Сучасні інформаційні технології/4. Інформаційна безпека.

Шматок О.С., Небожин В.А.

Національний авіаційний університет, Київ

МАРКУВАННЯ МОВНИХ СИГНАЛІВ ЗА ДОПОМОГОЮ ЦИФРОВИХ ВОДЯНИХ ЗНАКІВ

Маркування за допомогою цифрових водяних знаків являє собою процес вбудовування даних (у складі водяних знаків), в ідеалі непомітно, в основному сигналі (coversignal) створити стегосигнал (stegosignal). Хоча термін «coversignal» зазвичай використовується у літературі про водяні знаки для позначення основного сигналу (дані повинні бути захищені), ім'я, використовуване для водяних знаків – "stegosignal", запозичених з стеганографії. В останнє десятиліття було запропоновано багато алгоритмів для мультимедійних водяних знаків. Ранні роботи підкреслили алгоритми застосування водяних знаків, які можуть бути універсально застосовані для широкого спектру мультимедійного контенту, включаючи зображення, відео та аудіо. Така універсальність вважалося сприяє реалізації мультимедійного маркування водяними знаками на загальних апаратних засобах. Тим не менш, багато сфер застосування водяних знаків, наприклад, авторське право, захист для електронних бібліотек мови, вкладення інформації про пацієнта в медичні записи, або моніторинг телевізійних передач, включаючи вкладання інформації в окремому середовищі. Крім того, атаки і властиві обробці спотворення залежать від природи мультимедійного контенту. Наприклад, атака на зображення, оброблені водяними знаками, може включати обертання і переклад операцій для відключення виявлення водяного знака. Тим не менш, така атака не застосовується для аудіоданих. Алгоритми маркування водяними знаками, спеціально розроблені для конкретного мультимедійного контенту може використовувати добре відомі властивості цього контенту, щоб краще задовольнити надійність, достовірність, і обмеження даних корисного навантаження. На відміну від загальних звуків, мова характеризується переміжною періодичністю дзвінкіх і глухих звуків. Мовні сигнали характеризуються вузькою смугою пропускання, при цьому більшість інформації присутня нижче 4 кГц. Алгоритми широкосмугового маркування аудіо водяними знаками за участю слухової системи людини (HAS), засновані на моделях сприйняття не можуть бути ефективними для мови. Крім того, добре зарекомендовані аналітичні моделі постановки мови існують і можуть бути ефективно використані у процесі створення водяних знаків [1].

Загальна система маркування мови водяними знаками складається з генератора водяних знаків, компонента впровадження водяного знака і компонента виявлення водяного знака. Канал передачі представляє можливі атаки або спотворення на стегосигнал з моменту вбудовування водяного знака поки існує необхідність для виявлення водяних знаків або відновлення. Існують два види ключів які можуть бути використані в системах маркування водяними знаками. Ключ водяного знаку використовується для шифрування водяного знаку, так що повідомлення, що міститься в ньому не є очевидним. Стегоключ визначає місця в основному сигналі де водяний знак повинен бути вбудований і таким чином вводить додатковий захист, роблячи розміщення водяного знака невідомим. Водяний знак може приймати різні форми: зашифровану або модульовану мовну послідовність або зображення, псевдовипадкову послідовність, послідовність символів, перетворених з повідомлення, і так далі. Отже, входи генераторів водяних знаків вельми різноманітні. Методи маркування мови водяними знаками можуть бути основі на додаванні, мультиплікації або квантуванні, і водяні знаки можуть бути вбудовані в тимчасовій області або в області перетворення. кожне технічне рішення, як правило, більш стійке до певної форми атаки, ніж для інших. Виявлення водяного знака (або відновлення) може бути сліпим або поінформованими. У інформованих виявлення, копія немаркованого основного сигналу не потрібна. Деякі поінформовані детектори водяного знака вимагають тільки часткову інформацію про основний сигнал. Детектори, які не вимагають представлення основного сигналу для виявлення водяного знака, називаються сліпими детекторами. Додаткова інформація, що доступна під час виявлення водяного знака і відновлення поінформованим детекторам, може використовуватися для кращого задоволення вимогам водяних знаків. Наприклад, інформація про основний сигнал доступна для детектора може служити для суміщення візерунку з метою відмінити будь-які тимчасові або геометричні спотворення основного сигналу, які зумовлює вбудований стегосигнал. У випадку "обрізки атаки" внаслідок якої частини мовного сигналу були випадково видалені, алгоритм динамічного програмування може бути використаний для відновлення водяного знаку після його десинхронізації. З іншого боку, сліпе маркування водяними знаками може мати широкий діапазон застосувань. Для застосування в результаті якого виявлення водяного знака, повинно бути виконано для громадськості, а не тільки власників вмісту або дистриб'юторів, поінформоване маркування водяними знаками непридатне.

Загальний підхід до виявлення водяного знака використовує рішення класичної подвійної теорії. Гіпотези H0: ZR = X і H1: ZR = X + W де ZR, отримана мова, X оригінал мови, і W є сигнал водяного знака. Байєсовський парадигм або парадигм Неймана-Пірсона використовуеться в подальшому при виведенні порогу виявлення. Багато з цих підходів не враховують вплив шуму при проектуванні детектора. Деякі детектори водяних знаків базуються на кореляції виявлення в часі або в області перетворення. Таким чином, співвідношення між оригіналом сигналу і відновленим водяним знаком або кореляція між оригіналом водяного знака і можливо спотвореним стегосигналом (відновленою мовою), порівнюється з пороговим значенням. Кореляційні детектори є оптимальними, коли водяний знак і шум спільно гаусові, або, у разі сліпих детекторів, коли маркований сигнал і шум спільно гаусові. Це вірно для спектрально булих моделей водяних знаків.

Конструкція систем водяних знаків включає балансування кількох суперечливих вимог. Надійність водяних знаків, точність стегосигналу, корисне навантаження водяних знаків інформаціею і безпека, є важливими вимогами будь-яких систем водяних знаків. По-перше, вбудовані водяні знаки повинні бути непомітними, тобто, стегосигнал повинен бути високоточним. По-друге, водяні знаки повинні бути міцними, тобто вони повинні бути в змозі переносити атаки, а ті, навмисно призначені для знищення або видалити їх, так само як спотворення внаслідок технічних процесів (наприклад, стиснення) або систематичних процесів (наприклад, шум в каналі). Ці критерії точності і надійності, як правило, конкурують, відрізняються більш високою міцністю, яка вимагає більше водяних знаків енергії і більше маніпуляцій з основним сигналом, які, у свою чергу, призводять до помітного спотворення в порівнянні з оригінальним змістом. Заходи, що стосуються Ефективності водяних знаків включають в себе корисні дані ( кількість бітів водяного знака в одиницю часу), безпеку водяних знаків (невід‘ємний Захист від несанкціонованого зняття вбудовування або виявлення). Фактично, коли точність параметрів стегосигналу фіксована, надійність і корисне навантаження даних не можуть бути збільшені одночасно. Компроміс існує також між безпекою водяних знаків і точністю стегосигналу, про що свідчить той факт, що звукові водяні знаки, як правило, менш безпечні. Звукові водяні знаки легко ідентифікувати, і це полегшує їх видалення з мовного сигналу. Обчислювальна складність алгоритмів маркування водяними знаками є також фактором для розгляду, особливо для додатків реального часу.

Маркування мови водяними знаками можна використовувати у звичайних для маркування водяними знаками завданнях, таких як аутентифікація контенту, моніторинг мовлення, управління контентом, контроль копіювання, захист авторських прав і відстеження транзакцій. Маркування мови водяними знаками в даний час використовується для управління повітряним рухом та забезпеченні часовою відміткою інформації для підтвердження диктора. Крім того, вимоги до маркування водяними знаками змінюються в залежності від сфер застосування, в яких вони працють. Наприклад, для аутентифікації, водяний знак повинен бути стійким до стиснення, у той час як стійкість інформації до фальсифікації не потрібна [2].

Водяні знаки використовується для встановлення автентичності змісту промови. Традиційні криптографічні схеми аутентифікації включають хеш-функції і використовуються для того, щоб кожен біт в потоці даних не було змінено. У разі мовних сигналів, незначні зміни часто можуть бути зроблені з їх змістом, не зачіпаючи якість сприйняття. Крім того, мультимедійний контент зазвичай піддають нешкідливим, проте спотворюючим, операціям обробки сигналів і шуму в каналах, що призводить до незначної зміни сприйняття у змісті. Для аутентифікації мови, крихке маркуавння водяними знаками забезпечують гнучку альтернативу методу, що базується на криптографічних хеш-функціях або цифровому підпису. Аутентифікація проводиться шляхом визначення наявності певних визначальних характеристик та правил наявних у оригінальному сигналі в тест-сигналі. Два важливих питання, що вирішуватися при проектуванні системи аутентифікації включають в себе (а) вибір можливостей для вбудовування, і (б) безпека щодо запобігання підробки або маніпуляція вбудованих даних. У системах аутентифікації водяних знаків, іншим важливим питанням є здатність алгоритму, точно визначити область сигналу де відбулася фальсифікація.

Цифрове маркуавння водяними знаками використовується для відстеження мовлення та поширення інформації через телебачення, радіо, та Інтернет. При моніторингу мовлення, у контент вбудовуеться унікальна ідентифікаційна бирка і додаткова інформація про власника контенту або дистриб'ютора. Така схема може бути використана, наприклад, для автоматичного моніторингу трансляції реклами по приватним телевізійним станціям. Декодер водяних знаків визначає скільки разів, реклама була показана і чи реклама транслювалася впродовж певного часового інтервау. Ця інформація передається власнику контенту або дистриб'ютору. Цифрове маркування водяними знаками для моніторингу трансляції допомагає забезпечити угоди трансляції і виявляє несанкціоноване використання контенту.

Водяні знаки можуть бути використані для запобігання несанкціонованого копіювання та наступного розподілу цифрового контенту.

Спроби інтегрувати технології маркування цифровими водяними знаками в DVD і CD записуючі пристрої по-різному успішним. Для запобігання несанкціонованого копіювання DVD, водяні знаки містять інструкції щодо управління копіюванням, вбудовані у контент. Як приклад водяний знак може включати в себе інструкції які вказують, може чи ні бути зроблена одна копія контенту, або якщо ні, далі Копіювання дозволяється. Таке застосування водяних знаків представляє великий інтерес для кінематографічної і музичної галузей промисловості для запобігання піратства.

Традиційні механізми захисту авторського права для аналогового контенту, як правило, незастосовні до цифрового контенту. Отже, маркування водяними знаками цифрового контенту було запропоновано в якості рішення, для зв'язку авторського права і права власності інформації.

Маркування водяними знаками полегшує виявлення несанкціонованого використання контенту і про що свідчать деякі випадки, є свідчення того, що суди розгляне водяні знаки в якості законного захисту авторських прав. Крім того, маркування водяними знаками також використовуються для ідентифікації власника. Застосування маркування цифровими водяними знаками для захисту авторських прав завжди було спірним питанням. Це головним чином тому, що таке застосування тягне за собою стійкість до широкого спектру атак, які не мають існуючих (можливо в майбутньому) зразків алгоритмів маркування водяними знаками.

Цифрові водяні знаки також використовуються для транзакцій і як засіб відстеження. В кожну копію цифрового контенту надійно вбудовують унікальну ідентифікаційну інформацію перед розподілом. Якщо несанкціоновану копію контенту знайдено, по видобутим водяним знакам будуть відстежувати останнього уповноваженого одержувача [2].

Маркування мови водяними знаками може бути використане в поєднанні з системою перевірки мовника для забезпечення підвищеної безпеки. Потенційною атакою проти біометричних систем відтворення атаки де в цифровому вигляді зберігаються біометричні дані,що пізніше повторно представлені функціям витяжки. Водяний знак містить інформацію з відміткою часу, що шифрується і вбудовуеться в мовні данні, введення законного користувача, для запобігання повторних атак. Функція витяжки має секретний ключ і вбудований детектор водяних знаків. Мова передається з функцією витяжки проходить через декодер водяних знаків. Після декодування і розшифрування вбудований водяний знак, інформація з відміткою часу зчитується і визначається якщо мова від довіреної сторони.

Література:

1. Грибунин, В.Г. Стеганографическая защита речевых сигналов в каналах открытой телефонной связи / В.Г. Грибунин, И.Н. Оков, И.В. Туринцев // Сборник тезисов Российской НТК “Методы и технические средства обеспечения безопасности информации”, -СПб.:, ГТУ, 2001, с.83-84.

2. Оков И.Н., Ковалев Р.М. Электронные водяные знаки как средство аутентификации передаваемых сообщений // Защита информации. Конфидент. 2001. № 3, с.80-85.