Применение аудио водяных знаков в индустрии звукозаписи
Последнее время многие из вас задают мне один и тот же вопрос: «Как мне
защитить свою музыку от «пиратов»? Ведь на копирайт, оформленный официально в
государственных учреждениях нашей страны все давно «наплевали». Есть
какие-нибудь цифровые способы защиты или мы никогда не сможем получить хотя бы
минимальную прибыль за свое творчество?"
Да, такие способы есть и я об этом расскажу ниже, а насколько они будут
эффективны – судить вам!
Основные понятия
Стеганография (от греч. στεγανοσ — скрытый и греч. γραφω — пишу,
буквально «тайнопись») — это наука о скрытой передаче информации путём
сохранения в тайне самого факта передачи. В отличие от криптографии, которая
скрывает содержимое секретного сообщения, стеганография скрывает само его
существование. История стеганографии исчисляет тысячи лет.
Цифровая стеганография — современное направление
классической стеганографии, основанное на сокрытии или внедрении дополнительной
информации в цифровые объекты, вызывая при этом некоторые искажения этих
объектов. Но, как правило, данные объекты являются мультимедиа-объектами
(изображения, видео, аудио, текстуры 3D-объектов) и внесение искажений, которые
находятся ниже порога чувствительности среднестатистического человека не
приводит к заметным изменениям этих объектов. Кроме того в оцифрованных
объектах, изначально имеющих аналоговую природу, всегда присутствует шум
квантования; далее, при воспроизведении этих объектов появляется дополнительный
аналоговый шум и нелинейные искажения аппаратуры, все это способствует большей
незаметности сокрытой информации.
Стеганографическая система (стегосистема) — объединение
методов и средств, используемых для создания скрытого канала для передачи
информации. При построении такой системы условились о том, что: 1) противник
представляет работу стеганографической системы. Неизвестным для противника
является ключ, с помощью которого можно узнать о факте существования и
содержания тайного сообщения. 2) При обнаружении противником наличия скрытого
сообщения он не должен иметь возможность извлечь сообщение до тех пор, пока он
не будет владеть ключом. 3) Противник не имеет технических и прочих
преимуществ.
Сообщение — это термин, используемый для общего названия
передаваемой скрытой информации.
Контейнер — так называется любая информация, используемая для
сокрытия тайного сообщения. Пустой контейнер — контейнер, не содержащий
секретного послания. Заполненный контейнер (стегоконтейнер) — контейнер,
содержащий секретное послание.
Стеганографический канал (стегоканал) — канал передачи
стегоконтейнера.
Ключ (стегоключ) — секретный ключ, нужный для сокрытия
стегоконтейнера. Ключи в стегосистемах бывают двух типов: секретные и открытые.
Если стегосистема использует секретный ключ, то он должен быть создан или до
начала обмена сообщениями, или передан по защищённому каналу. Стегосистема,
использующая открытый ключ, должна быть устроена таким образом, чтобы было
невозможно получить из него закрытый ключ. В этом случае открытый ключ мы можем
передавать по незащищённому каналу.
Цифровой водяной знак (ЦВЗ) — технология, созданная для
защиты авторских прав мультимедийных файлов. Обычно цифровые водяные знаки
невидимы. Однако ЦВЗ могут быть видимыми на изображении или видео. Обычно это
информация представляет собой текст или логотип, который идентифицирует автора.
Невидимые ЦВЗ внедряются в цифровые данные, но не могут быть восприняты как
таковые. Важнейшее применение цифровые водяные знаки нашли в системах защиты от
копирования, которые стремятся предотвратить или удержать от несанкционированного
копирования цифровых данных.
Применение аудио водяных знаков
Возможны следующие применения аудио водяных знаков
(далее AWM):
- Автор музыкального произведения встраивает водяной знак, используя специализированное ПО и распространяет произведение. При возникновении спора об авторстве, неразрешенной публичной трансляции и других подобных ситуаций автор может обратиться в суд, а неоспоримым доказательством будет служить водяной знак.
- Можно добавить функцию встраивания AWM в устройства и программы копирования и воспроизведения аудиофайлов. Это позволит прослеживать путь нелегального распространения аудиофайлов.
- Студии могут записывать знаки в саундтрек театральных релизов, и при появлении пиратской записи появится возможность определить место и дату ее создания.
- Применение AWM, стирающихся при изменении аудиофайла позволят подтвердить произошедшее изменение.
- Добавление в телефонный аппарат (или приставки к нему) функции встраивания AWM позволят дополнительно подтвердить личность звонящего.
Методы внедрения AWM
Требования, предъявляемые к стегосистемам, применяемым
для встраивания информации в аудиосигналы:
- скрываемая информация должна быть стойкой к наличию различных окрашенных шумов, сжатию с потерями, фильтрованию, аналогово-цифровому и цифро-аналоговому преобразованиям;
- скрываемая информация не должна вносить в сигнал искажения, воспринимаемые системой слуха человека;
- попытка удаления скрываемой информации должна приводить к заметному повреждению контейнера (для ЦВЗ);
- скрываемая информация не должна вносить заметных изменений в статистику контейнера.
Для внедрения скрываемой информации в аудиосигналы
можно использовать методы, применимые 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.
Систему слуха человека можно представить, как
анализатор частотного спектра, который может обнаруживать и распознавать
сигналы в диапазоне 10 – 20000 Гц. Модель человеческого слуха выглядит, как 26
пропускающих фильтров, полоса пропускания, которых увеличивается с увеличением
частоты. Система слуха человека различает изменения фазы сигнала слабее, нежели
изменения амплитуды или частоты.
Аудиосигналы
можно разделить на три класса:
- разговор телефонного качества, диапазон 300 – 3400 Гц;
- широкополосная речь 50 – 7000 Гц;
- широкополосные аудиосигналы 20 – 20000 Гц.
Практически все аудиосигналы имеют характерную
особенность. Любой из них представляет собой достаточно большой объем данных,
для того, чтобы использовать статистические методы внедрения информации.
Методы,
учитывающие на эти особенности:
- Кодирования с расширением спектра (изменения амплитуды отсчетов по закону AWM).
- Внедрение AWM модификацией фазы аудиосигнала.
- Встраивания AWM за счет изменения времени задержки эхо-сигнала.
1. Кодирование с расширением спектра. Алгоритм,
предложенный в работе [1], удовлетворяет большинству из предъявляемых
требований, изложенных выше. ЦВЗ внедряется в аудиосигналы (последовательность
8- или 16-битных отсчетов) путем незначительного изменения амплитуды каждого
отсчета. Для обнаружения ЦВЗ не требуется исходного аудиосигнала. ЦВЗ
сохраняется при применении к аудиосигналу скользящего фильтра средних частот и
фильтра нижних частот. При переквантовании аудиосигнала из 16-битного в
8-битный и обратно внедренный ЦВЗ сохраняется, несмотря на частичную потерю
информации.
2. Метод, предлагающий использовать слабую
чувствительность системы слуха человека к незначительным изменениям фазы
сигнала, был предложен В. Бендером, Н. Моримото и др. [2]. Внедрение информации
модификацией фазы аудиосигнала – это метод, при котором фаза начального
сегмента аудиосигнала модифицируется в зависимости от внедряемых данных. Фаза
последующих сегментов согласовывается с ним для сохранения разности фаз. Это
необходимо потому, что к разности фаз человеческое ухо более чувствительно.
Фазовое кодирование, когда оно может быть применено, является одним из наиболее
эффективных способов кодирования по критерию отношения сигнал-шум.
Получателю должны быть известны: длина сегмента, и
точки ДПФ. Перед декодированием последовательность должна быть
синхронизирована. Недостатком этой схемы является ее низкая пропускная
способность. В экспериментах В. Бендера и Н. Моримото пропускная способность
канала варьировалась от 8 до 32 бит в секунду.
3. Теми же авторами был предложен метод внедрения
информации с использованием эхо-сигнала [2]. Этот метод позволяет внедрять
данные в сигнал прикрытия, изменяя параметры эхо-сигнала. К параметрам эхо,
несущим внедряемую информацию, относятся: начальная амплитуда, время спада и
сдвиг (время задержки между исходным сигналом и его эхо). При уменьшении сдвига
два сигнала смешиваются. В определенной точке человеческое ухо перестает
различать два сигнала, и эхо воспринимается, как добавочный резонанс. Эту точку
трудно определить точно, так как она зависит от исходной записи, типа звука и
слушателя. В общем случае, по исследованиям В. Бендера и Н. Моримото, для
большинства типов сигналов и для большинства слушателей слияние двух сигналов
происходит при расстоянии между ними около 0,001 секунды.
По исследованиям В. Бендера и Н. Моримото данная схема
позволяет внедрять 16 бит в одну секунду аудиозаписи незаметно, без потери ее
качества.
Описание компьютерной программы разработанной ООО «Речевые технологии»
Назначение
Компьютерная программа АудиоМарк (далее программа)
предназначена внедрения надежных цифровых водяных знаков в звуковых файлы.
Область применения
Программа может использоваться для внедрения в
звуковые файлы лицензионной информации, а так же скрытого обмена секретными
сообщениями (стеганографии). Отличительной особенностью программы является то,
что для декодирования внедренного текстового сообщения требуется только сама
программа и нет необходимости в создании и обращении к централизованной базе
цифровых водяных знаков.
Функциональные возможности
Программа выполняет внедрение в звуковой файл
периодически повторяющийся текстовой информации (сообщения). Сравнение типового
способа маркировки звуковых файлов с разработанным приведено на рисунках 1,2.
Как видно из приведенных рисунков, достоинством
типовой процедуры маркировки сообщения является простота реализации. Тем не
менее, такая схема имеет и свои недостатки: требуется получить доступ к базе
для определения наличия некоторого признака; определение неизвестного сообщения
требует сравнения со всеми признаками из базы.
a)
|
 |
б)
|
 |
Рисунок 1 – Типовая процедура а) маркировки и б) восстановления
текстового сообщения
текстового сообщения
Структурная схема разработанной системы маркировки
звуковых сообщений представлена на рисунке 2.
Такая схема обладает следующими достоинствами:
выделение сообщения не требует доступа к базе, а определение неизвестного
сообщения не требует сравнения со всеми признаками из базы.
Особенностью работы разработанной схемы является то,
что надежность восстановления сообщения зависит от размера текстового
сообщения.
 |
 |
a)
|
б)
|
Рисунок 2 – Разработанная схема а) внедрения и б) выделения
текстового сообщения
текстового сообщения
Параметры работы системы (каждого этапа кодирования и
декодирования) могут настраиваться таким образом, что бы обеспечить требуемый
уровень скрытности, степени вносимых искажений, устойчивости к шумам,
искажениям и помехам.
Технические требования
В связи с особенностями выполнения частотной
манипуляции при внедрении сообщения в звуковой файл необходимо обеспечить наличие
в спектре сигнала компонент более мощных, чем шум квантования. То есть
сообщение не может быть внедрено в сигнал равный нулю. Мощность компонент в
значительной мере определяет устойчивость цифровых водяных знаков к шумам.
Проведенные исследования показали устойчивость цифровых водяных знаков к сжатию
речи кодеками G.711 (a-law, μ-law), G.721 ADPCM, MS ADPCM, Lame MP3 (32
кбит/с). При сжатии звуковых файлов CELP кодеками DSP Group True Speech и GSM
6.10 цифровой водяной знак разрушается.
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА И ИНТЕРНЕТ ИСТОЧНИКИ:
- http://ru.wikipedia.org/wiki/Стеганография
- http://ru.wikipedia.org/wiki/Цифровой_водяной_знак
- http://www.telesputnik.ru/archive/144/article/100.html - Обзор технологии водяных знаков VideoMark от Verimatrix.
- http://www.binary-universe.net/index.php?language=e – Исходные коды программ на С# по стеганографии.
- http://audiowatermarking.info/ - сайт, посвященный программному продукту AWT.
- http://websound.ru/soft-stegano_r.htm - краткий обзор стеганографических программ для аудио.
- http://www.petitcolas.net/fabien/steganography/mp3stego/ - сайт автора программ, книг и статей по ЦВЗ и стеганографии.
- Bassia P., Pitas I., «Robust audio watermarking in the time domain» Department of Informatics, University of Tressaloniki.
- Bender W., Gruhl B., Morimoto N., Lu A. «Techniques for data hiding» IBM systems journal. 1996. Vol, 35. № 3.
Комментариев нет:
Отправить комментарий