего. Робастным ЦВЗ посвящено большинство исследований.

Хрупкие ЦВЗ разрушаются  при незначительной модификации  заполненного контейнера. Они применяются для аутентификации сигналов. Отличие от средств электронной цифровой подписи заключается в том, что хрупкие ЦВЗ все же допускают некоторую модификацию контента. Это важно для защиты мультимедийной информации, так как законный пользователь может, например, пожелать сжать файл. Другое отличие заключается в том, что хрупкие ЦВЗ должны не только отразить факт модификации контейнера, но также вид и местоположение этого изменения.

Информация о работе Cкрытая передача информации в аудиосигналах с использованием вейвлет-преобразования