Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

В компьютерное стеганографии выделились два основных направления: связанное с цифровой обработкой сигналов и не связанное. В том случае, если цифровая обработка сигналов не имеет отношения к встраиванию сообщения, скрываемая информация помещается в метаданные: заголовки пакетов данных, файлов. Минус такого подхода заключается в том, что обнаружить или уничтожить скрываемую информацию в этом случае относительно легко. Вследствие этого, данное направление имеет ограниченное применение. Термин «цифровая стеганография» имеет корни в развитии второго направления компьютерной стеганографии, той, что связана с цифровой обработкой сигналов. Цифровой стеганографии посвящено множество современных исследований в области стеганографии.

Популярность исследований в данной области имеет свои причины. Из них выделяются две основные: в некоторых странах введены ограничение на использование криптографических средств защиты информации, а также необходимость учитывать права собственности на оцифрованную информацию. Это в свою очередь стало причиной множества исследований в области стеганографии, касающейся скрытия самого факта наличия передаваемого сообщения и исследований в области цифровых водяных знаков.

Цифровой водяной знак (ЦВЗ) – специальная метка, незаметно внедряемая в изображение или другой сигнал с целью тем или иным образом контролировать его использование.

Цифровые водяные знаки применяются как средство защиты от несанкционированного копирования и использования. В связи с бурным развитием мультимедиа-технологий встал вопрос о защите авторских прав и интеллектуальной собственности, представленной в цифровом виде. Примерами такой собственности служат различного рода изображения (в том числе и фотографии), аудиозаписи и видеозаписи и т. д. Легкость, с которой оцифрованная информация может быть украдена или модифицирована почти полностью перечеркивает все преимущества от представления информации в цифровом виде (чего в современном обществе и при современном уровне технологий нельзя избежать). Поэтому в дополнение к существующим мерам защиты информации организационного и технического характера постоянно разрабатываются новые, призванные защитить интересы правообладателей. Цифровой водяной знак - один из наиболее эффективных технических средств защиты мультимедийной информации. Он заключается в том, что в защищаемый объект внедряется иная информация, играющая роль невидимых меток. Эти невидимые метки и являются цифровыми водяные знаками.

ЦВЗ могут быть видимыми и (как правило) невидимыми. Решение о корректности невидимых цифровых водяных знаков выносит специальный декодер, которые проводит их анализ. Водяной знак может содержать какую-либо информацию, позволяющую определить собственника защищаемого объекта. При помощи водяных знаков можно защищать разную информацию, но более всего для этого подходят неподвижные изображения, аудиофайлы и видеофайлы.

ЦВЗ, используемые для защиты авторских прав должны удовлетворять следующим требованиям [7]:

• незаметность для конечного пользователя;

• индивидуальность алгоритма нанесения (достигается с помощью стеганографического алгоритма с использованием ключа);

• возможность для правообладателя обнаружить несанкционированное использование файла;

• невозможность удаления неуполномоченными лицами;

• устойчивость к изменениям носителя-контейнера (к изменению его формата и размеров, к масштабированию, сжатию, повороту, фильтрации, введению спецэффектов, монтажу, аналоговым и цифровым преобразованиям); эта характеристика также называется робастностью.

В зависимости от целей применения ЦВЗ робастность может варьироваться. Это позволяет выделить три разновидности цифровых водяных знаков:

• робастные (устойчивые);

• хрупкие;

• полухрупкие.

Робастные водяные знаки устойчивы к любым воздействиям и используются для защиты авторских прав – такие цифровые водяные знаки нельзя исказить или удалить, и они всегда указывают на правообладателя.

Хрупкие знаки разрушаются от незначительных модификаций контейнера. Они, наряду с электронной цифровой подписью, служат для проверки целостности электронных документов. Алгоритмы встраивания хрупких ЦВЗ отличаются от прочих особой чувствительностью к любым искажениям и эффективны при решении задачи контроля целостности и защиты от фальсификации.

Полухрупкие водяные знаки могут быть устойчивы к одним видам воздействия и неустойчивы по отношению к другим. Например, такие ЦВЗ устойчивы к сжатию, но вырезать фрагмент изображения-контейнера или убрать голос исполнителя в аудиотреке-контейнере уже нельзя.

1. Структура стегосистемы цифровых водяных знаков

Задачу встраивания и выделения сообщений из другой информации выполняет стегосистема (ее структура показана на рисунке 1.1).

Стегосистема состоит из следующих основных элементов [8]:

• прекодер (предварительный кодер) – устройство, которое предназначено для преобразования скрываемого сообщения к виду, который удобен для дальнейшего встраивания этого сообщения в сигнал-контейнер (информационную последовательность, в которой скрывается сообщение);

• стегокодер – устройство, которое предназначено для внедрения скрываемого сообщения в другие данные с учетом их модели;

• устройство распознавания (выделения) внедренного сообщения;

• стегодетектор – устройство, которое служит для определения наличия стегосообщения;

• декодер – устройство, которое занимается восстановлением скрываемого сообщения (этот элемент может и отсутствовать).

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.

Рисунок 1.1 – Схема типичной стегосистемы

Сначала водяной знак преобразуется к нужному виду. Если в качестве контейнера выступает изображение, то и последовательность ЦВЗ часто представляется в качестве двумерного массива бит. Для повышения устойчивости цифрового водяного знака часто выполняют его помехоустойчивое кодирование, либо используют широкополосные сигналы. Первоначальную обработку скрытого сообщения выполняет так называемый прекодер (предварительный кодер). Предварительная обработка ЦВЗ и контейнера, в который будет помещаться информация, заключается в вычислении их обобщенного преобразования Фурье. Это позволит внедрить ЦВЗ в спектральную область и существенно повысить устойчивость водяного знака к различного рода искажениям. Предварительная обработка нередко осуществляется с использованием ключа K для повышения секретности встраивания. Затем водяной знак встраивается в контейнер, например, путем модификации младших значащих бит коэффициентов. Этот возможно из-за особенностей системы восприятия человека. Любые изображения обладают значительной психовизуальной избыточностью. Человеческое зрение в данном случае напоминает низкочастотный фильтр – оно упускает множество деталей. В высокочастотных областях изображения искажения могут быть совершенно незаметны. Данная отличительная черта человеческого зрения учитывается, к примеру, при создании алгоритмов для сжатия видео и изображений.

Стегодетектор проверяет защищенное изображение, которое могло быть скомпрометировано, и обнаруживает встроенный водяной знак.

Стегодетекторы принято делить на два вида: те, что предназначены для обнаружения водяного знака в контейнере и те, которые предназначены для выделения этого водяного знака (последние также известны как стегокодеры). Детекторы первого вида в свою очередь делятся на две категории: с жесткими решениями (только да или только нет) и с мягкими решениями.

Чтобы понять, был ли применен водяной знак, применяются такие способы: вычисление расстояния по Хэммингу, расчет взаимной корреляцией между сигналом и (если есть) оригиналом. В случае отсутствия исходного сигнала используются статистические методы, которые основаны на построении моделей исследуемого класса сигналов.

Существует два основных типа контейнеров:

• потоковый;

• фиксированный.

Потоковый контейнер представляет собой непрерывно следующую последовательность бит. Скрываемая информация внедряется в него в реальном времени, и кодеру заранее неизвестно, достаточным ли будет размер контейнера для передачи всей информации. В контейнер с большим размером могут быть внедрены несколько сообщений. Интервалы между внедряемыми битами устанавливаются генератором псевдослучайной последовательности с равномерным распределением интервалов между отсчетами. Трудность состоит в необходимости решения трех задач: синхронизации, определении начала последовательности и определении конца последовательности. Скрываемое сообщение может идти сразу после битов синхронизации, заголовков пакетов и так далее (если, конечно, они присутствуют в данных контейнера). Поскольку синхронизацию трудно обеспечить, это приводит к улучшению в плане скрытности передачи.

Характеристики и размеры фиксированного контейнера известны заранее. Благодаря этому можно внедрить скрываемую информацию наиболее оптимальным образом.

1. Атаки против систем цифровых водяных знаков и способы защиты от них

1. Классификация атак на системы цифровых водяных знаков

Выделяются следующие категории специфичных атак против систем ЦВЗ [9]:

• атаки против встроенного сообщения – направлены на удаление или порчу ЦВЗ путем манипулирования стегоконтейнером. Входящие в эту категорию методы атак не пытаются оценить и выделить водяной знак. Примерами таких атак могут являться линейная фильтрация, сжатие изображений, добавление шума, выравнивание гистограммы, изменение контрастности и т. д;

• атаки против стегодетектора – направлены на то, чтобы затруднить или сделать невозможной правильную работу детектора. При этом водяной знак в изображении остается, но теряется возможность его приема. В эту категорию входят такие атаки, как аффинные преобразования (то есть масштабирование, сдвиги, повороты), усечение изображения, перестановка пикселей и т. д;

• атаки против протокола использования ЦВЗ – эти атаки главным образом связаны с созданием ложных водяных знаков, ложных стегоконтейнеров, инверсией ЦВЗ, а также добавлением нескольких ЦВЗ;

• атаки против самого ЦВЗ – это атаки, направленные на оценивание и извлечение водяного знака из стегосообщения, по возможности без искажения контейнера. К этой категории относятся атаки сговора, статистического усреднения, методы очистки сигналов от шумов, некоторые виды нелинейной фильтрации.

Следуя этой классификации все атаки на системы внедрения водяных знаков можно разделить на четыре группы:

• атаки, направленные на удаление ЦВЗ;

• геометрические атаки, направленные на искажение контейнера;

• криптографические атаки;

• атаки против используемого протокола встраивания и проверки ЦВЗ.

1. Атаки, направленные на удаление цифровых водяных знаков

К этой группе относятся такие атаки, как очистка сигналов-контейнеров от шумов, перемодуляция, сжатие с потерями (квантование), усреднение и коллизии. Эти атаки основаны на предположении о том, что ЦВЗ является статистически описываемым шумом. Очистка от шума заключается в фильтрации сигнала с использованием критериев максимального правдоподобия или максимума апостериорной вероятности. В качестве фильтра, реализующего критерий максимального правдоподобия, может использоваться медианный (для ЦВЗ, имеющего распределение Лапласа) или усредняющий (для гауссовского распределения) фильтр. По критерию максимума апостериорной вероятности наилучшим будет адаптивный фильтр Винера (в случае если в качестве модели контейнера используется нестационарный гауссовский процесс), а также пороговые методы очистки от шума (мягкий и жесткий пороги) (модель – обобщенный гауссовский процесс), которые имеют много общего с методами сжатия с потерями.

Сжатие с потерями и очистка сигналов от шумов значительно уменьшают пропускную способность стегоканала, особенно для гладких областей изображения, коэффициенты преобразования которых могут быть «обнулены» без заметного снижения качества восстановленного изображения.

Перемодуляция – сравнительно новый метод, который является специфичным именно для атак на ЦВЗ. В настоящее время известны его различные варианты, в зависимости от используемого в стегосистеме декодера. В построении атаки имеются свои нюансы для стегосистемы, использующей помехоустойчивые коды и корреляционный декодер. В любом случае считается, что ЦВЗ внедрен в изображение с применением широкополосных сигналов и размножен на все изображение. Так как оцениваемый декодером ЦВЗ коррелирован с истинным, появляется возможность обмана декодера.

Атака строится следующим образом. Вначале ЦВЗ «предсказывается» путем вычитания фильтрованной версии изображения из защищенного изображения (применяется медианный фильтр). «Предсказанный» ЦВЗ подвергается ВЧ фильтрации, усекается, умножается на два и вычитается из исходного изображения. Кроме того, если известно, что при внедрении ЦВЗ умножался на некоторую маску для повышения незаметности встраивания, то атакующий оценивает эту маску и домножает на нее ЦВЗ. Также чтобы «обойти» декодер в высокочастотные области изображения (те, в которых искажения заметны не так сильно) внедряют шаблоны, имеющие негауссовское распределение. Таким образом нарушается оптимальность линейного корреляционного детектора.

Подобные атаки будут опасны лишь для высокочастотных водяных знаков, поэтому принято создавать такие ЦВЗ, чтобы их спектр совпадал со спектром исходного изображения.

Дело в том, что достоверная оценка получается лишь для высокочастотных компонент ЦВЗ. После ее вычитания низкочастотная компонента ЦВЗ остается неизменной и дает в детекторе положительный корреляционный отклик. Высокочастотная же составляющая даст отрицательный отклик, что в сумме даст нуль, и ЦВЗ не будет обнаружен. В качестве другого противодействия этой атаке было предложено выполнение предварительной низкочастотной фильтрации.

Характеристики

Список файлов ВКР