Оценка качества матричного маскирования цифровых звуковых данных

Рассмотрена задача обеспечения конфиденциальности звуковой информации, передаваемой по каналу связи с пакетной передачей. Анализ предметной области показал, что для обеспечения конфиденциальности переговоров используются, в основном, криптографические методы. Однако, наряду с ними, начинают применяться матричные методы защитного кодирования, с реализацией на программируемых логических интегральных схемах или процессорах цифровой обработки сигналов. Данные методы, используя случайные матрицы, накладывают дополнительные инструментальные ошибки при декодировании. Целью исследования является оценка качества защитного кодирования – маскирования звуковых данных квазиортогональными структурированными матрицами. Предложенный в работе метод маскирования цифровой звуковой информации квазиортогональными матрицами отличается от известных предсказуемыми результатами и простотой реализацией. Предложен подход оценки результата маскирования, альтернативный классическому использованию метрик. Он основан на анализе спектральной составляющей сигнала. Показано, что маскирование квадратной матрицей Мерсенна ‒ Уолша приводит цифровую звуковую информацию, представленную в виде матрицы, к виду, близкому по спектру к белому шуму. Это надежно защищает ее в коммуникационном канале от несанкционированного доступа. Полученные результаты показывают перспективность применения предлагаемого метода и предполагают исследование влияния выбора структур ортогональных матриц и их размеров на результаты маскирования.

1. Владимиров С.С., Когновицкий О.С. Обработка широкополосных последовательностей Гордона – Миллса – Велча с использованием двойственного базиса на основе двух регистров // Труды учебных заведений связи. 2019. Т. 5. № 2. С. 49‒58. DOI:10.31854/1813-324X-2019-5-2-49-58

2. Advanced encryption standard (AES) // FIPS 197. URL: https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/FIPS/NIST.FIPS.197.pdf (дата обращения 22.03.2023)

3. Rahman Md. M., Saha T.K., Bhuiyan Md. A. Implementation of RSA Algorithm for Speech Data Encryption and Decryption // International Journal of Computer Science and Network Security. 2012. Vol. 12. Iss. 3. PP. 74‒82.

4. Gnanajeyaraman R., Prasadh K. Audio encryption using higher dimensional chaotic map // International Journal of Recent Trends in Engineering. 2009. Vol. 1. Iss. 2. PP. 103‒107.

5. Hassan N.A., Al-Mukhtar F.S., Ali E.H. Encrypt Audio File using Speech Audio File As a key // Proceedings of the 2nd International Scientific Conference of Al-Ayen University (ISCAU-2020, Thi-Qar, Iraq, 15‒16 July 2020). IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 928 032066. PP. 79‒84. DOI:10.1088/1757-899X/928/3/032066

6. Farsana F.J., Devi V.R., Gopakumar K. An audio encryption scheme based on Fast Walsh Hadamard Transform and mixed chaotic keystreams // Applied Computing and Informatics. 2020. Vol. 16. Iss. 2. DOI:10.1016/j.aci.2019.10.001

7. Adhikari S., Karforma S. A novel audio encryption method using Henon–Tent chaotic pseudo random number sequence // International Journal of Information Technology. 2021. Vol. 13. PP. 1463–1471. DOI:10.1007/s41870-021-00714-x

8. Cai C., Bai E., Jiang X.Q., Wu Y. Simultaneous Audio Encryption and Compression Using Parallel Compressive Sensing and Modified Toeplitz Measurement Matrix // Electronics. 2021. Vol. 10. Iss. 23. P. 2902. DOI:10.3390/electronics10232902

9. Al-laham M.M. A Method for Encrypting and Decryptingwave Files // International Journal of Network Security & Its Applications. 2018. Vol. 10. Iss. 4. PP. 11‒21.

10. Abdallah H.A., Meshoul S.A. Multilayered Audio Signal Encryption Approach for Secure Voice Communication // Electronics. 2023. Vol. 12. Iss. 1. P. 2. DOI:10.3390/electronics12010002

11. Hameed Y.M., Ali N.H.M. An efficient audio encryption based on chaotic logistic map with 3D matrix // Journal of Theoretical and Applied Information Technology. 2018. Vol. 96. Iss. 16. PP. 5142‒5152.

12. Luis M., Daniel L., Isabel A., Deicy A. A new multimedia cryptosystem using chaos, quaternion theory and modular arithmetic // Multimedia Tools and Applications. 2023. DOI:10.1007/s11042-023-14475-1

13. Ge X., Sun G., Zheng B., Nan R. FPGA-Based Voice Encryption Equipment under the Analog Voice Communication Channel // Information. 2021. Vol. 12. Iss. 11. PP. 456. DOI:10.3390/info12110456

14. Donoho D.L. Compressed sensing // IEEE Transactions on Information Theory. 2006. Vol. 52. Iss. 4. PP. 1289‒1306. DOI:10.1109/TIT.2006.871582

15. Востриков А.А., Сергеев М.Б., Литвинов М.Ю. Маскирование цифровой визуальной информации: термин и основные определения // Информационно-управляющие системы. 2015. №5(78). С. 116‒123. DOI:10.15217/issn1684-8853.2015.5.116

16. Vostrikov A., Sergeev M. Expansion of the Quasi-Orthogonal Basis to Mask Images // Proceedings of the 8th International KES Conference on Intelligent Interactive Multimedia Systems and Services (KES-IIMSS-15, Sorrento, Italy, 17‒19 June 2015). Smart Innovation, Systems and Technologies. Vol. 40. Cham: Springer, 2015. PP. 161‒168. DOI:10.1007/978-3-319-19830-9_15

17. Sergeev A. M., Grigoriev E. K. Quasiorthogonal Structured Mersenne Matrices for Masking Digital Video and Audio Data in Distributed Systems // Proceedings of the International Conference on Information Processes and Systems Development and Quality Assurance (IPSQDA-2023). 2023. PP. 57–59.

18. Сергеев А.М. Связь симметрии и антисимметрии квазиортогональных циклических матриц с простыми числами // Труды учебных заведений связи. 2022. Т. 8. № 4. С. 14‒19. DOI:10.31854/1813-324X-2022-8-4-14-19

19. Балонин Н.А., Балонин Ю.Н., Востриков А.А., Сергеев М.Б. Вычисление матриц Мерсенна ‒ Уолша // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2014. № 11. С. 51–55.

20. UrbanSound8K dataset. URL: https://urbansounddataset.weebly.com/urbansound8k.html (дата обращения 04.04.2023)

21. Григорьев Е.К., Сергеев М.Б., Сергеев А.М. Программа маскирования и демаскирования звуковой цифровой информации. Модуль маскирования. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № RU 2023614623 от 03.03.2023. Опубл. 03.03.2023.

22. Григорьев Е.К., Сергеев М.Б., Сергеев А.М. Программа маскирования и демаскирования звуковой цифровой информации. Модуль демаскирования. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № RU 2023614622 от 03.03.2023. Опубл. 03.03.2023.