1. ВСТУП В АУДІО стеганографії
Слово стеганографія походить від грецьких слів: «steganos», що дослівно означає «приховувати» або «секрет» і «-graphy», що означає «лист» або «малювання». Звідси, стеганографія - це мистецтво приховування секретної інформації в файлі таким чином, що тільки відправник і одержувач можуть знати про її наявність. Конфіденційна інформація закодована так, що саме існування повідомлення приховується.
Основна мета стеганографії - це безпечний обмін даними абсолютно непомітним чином, який заперечує сам факт наявності секретних повідомлень. Якщо метод стеганографії викликає у кого-то підозри, то такий метод необхідно визнати невдалим.
Основна модель аудіо стеганографії складається з носія (аудіо файл), повідомлення і пароля. Під носієм розуміється файл, який приховує або буде приховувати секретну інформацію. Стеганографічна модель зображена на рис.1. Повідомлення - це дані, які відправник хоче залишити в таємниці. Як переданого повідомлення можуть виступати простий текст, зображення, аудіо та інші типи файлів. Пароль символізує ключ, знаючи який, одержувач зможе гарантовано декодувати повідомлення з файлу. Файл-носій з конфіденційною інформацією називається стегофайлом.
Малюнок 1. Стеганографічні модель.
Процес приховування інформації складається з наступних двох кроків:
- Ідентифікація надлишкових бітів в файлі-носії. Надлишковими битами називаються ті біти, які можуть бути модифіковані без псування якості або порушення цілісності файлу-носія.
- Надлишкові біти в файлі-носії замінюються битами секретної інформації.
2. БАЗОВІ ПІДХОДИ В АУДІО СТЕГАНОГРОФІІ
Одним з найбільш поширених методів є LSB (Least Significant Bit, найменший значущий біт) алгоритм, який замінює найменший значущий біт в декількох байтах файлу-носія, щоб приховати послідовність байтів, що містять приховані дані. Це, як правило, ефективно тоді, коли заміна молодшого біта не тягне за собою значне погіршення якості.
Наприклад, є 8-бітове зображення в градаціях сірого. 00h (00000000b), що позначає чорний колір, FFh (11111111b) - білий. Усього є 256 градацій (2 8). Припустимо, що повідомлення складається з 1 байта - наприклад, 01101011b. При використанні 2 молодших біт в описах пікселів, буде потрібно 4 пікселя. Припустимо, вони чорного кольору. Тоді пікселі, що містять приховане повідомлення, будуть виглядати наступним чином: 00000001 00000010 00000010 00000011. Тоді колір пікселів зміниться: першого - на 1/255, другого і третього - на 2/255 і четвертого - на 3/255. Такі градації, мало того, що практично непомітні для людини, можуть взагалі не відобразитися при використанні низькоякісних пристроїв виведення.
Методи LSB є нестійкими до всіх видів атак і можуть бути використані тільки при відсутності шуму в каналі передачі даних.
2.2. парні КОДИРОВАНИЕ
Парне кодування є одним з найнадійніших способів аудіо стеганографії. Замість того, щоб розбивати сигнал в окремих вибірках, цей метод розбиває сигнал на окремі частини і вбудовує кожен біт секретного повідомлення в парний біт. Якщо парний біт в обраній області не підлягає кодуванню в секретний біт, то процес інвертує молодший біт однієї з вибірки даної області. На рис.2 представлена процедура такого кодування.
2.3. фазового КОДИРОВАНИЕ
Метод фазового кодування працює шляхом заміни фази вихідного звукового сегмента на опорну фазу, яка представляє собою секретну інформацію. Інші сегменти фази коригуються для збереження певної фази між сегментами. З точки зору відношення сигналу до шуму, фазовий кодування є одним з найбільш ефективних методів кодування. Коли відбувається різка зміна фазового співвідношення між кожної частотної складової, шуми стають помітними. Проте, якщо фазу модифікувати не сильно, то людське вухо не розпізнає будь-яких змін. Виходячи з цього можна сказати, що цей метод заснований на тому, що зміни, внесені в аудіофайл, будуть непомітні для людського слуху.
Фазовий кодування включає в себе наступні кроки:
- Розділити оригінальний звуковий сигнал на більш дрібні сегменти таким чином, щоб їх загальна довжина дорівнювала довжині повідомлення;
- Створюється матриця фаз за допомогою дискретного перетворення Фур'є;
- Обчислюється різниця фаз між сусідніми сегментами;
- У зв'язку з тим, що фазові зрушення між двома сусідніми сегментами можуть бути легко виявлені, в стегосігнале повинні бути збережені різниці фаз. Тому секретне повідомлення вбудовується тільки в фазу першого сегмента:
- Використовуючи нову фазу першого сегмента створюється нова матриці фаз і різниці між ними;
- Звуковий сигнал відновлюється шляхом застосування зворотного дискретного перетворення Фур'є з використанням нової матриці і вихідної матриці величин, після чого звукові сегменти зчіплюються.
Одержувач повинен знати довжину сегмента, щоб витягти секретне повідомлення з звукового файлу. Після чого одержувач за допомогою дискретного перетворення Фур'є може отримати секретну інформацію.
2.4. МЕТОД РОЗШИРЕНОГО СПЕКТРУ
В аудіо стеганографії метод розширеного спектру намагається передати секретні відомості по спектру частот звукового сигналу. Цей метод чимось схожий з методом LSB, який передає біти повідомлення випадковим чином по всьому звуковому файлу. Проте, на відміну від способу LSB, метод розширеного спектру поширює секретну інформацію по спектру частот звукового файлу, використовуючи код, який не залежить від фактичного сигналу. В результаті кінцевий сигнал займає смугу пропускання, яка розміром більше, ніж необхідний розмір для передачі.
Метод розширеного спектра може внести вклад в підвищення продуктивності в порівнянні з методами LSB, фазового та парного кодувань шляхом помірної швидкості передачі даних і високим рівнем стійкості. Однак, метод розширеного спектру має один істотний недолік - він може вносити шум в аудіофайл. Схема роботи методу на рис.4.
Малюнок 4. Схема роботи методу розширеного спектру.
Даний метод вбудовує секретну інформацію в звуковий файл, вводячи відлуння в дискретний сигнал. Головні переваги луна-методу - це висока швидкість передачі даних, а також підвищена стійкість в порівнянні з іншими методами. Якщо з вихідного сигналу можна виділити тільки одне відлуння, то може бути закодований тільки один біт секретної інформації. Отже, перед початком процесу кодування вихідний сигнал розбивається на блоки. Після виконання кодування блоки об'єднуються разом, щоб утворити остаточний вихідний сигнал.
Основні недоліки використання таких методів як відлуння, розширеного спектру і парності кодування полягають в тому, що вони вносять шум в аудіофайл, який може бути досить помітним для людського вуха, а також надійність даних методів викликає питання.
Фазовий кодування має основний недолік, що полягає в низькій швидкості передачі даних через те, що секретне повідомлення кодується тільки на першому сегменті сигналу. Отже, цей метод використовується тільки тоді, коли передається невелику кількість даних.
Серед вище запропонованих методів стеганографії метод найменшого значущого біта або LSB є найпростішим методом для вбудовування секретної інформації. Метод LSB дозволяє закодувати велику кількість даних в звуковий файл, забезпечує більш високий рівень безпеки в порівнянні з іншими методами, є ефективним методом для приховування секретної інформації від зловмисників, а також гарантує незмінність розміру файлу навіть після кодування і підходить для будь-якого типу формату аудіофайлу.