СПОСОБ СКРЫТОЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК H04L9/00 H04K3/00 

Изобретение относится к электросвязи и вычислительной технике, к области способов и устройств стеганографического преобразования данных и может быть использовано в связных, вычислительных и информационных системах для стеганографического сокрытия информации при обмене данными правительственными, правоохранительными, оборонными, банковскими и промышленными учреждениями, когда возникает необходимость хранения и передачи конфиденциальной информации.

В качестве аналога изобретения может быть рассмотрен известный способ защищенной передачи информации с использованием импульсного кодирования [1], включающий формирование информационного сигнала с закодированной информацией, аддитивное суммирование информационного сигнала с хаотическим маскирующим сигналом, передачу суммарного сигнала по каналу связи к приемному устройству, детектирование информации, в качестве информационного и маскирующего сигналов используют последовательности одиночных импульсов подобной формы, при этом кодирование информации осуществляют расстоянием между соседними импульсами информационного сигнала, и в процессе детектирования проводят распознавание формы импульсов на основе нейросетевого метода и преобразуют интервалы времени между импульсами информационного сигнала в информацию.

Недостатком известного устройства является необходимость кодирования информации и сложность ее детектирования.

Известен способ (прототип) скрытой передачи информации [2, стр. 211], основанный на сложении встраиваемого сигнала и сигнала, являющегося функцией встраиваемого сигнала и маскирующего сигнала, а на приемной стороне статистическим методом с помощью порогового устройства принимается решение о наличии или отсутствии скрытой информации. Известный способ применяется для внедрения цифровых водяных знаков (ЦВЗ).

Недостатком прототипа является необходимость статистической обработки принятой информации и невозможность восстановления скрытой информации в полном объеме, так как результатом работы устройства, реализующего способ, является принятие решения о наличии скрытой информации.

Цель изобретения - увеличение скрытности и точности восстановления информации.

С этой целью в известном способе вместо формирования одного сигнала в виде суммы скрываемого сигнала и сигнала, являющегося функцией скрываемого сигнала и маскирующего сигнала, формируется стегоконтейнер, содержащий две компоненты, для чего выделяется первый сигнал, равный половине скрываемого сигнала, и второй сигнал, равный разности значения первого ключа и первого сигнала, первая компонента контейнера определяется первым сигналом, к которому прибавляется произведение маскирующего сигнала на сумму значения второго ключа и первого сигнала, вторая компонента контейнера определяется вторым сигналом, к которому прибавляется произведение маскирующего сигнала на сумму значения третьего ключа и второго сигнала, для восстановления скрытого сигнала определяются четыре коэффициента, первый коэффициент равен удвоенной сумме значений первого и третьего ключей, второй коэффициент равен удвоенному значению второго ключа, третий коэффициент равен удвоенному произведению значений первого и второго ключей, четвертый коэффициент равен сумме значений второго и третьего ключей, отсчеты скрытого сигнала находят, складывая третий коэффициент с произведением первой компоненты контейнера на первый коэффициент и вычитая произведение второй компоненты контейнера на второй коэффициент, полученный результат делят на сумму первой и второй компоненты контейнера и четвертого коэффициента.

Техническими результатами, которые будут получены при использовании изобретения, является способ сокрытия информации, позволяющий маскировать полезный сигнал в произвольном шумовом сигнале при соотношении сигнал/шум меньше 0,1 и восстанавливать принимающей стороной скрытую информацию в полном объеме.

На фиг. 1 приведена выборка отсчетов маскирующего сигнала и первого и второго сигналов, полученных при значении первого ключа K₁=0,06.

На фиг. 2 приведена выборка отсчетов первой и второй компоненты контейнера, полученных при значениях ключей K₂=1,9 и K₃=1,72.

На фиг. 3 приведен фрагмент скользящего спектра 1024 отсчетов встраиваемого сигнала.

На фиг. 4 приведен фрагмент скользящего спектра 1024 отсчетов первой компоненты контейнера.

На фиг. 5 приведен фрагмент скользящего спектра 1024 отсчетов второй компоненты контейнера.

На фиг. 6 приведено распределение плотности вероятности первой компоненты пустого контейнера.

На фиг. 7 приведено распределение плотности вероятности скрываемого сигнала.

На фиг. 8 приведено распределение плотности вероятности первой компоненты заполненного контейнера.

На фиг. 9 приведено распределение плотности вероятности второй компоненты заполненного контейнера.

На фиг. 10 приведена выборка отсчетов, восстановленных на приемной стороне первого и второго сигналов, встраиваемого сигнала и зависимость погрешности восстановления встраиваемого сигнала.

На фиг. 11 изображен вариант структурной схемы устройства, реализующего данный способ. Устройство содержит блок ослабления сигнала 1, первый и второй блоки памяти ключей 2 и 12, блок формирования маскирующего сигнала 3, блок вычитания 4, шесть блоков суммирования соответственно 5, 9, 6, 10, 17 и 16, четыре блока умножения соответственно 7, 8, 14 и 15, блок устройства передачи информации 11, блок формирования коэффициентов 13, блок деления 18.

Согласно предлагаемому способу для скрытой передачи информации выполняются следующие операции. Формируют отсчеты первого сигнала, значения которых в два раза меньше значений отсчетов скрываемого сигнала. Формируют отсчеты второго сигнала как разность значений первого ключа и первого сигнала. Формируют отсчеты первой компоненты стегоконтейнера, прибавляя к первому сигналу произведение маскирующего сигнала на сумму значений второго ключа и первого сигнала. Формируют отсчеты второй компоненты стегоконтейнера, прибавляя ко второму сигналу произведение маскирующего сигнала на сумму значений третьего ключа и второго сигнала. Стегоконтейнер передают по каналу связи. Для восстановления скрытого сигнала на приемной стороне определяют четыре коэффициента. Первый коэффициент равен удвоенной сумме значений первого и третьего ключей. Второй коэффициент равен удвоенному значению второго ключа. Третий коэффициент равен удвоенному произведению значений первого и второго ключей. Четвертый коэффициент равен сумме значений второго и третьего ключей. Отсчеты скрытого сигнала находят, складывая третий коэффициент с произведением первой компоненты контейнера на первый коэффициент и вычитая произведение второй компоненты контейнера на второй коэффициент, а полученный результат делят на сумму первой и второй компоненты контейнера и четвертого коэффициента.

Обозначим отсчеты скрываемого сигнала y(n), а отсчеты маскирующего сигнала z(n). Первый сигнал определяется выражением

а второй сигнал выражением

где K₁ - значение первого ключа.

Общий вид стеганографического преобразования, формирующего стегоконтейнер, описывается системой уравнений:

где φ - функция стеганографического преобразования.

Использование линейной функции (3) стеганографического преобразования позволяет получить простую математическую модель восстановления скрытой информации на основе сжимающих отображений [3]. Используем следующие выражения для компонент стегоконтейнера:

где K₂ и K₃ - ключи стеганографического преобразования.

На фиг. 1 показаны, в качестве примера, первый и второй сигналы, полученные с помощью (1) и (2). Скрываемый сигнал является случайным с равномерным распределением плотности вероятности в интервале ±0,05.

На фиг. 2 показаны обе компоненты стегоконтейнера, полученные с помощью (3). Маскирующий сигнал является случайным с равномерным распределением плотности вероятности в интервале ±1.

Закон распределения плотности вероятности у скрываемого и маскирующего сигналов может быть произвольным.

Анализ спектров скрываемого сигнала (фиг. 3) и компонент стегоконтейнера (фиг. 4 и 5) показывает, что выделить скрываемый сигнал с помощью фильтрации невозможно.

Анализ гистограмм распределения плотности вероятности пустого контейнера (фиг. 6), скрываемого сигнала (фиг. 7) и компонент заполненного контейнера (фиг. 8 и 9) показывает, что расширения гистограммы не происходит.

Для выражений (4) известны функциональные сжимающие отображения, позволяющие исключить функции стеганографического преобразования φ и выделить первый и второй сигналы [3]:

Скрываемый сигнал восстанавливается следующим образом:

После подстановки (5) в (6) получим:

где коэффициенты k определяются по значениям ключей K следующим образом:

На фиг. 10 приведены отсчеты восстановленных сигналов с помощью выражений (5) и (7), а также погрешность Δ восстановления скрываемого сигнала, которая соизмерима с погрешностью работы вычислительного процессора. Таким образом, операции восстановления скрываемого сигнала определяются выражением (7).

На фиг. 11 приведена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ скрытой передачи информации. Устройство содержит блок ослабления сигнала 2, к входу которого подключен вход устройства, выход блока ослабления сигнала 2 подключен к первому входу блока вычитания 4, к первому входу первого блока суммирования 5 и к первому входу второго блока суммирования 9, первый выход первого блока памяти ключей 3 подключен ко второму входу первого блока суммирования 5, второй выход подключен к первому входу третьего блока суммирования 6, третий выход подключен ко второму входу блока вычитания 4, выход блока формирования маскирующего сигнала 1 подключен ко второму входу первого блока умножения 7 и ко второму входу второго блока умножения 8, выход блока вычитания 4 подключен ко второму входу третьего блока суммирования 6 и ко второму входу четвертого блока суммирования 10, выход первого блока суммирования 5 подключен к первому входу первого блока умножения 7, выход третьего блока суммирования 6 подключен к первому входу второго блока умножения 8, выход первого блока умножения 7 подключен ко второму входу второго блока суммирования 9, выход второго блока умножения 8 подключен к первому входу четвертого блока суммирования 10, выход второго блока суммирования 9 подключен к первому входу блока передачи информации 11, выход четвертого блока суммирования 10 подключен ко второму входу блока передачи информации 11, первый выход блока передачи информации подключен к первому входу третьего блока умножения 14 и к первому входу пятого блока суммирования 17, второй выход блока передачи информации 11 подключен к первому входу четвертого блока умножения 15 и ко второму входу пятого блока суммирования 17, первый выход второго блока памяти ключей 12 подключен к первому входу блока формирования коэффициентов 13, второй выход подключен ко второму входу блока формирования коэффициентов 13, третий выход подключен к третьему входу блока формирования коэффициентов 13, первый выход блока формирования коэффициентов 13 подключен к второму входу третьего блока умножения 14, второй выход подключен к второму входу четвертого блока умножения 15, третий выход подключен к третьему входу шестого блока суммирования 16, четвертый выход подключен к третьему входу пятого блока суммирования 17, выход третьего блока умножения 14 подключен к первому входу шестого блока суммирования 16, выход четвертого блока умножения 15 подключен ко второму входу шестого блока суммирования 16, выход шестого блока суммирования 16 подключен к первому входу блока деления 18, выход пятого блока суммирования 17 подключен ко второму входу блока деления 18, выход блока деления 18 является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

Скрываемый сигнал поступает на блок ослабления сигнала 2, где формируется первый сигнал y₁ согласно (1).

Второй сигнал y₂ формируется в блоке 4 с использованием первого ключа согласно (2).

Первая компонента стегоконтейнера u₁ формируется с помощью блоков 5, 7, 9 согласно первому уравнению (4).

Вторая компонента стегоконтейнера u₂ формируется с помощью блоков 6, 8, 10 согласно второму уравнению (4).

Обе компоненты подаются на входы устройства передачи информации 11. Данный блок подразумевает устройство передачи информации, включающее в себя блоки модуляции сигналов, передающие и приемные устройства, и линию передачи информации. Примером устройства передачи информации, реализующего одновременную передачу двух сигналов по одному каналу связи является устройство, использующее квадратурную амплитудную модуляцию сигнала с последующей демодуляцией [4]. Другим примером является устройство передачи стереофонического аудиосигнала.

Извлечение скрытой информации на приемной стороне осуществляется в соответствии с выражением (7). Коэффициенты k уравнения (7) определяются в блоке 13 с помощью ключей K, которые хранятся в блоке 12. С помощью блоков 14 и 16 определяется числитель (7), с помощью блоков 15 и 17 определяется знаменатель (7), и с выхода делителя 18 снимается восстановленная информация.

Выходной сигнал, при отсутствии помех в блоке 11 и ошибок квантования при выполнении вычислений, соответствует скрываемому сигналу с абсолютной точностью.

Таким образом, предлагаемый способ скрытой передачи информации позволяет эффективно маскировать скрываемый сигнал в более интенсивном сигнале и передавать его по линии связи с последующим восстановлением.

Источники информации

1. Патент на изобретение №2493659. Российская Федерация, МПК H04L 9/28. Способ защищенной передачи информации с использованием импульсного кодирования / А.И. Назимов, А.Н. Павлов. // (Россия); заявл. 20.12.2011; опубл. 20.09.2013.

2. Грибунин В.Г. Цифровая стеганография / В.Г. Грибунин, И.Н. Оков, И.В. Туринцев. - М.: Солон-Пресс. 2002. - 272 с.

3. Шакурский, В.К. Алгоритм коррекции многофакторной дополнительной погрешности измерительных преобразователей / В.К. Шакурский // Приборы и системы управления. - 1996. - №7. - С. 20-23.

4. Сергиенко, А.Б. Цифровая обработка сигналов / А.Б. Сергиенко //. - СПб.: Питер, 2005. - 604 с.

Изобретение относится к компьютерной технике, а именно к способу стеганографического преобразования данных. Технический результат - увеличение скрытности и точности восстановления скрываемого сигнала. Способ скрытой передачи информации, основанный на сложении скрываемого сигнала и сигнала, являющегося функцией скрываемого сигнала и маскирующего сигнала, отличающийся тем, что, с целью увеличения скрытности и точности восстановления скрываемого сигнала, формируется стегоконтейнер, содержащий две компоненты, для этого выделяется первый сигнал, равный половине скрываемого сигнала, и второй сигнал, равный разности значения первого ключа и первого сигнала, первая компонента контейнера определяется первым сигналом, к которому прибавляется произведение маскирующего сигнала на сумму значения второго ключа и первого сигнала, вторая компонента контейнера определяется вторым сигналом, к которому прибавляется произведение маскирующего сигнала на сумму значения третьего ключа и второго сигнала, для восстановления скрытого сигнала определяются четыре коэффициента, первый коэффициент равен удвоенной сумме значений первого и третьего ключей, второй коэффициент равен удвоенному значению второго ключа, третий коэффициент равен удвоенному произведению значений первого и второго ключей, четвертый коэффициент равен сумме значений второго и третьего ключей, отсчеты скрытого сигнала находят, складывая третий коэффициент с произведением первой компоненты контейнера на первый коэффициент и вычитая произведение второй компоненты контейнера на второй коэффициент, полученный результат делят на сумму первой и второй компоненты контейнера и четвертого коэффициента. 11 ил.

Способ скрытой передачи информации, основанный на сложении скрываемого сигнала и сигнала, являющегося функцией скрываемого сигнала и маскирующего сигнала, отличающийся тем, что, с целью увеличения скрытности и точности восстановления скрываемого сигнала, формируется стегоконтейнер, содержащий две компоненты, для этого выделяется первый сигнал, равный половине скрываемого сигнала, и второй сигнал, равный разности значения первого ключа и первого сигнала, первая компонента контейнера определяется первым сигналом, к которому прибавляется произведение маскирующего сигнала на сумму значения второго ключа и первого сигнала, вторая компонента контейнера определяется вторым сигналом, к которому прибавляется произведение маскирующего сигнала на сумму значения третьего ключа и второго сигнала, для восстановления скрытого сигнала определяются четыре коэффициента, первый коэффициент равен удвоенной сумме значений первого и третьего ключей, второй коэффициент равен удвоенному значению второго ключа, третий коэффициент равен удвоенному произведению значений первого и второго ключей, четвертый коэффициент равен сумме значений второго и третьего ключей, отсчеты скрытого сигнала находят, складывая третий коэффициент с произведением первой компоненты контейнера на первый коэффициент и вычитая произведение второй компоненты контейнера на второй коэффициент, полученный результат делят на сумму первой и второй компоненты контейнера и четвертого коэффициента.