Основи теорії виявлення слідів цифрової обробки фонограм

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій

УДК 621.317.799. 297 + 681.849

ОСНОВИ теорії ВИЯВЛЕННЯ СЛІДІВ ЦИФРОВОЇ ОБРОБКИ фонограм

Спеціальність 05.13.21 - системи захисту інформації

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Рибальський Олег Володимирович

Київ 2005

Дисертацією є рукопис

Організація, де виконана робота - Національна академія внутрішніх справ України

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор Геранін Всеволод Олександрович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", професор

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник, Єрохін Віктор Федорович, начальник управління в/ч А 1906

доктор технічних наук, професор Конахович Георгій Филимонович, Національний авіаційний університет України, декан факультету телекомунікацій та захисту інформації

доктор технічних наук, професор, Мохор Володимир Володимирович, Національний технічний університет України "КПІ", Військовий інститут телекомунікацій та інформатизації, спеціальний факультет СБ України, завідувач кафедри № 3

Провідна установа - Інститут проблем реєстрації інформації НАН України, відділ цифрових моделюючих систем, м. Київ

Захист відбудеться "21" жовтня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради СРД 26.861.02 Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій, м. Київ, вул. Солом'янська, 7.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій.

Автореферат розісланий "27" липня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради СРД 26.861.02 О.В. Бушма

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Право на неупереджене правосуддя - один з чинників прав людини, пріоритет яких записаний у Конституції України та повинен забезпечуватися на всіх рівнях державної влади.

Неупереджене правосуддя у свою чергу будується на розгляді й оцінюванні доказів у суді. Отже, якщо надані у вигляді фонограм докази є змонтованими, а суд нездатний оцінити цій факт через неможливість його виявлення засобами експертизи, то порушується право людини на неупереджене правосуддя, тобто не забезпечується виконання функціональних обов'язків держави перед громадянином. Це порушення відбувається в разі незабезпечення належного захисту правоохоронних органів від дезінформації, що надається у такому випадку до експертизи та суду, у вигляді змонтованих фонограм. Захист від дезінформації входить до комплексу наук, які забезпечують інформаційну безпеку. При монтажі фонограм відбувається спотворення інформації (тобто порушення її цілісності), що міститься у них, під час їх реєстрації та зберігання.

Не менш важливим аспектом інформаційної безпеки є захист людини від спрямованих на її свідомість інформаційних впливів. Вони становлять особливу загрозу, адже, з урахуванням можливостей сучасних інформаційних технологій, можуть використовуватися для впливання на великі маси людей.

Зрозуміло, що існують й інші аспекти захисту прав людини, які відносяться до інформаційної безпеки держави та базуються на використанні сучасних інформаційних технологій, наприклад, захист персональних даних про особу.

Але у даній роботі ми обмежилися розглядом одного з аспектів захисту інформації, - системами захисту від загроз цілісності інформації, що міститься у сигналограмах. Ці загрози можуть бути реалізовані шляхом застосування несанкціонованих зовнішніх втручань у сигналограми із використанням цифрових технологій. Таким чином, робота присвячена створенню систем захисту від дезінформації, наданої на сигналограмах або в правоохоронні органи, - як доказовий матеріал, або широкій громадськості, - як компрометуючі відеофонодокументи.

Виконана в дисертації розробка основ теорії виявлення слідів цифрової обробки фонограм містить у собі також розробку методів та устаткування для їх перевірки, адекватних засобам їхнього спотворення й обробки. Виявлення слідів подібних маніпуляцій пов'язано зі створенням методів і засобів захисту інформації при її реєстрації, збереженні та обробці, й моделюванням процесів нападу на інформацію, що зберігається на оригінальних фонограмах, тобто підпадає під дію п. 1,2 та 8 паспорту спеціальності 05.13.21 - Системи захисту інформації.

Використання цифрової обробки при монтажі фонограм, з урахуванням можливостей сучасних інформаційних технологій, являє суттєву загрозу інформаційній безпеці. Ця загроза виникла завдяки наявності багатьох об'єктивних факторів.

Основний з них - повна відсутність в експертних підрозділах правоохоронних органів методів і засобів гарантованого виявлення у фонограмах слідів монтажу, виконаного з застосуванням цифрових технологій.

Наявність цього чинника, за умови легкості придбання різних програм цифрової обробки звукових сигналів та широкого впровадження цифрової апаратури запису аналогових сигналів (ЦАЗАС), ставило під сумнів можливість подальшого використання фонограм як доказового матеріалу.

Маючи безсумнівні переваги, ЦАЗАС, у процесі удосконалення її технології та зниження вартості, у найближчому майбутньому витисне з ринку аналогову апаратуру магнітного запису (ААМЗ).

Разом з тим існує протиріччя між відсутністю методик та апаратури (а, отже, й можливістю) для перевірки автентичності цифрових фонограм при проведенні експертизи, та все значнішими масштабами використання цифрової апаратури звукозапису.

Наслідком цього протиріччя стала відмова експертних підрозділів більшості країн світу від визнання цифрових фонограм експертним матеріалом, у зв'язку з відсутністю методів та устаткування для перевірки їх автентичності.

Отже, було необхідно терміново вирішити протиріччя, що склалося у зв'язку з відсутністю методів та засобів перевірки автентичності цифрових сигналограм, відповідних існуючому технічному рівню загроз порушення цілісності інформації, яку вони містять.

В той же час, зростає ймовірність перезапису записаних і змонтованих у цифровій формі фонограм на ААМЗ. У такому фальсифікаті сліди цифрової обробки замасковані у власних шумах аналогової фонограми (АФ), і вони не виявляються традиційними методами експертизи. Тому також виникло протиріччя неадекватності наявних методів та засобів перевірки автентичності аналогових сигналограм існуючому технічному рівню загроз порушення цілісності інформації, яку вони містять.

Таким чином, було необхідно вирішити актуальну проблему виявлення слідів зовнішніх втручань, проведених з використанням цифрових технологій, що порушують цілісність інформації, яка міститься у сигналограмах, що перевіряються.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. З початку 2000 р. дослідження зі створення нових методів та устаткування проведення експертиз, що проводяться в Національній академії внутрішніх справ України (НАВСУ), були спрямовані в даному напрямку. Роботи проводилися під безпосереднім науковим і технічним керівництвом здобувача. У 2001 р. на підставі попередніх досліджень у Львівському НДІ судових експертиз Міністерством Юстиції України поставлена НДР "Розробка методичних основ та рекомендацій встановлення ознак оригінальності, достовірності магнітних фонограм та ідентифікації АМЗ за паразитними параметрами" (УДК 343.148 + 681.73 номер державної реєстрації 0195U005666), де здобувач є одним з відповідальних виконавців. За етапами виконання НДР захищені проміжні звіти. Робота завершується у 2005 р. У зв'язку з доповідями, зробленими нами на ряді засідань секції фоноскопії України, конференціях і семінарах, і передачею розроблених методик і засобів у всі НДІ судових експертиз нашої країни для їхнього впровадження, у 2004 р. Міністерством Юстиції України поставлена НДР "Розробка наукових та методичних основ виявлення слідів цифрової обробки аналогових та цифрових фонограм" (УДК 343.148: +681.73+801.009 номер державної реєстрації 0104U003514), де автор є науковим керівником. У роботі беруть участь Львівський, Київський та Одеський НДІ судових експертиз і НАВСУ. Також роботи цього напрямку проводяться в рамках "Програми розвитку матеріально-технічного, наукового та ресурсного забезпечення ОВС України" (додаток 9, п. 22 - здобувач є науковим керівником розробки).

Мета досліджень:

1. Вирішити проблему виявлення слідів зовнішніх втручань, проведених з використанням цифрових технологій, що порушують цілісність інформації, яка міститься у сигналограмах, що перевіряються, та розробити на цій теоретичній базі методи й засоби контролю автентичності фонограм.

Для досягнення поставленої мети було необхідно вирішити ряд задач.

Задачі досліджень:

1. Показати факт неможливості гарантованого виявлення слідів цифрової обробки фонограм існуючими методами.

2. Висунути та обґрунтувати необхідні тези, концепцію та гіпотези, встановити джерела й основні закономірності виникнення й прояву слідів цифрової обробки сигналограм та інформативні ознаки, придатні для їх виявлення.

Для цього провести аналіз конструктивних особливостей цифрової апаратури запису аналогових сигналів та процесу цифрової обробки сигналограм при зовнішніх втручаннях з використанням цифрових технологій. Визначити основні джерела та механізм виникнення слідів цифрової обробки у фонограмах. На базі проведеного аналізу обґрунтувати запропоновані тези, концепцію та гіпотези, встановити основні закономірності й визначити інформативні ознаки слідів цифрової обробки аналогових і цифрових фонограм.

3. Обґрунтувати придатність та достатність обраних інформативних ознак для проведення експертних досліджень аналогових і цифрових фонограм.

4. Обрати та застосувати математичний апарат, що дозволяє розробити методи і засоби виділення із сигналів, що містяться у фонограмах, інформативних ознак цифрової обробки. Розробити методи і засоби виявлення слідів цифрової обробки аналогових і цифрових фонограм та перевірити достатність їх роздільної здатності за амплітудою та частотою.

5. Експериментально перевірити достовірність отриманих результатів дослідження та методів вирішення досліджуваної проблеми.

6. Впровадити в експертну практику розроблені методи та засоби контролю автентичності фонограм.

Методи досягнення поставленої мети та рішення поставлених задач. При дослідженнях був застосований системний підхід до процесу цифрової обробки фонограм. При цьому, для визначення інформативних ознак і джерел їх виникнення, був використаний метод декомпозиції розглянутих систем обробки інформації, що складаються, як мінімум, із двох цифрових пристроїв (наприклад, ЦАЗАС і ПЕОМ). Застосовувалося аналітичне моделювання процесів, що відбуваються при фальсифікації фонограм. Моделі будувалися для різних варіантів операцій, що використовуються при цифровій обробці фонограм. При моделюванні використовувався математичний апарат дискретного в часі перетворення Фур'є, теорії ймовірностей, короткочасного часо-частотного аналізу, у тому числі мікрохвилькового (вейвлет) аналізу, що є частковим випадком короткочасного перетворення Фур'є.

При експериментальному підтвердженні придатності методів мікрохвилькового аналізу для виявлення інформативних ознак цифрової обробки фонограм застосовувалися методи математичного моделювання в ПЕОМ спотворень форми сигналів.

Виходячи з поставлених мети та задач, об'єктом дисертаційного дослідження є процеси, що відбуваються при цифровій обробці аналогових та цифрових сигналограм.

Предметом дисертаційного дослідження є процеси, що відбуваються при цифровій обробці сигналограм, їх прояви у сигналах у вигляді слідів такої обробки, джерела та механізм виникнення таких слідів та їх інформативні ознаки, а також методи й засоби для їхнього виявлення, що використовуються при проведенні експертизи автентичності аналогових і цифрових фонограм. цифровий фонограма інформативний обробка

У процесі досліджень були проведені:

- розгляд сучасного стану проблеми;

- класифікація існуючої ЦАЗАС, розгляд особливостей схемно-конструктивної побудови її різних видів та аналіз спотворень, що зазнають сигнали при їх передаванні такою апаратурою;

- висунення тез, концепції та гіпотез, покладених в основу досліджень;

- аналіз типів аналого-цифрових і цифро-аналогових перетворювачів (АЦП і ЦАП відповідно), що використовуються у ЦАЗАС та апаратурі обробки сигналів, аналіз спотворень сигналів, які вони зазнають у процесі перетворень, та вибір серед них тих, що можуть бути використані для виявлення слідів ЦО;

- аналіз можливих методів підробки фонограм, у тому числі аналіз і моделювання можливих дій висококласного фахівця з обробки сигналів при виготовленні фальсифікату з використанням ЦО фонограм;

- на основі проведеного аналізу обґрунтовано прийняті тези та концепцію й висунуто та обґрунтовано гіпотези, визначено джерела та механізм утворення інформативних ознак цифрової обробки фонограм;

- встановлена закономірність й обрані стійкі інформативні ознаки, що можуть використовуватися при проведенні експертних досліджень фонограм;

- обрано математичний апарат, що дозволяє реалізувати методи та засоби виявлення слідів ЦО аналогових і цифрових фонограм;

- розроблені методи та засоби виявлення слідів ЦО аналогових і цифрових фонограм;

- проведена експериментальна перевірка достовірності отриманих результатів досліджень.

Новизна отриманих результатів:

Науково обґрунтовано можливість гарантованого виявлення при перевірці автентичності сигналограм слідів зовнішніх втручань, виконаних в них з використанням цифрових технологій. При цьому:

1. Показано, що методи та засоби, що використовуються в сучасній експертній практиці, не здатні гарантовано виявляти сліди цифрової обробки аналогових і цифрових сигналограм.

2. Вперше створені основи теорії виявлення у сигналограмах слідів зовнішніх втручань, проведених з використанням цифрових технологій, в тому числі слідів цифрової обробки фонограм, у межах якої запропоновано та обґрунтовано ряд гіпотез, на основі яких визначені джерела та механізм виникнення слідів зовнішніх втручань при цифровій обробці сигналограм, показана неминучість їх виникнення й аналітично встановлена і експериментально підтверджена закономірність неминучого збільшення кількості спотворень форми та спектральних компонент, які виділяються з сигналів, відтворених з обробленої у цифровій формі сигналограми, відносно кількості цих спотворень й компонент, які виділяються з аналогічних сигналів, відтворених з сигналограми, що не піддавалася такій обробці.

3. Ця закономірність прийнята як інформативна ознака слідів цифрової обробки сигналограм.

4. Визначена неможливість технічної реалізації засобів гарантованого виявлення спотворень форми та спектру оброблених сигналів, що містяться у фонограмі, при використанні часо-частотного аналізатора, побудованого на класичному короткочасному перетворенні Фур'є.

5. Визначена можливість технічної реалізації засобів гарантованого виявлення спотворень форми та спектру оброблених сигналів, що містяться у фонограмі, за допомогою мікрохвилькового часо-частотного аналізу. З'ясована доцільність використання для розв'язання цієї задачі комплексної функції Морле.

6. Вперше розроблено метод перевірки автентичності сигналограм, заснований на виявлені слідів цифрової обробки шляхом порівняння еквівалентів спектрограм, отриманих з вейвлет-портретів стаціонарних сигналів, що виділяються з інформації, яка міститься у зразковій сигналограмі та сигналограмі, що перевіряється.

Практична значимість роботи полягає в тому, що науково обґрунтовано систему виявлення слідів цифрової обробки фонограм, а на цій базі розроблений та апробований апаратно-програмний комплекс, призначений для виявлення слідів цифрової обробки цифрових і аналогових фонограм. Таким чином, експертні підрозділи нашої країни першими отримали метод і засоби достовірної перевірки автентичності фонограм, адекватні способам їх обробки та спотворення, а розробники нових методів і апаратури - теоретичні основи створення таких систем, що відкриває нові шляхи їх подальшого удосконалення.

Комплекс впроваджений в експертній групі Національної академії внутрішніх справ України, Київському, Львівському й Одеському НДІ судових експертиз і з його допомогою проведено 29 експертиз по виявленню слідів цифрової обробки фонограм й у 10 випадках такі сліди виявлені у фонограмах, що надавалися на експертизу.

Результати дисертаційного дослідження також впроваджені у навчальний процес НАВСУ за навчальною дисципліною "Інформаційна безпека правоохоронних органів" та у навчальний процес Інституту захисту інформації Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій за навчальною дисципліною "Методи та засоби захисту інформації".

Апробація результатів дисертації. Результати проведених досліджень доповідалися на 11 конференціях і семінарах, у тому числі міжнародних. Серед них: Науково-практична конференція “Фізичні методи та засоби контролю матеріалів та виробів “ЛЕОТЕСТ-2000” (м. Славське, Львівської обл.). - Київ-Львів: НАНУ, 2000; Науково-практична конференція “Фізичні методи та засоби контролю матеріалів та виробів “ЛЕОТЕСТ-2001” (м. Славське, Львівської обл.). - Київ-Львів: НАНУ, 2001; Науково-практичний семінар "Нові напрямки криміналістичних досліджень у практиці судової експертизи". - К.: Міністерство юстиції України, Міністерство юстиції Азербайджану, 2001; Міжвідомчий науково-практичний семінар "Проблеми використання спеціальної техніки: навчальний процес, зв'язок науки та практики". - К.: НАВСУ, 2002; Міжвідомчий науково-практичний семінар "Інформаційна безпека правоохоронних органів". - К.: НАВСУ, 2002; Міжвідомча науково-практична конференція "Взаємодія слідчих та експертів у процесі боротьби зі злочинністю: проблеми та шляхи її подолання". -- Львів: ЛІВС при НАВСУ, 2003; Міжнар. наук.-практ. семін. "Сучасні технології в судовій акустиці". - К.: НАВСУ, 2003; ХІІ Международная научная конференция "Информатизация и информационная безопасность правоохранительных органов". - М.: Академия управления МВД России, 2003; Міжвідомчий міжрегіональний семінар Наукової Ради НАН України "Технічні засоби захисту інформації". - К., 2003; Міжвідомчий міжрегіональний семінар Наукової Ради НАН України "Технічні засоби захисту інформації". - К., 2004; Міжнародна науково-практична конференція "Спеціальна техніка у правоохоронній діяльності". - К.: НАВСУ, 2004.

Публікації. Результати проведених досліджень наведено в 31 статті, 20 з яких опубліковані в спеціальних виданнях, що входять до переліку наукових видань, в яких можуть публікуватися основні результати дисертаційних робіт, затвердженого ВАК України, двох монографіях, одному курсі лекцій, двох навчальних посібниках і матеріалах й тезах 5 конференцій та семінарів, у тому числі міжнародних. Знайдені в процесі виконання роботи технічні рішення визнані винаходами і на них отримані 4 довгострокових патенти України, а також свідоцтво на авторські права.

З робіт, написаних у співавторстві, особисто здобувачем виконано:

- у монографії [1], написаній в співавторстві - частина 2 (технічні методи перевірки автентичності фонограм) - 214 с. (із с. 86 до с. 300), а співавтору, Жарікову Ю.Ф., належить юридична розробка проблеми (із с. 12 до с. 85);

- у статті, написаній у співавторстві з Жаріковим Ю.Ф. [7], всі технічні рішення належать здобувачу (співавтору належить юридична розробка проблеми);

- у доповідях на конференціях, (і їх тезах) зроблених у співавторстві з Жаріковим Ю.Ф., Орловим Ю.Ю., Харабугою Ю.С., Шаблею О.М. і Струком І.О., всі технічні рішення належать здобувачу (співавторам належить юридична розробка проблеми);

- у статтях, написаних у співавторстві з Мовчан Т.В., а також Писаренко Л.Д. і Путіловим Ю.В. [6,8,9] основні науково-технічні ідеї, пов'язані з визначенням інформативних ознак ЦО фонограм і методами їх виявлення, належать здобувачу (співавторам належить розробка деяких аспектів математичної обробки сигналів при експертизі);

- у статті, написаній у співавторстві з Богдановим О.М. і Гераніним В.О. [17], здобувачу належать ідеї, зв'язані з операціями, що виконуються фальсифікатором при виготовленні підробленої фонограми, та виведення формули для дискретизованого сигналу при його обробці, тобто аналітичне моделювання даної операції;

- у статті, написаній у співавторстві з Богдановим О.М. та Хахановським В.Г. [22], здобувачу належать ідея можливості зняття зразкової фонограми на місці розміщення апаратури запису;

- у статті, написаній у співавторстві з Тимко Є.В. та Усковим К.Ю. [15], здобувачу належать ідеї, що відносяться до класифікації засобів цифрового запису аналогових сигналів, операцій, що можуть бути застосовані при виготовленні фальсифікату, та їх математичному моделюванню;

- у статті, написаній у співавторстві з Блізниковим С.О, Мислинським А.В., Брягіним О.В. [23] здобувачу належать ідеї методики проведення досліджень фонограм, отриманих оперативним шляхом;

- у патентах України на винаходи [25,26,27,28] основні ідеї, що складають предмет винаходу, належать здобувачу, а у авторському свідоцтві [29] - ідея створення та методика застосування програми "Академія".

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку літературних джерел та сімох додатків.

У вступі та першому розділі визначено актуальність досліджуваної проблеми, об'єкт, предмет, мета та задачі дослідження, розглянуто особливості термінології, що використовується при експертизі автентичності фонограм, зроблено огляд стану досліджуваної проблеми, визначено вибір напрямків і методів дослідження.

В другому розділі проведене теоретичне дослідження процесів, що відбуваються при цифровій обробці фонограм. Прийняті вихідні тези, прийнята концепція технології цифрової обробки фонограм, висунуто й обґрунтовано необхідні гіпотези, винайдено основну закономірність, що виникає при цифровій обробці фонограм. Обрано математичний апарат і проведена аналітична перевірка його придатності для розв'язання задач виявлення слідів ЦО у фонограмах.

У третьому розділі визначені основні положення побудови методів і засобів проведення діагностичних досліджень фонограм, що реалізують теоретичні положення дисертації. Розроблено метод проведення експертизи.

У четвертому розділі розроблена методика проведення та наведені результати експериментальної перевірки достовірності результатів, отриманих при проведенні теоретичного аналізу, та придатності розроблених методів і засобів для виявлення слідів цифрової обробки фонограм при проведенні експертиз їх автентичності.

У списку літератури приведений перелік літературних джерел, на які є посилання в тексті дисертації.

У додатках надаються програми моделювання немонотонності статичної характеристики квантувача рівня, програми перетворень форматів представлення інформації при проведенні експериментальних досліджень у програмі MatLab, виведення основних формул, що визначають концепцію дисертації, результати попередніх експериментальних досліджень, проведених у програмі MatLab, методика проведення експертних досліджень фонограм з використанням програми "Академія", розробленої на підставі представленої на захист теорії, та акти впровадження.

Повний обсяг основного тексту дисертації складає 298 сторінок, в основному тексті є 154 ілюстрації, 4 таблиці та посилання на 124 літературних джерела.

Основний зміст роботи

В першому розділі дисертаційного дослідження, який складається з чотирьох підрозділів та висновків, оглянуто стан проблеми, що досліджується. Обрано напрямки досліджень та розроблена методологія проведення цих досліджень. Класифіковано різні види фальсифікатів фонограм, та показано, що методи та устаткування, які використовуються у широкій експертній практиці, не здатні гарантовано виявити сліди обробки АФ, якщо така обробка провадилася за сучасними технологіями. Єдиними методами, що дозволяють виявляти монтаж АФ (за винятком слідів ЦО), є методи, які побудовані на використанні паразитних параметрів ААМЗ як ідентифікаційних ознак. Доведено, що ймовірність співпадіння таких ознак для двох магнітофонів з однією конструкцією ведучого вузла не перевищує значення 15,3·10^-9. Розглянуто термінологічні особливості, що застосовуються у судово-акустичній експертизі, та запропоновано використання нового визначення терміну "цифровий монтаж". Також запропоновано при складанні постанов на проведення експертиз та в експертних дослідженнях користуватися термінами "дійсність" та "сліди обробки", які більше відповідають тим маніпуляціям, що проводяться з фонограмами в разі їх обробки.

У висновках до першого розділу зазначено, що:

1. Показано, що в експертній практиці відсутні методи і засоби, здатні гарантовано виявляти сліди цифрової обробки аналогових і цифрових фонограм при перевірці їх автентичності. Трасологічні, топологічні та топографічні методи аналізу дійсності фонограм, що використовуються в експертній практиці нашої та інших країн, не забезпечують виявлення слідів монтажу, виконаного з використанням інформаційних технологій. Розроблені нами раніше методи і засоби експертних досліджень оригінальності та дійсності АФ, забезпечують виявлення всіх видів монтажу таких фонограм, за винятком слідів цифрової обробки.

2. Відсутність порушень безперервності й інших слідів "традиційних" методів монтажу, з появою та широким впровадженням в усі області людської діяльності цифрової апаратури звукозапису, а також методів і засобів цифрової обробки сигналів на базі ПЕОМ, не є доказом дійсності фонограми.

3. Відсутність методів та устаткування для контролю дійсності цифрових фонограм (а також контролю наявності слідів цифрової обробки в аналогових фонограмах) викликало необхідність їх негайної розробки, оскільки ставило під загрозу можливість подальшого використання фонограм як доказового матеріалу й являло суттєву загрозу інформаційній безпеці України.

4. Методи захисту спецапаратури, що запропоновані російськими вченими, та побудовані на застосуванні пілот-сигналу, здатні вирішити лише часткову задачу та не вирішують проблему в цілому.

5. Методи та устаткування, що дають вирішення проблеми, могли бути створені лише шляхом теоретичного й експериментального дослідження тонких процесів, що відбуваються при цифровій обробці та перезапису фонограм.

6. Запропоновано методику проведення досліджень. Вона передбачає прийняття двох тез, концепції та гіпотез і встановлення закономірностей, що виникають при монтажі та копіюванні сигналограм цифровими способами, системний підхід до розгляду процесів, що відбуваються, з використанням методу декомпозиції. Така методика дозволить з'ясувати джерела та механізм виникнення слідів цифрової обробки й їх інформативні ознаки. У результаті - розробити методи й апаратуру виявлення слідів цифрової обробки фонограм при перевірці їх автентичності.

7. Положення та закономірності, знайдені в процесі теоретичних досліджень, повинні бути перевірені експериментально, що підтвердить їх достовірність.

У другому розділі дисертаційного дослідження, який складається з 13 підрозділів та висновків, проведено теоретичні дослідження процесів, що відбуваються при цифровому монтажу сигналограм.

Спочатку проведено класифікацію різних видів ЦАЗАС і розглянуто конструктивні особливості та режими роботи, характерні для різних видів такої апаратури. Показано, що технічні характеристики ЦАЗАС значно перевищують параметри найкращої ААМЗ. Ця обставина вимагає нового підходу для вирішення задачі перевірки дійсності фонограм, записаних на подібних пристроях звукозапису.

В результаті проведеного аналізу були отримані наступні висновки:

- в апаратурі використовуються надвеликі мікросхеми, внаслідок чого аналіз сигналів всередині апарату неможливий;

- самі сигнали являють собою цифрові послідовності, перетворені, з урахуванням вимог вірогідності передавання цифрової інформації в апаратурі запису-відтворення, у різні коди, аналіз яких, без знання повної схеми таких апаратів, неможливий. А з огляду на розмаїтість використовуваних алгоритмів стиснення інформації в різних моделях такої апаратури, аналіз цифрових сигналів, що циркулюють всередині таких пристроїв, просто недоцільний, адже застосування такого аналізу вимагало би розробки окремих методів експертизи для кожної моделі апаратури.

На підставі отриманих висновків висунута гіпотеза 1 доцільності використання для дослідження автентичності цифрових сигналограм сигналів, що присутні на аналоговому виході цифрової апаратури запису аналогових сигналів. Ці сигнали завжди доступні для експерта.

Ця гіпотеза припускала, що ознаки слідів цифрової обробки можуть виявлятися у вихідних аналогових сигналах у вигляді спотворень їх форми і, як наслідок, спектра, що повинні виникати при цифровій обробці. Таким чином, була запропонована гіпотеза 2 прояву слідів цифрової обробки у вигляді спотворень форми і спектра аналогових сигналів, отриманих при відтворенні підробленої або скопійованої цифрової сигналограми на аналоговому виході цифрової апаратури звукозапису.

Аналіз конструктивних особливостей ЦАЗАС показав, що всі види таких апаратів обов'язково мають АЦП, ЦАП та генератор тактової частоти. Всі інші вузли та блоки у різних типах та моделях апаратів можуть або мати різне конструктивне рішення, або взагалі бути відсутніми.

Оскільки при запису та ЦО сигналів завжди відбуваються аналого-цифрове (АЦ) і цифро-аналогове (ЦА) перетворення, які містять у собі процеси дискретизації у часі та квантування за рівнем сигналів, що перетворюються, необхідно було з'ясувати, чи можливо використати спотворення, обумовлені цими процесами, при експертизі фонограм.

Тому спочатку були розглянуті особливості різних типів АЦП і ЦАП та встановлено, що у високоякісних ЦАЗАС та звукових картах ПЕОМ використовуються АПЦ порозрядного урівноваження, в які обов'язково входять ЦАП. Потім були проаналізовані похибки АЦ та ЦА перетворень. Серед цих похибок було виділено два типи статичних похибок - немонотонність та диференційна нелінійність статичної характеристики (СХ) квантувача рівня (КР), які можуть бути використані при експертизі. Ці похибки є наслідком технологічних дефектів виготовлення КР та завжди мають місце у АЦП і ЦАП.

Були розглянуті та проаналізовані можливі варіанти дій фальсифікатора при виготовленні підробленої фонограми. На цій базі була прийнята концепція необхідності застосування мінімум двох різних цифрових пристроїв для реалізації зовнішніх втручань та модифікації інформації, що міститься у цифровій сигналограмі.

На цій основі прийнята та доведена теза 1 мізерності ймовірності збігу розміщення на СХ двох різних КР пристроїв, що беруть участь у процесі обробки сигналограми, рівнів квантування з однаковими технологічними дефектами. При доведенні цієї тези було показано, що ймовірність збігання розміщення таких рівнів на СХ двох різних 16-розрядних КР не перевищує значення 2,3·10^-10.

Наявність такого дефекту на визначеному рівні квантування призводить до спотворення форми аналогового сигналу (АС) у виді сплеску, тривалість якого визначається кроком квантування. Рівень такого сплеску не перевищує величини двох рівнів квантування.

Потім була розглянута загальна аналітична модель виникнення спотворень АС при їх дискретизації та квантуванні та показано, що при таких процесах неодмінно спотворюється їх форма та, відповідно, спектр. При цьому потрібно розділяти спотворення спектру, що відбуваються за рахунок дискретизації в часі з тими, що відбуваються при квантуванні за рівнем, оскільки вони мають різне походження та частотний склад.

На базі прийнятої концепції технології обробки сигналограми була прийнята теза 2 мізерності ймовірності збігу частот дискретизації пристроїв, що беруть участь у процесі цифрової обробки сигналограми. Ця теза також була доведена та показано, що ймовірність збігу частот дискретизації (ЧД) не перевищує значення 4·10^-11 для обраного кроку дійсного значення частоти 0,001 Гц.

Для з'ясування впливу операцій дискретизації на сигнали, розглянуто різні варіанти вводу первинних ЦФ у ПЕОМ для обробки, та виводу оброблених фонограм з ПЕОМ при перезапису на ААМЗ або ЦАЗАС. З'ясовано, що при цьому можливі дві основні версії: цифровий або аналоговий ввод/вивід інформації. Інші варіанти вводу/виводу є похідними від цих двох. Для з'ясування спотворень, що зазнають сигнали при таких діях фальсифікатора, проведено аналітичне моделювання, яким охоплено ці можливі варіанти вводу/виводу фонограм при обробці. При цьому досліджувалися лише спотворення, які зазнають сигнали при їх дискретизації під час обробки, оскільки спотворення, що визначаються процесом квантування за рівнем, мають інше джерело та сталий характер.

В результаті розгляду моделей було з'ясовано, що за рахунок багатократної дискретизації при аналоговому вводі/виводі фонограми, у спектрі сигналів, що виділяються з обробленої фонограми, з'являються додаткові частотні складові відносно частотного складу сигналів, виділених з фонограми, яка не піддавалася обробці. При цифровому вводі/виводі відбувається зміщення частоти обробленого сигналу та додаткових частотних складових на осі частот відносно їх розташування на осі частот для сигналів, що не оброблялися. Це видно з моделей аналогового та цифрового вводу/виводу.

Так, наприклад, розглянуто модель процесів, що відбуваються при обробці ЦФ у випадку її вводу в ПЕОМ в аналоговій формі. При побудові моделі прийнято припущення щодо ідеальності технологічного виконання всіх пристроїв передавання та перетворення інформації, оскільки, спотворення, що додаються ними у сигнали, не мають відношення до процесу дискретизації. Розглядається, як найгірший, варіант втрати ознак первинної фонограми у ПЕОМ під час її обробки, що може відбутися, якщо введена фонограма використовується для отримання зразка мови об'єкту наступної фальсифікації. При цьому сам фальсифікат синтезується з отриманих зразків мови у комп'ютері.

Приймаємо АС на вході ЦАЗАС

s₁(t) =A_m cos щ₀t.

Тоді сигнал на виході дискретизатора АЦП ЦАЗАС можна записати, використовуючи функцію rect, як

, (1)

де

n₁ - номер відліку (вибірки) сигналу на виході ЦАЗАС,

Т₁ - крок дискретизації АС в ЦАЗАС,

A_m - амплітуда,

Д₁ - тривалість імпульсу вибірки в ЦАЗАС.

При цьому враховується, що при дискретизації запам'ятовується значення сигналу в момент дії переднього фронту імпульсу вибірки тривалістю Д_1, тобто використовується амплітудно-імпульсна модуляція другого роду - АІМ-2. Але при відтворенні сигналів через ЦАП тривалість імпульсу, що діє на його входах, дорівнює тривалості кроку дискретизації, тобто Д₁= Т₁.

Тому спектр сигналу, що не оброблявся, на виході ЦАП запишеться як

, (2)

де

щ_Д1 - частота дискретизації в системі аналого-цифро-аналогового перетворення (АЦАП) ЦАЗАС,

.

На виході АЦП ПЕОМ сигнал приймає вигляд

, (3)

де

Т₂ - крок дискретизації в ПЕОМ,

n₂ - номер відліку (вибірки) в АЦП ПЕОМ,

Д₂ - тривалість імпульсу вибірки в ПЕОМ.

У розглянутій моделі припускалося, що після запису на жорсткий диск ПЕОМ всі ознаки перезапису сигналів з ЦАЗАС на ПЕОМ було втрачено, тобто обирався найгірший варіант проходження сигналів.

З записаних сигналів синтезується вихідна фальсифікована фонограма, яка через аналоговий вихід ПЕОМ переписується на ЦАЗАС.

Відтоді сигнал на виході ЦАП ПЕОМ запишіться, як

. (4)

Але при перезапису в ЦАЗАС цей сигнал буде піддано перетворенню в її системі АЦАП. Сигнал s₅(t) записується на носій та при відтворенні надходить на ЦАП ЦАЗАС. Вважаємо, що цей сигнал передається у ЦАЗАС без спотворень, але він надходить на ЦАП з кроком дискретизації Т₁ при кількості вибірок n₁.

Тому на виході ЦАЗАС буде присутній сигнал

. (5)

Спектр цього сигналу визначатиметься як пряме перетворення Фур'є (5), тобто

, (6)

де

- оператор прямого перетворення Фур'є відповідних сигналів,

щ_Д2 - ЧД в АЦАП ПЕОМ.

З аналізу рівнянь (2) та (6) видно, що в спектрі обробленого сигналу з'являються нові спектральні компоненти.

Розглянуто також моделі вводу/виводу фонограм при аналоговому та цифровому мікшуванні, як варіантів ЦО фонограм. Проведено моделювання дій гіпотетичного висококваліфікованого фальсифікатора та з'ясовано, що при монтажу фонограм неможливо обійти операцію компіляції з окремих фрагментів заданої послідовності.

На моделі вводу ЦФ у цифровій формі у ПЕОМ для створення підробленої фонограми методом компіляції окремих фрагментів, вилучених з різних, або, навіть з однієї фонограми, та виведення вихідної скомпільованої фонограми на ЦАЗАС у цифровій формі, показано, що спектр обробленого таким способом сигналу змінюється. При цьому не має значення, за допомогою яких методів та редакторів провадилася обробка - адже сама операція стробіювання фрагменту фонограми для його вирізання еквівалентна множенню цього фрагменту на сигнал, який можна записати як

, (7)

де

Д_В - тривалість фрагменту, що вирізається.

Припустимо, що у первинну ЦФ записувався сигнал s₁(t) =A_m cos щ₀t. Цей сигнал був оцифрований та записаний у ЦАЗАС. Сигнал, який не оброблявся, при його відтворенні на аналоговому виході ЦАЗАС запишіться у відповідності до (1), а його спектр - у відповідності до (2). Цей сигнал було введено у цифровій формі у ПЕОМ. Потім, за допомогою спеціального редактору, з цього сигналу було вирізано ділянку довжиною Д₃, та переставлено на іншу позицію в редакторі. Отриманий таким чином фальсифікат перенесено у цифровій формі на той же звукозаписувальний пристрій, на якому була записана первинна фонограма.

Але сигнал, отриманий за рахунок операції стробіювання частини вибірок, необхідно записати, як

, (8)

де

Д_В - тривалість вирізаної ділянки сигналу (Д₃ >T₁).

Спектр цього сигналу можна отримати, діючи оператором прямого перетворення Фур'є на обидві частини рівняння (8).

.(9)

Порівняння спектрів сигналів (2) та (9) свідчить про появу у спектрі обробленого сигналу (9) додаткових спектральних компонент, відносно спектра сигналу (2).

Таким чином, була прийнята гіпотеза 3, що у спектрі обробленого в цифровій формі аналогового сигналу, при використанні для монтажу сигналограми операції стробіювання фрагментів із метою їх наступної компіляції, з'являються спотворення, обумовлені впливом сигналу стробіювання.

В разі використання мікшера на базі ПЕОМ для мікшування в реальному масштабі часу аналогових сигналів, записаних на двох різних ЦАЗАС, та перезапису обробленого сигналу через ПЕОМ на один з цих апаратів (наприклад, ЦАЗАС № 2) при умові аналогового вводу/виводу інформації, також неодмінно виникатимуть спотворення їх спектру. При аналогових сигналах s₁(t) =A_m cos щ₀t, на вході ЦАЗАС № 1 та s₂(t) =A_m cos щ₀t на вході ЦАЗАС № 2, сигнали на виходах дискретизаторів цих ЦАЗАС можна записати, як

, (10)

Та

(11)

де

Т₁, Т₂ - крок дискретизації в ЦАЗАС №1 та № 2 відповідно,

n₁, n₂ - номер вибірки в ЦАЗАС №1 та № 2 відповідно,

A_m - амплітуда,

Д₁, Д₂ - тривалість імпульсу вибірки в ЦАЗАС № 1 та № 2 відповідно.

Сигнали на виходах ЦАП цих ЦАЗАС можна записати, як

(12)

Та

, (13)

При цьому враховується, що при дискретизації використовується АІМ-2, а при відтворенні сигналів через ЦАП тривалість імпульсу, що діє на його входах, дорівнює кроку дискретизації, тобто Д₁= Т₁, а Д₂= Т₂. Отже, спектри сигналів, виділених з фонограм, що не оброблялися, на виходах ЦАП ЦАЗАС № 1 та № 2 визначаються, як

(14)

та

, (15)

де

F {*} - оператор прямого перетворення Фур'є,

, - ЧД у системі АЦАП ЦАЗАС № 1 та № 2 відповідно.

Ці сигнали піддаються перетворенню в АЦП ПЕОМ і на виходах її дискретизатору вони мають вигляд

(16)

Та

, (17)

де

Т₃ - крок дискретизації в АЦП ПЕОМ,

Д₃ - тривалість імпульсу вибірки АЦП ПЕОМ.

Припустимо, що оператор мікшував сигнали в такій послідовності: спочатку від фонограми, записаної на ЦАЗАС № 1, потім - від фонограми, записаної на ЦАЗАС № 2. Скомпільований сигнал, отриманий в результаті мікшування, надходить у ПЕОМ, а після перетворення в машині, запам'ятовуються в її ОЗП та надходять на аналоговий вихід звукової карти ПЕОМ, звідки переписуються на ЦАЗАС № 2. Його можна записати як

. (18)

Цей сигнал проходить через АЦП ЦАЗАС № 2, перетворюється в цифрову форму та записується й відтворюється на її аналоговому виході.

Скомпільований сигнал, відтворений через ЦАП ЦАЗАС № 2, слід записати як

. (19)

Його спектр визначиться, як перетворення Фур'є (19)

. (20)

Зі спектрів (14), (15) та (20) видно, при мікшуванні в реальному масштабі часу за допомогою мікшеру, побудованому на базі ПЕОМ та перезапису оброблених сигналів через ПЕОМ, у обробленій фонограмі будуть міститися спектральні складові, обумовлені дією всіх перетворювань, яким піддавалися сигнали.

Взагалі було побудовано 12 аналітичних моделей, що охоплюють всі можливі варіанти дій фальсифікатора. З їх розгляду витікало, по-перше, те, що уникнути спотворень сигналів в разі їх обробки неможливо. По-друге, що вони завжди проявляються у виді спотворень форми й, відповідно, спектру оброблених сигналів. Таким чином була встановлена закономірність неминучого збільшення числа спотворень форми та спектральних компонент, виділених з сигналів, відтворених з обробленої в цифровій формі сигналограми, щодо числа цих спотворень та компонент, виділених з аналогічних сигналів, відтворених з сигналограми, що не піддавалася такій обробці.

Ця закономірність прийнята за інформативну ознаку слідів цифрової обробки сигналограм.

Для з'ясування вимог, які необхідно висунути до засобів контролю фонограм, щоб забезпечити виявлення слідів ЦО, було проаналізовано величини розбіжностей дійсних значень ЧД звукових карт ПЕОМ та АЦП ЦАЗАС, і визначено, що в разі застосування фальсифікатором у комп'ютері номінальної ЧД, однакової з ЧД у ЦАЗАС, роздільна здатність аналізатору повинна бути не гірше 0,001 Гц при аналізі у широкій смузі частот, оскільки частота першої гармоніки додаткових спектральних компонент, що виникають в наслідок квантування за рівнем, набагато вища від частот додаткових спектральних компонент, що утворюються при дискретизації у часі. Крім того, рівень таких компонент, за правило, не перевищує значення 2 рівнів молодшого розряду АЦ та ЦА перетворювань, а його найбільші значення не перевищують рівня мінус 60 дБ відносно максимального рівня сигналу на виході ЦАЗАС.

Виходячи з результатів аналізу рівня спектральних компонент, потрібної роздільної здатності аналізатору та частотного діапазону аналізу, була прийнята та доведена гіпотеза 4 технічної неможливості реалізації засобів гарантованого виявлення спотворень форми та спектра оброблених сигналів, що містяться у сигналограмі, при використанні часо-частотного аналізу, побудованого на класичному короткочасному перетворенні Фур'є. Також була прийнята та доведена гіпотеза 5 забезпечення технічної можливості реалізації засобу гарантованого виявлення спотворень форми та спектра оброблених сигналів, що містяться у сигналограмі, застосуванням мікрохвилькового часо-частотного аналізу. Для побудови такого аналізатора доцільно використовувати комплексну функцію Морле, оскільки з її допомогою можна, по-перше, побудувати вейвлет-портрет модуля та аргументу досліджуваного сигналу, а, по-друге, цей вейвлет має високу роздільну здатність.

Аналітично було знайдено вирази спектрів сигналів для ЦФ та АФ в разі їх обробки та в разі їх автентичності, при представленні цих спектрів у вигляді вейвлет-портретів і, таким чином, з'ясовано, яким чином проявляються ознаки ЦО у вейвлет-портреті. При цьому було встановлено, що сама форма вейвлет-портретів вимагає від експертів спеціальної підготовки для проведення за ними порівняльного аналізу сигналів, отриманих зі зразкової (не обробленої) фонограми (ЗФ) та фонограми, що перевіряється (ПФ) - тобто, можливо обробленої. Отже, таке представлення сигналів ускладнюватиме проведення експертизи та не виключатиме дії людського фактору. Крім того, воно не має достатньої наочності для людей, що не мають спеціальної підготовки в прочитанні вейвлет-портретів, і тому не є прийнятним для доказування у суді.

Тому нами було розроблено метод представлення результатів вейвлет-аналізу в графічному та табличному виді, при чому графіки та таблиці отримуються з вейвлет-портретів аргументу досліджуваної функції (сигналу), що дозволяє, при збереженні всіх властивостей вейвлет-аналізу, отримати просту та наочну форму представлення, придатну для швидкого та достовірного визначення результатів порівняння сигналів та ілюстрації їх у висновках експертизи. При цьому виключається можливість впливу людського фактору на результати експертизи.

Скориставшись вейвлет-портретом аргументу сигналу, можна здійснити перехід від зображення поточного спектру сигналу на вейвлет-портреті до його представлення в графічному виді, зберігши при цьому всі позитивні властивості вейвлет-аналізу.

Оскільки вейвлет-портрет надає часо-частотне представлення сигналу (тобто, це поточний спектр), можна побудувати деяке геометричне тіло в трьох площинах: параметру масштабування частоти - а, часу - t (чи b ) і амплітуди V.

Розсікаючи поверхню площинами, утвореними при фіксованих значеннях параметру а, тобто при a_i = const, i = 1,2,3…, t=varia, отримують при кожному фіксованому значенні параметру a осцилограму змін напрямків прирощення аргументу сигналу в часі на обраному фіксованому інтервалі спостереження.

Одержавши таку осцилограму, можна підрахувати кількість змін напрямку прирощення функції аргументу сигналу на фіксованому інтервалі спостереження на якій-небудь частоті, обумовленої значенням параметру a. Оскільки поява на великому сигналі спотворень у виді малого сигналу з частотою, що відповідає площині перетину, супроводжується фазовим стрибком, то кількість таких додаткових стрибків визначить рівень частотної складової цього малого сигналу на даній частоті.

Задаючись дискретністю кроку Дa зміни значення параметра a, можна отримати залежність амплітуди частотних складових від частоти на обраному інтервалі спостереження, тобто часовому інтервалі.

Після проведеного перетворення вейвлет-портрету аргументу сигналу у графічну залежність, порівнювати сигнали досить легко. Але треба було визначитися, які сигнали порівнювати, адже в цілому сигнали мови - нестаціонарний процес. Тому ми розробили метод відбору сигналів для порівняння при експертизі.

Для порівняння необхідно обирати центровані стаціонарні сигнали, які є фрагментами окремих звуків (переважно голосних), та які завжди можна виділити з сигналів мовлення, записаних на фонограмі.

Таким чином, для створення методу та засобів виявлення слідів цифрової обробки фонограм була прийнята гіпотеза проведення перевірки автентичності сигналограм шляхом порівняння спотворень форми та спектра стаціонарних сигналів, виділених з мовної інформації, яка міститься у спірній та зразковій сигналограмах.

З проведених теоретичних досліджень були зроблені наступні висновки:

1. З аналізу схемно-конструктивних особливостей побудови апаратури цифрового звукозапису витікає, що при проведенні досліджень дійсності як аналогової, так і цифрової фонограми, неможливо виявити сліди ЦО сигналів, що в ній містяться, за розміщенням магнітних відбитків на носії шляхом використання магнітооптичних методів. Цим підтверджено, що відсутність в аналоговій або цифровій фонограмі, перевіреної такими методами, переривань запису (порушень безперервності), слідів перехідних процесів, зупинки та інших "традиційних" слідів монтажу, не є доказом її дійсності.

2. У результаті розгляду схемно-конструктивних особливостей побудови апаратури цифрового звукозапису й системного аналізу моделей зовнішніх втручань, виконаних цифровою обробкою сигналограм, прийняті та доведені:

Факт неможливості гарантованого виявлення відомими методами, що використовуються в широкій експертній практиці, слідів цифрової обробки у фонограмах.

Теза 1. Імовірність збігу рівнів квантування з технологічними дефектами у квантувачах пристроїв, що беруть участь у процесі цифрової обробки сигналограми, мізерно мала.

Теза 2. Імовірність збігу частот дискретизації пристроїв, що беруть участь у процесі цифрової обробки сигналограми, мізерно мала.

Концепція. Зовнішні втручання та модифікація інформації, що міститься у цифровій сигналограмі, можливі лише за умови використання не менш, ніж двох різних цифрових пристроїв.

Гіпотеза 1. При перевірці автентичності цифрових сигналограм слід використовувати сигнали, відтворені на аналоговому виході цифрової апаратури запису аналогових сигналів.

Гіпотеза 2. Сліди цифрової обробки сигналограми виявляються у виді спотворень форми, отже, й спектра аналогових сигналів, отриманих при відтворенні на аналоговому виході апаратури звукозапису фонограми, обробленої в цифровій формі.

Гіпотеза 3. У спектрі обробленого в цифровій формі аналогового сигналу, при використанні для монтажу сигналограми операції стробіювання фрагментів із метою їх наступної компіляції, з'являються спотворення, обумовлені впливом сигналу стробіювання.

...