Разработка цифрового водяного знака, устойчивого к пересжатию для mp3 контейнера

Введение
Глава 1. Вейвлеты
1.1. Основные понятия и вейвлеты Хаара
1.2. Многомасштабный анализ и вейвлеты Добеши
1.3. Быстрое вейвлет-преобразование и койфлеты
1.4. Выбор вейвлета
Глава 2. Шифрование информации
2.1. Простые методы шифрования
2.2. Режимы шифрования
2.3. Стандарты шифрования
Глава 3. Шифрование для mp3 файлов
3.1. Цифровые водяные знаки
3.2. Описание формата mp3
3.3. Разработка метода
3.4. Описание программы
3.5. Тестирование метода на контейнерах и анализ работы программы по результату тестирования
Заключение
Список литературы

..». Несмотря на упразднение ФАПСИ в текущем году, нормативные документы, устанавливающие данные требования, действительны и сейчас. Во-вторых, данный алгоритм разрабатывался с огромным запасом в криптостойкости, причем с совсем небольшим ущербом скорости шифрования. Алгоритм ГОСТ 28147-89 является классическим алгоритмом симметричного шифрования на основе сети Фейстеля. Данный алгоритм шифрует информацию блоками по 64 бита (такие алгоритмы называются «блочными»). Смысл сети Фейстеля состоит в том, что блок шифруемой информации разбивается на два или более субблоков, часть которых обрабатывается по определенному закону, после чего результат этой обработки накладывается (операцией побитового сложения по модулю 2) на необрабатываемые субблоки. Затем субблоки меняются местами, после чего обрабатываются снова и т.д. определенное для каждого алгоритма число раз-раундов. [24]DES (DataEncryptionStandard) — симметричный алгоритм шифрования, разработанный фирмой IBM и утвержденный правительством США в 1977 году как официальный стандарт (FIPS 46-3).DES имеет блоки по 64 бита и 16 цикловую структуру сети Фейстеля, для шифрования использует ключ с длиной 56 бит. Алгоритм использует комбинацию нелинейных (S-блоки) и линейных (перестановки E, IP, IP-1) преобразований. Для DES рекомендованонесколькорежимов:режим электронной кодовой книги (ECB — ElectronicCodeBook),режим сцепления блоков (СВС — CipherBlockChaining),режим обратной связи по шифротексту (CFB — CipherFeedBack),режим обратной связи по выходу (OFB — OutputFeedBack).Схема шифрования алгоритма DES указана на рис.3. Исходный текст — блок 64 бит. Процесс шифрования состоит в начальной перестановке, 16 циклах шифрования и конечной перестановке.Рис. 3. Схема шифрования. DES был национальным стандартом США в 1977—1980 гг., но в настоящее время DES используется (с ключом длины 56 бит) только для устаревших систем, чаще всего используют его более криптоустойчивый вид (3DES, 2DES). 3DES является простой эффективной заменой DES, и сейчас он рассмотрен как стандарт. В ближайшее время DES и TripleDES будут заменены алгоритмом AES (AdvancedEncryptionStandard — Расширенный Стандарт Шифрования). Алгоритм DES широко применяется для защиты финансовой информации: так, модуль THALES (Racal) HSMRG7000 полностью поддерживает операции TripleDES для эмиссии и обработки кредитных карт VISA, EuroPay и проч. Канальные шифраторы THALES (Racal) DataDryptor 2000 используют TripleDES для прозрачного шифрования потоков информации. Также алгогритмDES используется во многих других устройствах и решениях THALES-eSECURITY. [25]Глава 3. Шифрование для mp3 файлов3.1. Цифровые водяные знакиЦифровые водяные знаки разрабатывались следующими компаниями:Algosoft (Тель-Авив), Alpha-Omega (Мюнхен), Luxoft (США). Известны следующие основные алгоритмы, использовавшиеся в цифровой подписи, запатентованные данными фирмами. Эти методы опираются на теорию вейвлет-декомпозиции, описанную в главе 1.Алгоритм LWA (lowwaveletcoefficientadditional) Входной звуковой сигнал разбивается на достаточно длинные участки, которые раскладываются на низкочастотную и высокочастотную компоненты при помощи вейвлет-коэффициентов. Известно, что самые высокочастотные части сигнала содержат, в основном, информацию о шумах и помехах, а потому, как правило, отбрасываются. Низкочастотная часть содержит в себе усредненную информацию о сигнале и содержит наиболее структурообразующие элементы сигнала. Высокочастотные вейвлет- коэффициенты малы по амплитуде и имеют разреженное представление для сигнала, очищенного от шума. Низкочастотные коэффициенты имеют большую амплитуду, но количество их мало. Данный метод шифрования предусматривает добавление к низкочастотной составляющей первых нескольких компонентов сигнала дополнительных слагаемых цифровой подписи, амплитуда которых на порядок меньше амплитуды низкочастотной составляющей. Далее эта информация может быть извлечена вычитанием скользящего среднего. Данный метод слабо искажает низкочастотную составляющую так, что при реконструкции сигнала искажение на слух почти незаметно. К числу достоинств такого метода следует отнести то, что объем выходного файла не меняется. К числу недостатков метода следует отнести то, что в случае,когда сигнал сам по себе высокочастотный, и низкочастотная составляющая мала, то добавление дополнительного скрытого слагаемого может значительно исказить соответствующий сегмент звуковой дорожки.Алгоритм HWA (height wavelet coefficient additional). В отличие от предыдущего метода, он добавляет к разреженной высокочастотной составляющей слабую низкочастотную часть, которая потом извлекается операцией взятия скользящего медианного фильтра. Про достоинства и недостатки данного метода можно сказать то же, что и про предыдущий метод. Следует также сказать, что нарушение разреженности высокочастотной составляющей приводит к уменьшению способности сигнала к сжатию и увеличению объема хранимого файла PS (prefixsignature) Данный метод заключается в том, что он в заголовок шапки файла ставит бинарную метку, соответствующую наличию или отсутствию лицензии, соответственно. К числу недостатков метода следует отнести доступность информации о наличии метки к несанкционированному доступу.В первых двух методах использовалась техника добавления дополнительной информации о наличии лицензии к определенной группе вейвлет-коэффициентов сигнала. Последующие модификации методов использовали дополнительно к этому алгоритмы шифрования добавляемой информации. В свете этого было бы уместным сказать пару слов о методике шифрования входного потока.(См.главу 2). Разработанный новый метод предполагает добавление водяного знака в конец файла в зашифрованном виде, что предусматривает:Отсутствие искажения звукаНезначительное увеличение объема хранимого файла, что на современном этапе развития технологий является несущественным в силу большого объема современных носителейЗащиту от несанкционированного доступа в силу использованного алгоритма шифрования с открытым ключом.3.2. Описание формата mp3Подобно алгоритму сжатия JPЕG, контейнер mp3 предусматривает разбиение сигнала на отдельные блоки одинаковой длины и сжатие данных внутри блока простой квантизацией.Квантизацией называется следующее математическое преобразование.Пусть round(m) означает взятие целой части от вещественного числа. Тогда преобразование квантизации естьT(u)=mround(u/m)MP3 (более точно, англ. MPEG-1/2/2.5 Layer 3; но не MPEG-3) — это кодек третьего уровня, разработанный командой MPEG, лицензируемый формат файла для хранения аудиоинформации.MP3 является одним из самых распространённых и популярных форматов цифрового кодирования звуковой информации с потерями. Он широко используется в файлообменных сетях для оценочной передачи музыкальных произведений. Формат может проигрываться практически во всех популярных операционных системах, на большинстве портативных аудиоплееров, а также поддерживается всеми современными моделями музыкальных центров и DVD-плееров.В формате MP3 используется алгоритм сжатия с потерями, разработанный для существенного уменьшения размера данных, необходимых для воспроизведения записи и обеспечения качества воспроизведения звука очень близкого к оригинальному (по мнению большинства слушателей), хотя аудиофилы говорят об ощутимом различии. При создании MP3 со средним битрейтом 128 кбит/с в результате получается файл, размер которого примерно равен 1/11 от оригинального файла с CD-Audio. Само по себе несжатое аудио формата CD-Audio имеет битрейт 1411,2 кбит/с. MP3-файлы могут создаваться с высоким или низким битрейтом, который влияет на качество файла-результата. Принцип сжатия заключается в снижении точности некоторых частей звукового потока, что практически неразличимо для слуха большинства людей. Данный метод называют кодированием восприятия.[1] При этом на первом этапе строится диаграмма звука в виде последовательности коротких промежутков времени, затем на ней удаляется информация, не различимая человеческим ухом, а оставшаяся информация сохраняется в компактном виде. Данный подход похож на метод сжатия, используемый при сжатии картинок в формат JPEG.[уточнитьКак и формат JPEG, MP3 использует спектральные отсечения, согласно психоакустической модели. Звуковой сигнал разбивается на равные по продолжительности отрезки, каждый из которых после обработки упаковывается в свой фрейм (кадр). Разложение в спектр требует непрерывности входного сигнала, посему для расчётов используется также предыдуший и следующий фрейм. В звуковом сигнале есть гармоники с меньшей амплитудой и гармоники, лежащие вблизи более интенсивных — такие гармоники отсекаются, так как среднестатистическое человеческое ухо не всегда сможет определить присутствие либо отсутствие таких гармоник. Такая особенность слуха называется эффектом маскировки. Также возможна замена двух и более близлежащих пиков одним усреднённым (что как правило и приводит к искажению звука). Критерий отсечения определяется требованием к выходному потоку. Поскольку весь спектр актуален, высокочастотные гармоники не отсекаются, как в JPEG, а только выборочно удаляются, чтобы уменьшить поток информации за счёт разрежения спектра. После спектральной «зачистки» применяются математические методы сжатия и упаковка во фреймы. Каждый фрейм может иметь несколько контейнеров, что позволяет хранить информацию о нескольких потоках (левый и правый канал либо центральный канал и разница каналов). Степень сжатия можно варьировать, в том числе в пределах одного фрейма. Интервал возможных значений битрейта составляет 8-320 кбит/c.В прошлом было распространено мнение, что запись с битрейтом 128 кбит/c подходит для музыкальных произведений, предназначенных для прослушивания большинством людей, обеспечивая качество звучания Audio-CD. В действительности всё намного сложнее. Во-первых, качество полученного MP3 зависит не только от битрейта, но и от кодирующей программы (кодека) (стандарт не устанавливает алгоритм кодирования, только описывает способ представления). Во-вторых, помимо превалирующего режима CBR (ConstantBitrate — постоянный битрейт) (в котором, проще говоря, каждая секунда аудио кодируется одинаковым числом бит) существуют режимы ABR (AverageBitrate — усреднённый битрейт) и VBR (VariableBitrate — переменный битрейт). В-третьих, граница 128 кбит/c является условной, так как она была «изобретена» в эпоху становления формата, когда качество воспроизведения звуковых плат и компьютерных колонок как правило было ниже, чем в настоящее время.На данный момент наиболее часто встречаются MP3 файлы с битрейтом 192 кбит/c, что может косвенно говорить о том, что большинство считает этот битрейт достаточным. Реально воспринимаемое «качество» зависит от исходного аудиофайла, слушателя и его аудиосистемы. Некоторые меломаны предпочитают сжимать музыку с «максимальным качеством» — 320 кбит/c, либо даже переходить на кодеки без потерь, например FLAC. Также среди меломанов бытует мнение, что некоторые семплы (фрагменты аудиозаписи) не поддаются качественному сжатию с потерями: на всех возможных битрейтах не составляет особого труда отличить сжатое аудио от оригинала. 3.3. Разработка методаПредположим, что существует некоторый канал связи от источника А к получателю B. На компьютере отправителя А и на компьютере получателя В стоит одна и также программа которая может записывать цифровую метку в mp3 носитель, а также может распознать её. То есть на стороне А мы "прогоняем" подлежащий маркировке mp3 файл через программу, после чего отсылаем по каналу связи получателю В (ну или просто передаём каким-нибудь образом - это несущественно). Получатель В хочет удостовериться что именно этот mp3 файл помечен известным нам двоим (А и В) цифровым знаком. Для этого он опять прогонят уже маркированный mp3 файл через программу, которая в данном случае уже работает в режиме распознавания данного цифрового знака. 3.4. Описание программыРазработана программа, которая представляет собой систему кодирования цифровой подписи в файл, а также считывания ее с кодированного файла.Данная версия предназначена для работы с файлами формата mp3.Принцип работы алгоритма.Файл представляется в виде байтового потока, и в определенное место этого потока вставляется сектор цифровой подписи.При этом структура файла не нарушается, и файл устойчив к компрессии.Цифровая подпись представляет собой текстовый файл "2.txt", в котором одна из строчек содержит номер лицензии,например, license_ 765959505Остальные строчки представляют собой случайную информацию.Далее файл превращается в байтовый поток и кодируется.В качестве кодирования используется алгоритм шифрования с открытым ключом.Ключ вводится пользователем на основной форме программы.Без этого ключа расшифровка подписи невозможна.Этот кодированный поток записывается в конец основного файла.Вторая опция программы позволяет в выбранном файле проверить наличие определенной выше подписи.Подпиь считывается по тому же ключу. В случае ее наличия в основной форме высвечивается номер лицензии.В случае ее отсутствия, либо в случае отсутствия сектора с подписью высвечивается надпись "nolicense".Файл "2.txt" находится в директории с программой.Выходной файл с закодированной подписью записывается в директорию "output" с именем coded_mp3.MP3Описание действия программы.Основная форма представляет собой следующее окно.Первая кнопка вызывает диалог открытия файла.Предлагается открыть "*.MP3" файл. В окошке "key" предлагается ввести ключ шифра. По умолчанию ключ стоит "quq". Выходной файл с закодированной подписью записывается в директорию "output" с именем coded_mp3.MP3.Другая кнопка (“decode”) проверяет наличие цифровой подписи в файле.Предлагается открыть "*.MP3" файл. В окошке "key" предлагается ввести ключ шифра.Результат работы.После этого в поле "license" появляется информация о наличии или отсутствии лицензии.3.5. Тестирование метода на контейнерах и анализ работы программы по результату тестированияПрограмма была опробована на базе данных mp3-файлов:Результаты работы продемонстрированы на примере в предыдущем пункте. Можно отметить, что полученный результат совпадает с ожидаемым. ЗаключениеБыл разработан новый метод защиты файлов с помощью нанесения электронного водяного знака, устойчивого к сжатию и не искажающего представления файла в виде звука.Метод опирается на опыт предшествовавших алгоритмов, в некоторой степени преодолевавший недостатки, описанные выше.СписоклитературыMeyer Y. Wavelets and Operators (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1992)Daubechies I. Ten Lectures on Wavelets (Philadelphia: SIAM, 1991)Meyer Y, Coifman R. Wavelets, Calderon—Zygmund and multilinear operators (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1997)Meyer Y Wavelets: Algorithms and Applications (Philadelphia: SIAM, 1993)Progress in Wavelet Analysis and Applications (Eds Y Meyer, S Roques) (Gif-sur-Yvette: Editions Frontiers, 1993)Chui С К Ли Introduction to Wavelets (San Diego: Academic Press,1992)Hernandez E, Weiss G A First Course on Wavelets (Boca Raton: CRC Press, 1997)Kaiser G A Friendly Guide to Wavelets (Boston: Birkhauser, 1994)9. Wavelets: An Elementary Treatment of Theory and Applications (Ed T Koornwinder) (Singapore: World Scientific, 1993)Астафьева Н. М. УФН 39 108 5 (1996)Carmona R, Hwang W.-L., Torresani В Practical Time-Frequency Analysis (San Diego: Academic Press, 1998)Grossman A, Morlet J. "Decomposition of functions into wavelets of constant shape, and related tranforms", in Mathematics + Physics, Lectures on Recent Results Vol. 1 (Ed. L Streit) (Singapore: World Scientific, 1985)Morlet J, Arens G, Fourgeau E, Giard D. Geophysics 47 203, 222 (1982)Wavelets in Physics (Ed. J С Van den Berg) (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1998)Mallat S. A. Wavelet Tour of Signal Processing (San Diego: Academic Press, 1998)Erlebacher G., Hussaini M. Y., Jameson L. M. Wavelets: Theory and Applications (New York: Oxford Univ. Press, 1996)Wavelets in Medicine and Biology (Eds A Aldroubi, M Unser) (Boca Raton: CRC Press, 1996)Haar А Май. Ann. 69 331(1910)Sweldens W Appl. Comput. Harmon. Anal. 3 186 (1996)Goedecker S, Ivanov O V Comput. Phys. 12 548 (1998)Ausher P OndelettesFractales et Applications (Paris: Univ. Paris,Dauphine, 1989); Мандельштам Л И Полное собрание трудовТ. I (Под. ред. С М Рытова) (М.: Изд-во АН СССР, 1948) с. 46Beylkin G SIAMJ. Numer. Anal. 29 1716 (1992)Beylkin G, Coifman R, Rokhlin V Commun. Pure Appl. Math. 44 141(1991)Jaffard S, Meyer Y Mem. Am. Math. Soc. 123 587 (1996)Dremin I M Phys. Lett. В 313 209 (1993)Dremin I M, Hwa R С Phys. Rev. D 49 5805 (1994)Dremin IM, Gary J W Phys. Rep. 348 (2001) (to be published); hepph/0004215Mallat S, Hwang W L IEEE Trans. Inform. Theory 38 617 (1992)Mandelbrot В В The Fractal Geometry of Nature (San Francisco:W.H. Freeman, 1982)Feder J Fractals (New York: Plenum Press, 1988)Paladin G, Vulpiani A Phys. Rep. 156 147 (1987)Дремин И М УФН 160 647 (1990)Renyi A Probability Theory (Amsterdam: North-Holland, 1970)Muzy J F, Bacry E, Arneodo A Phys. Rev. Lett. 67 3515 (1991); Int. J. Bifurcat. Chaos 4 245 (1994)Arneodo A, d'Aubenton-Carafa Y, Thermes С Physica D 96 291 (1996)De Wolf E, Dremin I M, Kittel W Phys. Rep. 270 1 (1996)Takayasu H Fractals in the Physical Sciences (Manchester: Manchester Univ. Press, 1990)Jaffard S Multifractal Formalism for Functions (Philadelphia: SIAM, 1997)Donoho D, Johnstone I J. Am. Stat. Assoc. 90 1200 (1995)Дремин И М, Иванов О В, Нечитайло В А Наука—производству (6) 13(2000)Спиридонов В П Компьютерра (8) 38 (1998)Torresani В, in Self-similar Systems (Eds V В Priezzhev, V P Spiridonov) (Dubna: JINR, 1999)Bowman C, Newell А С Rev. Mod. Phys. 70 289 (1998)Parr R G, Yang W Density-Functional Theory of Atoms and Molecules (New York: Oxford Univ. Press, 1989)Goedecker S, Ivanov O V Solid State Commun. 105 665 (1998)Wei S, Chou M Y Phys. Rev. Lett. 76 2650 (1997)Han S, Cho K, Ihm J Phys. Rev. В 60 1437 (1999)Tymczak С J, Wang X Phys. Rev. Lett. 78 3654 (1997)Ivanov O V, Antropov V P /. Appl. Phys. 85 4821 (1999)Ivanov O V Phys. Rev. В (2001) (to be published)Goedecker S, Ivanov O V Phys. Rev. В 59 7270 (1999)Carruthers P, in Proc. of Hot and Dense Matter, Bodrum, 1993(Singapore: World Scientific, 1994) p. 65Lipa P, Greiner M, Carruthers P, in Proc. of Soft Physics and Fluctuations, Crakow, 1993 (Singapore: World Scientific, 1994) p. 105Greiner M et al. Z. Phys. С 69 305 (1996)Suzuki N, Biyajima M, Ohsawa A Prog. Theor. Phys. 94 91 (1995)Huang D Phys. Rev. D 56 3961 (1997)Sarcevic I, Huang Z, Thews R Phys. Rev. D 54 750 (1996)Nandi В К etal. (WA98 Coll.), in Proc. of 3rd Int. Conference on Physics and Astrophysics of Quark-Gluon Plasma, Jaipur, 1997(Singapore: World Scientific, 1998) p. 12Astafyeva N M, Dremin I M, Kotelnikov К A Mod. Phys. Lett. A 12 1185(1997)Апанасенко А В, Добротин Н А, Дремин И М и др. Письма в ЖЭТФ 30 145 (1979)Алексеева К И и др. Известия АН СССР 26 572 (1962); J. Phys. Soc.Jpn. 17 409(1962)Масленникова Н А и др. Известия АН СССР 36 1696 (1972)Arata N NuovoCimento A 43 455 (1978)Dremin I M, OrlovA M, Tretyakova M I Proc. 17 ICRC 5 149 (1981); JETP Lett. 40 320 (1984)МарутянИАидр. ЯФ 29 1566(1979)Adamus M et al. (NA22 Coll.) Phys. Lett. В 185 200 (1987)Bialas A, Peschanski R Nucl. Phys. В 273 703 (1988)Дремин И М Письма в ЖЭТФ 30 140 (1979)Дремин И М ЯФ 33 1357 (1981)Dremin I M, Ivanov O V, Kalinin S A et al. Phys. Lett. В 499 97 (2001)Adamovich M I et al. (EMU01 Coll.) J. Phys. G 19 2035 (1993)Cherry M L et al. (KLM Coll.) Ada Phys. Pol. В 29 2129 (1998)Дремин И М, Ласаева П Л, Локтионов АА и др. ЯФ 52 840 (1990); Mod. Phys. Lett. A 5 1743 (1990)Agababyan N М et al. Phys. Lett. В 389 397 (1996)Дремин И М УФН170 1235 (2000)Georgantas A A Review of Compressor Aerodynamic Instabilities (Canada: National Aeronautical Establishment, 1994)Dremin I M, Furletov V I, Ivanov O V et al. Control Eng. Pract. (2001) (to be published)Akay M IEEE Spectrum 34 50 (1997)Ламброу Т, Линней А, Шпеллер М Компьютерра (6) 50 (1998)Thurner S, Feurstein M C, Teich M С Phys. Rev. Lett. 80 1544 (1998)Amaral LAN, Goldberger A L, Ivanov P С et al. Phys. Rev. Lett. 812388(1998)Ivanov P C, Amaral LAN, Goldberger A L et al. Nature 399 461 (1999)Yang F, Liao W IEEE Eng. Med. Biol. 16 17 (1997)Ivanov P С et al. Nature 383 323 (1996)Blanco S et al. IEEE Eng. Med. Biol. 16 64 (1997)Schiff S J et al. Electroen. Clin. Neurophysiol. 91 442 (1994)Blanco S et al. Phys. Rev. £54 6661 (1996)Arneodo A et al. J F Phys. Rev. Lett. 74 3293 (1995)Arneodo A et al. Physica A 254 24 (1998)Peng С К etal. Nature 356 168 (1992)Antonini M, Barlaud M, Mathieu P, Daubechies I IEEE Trans, on Image Process. 1 205 (1992)Wallace G K, in Compression Standard, Communications of the ACM, April 1991, ftp://ftp.uu.net/graphics/jpeg/wallace.ps.gz