Tcc2 Alex de Souza

UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL – UCS

CAMPUS UNIVERSITÁRIO DA REGIÃO DOS VINHEDOS – CARVI

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS DA NATUREZA E DE TECNOLOGIA – CENT

ENGENHARIA ELÉTRICA

ALEX DE SOUZA

DESENVOLVIMENTO E VALIDAÇÃO DE ESTEGANOGRAFIA EM ÁUDIO COM

UTILIZAÇÃO DA TRANSFORMADA DE HARTLEY

BENTO GONÇALVES

2013

ALEX DE SOUZA



Trabalho de Conclusão do curso de graduação em Engenharia Elétrica, apresentado ao Centro de Ciências Exatas, da Natureza e de Tecnologia Da Universidade de Caxias do Sul Como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Me. Ricardo Becker

BENTO GONÇALVES

2013

ALEX DE SOUZA



Trabalho de Conclusão do curso de graduação em Engenharia Elétrica, apresentado ao Centro de Ciências Exatas, da Natureza e de Tecnologia Da Universidade de Caxias do Sul Como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

Aprovado em_____de_______________de_______,

BANCA EXAMINADORA

_____________________________________

Prof. Dra. Marilda Spindola - UCS

_____________________________________

Prof. Me. Ricardo Balbinot - UCS

_____________________________________

Prof. Me. Ricardo Becker – UCS

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus, por ter chego até aqui!

Agradeço ao Professor Ricardo Becker, por ter sido um grande incentivador

deste trabalho, me apoiando até a sua conclusão.

A minha família e minha noiva, pois participaram de todos os momentos, os

bons e inclusive os ruins, porém, sempre presentes me apoiando e demonstrando

apoio, e retribuo afirmando: “- Aqui estamos”.

Aos meus grandes amigos: Israel Schimitz dos Santos, Leonardo Cechet

Moro, Felipe A. Tondo, Diego C. Borsato, Daniel Costi, Mailson Forest, Luciano

Salerno, Marcelo Zanetti, Carlos A. Mattoso Pereira., Henrique Berselli, Fernando

Rigon, e tantos outros que compõem uma grande lista! Amizades que nasceram no

decorrer da caminhada pela graduação e que desejo que perdure por muito tempo

após o término desta primeira etapa.

RESUMO

O presente trabalho apresenta o uso da Transformada de Hartley como uma nova ferramenta para a esteganografia em mídias de áudio, sendo aplicada a um algoritmo de ocultação e extração de informação. O algoritmo será desenvolvido com o software de modelamento matemático MatLab. Esta aplicação se resume na inserção de texto em mídias de áudio, no domínio da frequência pela Transformada Discreta de Hartley, com o método de esteganografia do bit menos significativo (LSB). Para a validação do algoritmo, serão aplicados métodos de análise subjetiva e correlação entre o arquivo original e o estenografado. Também é realizada uma validação da transformada discreta de Hartley por associações com a transformada discreta de Fourier.

Ao início do trabalho é apresentada a revisão bibliográfica com o conteúdo para a compreensão da aplicação, seguida da descrição das ferramentas e o método utilizado. Por fim, os resultados com as avaliações subjetivas, a conclusão e sugestões para trabalhos posteriores.

Palavras chave: Matlab, Esteganografia, Transformada Discreta de Hartley, Análise

Subjetiva.

ABSTRACT

This work presents the use of the Hartley Transform as a new tool for steganography in audio media, being applied to a blind algorithm and information extraction. The algorithm will be developed with the software MatLab mathematical modeling. This application consists on inserting a text in audio media, in the frequency domain by using Discrete Hartley Transform, steganography method with the least significant bit. To validate the algorithm, one will apply methods and subjective correlations between the original file and the one with the hidden data. As well as validating the discrete Hartley transform associations involving discrete Fourier transform.

At the beginning of the work, one presents the literature review for understanding the contents of the application, according to the description of the tools and the used methods. Finally, the results of the subjective evaluations, the conclusion and suggestions for further work.

keywords: Matlab, Steganography, Discrete Hartley Transform, Subjective analysis.

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................................. 14

1.1 OBJETIVO GERAL .......................................................................................... 15

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................... 15

1.3 RESTRIÇÕES ................................................................................................. 15

1.4 APRESENTAÇÃO DO TRABALHO ................................................................. 16

2. PESQUISA BIBLIOGRÁFICA .......................................................................................................................... 17

2.1 CRIPTOGRAFIA ............................................................................................. 17

2.2 ESTEGANOGRAFIA ....................................................................................... 17

2.2.1 Terminologia da Esteganografia ......................................................................................................... 18

2.2.2 Técnicas de Esteganografia Digital ..................................................................................................... 19

2.2.3 Técnicas de Esteganografia em Áudio ................................................................................................. 19

2.2.3.1 Inserção no bit Menos Significativo (LSB) ..................................................................................................... 22

2.2.3.2 Codificação em Fase ..................................................................................................................................... 23

2.2.3.3 Espalhamento Espectral ............................................................................................................................... 24

2.2.3.4 Ocultação de Dados pelo Eco........................................................................................................................ 25

2.3 TRANSFORMAÇÃO DE DOMÍNIO ................................................................. 26

2.3.1 Transformada de Fourier ..................................................................................................................... 26

2.4.2 Transformada Discreta de Hartley ...................................................................................................... 27

2.5 AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DA VOZ ........................................................... 29

2.5.1 Método Subjetivo ................................................................................................................................ 30

2.5.1.1 Absolute Category Rating (ACR) ................................................................................................................... 31

2.5.1.2 Degradation Category Rating (DCR) ............................................................................................................. 31

2.5.1.3 Comparison Category Rating (CCR) .............................................................................................................. 32

2.5.1.3 Mean Opinion Score (MOS) ........................................................................................................................... 32

2.6 CORRELAÇÃO ............................................................................................... 33

3. DESENVOLVIMENTO ................................................................................................................................... 34

3.1 METODOLOGIA .............................................................................................. 34

3.1.1 SOFTWARE ..................................................................................................... 35

3.1.2 FORMATO WAVEFORM .................................................................................... 36

3.1.3 MENSAGEM OCULTA ....................................................................................... 36

3.2 TRANSFORMADA .......................................................................................... 36

3.3 MÉTODO ESTEGANOGRÁFICO .................................................................... 39

3.4 ANÁLISE DE QUALIDADE DO ÁUDIO ............................................................ 39

3.5 CORRELAÇÃO ............................................................................................... 41

4. TESTES E RESULTADOS ............................................................................................................................... 43

4.1 VALIDAÇÃO DA TRANSFORMADA DE HARTLEY ........................................ 43

4.2 ALTERAÇÃO DO TAMANHO DO ARQUIVO .................................................. 45

4.3 CORRELAÇÃO ............................................................................................... 46

4.4 AVALIAÇÕES SUBJETIVAS ........................................................................... 49

5. CONCLUSÕES .............................................................................................................................................. 54

6. TRABALHOS FUTUROS ................................................................................................................................ 56

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................................................................... 57

APÊNDICES ..................................................................................................................................................... 61

APÊNDICE A – TEXTO UTILIZADO COMO MATERIAL A SER OCULTO NA

APLICAÇÃO DE ESTEGANOGRAFIA. ................................................................. 61

APÊNDICE B – FORMULÁRIOS PARA ENTREVISTA DE ANÁLISE SUBJETIVA.

.............................................................................................................................. 62

APÊNDICE C – FORMULARIOS ONLINE PARA AVALIAÇÃO SUBJETIVA. ........ 63

APÊNDICE D – TABELAS DAS ANÁLISE SUBJETIVAS: ACR E CCR ................. 65

APÊNDICE E – FLUXOGRAMA DO CÓDIGO FONTE DE ESTEGANOGRAFIA

COM DHT. ............................................................................................................ 69

APÊNDICE F – CÓDIGO FONTE DE ESTEGANOGRAFIA COM DHT,

DESENVOLVIDO NO MATLAB............................................................................. 70

LISTA DE IMAGENS

Figura 1 - Diagrama da aplicação da Esteganografia com sua respectiva terminologia. ......... 18

Figura 2 - O sinal Original podendo ser o bit 0, e o mesmo sinal com sua fase deslocada 90º,

sendo o sinal codificado, representa o bit 1. ............................................................................. 23

Figura 3 - Funcionamento da técnica de Espalhamento Espectral (SS). .................................. 24

Figura 4 - Ilustração da aplicação da informação no método de codificação por eco. ............. 25

Figura 5 – Diagrama de bloco do desenvolvimento da esteganografia LSB no domínio da

frequência com a transformada de Hartley. .............................................................................. 35

Figura 6 – Domínio da frequência. a) Aplicação da DHT com o sua respectiva sequencia de

números reais. b) Aplicação da DFT com o sua respectiva sequencia de números complexos.

.................................................................................................................................................. 37

Figura 7 – Gráficos obtidos com o módulo das sequencias de valores no domínio da

frequência. a) Aplicação da DFT b) Aplicação da DHT. ......................................................... 38

Figura 8 – Representação do domínio de Hartley, onde N é o número de amostras do sinal no

domínio do tempo, sendo a representação para um sinal com máxima frequência em 4 kHz. 38

Figura 9 - Método de inserção e porcentagens padronizadas para este trabalho, da informação

a ser ocultada. ........................................................................................................................... 39

Figura 10 - Proposta de avaliações com os as aplicações. ........................................................ 40

Figura 11 - Propostas de correlação. ......................................................................................... 42

Figura 12 - Código gerador de harmônicas e parametrização para aplicação da DHT. ........... 44

Figura 13 - Sinal gerado com o somatório das harmônicas. A escala do eixo “x” é referente ao

tamanho do vetor de harmônicas. ............................................................................................. 44

Figura 14 - Código referente à DHT, direta e inversa. ............................................................. 44

Figura 15 - Gráfico das componentes harmônicas do domínio da frequência de Hartley,

composto de harmônicas de 120 Hz. ........................................................................................ 45

Figura 16 - Texto utilizado como informação a ser ocultada, com 700 caracteres, já incluso os

espaços. 28 parágrafos e 36 linhas. ........................................................................................... 61

Figura 17 - Ficha Avaliação subjetiva qualidade do áudio com o grupo formado das quatro

frases (arquivos de áudio), com o mesmo tratamento. ............................................................. 62

Figura 18 - Ficha Avaliação subjetiva comparação para mesma frase (arquivo áudio), com a

informação inserida no 13º bit. ................................................................................................. 62

Figura 19 – Modelo do formulário online utilizado com escala MOS. .................................... 63

Figura 20 – Parte do formulário disponibilizado online, com a escala CMOS. ....................... 64

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Exemplo de uso do método LSB. ............................................................................ 22

Tabela 2 - Tabela de degradação - MOS .................................................................................. 31

Tabela 3 - Tabela de degradação – DMOS. .............................................................................. 32

Tabela 4 - Tabela de degradação - CMOS ................................................................................ 32

Tabela 5 - Tamanhos dos arquivos originais e com esteganografia. ........................................ 46

Tabela 6 – Correlação entre áudio original e estego-objeto. .................................................... 47

Tabela 7 - Correlação entre áudio original e estego-objeto. ..................................................... 47

Tabela 8 – Correlação analisando a exportação entre 8 bits e 16 bits. Para o áudio original e

estego-objeto, com DHT. .......................................................................................................... 48

Tabela 9 – Correlação analisando a exportação entre 8 bits e 16 bits. Para o áudio original e

estego-objeto, com DHT. .......................................................................................................... 48

Tabela 10 - Divisões dos grupos e suas respectivas aplicações de esteganografia. .................. 49

Tabela 11 – Resumo da avaliação da Qualidade de áudio. Método ACR. ............................... 50

Tabela 12 – Legenda da 2º avaliação da degradação do áudio pelo método CCR. .................. 51

Tabela 13 - Escala CMOS, utilizada na avaliação da degradação do sinal. ............................. 51

Tabela 14 - Resultado da avaliação da degradação do áudio, pelo aumento da inserção de

informação. ............................................................................................................................... 51

Tabela 15 - Legenda da avaliação subjetiva para a comparação do nível de ruído com o

método de esteganografia LSB, do domínio do tempo e no domínio da frequência. ............... 52

Tabela 16 - Resultado da comparação entre esteganografia LSB, em Áudios no domínio do

tempo e no domínio da frequência, por Hartley. ...................................................................... 52

Tabela 17 - Teste de qualidade do áudio com as 20 entrevistas de cada um dos 8 grupos.

Método ACR. ............................................................................................................................ 65

Tabela 18 - Análise subjetiva com método CCR, para aplicação de dois diferentes níveis de

inserção de sinal e alternando entre o 7º e o 8º bit. respectiva a segunda avaliação subjetiva. 67

Tabela 19 - Avaliação subjetiva de comparação, com áudio original, Utilizando a técnica

deste trabalho de esteganografia com FHT, e LSB normal (aplicado no domínio do tempo). . 68

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ACR Absolute Category Rating

ASCII Ameriican Standard Code for Incormation Interchange (Código Padrão

Americano para o Intercâmbio de Informação)

BIT Binary Digit (Dígito Binário)

CCR Comparison Category Rating

CMOS Comparative Mean Opinion Score

DB Decibél

DCT Discrete Cosseno Transform

DFT Discrete Fourier Transform

DHT Discrete Hartley Transform

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum

FFT Fast Fourier Transform

FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum

FHT Fast Hartley Transform

ITU International Telecommunication Union

LSB Least Signicant bit (Bit Menos Significativo)

MATLAB Matrix Laboratóry

MOS Mean Oponion Score (Nota Média de Opinião)

MSB Most Significant bit (Bit Mais Significativo)

PCM Pulse-code Modulation

SAH System Human Audition

SS Spread Spectrum

WAVE Wave Form áudio format

14

1. INTRODUÇÃO

A segurança digital é uma área com grande potencial para pesquisa e para o

desenvolvimento. Tem se tornado cada vez maior o número de pessoas que tentam,

a todo custo, ludibriar as defesas para ter acesso à informação digital. Por outro

lado, existe outro grupo de pessoas que buscam o desenvolvimento e o estudo de

técnicas para a proteção das comunicações digitais. As ferramentas e técnicas que

promovem a segurança da informação são inúmeras e a criptografia está entre elas

(JULIO, BRAZIL e ALBUQUERQUE, 2007).

Um dos ramos da criptografia é a esteganografia. Esteganografia deriva do

grego, de onde estegano é o mesmo que esconder ou mascarar, e grafia o mesmo

que escrita. Assim, esteganografia é a arte da escrita encoberta (POPA, 1998).

Esta técnica é utilizada para inserir mensagens secretas em arquivos

aparentemente inofensivos, de forma que previna sua detecção por parte de

terceiros.

Há outras áreas em que a esteganografia digital se aplica. Citando duas,

podem ser destacados os estudos referentes às ferramentas de copyright e

watermarking de documentos eletrônicos. À medida que aumenta a quantidade de

cópias não autorizadas pela rede mundial de computadores, novos meios de

proteção intelectual são desenvolvidos com o intuito de conter as cópias não

autorizadas.

A esteganografia também inclui vasta aplicação para ocultar mensagens e,

dentre elas e ao qual este trabalho aborda, está a esteganografia em arquivos de

áudio.

Segundo Bender (1996), as características do Sistema Auditivo Humano

(SAH) tornam o processo de ocultação de dados desafiador, sendo necessário

explorar as fragilidades de sua estrutura para obter êxito na ocultação de uma

mensagem em um arquivo de áudio digital.

Neste trabalho serão descritos quatro métodos esteganográficos voltados a

mídias de áudio, com o intuito de prover um embasamento teórico para que o leitor

15

possa compreender as aplicações onde a esteganografia está presente, e, inclusive

a deste trabalho.

1.1 OBJETIVO GERAL

O presente trabalho objetiva o desenvolvimento e avaliação de um algoritmo

de inserção e extração de texto em arquivos de áudio digital baseado na técnica de

esteganografia de LSB (Bits Menos Significativos), e com o uso da DHT

(Transformada Discreta de Hartley), no software Matlab.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Para a realização plena do objetivo geral proposto faz-se necessário a

conclusão dos tópicos citados a seguir:

• Implementar e validar o algoritmo da transformada de Hartley;

• Especificar a técnica esteganográfica LSB, que será utilizada para

ocultação de mensagens de texto nos arquivos de áudio;

• Desenvolver um algoritmo de inserção e extração de texto em áudio,

com controle de quantidade de informação na inserção.

• Analisar via método de avaliação subjetiva e por correlação a

degradação causada pela inserção do texto no áudio, inicialmente no

LSB e posterior no 3º, 7º e 13º bits, a fim de provocar diferentes níveis

de degradação no áudio.

1.3 RESTRIÇÕES

As seguintes restrições são aplicadas ao presente trabalho com a finalidade

de limita-lo aos objetivos já discutidos:

16

a) Este trabalho será restrito ao desenvolvimento e avaliação da técnica

esteganográfica LSB, porém, com aplicações no 7º e 8º das amostras

de um arquivo PCM, 8 bits e 13º bit das amostras de um arquivo PCM

de 16 bits. As aplicações serão feitas no domínio da frequência pela

Transformada de Hartley.

b) As aplicações serão em arquivos de extensão wav1, com a inserção

de textos de extensão txt;

1.4 APRESENTAÇÃO DO TRABALHO

O trabalho proposto está disposto na seguinte estrutura:

a) O capítulo dois é composto por uma pesquisa bibliográfica que

abintervaloconceitos básicos para a consolidação do trabalho

desenvolvido neste projeto.

b) O capítulo três trata da metodologia de desenvolvimento a ser

utilizada para se obter um algoritmo de esteganografia de método

LSB com uso da DHT.

c) O capítulo quatro apresenta os resultados obtidos pelas avaliações

subjetivas e correções realizadas

d) O capítulo cinco vislumbra as conclusões e a indicação de trabalhos

futuros.

1 Maiores detalhes do formato wav, podem ser encontrados na secção 3.3 do capítulo 3 deste trabalho.

17

2. PESQUISA BIBLIOGRÁFICA

Neste capítulo será abordada a revisão bibliográfica necessária para a

compreensão do trabalho que será desenvolvido.

2.1 CRIPTOGRAFIA

A Criptografia2 é a ciência que estuda as formas de escrever uma

mensagem em código. Trata-se de um conjunto de técnicas que permitem tornar

incompreensível uma mensagem originalmente escrita com clareza, de forma a

buscar permitir que só o destinatário a decifre como esperado (CAVALCANTE,

2004).

Uma mensagem de texto claro3 pode ser ocultada de duas maneiras:

criptografia ou esteganografia (STALLINGS, 2008). Quanto a sua implementação,

segundo Tanerbaum e Wetherall (2011), algoritmos criptográficos podem ser

desenvolvidos em hardware, a fim de se obter maior velocidade ou em software

quando o objetivo é flexibilidade no deslocamento da ferramenta.

2.2 ESTEGANOGRAFIA

A esteganografia é um ramo da criptografia que consiste no estudo das

formas de ocultação de uma mensagem em outro meio de informação. Porém, vê-se

a esteganografia como um ramo paralelo à criptografia, pois, ao invés de cifrá-la4, a

esteganografia busca tornar a sua presença imperceptível (KOUBUSZEWSKI,

2004).

2 Palavra de origem grega que significa “escrita secreta”. 3 Texto Claro é a nomenclatura utilizada para descrever um texto não criptografado. 4 Cifrar – na Criptografia, é o mesmo que transformada a sua forma original para outra ilegível, de forma que possa ser conhecida apenas por seu destinatário.

18

2.2.1 Terminologia da Esteganografia

De acordo Peticolas et al. (1999), a esteganografia possui sua própria

terminologia, que pode ser vista no diagrama da figura 1.

Figura 1 - Diagrama da aplicação da Esteganografia com sua respectiva terminologia.

Fonte: Adaptado dos autores Peticolas, Anderson e Kuhn (1999).

Observa-se, pelo diagrama da Figura 1, os seguintes termos:

a) Dado Agregado (do inglês, embedded data): entende-se como a informação que

se deseja ocultar em uma mídia digital: áudio, imagem e vídeo;

b) Estego-chave (do inglês, Stego-Key): denominação dada ao método utilizado

para inserção da mensagem na mídia digital;

c) Portadora ou mensagem de cobertura (do inglês, Cover-message): mídia digital

a ser utilizada para o transporte do dado agregado, ou seja, a informação a ser

ocultada. Para as seguintes mídias digitais a esteganografia possui a sua própria

terminologia:

• Áudio de cobertura (do inglês, Cover-audio);

• Vídeo de cobertura (do inglês, Cover-video);

• Imagem de cobertura (do inglês, Cover-image).

19

d) Estego-objeto (do inglês, Stego-object) ou estego-recipiente (do inglês, Stego-

Carrier), é a mídia digital com informação já ocultada.

2.2.2 Técnicas de Esteganografia Digital

Segundo Popa (1998), os principais algoritmos da esteganografia digital são

baseados na inserção de uma mensagem pseudo-randômica em substituição de

componentes de ruído da mensagem de cobertura. Todavia esses algoritmos podem

ser usados em variados tipos de mídias digitais como textos (TEIXEIRA, 2011),

imagens (KHALIL, 2011), vídeos (BHOLE e PATEL, 2012) e áudios (SCHUTZ,

2009). Neste trabalho, no entanto, focar-se-á apenas em técnicas de esteganografia

para áudio digital.

2.2.3 Técnicas de Esteganografia em Áudio

A ocultação de dados em conteúdo sonoro exige o estudo e a correta

utilização das vulnerabilidades do Sistema Auditivo Humano (do inglês, system

human audition). De acordo com Albuquerque et al. (2007), o sistema auditivo

humano trabalha com uma extensa gama de frequências. Conforme Freitas (2009)

essa gama está adaptada para escutar sons entre 20 Hz e 20 kHz.

Com aplicação pioneira em atividades militares, a esteganografia em sons

foi uma importante evolução nas telecomunicações (ALBUQUERQUE, JULIO e

BRASIL, 2007). A princípio, seu objetivo era evitar detecções e tentativas de

alteração de mensagens secretas por forças inimigas. Seguindo a evolução dos

equipamentos transmissores e receptores de áudio, sua utilização foi sendo

expandida para outros propósitos, como marcas d’água usadas em proteção de

propriedade intelectual, autenticações e detecção de alterações e rastreamento de

cópias. (SCHUTZ, 2009).

Atualmente, uma vez que há diferentes métodos esteganográficos em áudio,

a transmissão do sinal entre codificador e decodificador, isto é, o caminho a ser

20

percorrido necessita ser utilizado como fator na escolha. Segundo Albuquerque et al.

(2007), os caminhos de transmissão podem ser definidos como:

• Ambiente fim a fim: o arquivo de áudio é copiado entre máquinas sem

sofrer alterações, sendo a classe que menos interfere na escolha do

método esteganográfico;

• Sinal re-amostrado: o sinal permanece digital, porém é amostrado a uma

taxa maior ou menor que a original, preservando a magnitude e a fase da

maioria dos sinais, não mudando as suas características temporais;

• Reprodução em dispositivo analógico (digital-analógico-digital): o sinal é

transmitido em uma linha analógica com baixa ocorrência de ruídos e,

posteriormente, re-amostrado. Nesta classe, não é preservada a sua

magnitude, taxa de amostragem e quantização inicial, apenas a fase do

sinal pode ser preservada;

• Sinal reproduzido no ambiente e posteriormente amostrado por um

transdutor: esse sinal possivelmente sofrerá modificações em sua

amplitude, fase, ecos e mudança de componentes.

Contornados os obstáculos técnicos, a tecnologia pôde ser aplicada para

diversas finalidades. Sistemas relacionados à esteganografia foram desenvolvidos

desde a modernização desse tipo de técnica, sendo auxiliada pela evolução da

computação pessoal, iniciada em 1985.

Como resultado desta evolução podemos citar o Steganography Analysis

and Research Center (SARC), que é um centro americano de segurança com foco

exclusivamente em pesquisas voltadas à esteganografia e esteganálise, possuindo

atualmente um catálogo com mais de 800 aplicações comerciais voltadas à

esteganografia digital.

Direcionado a aplicações em áudio, a agregação de conteúdo em arquivos

de música se mostra um potencial mercado para a ocultação de dados, pois, é

possível utilizar as mesmas premissas expostas para acrescentar textos do artista,

fotos e demais conteúdos que sejam relevantes ao consumidor. Essa não é uma

tarefa trivial, pois, conforme Schutz (2009), a capacidade e a transparência da

ocultação das informações estão diretamente relacionadas. Ou seja, não é

21

interessante aumentar a quantidade de informações que podem ser escondidas se,

com isso, houver degradação da qualidade do sinal hospedeiro.

Na aplicação da esteganografia, segundo Albuquerque et al. (2007), é

necessita satisfazer a três quesitos: a segurança, o carregamento útil e a sua

robustez.

No que se refere à segurança, quanto à informação oculta, deseja-se que

essa seja invisível perceptivelmente e estatisticamente. Porém, este requisito não

deve ocasionar complexidade computacional que exija demasiado tempo de

processamento comparado aos atuais algoritmos.

Área disponível para a ocultação de informação, a esteganografia deve

firmar um compromisso relativo com à quantia de dados que pode ser transmitida.

Para esta finalidade, o envio parcial da mensagem não é aceitável, sendo

necessária a escolha de uma mensagem de cobertura maior, ou redução da

mensagem a ser oculta.

E, por fim, a sua robustez5 quanto a operações comuns realizadas em

conteúdos de multimídia, como compressão, agrega confiabilidade e utilidade do

sistema. Estes requisitos são flexíveis e frequentemente contraditórios à aplicação

da esteganografia. Dependendo dos argumentos da aplicação, um acordo deve ser

estabelecido para evitar a perda da mensagem oculta (BRAZIL e ALBURQUERQUE,

2007).

Uma vez definidas as restrições e características da esteganografia, é

possível compreender as técnicas que foram desenvolvidas ao longo da sua história.

Segundo Koubuszewski (2004), portanto, as técnicas de ocultamento de dados em

áudio mais conhecidas, são:

a) Bit menos significativo (do ingles, Least Significant bit - LSB);

b) Codificação de fases;

c) Espalhamento espectral;

d) Ocultação de dados no eco.

5 Capacidade de manter integra a esteganografia mesmo com edição do objeto de cobertura.

22

2.2.3.1 Inserção no bit Menos Significativo (LSB)

A técnica de modificação dos bits menos significativos se destaca como a

técnica mais comum na inserção de informações em um arquivo digital. Consiste em

utilizar o bit menos significativo de cada amostra do sinal digital para ocultar a

mensagem, pois, a alteração desses bits dentro do arquivo não alteram de forma

significativa a sua informação (JASCONE, 2003).

A desvantagem dessa técnica é a sua vulnerabilidade, pois os dados podem

ser facilmente destruídos computacionalmente pela utilização de algoritmos de

compressão de dados com perda (PETRI, 2004).

Como exemplo de aplicação do método LSB em arquivos digitais, tem-se a

tabela 1.

Tabela 1 - Exemplo de uso do método LSB. (a) 100 67 58 4 184 48 198 142

(b) 01100100 01000011 00111010 00000100 10111000 00110000 11000110 10001110

(c) 0 1 1 1 0 1 0 1

(d) 01100100 01000011 00111011 00000101 10111000 00110001 11000110 10001111

(e) 100 67 59 5 184 49 198 143

Fonte. Adaptado do autor de Kobuszewski (2004).

A linha (a) contém oito valores decimais contidos em um arquivo digital, e

na linha (b) seus respectivos valores binários. Se, por exemplo, deseja-se ocultar o

byte com valor decima 117, com o valor binário correspondente à 01110101( linha

c), simplesmente se substitui os bits menos significativos de cada byte do arquivo

digital original da linha (b), por cada um dos bits do byte a ser oculto do arquivo da

linha (c). Desta forma, após ocultar oito bits de informaçãoo, em oito bytes de um

arquivo digital (linha d), obten-se o valor expresso em binário da linha (d), e em

decima na linha (e) (KOUBUSZEWSKI, 2004).

Pode-se verificar claramente que os valores das amostras do arquivo digital

foram alterados, no máximo, em um valor decimal apenas, comparando-se as linhas

(a) com a (e). Caso seja aplicada a lei da probabilidade, é correto afirmar que as

quantidades de amostras alteradas tendem a 50%, já que é de 0,5 (possibilidade

23

bínaria, 1 ou 0) a probabilidade de que o LSB da amostra coincida com a informação

cuja inclusão é desejada.

Em se tratando de arquivo digitais de áudio, estas pequenas alterações são

inaudíveis para o ouvido humano. Esta é a teoria na qual trabalham, em sua maioria,

as ferramentas de esteganografia em arquivos de áudio (KOUBUSZEWSKI, 2004).

2.2.3.2 Codificação em Fase

A codificação em fase consistem em substituir a fase de um segmento inicial

de áudio, por uma fase de referência que representa os dados a serem escondidos,

conforme figura 2. A principal vantagem desse método é que a relação sinal - ruído

(SNR) percebido é mínima a ponto de ser imperceptível pelo ouvido humano (POPA,

1998).

Figura 2 - O sinal Original podendo ser o bit 0, e o mesmo sinal com sua fase deslocada 90º, sendo o sinal codificado, representa o bit 1.

Fonte: Adaptado do autor de Albuquerque et al. (2007).

Quando em cada componente de frequência a relação de fase é mudada

drasticamente, uma dispersão de fase será notada, mas se as modificações das

fases forem pequenas, a codificação fica inaudível. Este é um dos mais efetivos

métodos para decodificação em termos de percepção do ruído (ALBUQUERQUE,

JULIO e BRASIL, 2007).

24

2.2.3.3 Espalhamento Espectral

A técnica de espalhamento espectral (do inglês, Spread Spectrum – SS) é

baseada no ato de espalhar informações secretas sobre espectro de frequência de

áudio. Ela é análoga à LSB, que, randomicamente, espalha os bits da mensagem

em todo o arquivo de áudio. Entretanto, diferentemente da LSB, a SS espalha a

mensagem sobre o espectro de frequência do arquivo de áudio através de uma

codificação que é independente do sinal. Assim, o sinal resultante ocupa uma banda

superior à utilizada na transmissão do sinal original (ALBUQUERQUE, JULIO e

BRASIL, 2007).

Segundo Koubuszewski (2004), a diferença entre o SS para o LSB se

resume no fato de que o LSB distribui a informação que se deseja ocultar através

dos bits menos significativos do arquivo de áudio. Já o SS utiliza o próprio conteúdo

sonoro durante o processo, conforme figura 3.

Figura 3 - Funcionamento da técnica de Espalhamento Espectral (SS).

Fonte: Aquino (2011).

A técnica SS pode ser usada de duas maneiras dentro da esteganografia

digital: pela sequência direta do espalhamento espectral (do inglês, Direct Sequence

Spread Spectrum - DSSS), e espalhamento espectral por saltos de frequência (do

inglês, Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS).

25

No DSSS, a mensagem secreta é espalhada utilizando uma chave chamada

chip rate 6e depois modulada com um sinal pseudo-randômico, para, em seguida,

ser misturada ao sinal de cobertura. No FHSS, o espectro de frequência do arquivo

de áudio é alterado de modo que a mensagem seja codificada segundo um padrão

de saltos entre as frequências do espectro (ALBUQUERQUE, JULIO e BRASIL,

2007).

2.2.3.4 Ocultação de Dados pelo Eco

Neste método de esteganografia a informação é escondida em um arquivo

de áudio através da introdução de um eco. Para esconder a informação de maneira

eficaz, são manipulados três parâmetros do sinal de eco: amplitude, taxa de

deterioração e variação do sinal original (offset). Esses parâmetros são configurados

abaixo dos limites que o ouvido humano pode perceber facilmente.

O offset é utilizado para representar a mensagem binária codificada. O

codificador utiliza dois valores de tempo de atraso: um para representar o bit 1 e

outro para o bit 0, conforme figura 4 (ALBUQUERQUE, JULIO e BRASIL, 2007).

Figura 4 - Ilustração da aplicação da informação no método de codificação por eco.

Fonte: Adaptado do autor Albuquerque et al. (2007).

Apenas um bit de informação será codificado se um eco do sinal original for

produzido, por isso o sinal original é quebrado em blocos antes do processo de 6 No espectro de propagação, é a taxa em que os bits, ou os símbolos de código, são utilizados para modular os bits de dados.

26

codificação iniciar. Cada bloco será codificado com os valores 1 e 0, dependendo da

mensagem a ser transmitida. Uma vez que a codificação for concluída, os blocos

serão concatenados novamente. Para recuperar a mensagem, usar a mesma estego

chave para que o sinal esteja na mesma sequência de blocos utilizada na fase de

codificação, e utilizará função de auto correlação do sinal para decodificação da

mensagem, pois, essa revela um ponto em cada offset do tempo de eco, permitindo

que a mensagem seja reconstituída (ALBUQUERQUE, JULIO e BRASIL, 2007).

2.3 TRANSFORMAÇÃO DE DOMÍNIO

A transformação de domínios consiste em mapear amostras de um sinal que

se encontra no domínio do tempo, a fim de reescrevê-lo em componentes espectrais

no domínio da frequência. Esta seção irá discorrer a respeito de duas

transformadas, Fourier e Hartley, cuja gama de aplicações inclui o campo da

esteganografia.

2.3.1 Transformada de Fourier

A transformada de Fourier é a transformada mais conhecida e utilizada para

processamento digital de sinais (DSP). Com essa é possível se obter uma série de

informação a respeito do sinal, como os espectros de magnitude, fase e de potência.

Sua definição – soma infinita de senóides e cossenóides, representadas no plano

complexo ou na forma polar como magnitude e fase (DINIZ, NETTO e SILVA, 2004)

A Transformada Discreta de Fourier (do Inglês, Discrete Fourier Transform -

DFT) pode ser aplicada a uma série s(n) com comprimento finito N, conforme

equação ( 1 ) (NALON, 2009).

�� = � ��

�� = 0,1,2, … ,� − 1�( 1 )

27

Onde, x(n) se refere a sequência de amostras de comprimento N. Cada

amostra X(k) de uma série de Fourier representa uma exponencial complexa com

frequência �,ou seja, o coeficiente�� , que é gerado por cos�2!��/�� e

pelo sin�2!��/��. E para o domínio da frequência contínua, esse coeficiente

representado pela exponencial complexa passa a ser um impulso (NALON, 2009).

2.4.2 Transformada Discreta de Hartley

Segundo Mintchev et al. (1995), Ralph Hartley em 1942, criou uma

transformada com propriedades semelhantes à transformada de Fourier. Esta

transformada foi chamada de transformada de Hartley, sendo associada como uma

simplificação da transformada de Fourier, apenas para números reais.

Ao contrário da transformada de Fourier, que pode ser aplicada em sinais

reais ou complexos, Hartley aplica-se unicamente a sinais reais. Para calcular a

transformada discreta de Hartley (em inglês, Discrete Hartley transform - DHT),

utiliza-se a equação ( 2 ) (ULLMANN, 1984) (FRIGO e JOHNSON, 2006).

�%�� = �&1� � �'�( )*+,�2!� . �� + ,/��2!� . ��0��

�( 2 )

Onde H(k) é a aplicação do coeficiente de Hartley, com índice k, e x[n] sendo

a sequência real de comprimento N (HYOSUN, 1990). Por fim, a inversa da DHT é

ela própria multiplicada por 1 �1 .

Para calcular o espectro de potência de um sinal, a partir da transformada de

Hartley �%��, utiliza-se a equação ( 3 ) (MINTCHEV, KINGMA e BOWES, 1995).

2%�� = �%�� − �%�−��2 ( 3 )

As semelhanças entre a DHT e DFT mencionadas anteriormente, podem ser

formalizadas matematicamente. Para a obtenção dos coeficientes da DHT a partir da

28

DFT, utilizamos a equação ( 4 ) (ULLMANN, 1984) (HYOSUN, 1990)

(NASCIMENTO, BERGER e ROCHA, 2007):

3�� = 456��7 − 8956��7�� = 0,1, … ,� − 1� ( 4 )

E como retorno de Hartley para Fourier, pode ser obtida a parte real dos

coeficientes de Fourier por meio das equações ( 6 ).

45��0�7 = 3'0(� ( 5 )

45��7 = 3�� + 3�� − ��2 �� = 1,2, … ,�2 − 1 ( 6 )

45��/2�7 = 3'�/2(� ( 7 )

Analogamente, a parte imaginária de Fourier pela equação ( 12 ):

895��0�7 = 0� ( 8 )

895��7 = 3�� − �� − 3��2 �� = 1,2, … ,�2 − 1� ( 9 )

895��/2�7 = 0� ( 10 )

As relações matemáticas da fase dos coeficientes de Fourier com os de

Hartley também podem ser descritas matematicamente, como:

:;<5��0�7 = 0� ( 11 )

:;<5��7 = =� >=� ?3�� − �� − 3��3�� − �� + 3��@ �� = 1,2, … ,�2 − 1 ( 12 )

:;<5��/2�7 = 0� ( 13 )

Devido à similaridade com respeito às propriedades de Fourier e de Hartley

(ULLMANN, 1984) (PAIK e FOX, 1988), e por ser uma transformada nova, com

29

pouca utilização (NASCIMENTO e TOSCANO, 2004) (NASCIMENTO, BERGER e

ROCHA, 2007), este trabalho direciona-se a explorar suas aplicações em

esteganografia para sinais de áudio.

2.5 AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DA VOZ

Atualmente, a União de Telecomunicações Internacionais (International

Telecommunication Union – ITU- T) apresenta dois métodos de avaliação da

qualidade de voz: o método subjetivo que está especificado na recomendação P.800

(1996) e o método objetivo.

Na avaliação subjetiva, é disponibilizado o áudio (objeto de avaliação) a um

grupo de ouvintes. Baseada em uma escala de classificação presente da

Recomendação P.800, os participantes pontuarão o áudio conforme sua opinião. No

método objetivo, o resultado é tido via algoritmos e ferramentas matemáticas, que

avaliarão características do sinal de áudio, buscando a convergência com as

respectivas avaliações subjetivas (FREITAS, 2009).

Muitos métodos de avaliação objetiva foram propostos para estimar uma

avaliação subjetiva, devido à análise deste tipo de avaliação demandar muito

trabalho (submeter a um grupo mínimo de avaliadores) e custo para a execução

(REGIS, 2009).

Dentre os métodos objetivos, pode ser citado o Percentual de Avaliação da

Qualidade do Discurso (do inglês, Percentual Evaluation of Speech Quality -

PESQ7), o de Medição Perceptiva da Qualidade de Voz (do inglês, Perceptual

Speech Quality Measure - PESQM8) e o Sistema de Medição da Analise Perceptual

(do inglês, Perceptual Analysis Measurement System - PAMS).

7 Respectiva a recomendação P.862 (ITU-T, 2001) 8 Respectiva a recomendação P.861 (ITU-T, 1998)

30

Neste trabalho, será utilizado apenas o método subjetivo para análise da

qualidade do áudio de modo que não haverá maiores revisões bibliográficas sobre

os métodos objetivos.

2.5.1 Método Subjetivo

Os padrões P.800 e P. 830 do ITU-T definem as técnicas de medição da

pontuação média de opiniões (do inglês, Mean Opinion Score - MOS). Essas

recomendações se resumem em um guia para efetuar provas subjetivas da

qualidade da transmissão em laboratórios. Utilizado para a determinação do grau de

satisfação por parte dos usuários a respeito do funcionamento de conexões

telefônicas, e realizado a partir de testes usando pessoas que avaliam a qualidade

do sinal. Apesar de dependerem da opinião de ouvintes e necessitarem de um

grande número de indivíduos, os testes subjetivos possuem uma precisão superior

ao método objetivo na indicação da qualidade (GOLDBERG e RIEK, 2000).

Acompanhando os valores obtidos nas análises subjetivas, poderá ser

aplicado também a Escala de Dificuldade, que se trata de uma resposta binária,

obtida por cada participante ao final do teste. A pergunta aplicada: você

experimentou alguma dificuldade para escutar? E a resposta: Sim, Não. A

porcentagem avaliada de respostas ‘sim’, demonstra o nível de dificuldade

(RODRÍGUEZ, 2009).

Na aplicação dos testes de escuta é reproduzida uma gravação de cada vez

e o ouvinte avalia a sua qualidade. São usados grupos de 15 a 20 pessoas, e

conforme o aumento do número de participantes, os testes se tornam mais

confiáveis. Algumas características auxiliam para a opinião do ouvinte ter validade

construtiva na pesquisa, como: não possuir conhecimento no processamento de voz

utilizado e/ou ter participado de algum teste similar nos últimos seis meses (ITU-T

REC.P.800., 1996) (PEREIRA, 2009).

Há diversos métodos subjetivos, pois, a diferentes possibilidades e

propósitos de análises a serem aplicadas em um sinal de áudio. A escolha do

31

método dependerá de fatores como o contexto, propósito e qual aspecto forma

modificados no áudio (SOUZA, 2009).

A recomendação ITU-T P.800 define as seguintes classificações:

• Classificação por categoria absoluta (do inglês, Absolute Category

Rating ACR);

• Classificação por categoria de degradação (do inglês, Degradation

Category Rating - DCR);

• Classificação por categoria de comparação (do inglês, Comparison

Category Rating - CCR).

2.5.1.1 Absolute Category Rating (ACR)

Também chamado de Método Único de Estímulos, onde o sinal de áudio a

ser avaliado é apresentado, sem nenhuma referencia para comparação, e

classificado com os adjetivos e escala da Tabela 2. Por fim, o resultado é obtido a

partir da pontuação de opinião média (MOS).

Tabela 2 - Tabela de degradação - MOS Qualidade do áudio Escala

Excelente 5 Bom 4

Legível 3 Ruim 2

Péssimo 1 Fonte: Adaptado de (ITU-T REC.P.800., 1996).

2.5.1.2 Degradation Category Rating (DCR)

Neste procedimento, é avaliada a degradação do sinal processado em

relação ao sinal original, o que o torna mais sensível à distinção de qualidade, em

contraste com os testes tipo ACR. Sua escala é apresentada na tabela 3. E o

resultado obtido a partir da pontuação de opinião média de degradação (DMOS).

32

Tabela 3 - Tabela de degradação – DMOS. Degradação Escala

A degradação é inaudível 5 A degradação é audível, porém não incomoda. 4

A degradação incomoda um pouco 3 A degradação incomoda 2

A degradação incomoda muito 1 Fonte: Adaptado de (ITU-T REC.P.800., 1996).

2.5.1.3 Comparison Category Rating (CCR)

O método CCR em relação ao DCR, possui a vantagem de não apenas

avaliar o processamento de voz em relação à degradação do sinal, mas também, um

possível aumente da qualidade da voz. A deficiência do CCR e o DCR é que ambos,

apenas resultam em desempenhos relativos, pois são a partir de comparações. Na

tabela 4 é demonstrada a tabela de classificação do método CCR, sendo que o

resultado se obtém a partir da pontuação da opinião média de comparação (CMOS).

Tabela 4 - Tabela de degradação - CMOS Comparação Escala Muito Melhor 3

Melhor 2 Ligeiramente melhor 1

Aproximadamente igual 0 Ligeiramente pior -1

Pior -2 Muito Pior -3

Fonte: Adaptado de (ITU-T REC.P.800., 1996).

2.5.1.3 Mean Opinion Score (MOS)

O MOS é um método muito comum usado para avaliar a qualidade de um

áudio. E é utilizado para obtenção de um resultado em forma de valor significativo a

partir das análises citadas dos sub capítulos anteriores, isto é, com os valores

obtidos pela escala disponibilizada aos entrevistados.

33

A média aritmética de qualquer conjunto destas pontuações se denomina

pontuação média de opinião sobre a conversão (do inglês, Mean Opinion Score –

MOS).

O MOS fornece a média das notas das avaliações, sendo calculada pela

equação ( 14 ).

ABC = � 1��9/�D��

�( 14 )

Onde mi é a nota dada pela avaliação e N a quantidade de avaliadores.

2.6 CORRELAÇÃO

Dadas duas amostras de observações, medidas numa escala de intervalos

ou razões, pode se ter o grau de associação linear entre elas (REGRA, 2010).

De acordo com a equação ( 15 ) do coeficiente de correlação de Pearson,

disponível no toolbox9 do software Matlab, é possível se obter a correlação entre

dois sinais (PRESS, TEUKOLSKY, et al., 1992).

4�/, E� = F'�/D − GH�. �ED − IH�(JF�/D − GH�� . F�ED − IH�� 15��

Sendo /D e ED os valores das variáveis i e j. Já GH e IH são respectivamente as

médias dos valores /D e ED. A respeito do resultado: para resultados positivos a correlação, e quanto

mais próximo de 1, mais forte é a correlação entre os sinais; correlação negativa

indica que os sinais se movem em direções opostas, e seu limite é -1; próximo a

zero indica que as duas variáveis não estão relacionadas (FISHER, 1958)

(KENDALL e STUART, 1979).

9 Caminho: Matlab- Functions – Data Analysis- Descriptive Statisctics – Correcoef.

34

3. DESENVOLVIMENTO

Nesta seção será apresentada a metodologia utilizada para o

desenvolvimento do algoritmo de esteganografia em mídias de áudio com o método

LSB, utilizando o Software Matlab.

3.1 METODOLOGIA

Para a compreensão do desenvolvimento do trabalho, tem-se o diagrama de

implementação exibido na figura 5, com as principais tarefas do algoritmo e o

fluxograma do algoritmo no Apêndice E.

Inicialmente, é realizada a importação do arquivo de cobertura e do dado

agregado, para o software Matlab, ou seja, a mídia de áudio e da mensagem que se

desejará ocultar.

Após importados os arquivos, é aplicada a transformada de Hartley pelas

associações com a DFT, conforme visto na revisão bibliográfica. Tendo o conteúdo

dos arquivos transformados do domínio do tempo passados para o da frequência, é

aplicada a técnica esteganográfica e inserido o dado agregado na mensagem de

cobertura.

Ao fim da inserção da mensagem, é aplicada a transformada inversa, para

modificação do domínio da frequência para o tempo via Transformada inversa de

Hartley. Por fim, exporta-se o arquivo como mídia de áudio no formato wav.

Quando da extração da informação, importa-se o arquivo de áudio (estego-

objeto) para o software Matlab, aplica-se a transformada de Hartley e, no domínio da

frequência, realiza-se a extração do bits da informação inserida. Por fim o texto é

reconstruído e exportado para um arquivo de texto.

Nos próximos tópicos, serão discutidos: a escolha do software, técnica

esteganográfica desenvolvida e a análise da qualidade do sinal obtido.

35

Figura 5 – Diagrama do desenvolvimento da esteganografia LSB no domínio da frequência com a transformada de Hartley.

Fonte: O próprio autor (2013).

3.1.1 Software

O software MatLab, originado das palavras Matrix Laboratory, é uma

ferramenta onde a linguagem das operações é modelada através do uso de

matrizes. O software é direcionado à computação científica.

Este trabalho utilizou o software Matlab para todas as etapas do diagrama

da Figura 5.

36

3.1.2 Formato Waveform

O formato waveform, também conhecido por suas extensão (.wav) é

utilizado como extensão para formatos padrões de arquivos das empresas Microsoft

e IBM, para armazenar fluxos de bits (bit stream) de áudio em microcomputadores

pessoais. A codificação (codec) utiliza o formato PCM10 (do inglês, Pulse-Code

Modulation) (BATTEZZATI, 2009).

A escolha da mídia digital, resultou em arquivos de áudio com: codificação

PCM; extensão wav; 8 bits por amostra; mono (1 canal); taxa de amostragem de 8

kHz.

Foram utilizados quatro áudios para as aplicações desse trabalho, com as

seguintes frases: “Guardei o livro na primeira gaveta”, “O banco fechou sua conta”,

“Ela precisa esperar na fila” e “Choveu muito neste fim de semana”, adaptados do

trabalho de (BECKER, BALBINOT, et al., 2005).

3.1.3 Mensagem Oculta

Para as aplicações utilizou-se um texto padrão em todas as inserções. O

arquivo é possui extensão .txt e é apresentado no Apêndice A.

O texto nas etapas de preparação da informação para ser inserida e na sua

recuperação, isto é, extração da informação da mídia de áudio, é constituído pelo

padrões da tabela ASCII.

3.2 TRANSFORMADA

A fim de sancionar a escolha pela a DHT, será demonstrado as diferenças

entre a DHT e a DFT. Inicialmente é apresentado no domínio das frequências na

10 Método utilizado na representação digital de sinais analógicos. Atualmente é a o método padrão para áudio digital em computadores e em vários formatos de Blu-ray, DVD e Discos Compactos ( do inglês, Compact Disc

- CD).

37

figura 6 e na figura 7, o sinal de áudio “O banco fechou sua conta.wav”, composto

das seguintes características: um canal, taxa de amostragem de 8 kHz, tamanho

22,5 kB, taxa de bits 64 kbps, 8 bits por amostra.

Figura 6 – Domínio da frequência. a) Aplicação da DHT com o sua respectiva sequencia de números reais. b) Aplicação da DFT com o sua respectiva sequencia

de números complexos.


A aplicação da DHT, segundo seção 2.4.2, no domínio da frequência é

resultado de uma sequencia de números reais, todavia, para a DFT no domínio da

frequência haverá uma sequencia de números complexos, conforme figura 6 - b.

Conforme é possivel analisar na figura 7, foi aplicado o módulo aos valores

dos sinais da figura 6, modelando para que os gráficos da frequência de Hartley e da

frequência de Fourier estivessem no mesmo eixo.

Em ambos os gráficos, é demonstrado a simetria conjugada entre as

transformadas, diferindo, no entanto, no espectro de magnitude da aplicação do

módulo da DHT, obtendo-se maiores amplitudes na aplicação da DHT (figura 7 – b),

comparando com a aplicação da DFT (figura 7 – a).

A escolha se deteve a DHT, por essa se utilização de uma sequencia de

números reais no domínio do tempo e da frequência, e por ser um método

alternativo em relação à DFT, de acordo com o equacionamento matemático

apresentado na seção 2.4.2.

38

Figura 7 – Gráficos obtidos com o módulo das sequencias de valores no domínio da frequência. a) Aplicação da DFT b) Aplicação da DHT.

Fonte: Adaptada de Nascimento e Toscano (2004).

Na inserção de informação para o domínio das frequências, aplicou-se

simetricamente a informação a partir do centro do gráfico, neste caso condizente

com 4 kHz, conforme figura 7 – b, de acordo com a metodologia que os autores

Nascimento e Toscano (2004) aplicaram em seu algoritmo de criptografia em tempo

real com a DHT, conforme ilustração na figura 8.

Figura 8 – Representação do domínio de Hartley, onde N é o número de amostras do sinal no domínio do tempo, sendo a representação para um sinal com máxima

frequência em 4 kHz.

Fonte: Adaptado de (NASCIMENTO e TOSCANO, 2004).

39

3.3 MÉTODO ESTEGANOGRÁFICO

Neste tópico, será relatada a técnica de esteganografia e as etapas de

desenvolvimento do trabalho.

Em conformidade com o referencial bibliográfico citado, o método

esteganográfico a ser utilizado foi o LSB. Sua escolha se deteve à necessidade de

uma técnica de informação possível de ser aplicada com a utilização da

Transformada de Hartley.

A forma de inserção da informação no domínio da frequência para o sinal de

áudio resultou da disposição do conjugado simétrico da transformada discreta de

Hartley. De acordo com a Figura 9 o algoritmo foi desenvolvido para encontrar o

centro do vetor de amostras e inserir, simetricamente, metade da informação para

cada direção. As porcentagens padronizadas de informação no LSB foram: 30%,

70% e 100%.

Figura 9 - Método de inserção e porcentagens padronizadas para este trabalho, da informação a ser ocultada.

Fonte: O próprio autor (2013)

3.4 ANÁLISE DE QUALIDADE DO ÁUDIO

A inserção de informação em um arquivo digital pelo método LSB provocam

alterações possíveis de serem percebidas por um usuário. Todavia, a razão da

40

fidelidade da mídia alterada pela sua original é essencial na aplicação da

esteganografia.

Em se tratando de uma mídia de áudio, a impressão da redução de

qualidade é percebida por um usuário quando ocorrem as seguintes alterações:

• Modificação do bit mais significativo – para o exemplo, em um arquivo

de 8 bits, a percepção de modificação é agravada na escolha do bit a

ser inserida a informação, quando esta for alternada no sentido do

menos significativo para o mais significativo;

• Quantidade da área útil de inserção preenchida – todo arquivo em

dependência à sua técnica utilizada possui uma área útil de inserção.

Quanto maior a ocupação dessa área entende-se que maior será a

alteração percebida na reprodução da mídia.

Para avaliar mídias digitais, quanto a sua qualidade ou seu nível de

degradação, será utilizado o método subjetivo com o mínimo de 20 avaliações para

cada grupo de amostras.

Para estas avaliações, serão submetidos os grupos aleatoriamente a

avaliações, separados conforme esquema da Figura 10.

Figura 10 – Esquema da proposta de avaliações com os as aplicações.

Fonte: O próprio Autor (2013).

Observa-se pelo esquema da Figura 10 as seguintes aplicações:

� 1º avaliação: utilizando o método ACR, serão avaliados sete grupos a

respeito da qualidade dos áudios. Sobre as amostras, realizaram-se três

41

diferentes níveis de inserção, sendo: 30%, 70% e 100% de informação, e

aplicações no 7º 11 e 8º bits.

� 2º avaliação: utilizando o método CCR, serão avaliados 3 grupos a

respeito da degradação do áudio, realizaram-se dois níveis diferentes de

inserção, sendo: 30% e 100%, e aplicações no 7º e 8º bits.

� 3º avaliação: utilizando o método CCR, serão avaliados 4 grupos com o

propósito de comparar a degradação do áudio, entre a aplicação do

método LSB com a DHT, e com o método LSB sem a DHT. As aplicações

serão apenas em dois áudios das quatro amostras disponíveis, com

aplicação de 100% de inserção apenas no 8º bit.

Na Classificação por categoria de comparação – CCR, Como o próprio nome

sugere, na avaliação é submetido ao usuário o áudio original e o estego-objeto, a fim

de compara-los.

3.5 CORRELAÇÃO

O sinal de áudio que é inserido no algoritmo, passa por arredondamentos e

modificações de formatos, como: int812, double13, single14, decima para binário, e

uint815.

Devido a estas alterações de formatos, esta seção será destinada à

descrição de correlação entre o sinal inserido no algoritmo e o que é obtido em sua

saída, já com a informação oculta, ou seja, o estego-objeto importado.

Para esta etapa, foi utilizada uma função de correlação de coeficientes

disponíveis no toobox do Matlab, sendo que a função desempenha via algoritmo o

papel do coeficiente de correlação de Pearson, conforme equação 16.

11 A aplicação no 7º bit, de acordo com os objetivos específicos, é uma proposta de aplicação que geram maior degradação no sinal. A fim de se avaliar qual será o nível de aceitação por parte dos avaliados. 12 Inteiro de 8 bits, com intervalo de -128 a 127 (em decimal). 13 Double – formato de ponto flutuante de dupla precisão, ocupa 8 bytes, ou seja 64 bits. 14 Single – formato de ponto flutuante de simples precisão, ocupa 4 bytes, ou seja 32bits. 15 Inteiro de 8 bits sem sinal, onde seu intervalo é de 0 a 255 (em decimal).

42

4�/, E� = F'�/D − GH�. �ED − IH�(JF�/D − GH�� . F�ED − IH�� 16��

A Correlação foi realizada com a utilização de apenas dois arquivos das

quatro amostras de áudio apresentadas neste trabalho.

Observa-se pelo esquema da Figura 11 as seguintes aplicações:

� 1º correlação: realizada entre o arquivo original e os estego-objetos, com

utilização do método esteganografia LSB, porém, analisando as

aplicações com e sem o uso da DHT. As amostras são aplicações no 3º,

7º e 8º bit, e os níveis de inserção são de 30%, 70% e 100%.

� 2º correlação: realizada entre o arquivo original e os estego-objetos, com

utilização do método esteganografia LSB e a DHT. A proposta desta

correlação é analisar a diferença entre a exportação do estego-objeto em

8 bits em relação ao exportado com 16 bits.

Figura 11 – Esquema da propostas de correlação.

Fonte: O próprio Autor (2013)

A inserção no 3ª e 7º bit foi para a necessidade de provocar uma diferença

superior de correlação em relação à esteganografia no LSB, a fim de deixar visível a

redução da correlação conforme é utilizado qualquer bit mais significativo do que o

LSB. A utilização do 3º bit foi uma escolha empírica.

43

4. TESTES E RESULTADOS

No presente capítulo, serão mostrados os testes realizados a fim de validar o

algoritmo proposto.

Devido a Transformada de Hartley ser uma ferramenta atualmente pouco

utilizada conforme citado na secção 2.4.2, em relação à DFT ou até DCT16, será

aplicado um teste de validação para a mesma.

Após o teste da validação da DHT, apresenta-se a justificativa da saída de

áudios de 16 bits por amostra, ao invés de 8 bits.

Seguindo, são mostradas as correlações entre os áudios originais e os

áudios estenografados, com diferentes aplicações conforme citadas na secção 3.8.

Por fim, são apresentadas as análises subjetivas especificadas na secção

3.7, descrevendo as aplicações, as tabelas de classificação e os respectivos

resultados do método de esteganografia LSB com a transformada de Hartley

proposta.

4.1 VALIDAÇÃO DA TRANSFORMADA DE HARTLEY

As relações matemáticas existentes entre a DFT e a DHT, foram aplicadas à

um sinal com intervalo de frequência de 0 a 2,16 kHz, composto por harmônicos de

120 Hz e diferentes amplitudes. Será detalhada a aplicação e os apresentação dos

resultados, com o auxílio do código e dos respectivos gráficos.

Iniciando, na figura 12, as linhas do algoritmo definem as variáveis de

frequência, tempo e taxa de amostragem, em seguida é montado o gráfico composto

por harmônicos de 120 Hz nomeados como a variável x_inicial. O gráfico que se

refere a este sinal esta demonstrada na figura 13.

16DCT – Transformadas Discretas dos Cossenos.

44

Figura 12 - Código gerador de harmônicas e parametrização para aplicação da DHT.


Figura 13 - Sinal gerado com o somatório das harmônicas. A escala do eixo “x” é referente ao tamanho do vetor de harmônicas.


Em um segundo momento, foram desenvolvidas as equivalências entre as

transformadas DFT e DHT, conforme código da figura 14 e gráfico na figura 15.

Figura 14 - Código referente à DHT, direta e inversa.


0 100 200 300 400 500-6

-4

-2

0

2

4

6

Fs = 4500; % frequência de amostragem T = 1/Fs; % tempo entre amostras L = 4500; % o comprimento do sinal t = (0:L-1)*T; % vetor tempo % Acumulo das harmônicas. x0 = 1.0*sin(2*pi*120*t)+0.9*sin(2*pi*240*t)+0.8*sin(2*pi*360*t); x1 = 0.7*sin(2*pi*480*t)+0.6*sin(2*pi*600*t)+0.5*sin(2*pi*720*t); x2 = 0.4*sin(2*pi*840*t)+0.3*sin(2*pi*960*t)+0.2*sin(2*pi*1080*t); x3 = 0.1*sin(2*pi*1200*t)+0.2*sin(2*pi*1320*t)+0.3*sin(2*pi*1440*t); x4 = 0.4*sin(2*pi*1560*t)+0.5*sin(2*pi*1680*t)+0.6*sin(2*pi*1800*t); x5 = 0.7*sin(2*pi*1920*t)+0.8*sin(2*pi*2040*t)+0.9*sin(2*pi*2160*t); x_Inicial = x0+x1+x2+x3+x4+x5; % Acumulador das harmônicas

% DHT; x_final = fft(x_Inicial); %DFT Eixo_y_fht = real(x_final) - imag(x_final); %Associações para chegar a DHT plot(Eixo_y_fht); % iDHT; Eixo_y_fft_ret = fft(Eixo_y_fht); Eixo_y_ifht = (real(Eixo_y_fft_ret) - imag(Eixo_y_fft_ret))/numel(Eixo_y_fft_ret);

45

A imagem gerada na figura 15 é formada por componentes de frequência

harmônica de 120 Hz. Os sinais são demonstrados no espectro de magnitude, como

um conjugado simétrico a partir do valor de 2,25 kHz no eixo da frequência.

Figura 15 - Gráfico das componentes harmônicas do domínio da frequência de Hartley, composto de harmônicas de 120 Hz.


4.2 ALTERAÇÃO DO TAMANHO DO ARQUIVO

Os arquivo de entrada no algoritmo proposto são de 8 bits por amostra.

Idealmente, a saída necessitaria ter mesma escala, 8 bits, pois se trata de um

método de substituição do bit menos significativo.

No algoritmo desenvolvido, quando da utilização da função fft( ), para as

associações matemáticas da DHT pela DFT, fora necessário a troca de formato do

vetor do sinal de áudio, inicialmente uint8 (0 a 255) para Double (double – precision

float-point, 64 bits).

Seguindo a etapa do funcionamento do algoritmo, o sinal é processado para

o domínio da frequência por Hartley, e preparado para a inserção de sinal. As

amostras no domínio da frequência são convertidas de double para uint8 e em

46

seguida, convertidas de decimal para binário. No LSB que é o 8º bit inserida a

informação e realizado o processo inverso.

Para a finalização do algoritmo de inserção, é necessário exportar este

arquivo com atual formato double, para um áudio com formato wav, de 8 bits (uint8).

A última conversão, do arquivo (estego-objeto), provoca arrendondamentos

devido ao seu nível de quantização de apenas 8 bits, enquanto um double de 64

bits, todavia essa diferença provocam a perda da informação inserida no bit menos

significativo, neste caso, o mais vulnerável a arredondamento.

A solução para este problema foi exportar os arquivos como uint1617, ou

seja, 16 bits, havendo um intervalo de 0 a 65.535, e não mais de 0 a 255. Nesta

aplicação, a recuperação do sinal foi em 100% para inserção das amostras dos bits

7º ao 13º18.

Porém, para as amostras, como por exemplo “o banco fechou sua

conta.wav”, de tamanho 22,4 kB e taxa de bits 64 kbps, o arquivo passou para 44,8

kB de tamanho e 128 kbps de taxa de bits.

Na tabela 5, são demonstrados os tamanhos das quatro amostras originais e

dos estego-objetos utilizados nesse trabalho.

Tabela 5 - Tamanhos dos arquivos originais e com esteganografia. Áudios Utilizados no presente trabalho Arquivo Original Estego-Objeto

Choveu muito neste fim de semana.wav 19,7 kB 37,4 kB Ela precisa esperar na fila.wav 17,7 kB 35,3 kB

Guardei o livro na primeira gaveta.wav 20,7 kB 41,4 kB O banco fechou sua conta.wav 22,4 kB 44,8 kB


4.3 CORRELAÇÃO

Com a análise da correlação, avaliou-se o áudio original e o estego-objeto

com aplicações no 3º, 7º e 8º bit e diferentes níveis de informação inserida. Na

primeira avaliação foi correlacionada a aplicação do método esteganográfico com a

DHT (domínio da frequência) e a esteganografia sem a DHT (domínio do tempo).

17 Formato Inteiro de 16 bits, com o intervalo de 0 a 65.535. 18 Aplicações empíricas realizadas pelo próprio Autor (2013).

47

A segunda análise por correlação foi aplicada aos arquivos exportados com

8 bits e com 16 bits, como já discutido na seção 4.2,

Para as avaliações foram utilizadas as análises de correlação para dois

áudios: “O banco fechou sua conta” e “Choveu muito neste fim de semana”.

Na primeira avaliação foram submetidos os áudios “O banco fechou sua

conta” e “Choveu muito neste fim de semana”. Na tabela 6 e Tabela 7 são

demostradas estas correlações.

Tabela 6 – Correlação entre áudio original e estego-objeto.

Áudio Porcentagem Inserção Com DHT Sem DHT

Correlação 30% 70% 100% 3º 7º 8º 3º 7º 8º

O banco fechou sua conta.wav

x x 0,9995 x x 0,9997 x x 0,9989 x x 0,9994 x x 0,9984 x x 0,9992 x x 0,9981 x x 0,9992 x x 0,9957 x x 0,9983 x x 0,9938 x x 0,9976 x x 0,5248 x x 0,6997


Tabela 7 - Correlação entre áudio original e estego-objeto.

Áudio Porcentagem Inserção Com DHT Sem DHT

Correlação 30% 70% 100% 3º 7º 8º 3º 7º 8º

Choveu muito neste fim de semana.wav

x x 0,9995 x x 0,9996 x x 0,9990 x x 0,9984 x x 0,9984 x x 0,9980 x x 0,9984 x x 0,9983 x x 0,9965 x x 0,9955 x x 0,9951 x x 0,9939 x x 0,6082 x x 0,6494


Os resultados dessa primeira análise de correlações somente tiveram

alteração a partir da terceira casa decimal após a vírgula. Isto é, por serem

48

alterações nos últimos bits, 7º e 8º, a significância das alterações dos sinais em

relação ao original são baixas.

A correlação entre arquivo que utilizaram a DHT foi menor do que arquivos

que não a utilizaram, todavia, apenas é relevante essa diferença na aplicação com

100% de informação inserida no 3º bit, sendo aproximadamente 6,77% a redução da

correlação na aplicação com a DHT.

Para a segunda análise de correlação, que visa a diferença entre os

arquivos exportados com 8 bits e 16 bits, conforme os resultados são demonstrados

na tabela 8 e tabela 9.

Tabela 8 – Correlação analisando a exportação entre 8 bits e 16 bits. Para o áudio original e estego-objeto, com DHT.

Áudio Porcentagem Inserção Com DHT Exportação

Correlação 30% 70% 100% 3º 7º 8º 8 bits 16 bits

O banco fechou sua conta

x x x 0,9995 x x x 0,9994 x x x 0,9989 x x x 0,9988 x x x 0,9984 x x x 0,9983 x x x 0,9981 x x x 0,9980 x x x 0,9957 x x x 0,9956 x x x 0,9938 x x x 0,9937 x x x 0,5248 x x x 0,5245


Tabela 9 – Correlação analisando a exportação entre 8 bits e 16 bits. Para o áudio original e estego-objeto, com DHT.

Áudio Porcentagem Inserção Com DHT Exportação

Correlação 30% 70% 100% 3º 7º 8º 8 bits 16 bits

Choveu muito neste fim de

semana

x x x 0,9995 x x x 0,9992 x x x 0,9990 x x x 0,9987 x x x 0,9984 x x x 0,9984 x x x 0,9984 x x x 0,9982 x x x 0,9965 x x x 0,9963 x x x 0,9951 x x x 0,9949 x x x 0,6082 x x x 0,6082


49

Com essas análises, pode-se verificar que a diferença se resume em valores

na 4º casa decimal, podendo afirmar que estes são resultados dos arredondamentos

na conversão da variável double para uint8, que ocorre antes da exportação do

arquivo.

4.4 AVALIAÇÕES SUBJETIVAS

Neste tópico serão apresentadas as avaliações subjetivas de aplicações

desenvolvidas com os quatro áudios citados na seção 3.1.2. Conforme descritos na

seção 3.4 da metodologia, os índices utilizados para esta análise serão o ACR e o

CCR.

Na primeira avaliação, foram submetidos sete grupos de áudios para uma

avaliação subjetiva, com a proposta de analisar sua qualidade. Cada grupo utilizou

aplicações de esteganografia diferentes, as quais estão apresentadas na tabela 10.

As avaliações ocorreram a partir da execução dos áudios em um notebook19

particular que foi disponibilizado aos entrevistados, acompanhado do headphone

SONY, de modelo MDR-ZX100. A intensidade do áudio foi disposta à: 85% no

sistema operacional e 100% do software Windows Media Player.

Para a avaliação foi desenvolvido o formulário do Apêndice B, para cada

usuário foi submetido dois grupos aleatórios de áudios, a fim de serem analisados.

Tabela 10 - Divisões dos grupos e suas respectivas aplicações de esteganografia.


19 A configuração deste notebook : Dell Vostro 3500, i5, 4 GB de memoria RAM, 650 GB de Disco Rígido, sem placa de vídeo e áudio dedicadas, tela 15.6” de led, sistema operacional Windows 7, 32bits.

Grupo Aplicação da Esteganografia Grupo 1 Arquivos de áudio Originais Grupo 2 Arquivos de áudio com inserção de 100% no 8º bit. Grupo 3 Arquivos de áudio com inserção de 100% no 7º bit. Grupo 4 Arquivos de áudio com inserção de 70% no 8º bit. Grupo 5 Arquivos de áudio com inserção de 70% no 7º bit. Grupo 6 Arquivos de áudio com inserção de 30% no 8º bit. Grupo 7 Arquivos de áudio com inserção de 30% no 7º bit.

50

No teste aplicado, solicitou-se que o participante se acomodasse em uma

cadeira previamente disposta no ambiente. Então, houve o esclarecimento do

formulário, ajuste do headphone, e espera da confirmação para início da reprodução

dos grupos da análise.

Os áudios foram executados sequencialmente, havendo única pausa entre

ambos para a respectiva pontuação. Ao fim, foi solicitado ao avaliador que

preenchesse alguns dados para complemento da pesquisa, como:

• Gênero;

• Idade;

• Se este praticava algum instrumento (sim-não), e, se sim há quanto tempo;

• Se o participante já havia participado de algum teste semelhante à este.

Segue na tabela 11 o resumo da primeira avaliação subjetiva. A tabela

completa pode ser vista no Apêndice C.

Tabela 11 – Resumo da avaliação da Qualidade de áudio. Método ACR.

Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo 4 Grupo 5 Grupo 6 Grupo 7

Desvio Padrão 0,70 0,69 0,93 0,51 0,52 0,76 0,75 Quant. de Analises 20 20 20 20 20 20 20

Somatório 64 61 63 59 64 69 72 Pontuação MOS 3,2 3,05 3,15 2,95 3,2 3,45 3,6


Os dados obtidos na tabela 11, especificamente, a pontuação MOS de cada

grupo, resultaram em valores aproximados, mesmo com amostras com aplicações

distintas. Não foi possível encontrar associações entre as médias das amostras e

suas respectivas degradações causadas pela inserção de informação.

De acordo com a Tabela 10, as aplicações no 7º bit, respectivamente os

grupos 3, 5 e 7 deveriam ter uma pontuação MOS consideravelmente menor do que

os demais grupos (aplicações no 8º bit), em especial o grupo 1 que são os áudios

originais, ou seja, idealmente sem nenhuma degradação.

O desvio padrão do grupo 3 ficou em 0,93, sendo o maior desvio padrão e

especificamente a aplicação do grupo com a maior degradação do sinal (100% no 8º

bit).

51

A segunda avaliação subjetiva foi analisada com o método CCR em três

grupos de áudios, com diferentes aplicações conforme tabela 12.

As avaliações foram realizadas via um único formulário online, composto por

cada um dos grupos (1 a 3), e o grupo com os áudios originais. Cada grupo é

constituído pela concatenação dos quatro diferentes áudios desse trabalho, todavia,

coma mesmas aplicações.

Tabela 12 – Legenda da 2º avaliação da degradação do áudio pelo método CCR. Legenda

Original Áudio formado pela concatenação dos quatro áudios. Grupo 1 Áudio Original x LSB com DHT, de 30% no 8 bit Grupo 2 Áudio Original x LSB com DHT, de 100% no 8 bit Grupo 3 Áudio Original x inserção com DHT, de 100% no 7 bit


Para a pontuação das análises desta avaliação utilizou-se a tabela 13,

composta na coluna das descrições textuais da escala, por adjetivos que auxiliam o

avaliador na comparação dos grupos.

Por fim, a tabela 14, possui os valores das vinte análises realizadas para

essa segunda avaliação subjetiva.

Tabela 13 - Escala CMOS, utilizada na avaliação da degradação do sinal. Descrição textual da escala Escala

Muito bom 3 Bom 2

Próximo de bom 1 Mesmo áudio 0

Próximo de ruim -1 Ruim -2

Muito Ruim -3 Fonte: Adaptado norma (ITU-T REC.P.800., 1996).

Tabela 14 - Resultado da avaliação da degradação do áudio, pelo aumento da inserção de informação.

Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Desvio Padrão 1,73 1,55 2,03

CMOS 0,75 -0,1 -1,15 Quantidade de Avaliações 20 20 20 Somatório das Avaliações 15 -2 -23


52

A respeito da tabela 14, os valores referentes aos grupos 1, 2 e 3, da linha

do somatório das avaliações, convergem com a degradação do sinal proporcionada

aos estego-objetos avaliados.

Não somente o somatório das avaliações acompanha o resultado esperado,

como também a análise resultante pelo CMOS, que para a avaliação de 30% no 8

bit (grupo 1) obteve a maior pontuação em relação a aplicação com maior

degradação dessa avaliação subjetiva, sendo de 100% no 7 bit (grupo 3).

Na terceira e ultima análise subjetiva, foram comparadas aplicações no LSB

no domínio da frequência com a DHT e no domínio do tempo; essa comparação foi

com a aplicação do método CCR.

Utilizou-se apenas dois dos quatro áudios disponíveis no trabalho para à

aplicação. Cada áudio teve aplicações no domínio do tempo e no domínio da

frequência, com 100% de informação no 8 bit, conforme tabela 15, onde é descrito

em maiores detalhes as aplicações, e os áudios utilizados.

Tabela 15 - Legenda da avaliação subjetiva para a comparação do nível de ruído com o método de esteganografia LSB, do domínio do tempo e no domínio da

frequência. Legenda

Áudio 1 Frase original - "Guardei o livro na primeira gaveta."

Áudio 2 Frase original - "O banco fechou sua conta."

Sem Hartley Inserção de 100% de informação no LSB, no domínio do tempo.

Com Hartley Inserção de 100% de informação no LSB, no domínio da frequência. Fonte: O próprio autor (2013).

A escala utlizada para análise dos grupos a serem avaliados foi a presente

na tabela 13, ou seja, a mesma da segunda avaliação, e o resultado desta ultima

análise é apresentado na tabela 16.

Tabela 16 - Resultado da comparação entre esteganografia LSB, em Áudios no domínio do tempo e no domínio da frequência, por Hartley.

1 - LSB Áudio 1

2 - Hartley Áudio 1

3 - LSB Áudio 2

4 - Hartley Áudio 2

Quantidade de Avaliações 24 24 24 24 CMOS 0,38 0,13 0,88 0,46

Desvio Padrão 1,68 2,05 1,86 1,66 Somatório das Avaliações 9 3 21 11


53

A aplicação da esteganografia LSB para o domínio do tempo degradou em

uma menor proporção o sinal final, todavia, para os quatro grupos os valores das

avaliações assim como o CMOS foram positivos. Com esta análise se conclui que

não houve uma degradação do sinal susceptível, apenas baixa da qualidade em

comparação com os arquivos originais.

54

5. CONCLUSÕES

Diante do panorama exposto, considera-se que o desenvolvimento e

avaliação do algoritmo para a aplicação de esteganografia, no domínio da

frequência, com o uso da Transformada Hartley foi alcançado. Com relação à

realização de avaliações subjetivas, as mesmas também apresentaram resultados

dentro da recomendação P.800 de satisfação da qualidade do áudio e possiveis

para a aplicação da esteganografia.

A respeito da quantidade de informação e a região da aplicação, que são

estratégias características dessa aplicação e com intuito de uma menor percepção

do usuário; na aplicação deste trabalho não foi considerado que no domínio da

frequência, os dados inicialmente de valor decimal zero eram incrementados,

quando da inserção de informação, provocando o surgimento de um ruído no

arquivo de áudio.

Em se tratando dos resultados das avaliações subjetivas, na primeira, houve

proximidade dos valores, convergindo para uma média igual a 3, com base na P.800

valores próximos a 3 são caracterizados como amostras regulares.

Para a segunda avaliação, na aplicação de 100% no LSB (grupo 2), o CMOS

resultou em um valor próximo a zero (-0,1). Ou seja, de acordo com a Tabela 13,

trata-se de uma aplicação resultante de características aproximadas ou iguais a

original (nomenclatura da tabela “mesmo áudio”).

Nas terceira avaliação (método LSB e uso da DHT em relação ao sem a

DHT), nos resultados obtidos, houve maior pontuação para a técnica sem o método

proposto nesse trabalho; porém, os resultados de ambas as aplicações,

considerando os quatro grupos, ficam com o CMOS acima de zero, a partir da

tabela, essa pontuação justifica um áudio aceitável pela maioria dos avaliadores.

Uma vez que o objetivo deste trabalho não é o de buscar alta eficiência na

ocultação da informação e, sim, apresentar uma nova técnica de esteganografia,

nota-se satisfatório os resultados das pesquisas. Todavia, há possibilidade de

melhora do algoritmo de inserção de informação, para que este no mínimo se iguale

aos resultados da utilização do algoritmo sem a DHT.

55

Não foram utilizadas técnicas de esteganálise20 neste trabalho, a fim de

avaliar a robustez da proposta em relação às aplicações atuais. Todavia, uma busca

no banco de dados do portal IEEE Explore21, com as palavras Steganography e

Discrete Hartley Transform não resultou em conteúdo cientifico a respeito de

qualquer aplicação com as mesmas características.

Como a robustez na esteganografia é sinônimo do nível de dificuldade para

interceptar e recuperação informação, a ausência de material, torna a robustez

desse novo método maior. Isso se dá devido ao fato de que, em se tratando da

recuperação da informação por terceiros, há a necessidade de estar no domínio de

Hartley para a recuperação da informação inicialmente inserida.

Na utilização da transformada de Hartley, conforme descrito acima, não

foram encontrados trabalhos relacionados, sendo este um auxilio da aplicação de

métodos esteganográficos em áudio com uso da DHT. As dificuldades encontradas

nesta aplicação e suas justificativas trazem à tona a técnica como uma aplicação

nova, e encoraja a possibilidade de ser utilizada em futuras pesquisas e aplicações

na área de Esteganografia e Criptografia.

20 Área da esteganografia responsável pela análise da robustez dos métodos esteganográficos. Essa área busca ferramentas que possibilitam encontrar ou alertar sobre arquivos com informações estenografadas. 21 Endereço para o portal IEEE Explore http://ieeexplore.ieee.org/Xplore/home.jsp .

56

6. TRABALHOS FUTUROS

Ao longo do desenvolvimento deste trabalho, foram encontradas

possibilidades de melhorias e ampliação do que foi desenvolvido. Em forma de lista,

são citadas algumas dessas possibilidades.

• Estudo e desenvolvimento da escolha das melhores regiões do áudio

do domínio da frequência para a inserção de informação. Neste

trabalho não foi relevado os valores que, no domínio da frequência

estão zerados e partir da inserção de informação, começam a valer

com unidades decimais baixas, porém são perceptíveis ao ouvido

humano;

• Aplicar a Rápida transformada de Hartley sem suas relações com a

FFT, isto é, por meio do seu algoritmo;

• Desenvolver essa técnica de esteganografia em áudios de formatos

diferentes do Wav, como, por exemplo, mp3;

• Desenvolver o mesmo algoritmo em um software diferente do Matlab,

pois se acredita que a dificuldade de exportar um arquivo de 8 bits

possa ser devido também às funções encontradas no toolbox do

Matlab, não desenvolvidas para esta aplicação. Sendo assim, estas

não têm total êxito nesta aplicação.

57

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SOUZA, R. C. C. Avaliação de imagens através de Similaridade Estrutural e do conceito

de Mínima Diferença de Cor Perceptível. Faculdade de Engenharia, Universidade do

Estado do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro. 2009.

STALLINGS, W. Criptografia e segurança de redes, Princípios e práticas. São Paulo:

Pearson Prentice Hall, v. 4, 2008.

TANERBAUM, A. S.; WETHERALL, D. Redes de Computadores. São Paulo: Pearson

Prentice Hall, v. 5º, 2011.

TEIXEIRA, M. R. Esteganografia em arquivos texto e técnicas de detecção. UFRGS.

Porto Alegre. 2011.

ULLMANN, R. F. An Algorithm for the Fast Hartley Transform, 1984. ISSN 325-350.

Disponivel em: <http://sepwww.stanford.edu/oldreports/oldreports/sep38/38_29.pdf>. Acesso

em: 10 Setembro 2013.

WILLSKY, A. S.; OPPENHEIM, A. V.; NAWAB, S. H. Sinais e Sistemas. São Paulo:

Pearson Education - BR, v. 2, 2010.

61

APÊNDICES

APÊNDICE A – TEXTO UTILIZADO COMO MATERIAL A SER OCULTO NA

APLICAÇÃO DE ESTEGANOGRAFIA.

Figura 16 - Texto utilizado como informação a ser ocultada, com 700 caracteres, já incluso os espaços. 28 parágrafos e 36 linhas.

Fonte: Adaptado de http://www.vagalume.com.br/

62

APÊNDICE B – FORMULÁRIOS PARA ENTREVISTA DE ANÁLISE SUBJETIVA.

Figura 17 - Ficha Avaliação subjetiva qualidade do áudio com o grupo formado das quatro frases (arquivos de áudio), com o mesmo tratamento.


Figura 18 - Ficha Avaliação subjetiva comparação para mesma frase (arquivo áudio), com a informação inserida no 13º bit.


63

APÊNDICE C – FORMULARIOS ONLINE PARA AVALIAÇÃO SUBJETIVA.

Figura 19 – Modelo do formulário online utilizado com escala MOS.


64

Figura 20 – Parte do formulário disponibilizado online, com a escala CMOS.


65

APÊNDICE D – TABELAS DAS ANÁLISE SUBJETIVAS: ACR E CCR

Tabela 17 - Teste de qualidade do áudio com as 20 entrevistas de cada um dos 8 grupos. Método ACR.

(continua)

Gênero Idade Musico Tempo (anos)

Participou de algum teste

Sememelhate?

Grupo 1

Grupo 2

Grupo 3

Grupo 4

Grupo 5

Grupo 6

Grupo 7

Grupo 8

Masc 22 Não 0 Não 4 4

Masc 18 Sim 4 Não 3 3

Fem 22 Sim 3 Não 3 3

Masc 23 Não Não 3 3


Fem 22 Sim 3 Sim 3 3


Masc 23 Não Sim 4 4


Fem 21 Não Não 4 4

















Masc 33 Sim 15 Sim 3 2


Masc 35 Não n Sim 3 3




Masc 18 Não n Não 2

Masc 18 Não Não

3 3




66

Conclusão


Masc 28 Sim Sim 3 3

Fem 23 Não Não 5









Fem 29 Não Não 3





Masc 22 Não Sim 3



















Fem 17 Não Sim 4 3

Fem 17 Não Sim 3 4









Desvio Padrão 0,70 0,88 0,69 0,93 0,51 0,52 0,76 0,75

Quantidade de Analises ( 1 ) 20 20 20 20 20 20 20 20

Somatório das avaliações ( 2 ) 64 63 61 63 59 64 69 72

Pontuação MOS (2 ÷ 1) 3,2 3,15 3,05 3,15 2,95 3,2 3,45 3,6


67

Tabela 18 - Análise subjetiva com método CCR, para aplicação de dois diferentes níveis de inserção de sinal e alternando entre o 7º e o 8º bit. respectiva a segunda

avaliação subjetiva.

Gênero Idade Pratica Musica

Tempo (anos)

Participou de algum teste semelhante

Grupo_1 Grupo_2 Grupo_3

Masc 28 Não Não -2 -1 -1 Masc 21 Não Não 1 -2 -2 Masc 40 Sim 4 Não 1 -1 -3 Masc 21 Não Não 2 -1 -1 Fem 29 Não Não 0 -1 -2 Masc 33 Não Sim 2 1 0 Masc 19 Sim 6 Sim -3 -2 -3 Masc 25 Não Não -1 -2 -3 Fem 21 Não Sim -2 -1 -3 Masc 25 Não Não 1 -1 -3 Masc 28 Não Não 3 2 1 Masc 19 Sim 3 Sim 2 -1 -3 Masc 20 Não Não 2 2 2 Fem 21 Não Não 0 1 -1 Masc 22 Não Sim 2 2 2 Masc 33 Não Não -1 -2 -2 Fem 25 Não Sim 3 0 -3 Masc 25 Sim 10 Não 3 3 3 Fem 26 Não Não 1 1 -3 Fem 25 Não Não 1 1 2

Quantidade de Avaliações 20 20 20

Somatório das Avaliações 15 -2 -23

Média 0,75 -0,10 -1,15

Desvio Padrão 1,73 1,55 2,03 Fonte: O próprio Autor (2013)

68

Tabela 19 - Avaliação subjetiva de comparação, com áudio original, Utilizando a técnica deste trabalho de esteganografia com FHT, e LSB normal (aplicado no

domínio do tempo).

Gênero Idade Pratica Musica

Tempo (anos)

Participou de algum

teste semelhante

Grupo_1 Grupo_2 Grupo_3 Grupo_4

Masc 22 Não Não -3 -3 -3 -3 Fem 21 Não Sim 2 2 -2 2 Masc 33 Não Não 1 1 0 2 Masc 29 Não

Não -2 2 3 -2

Masc 19 Sim 6 Sim -2 -2 -2 -3 Masc 24 Sim 6 Não -2 2 -2 -1 Masc 33 Não

Sim -2 -1 -1 1

Fem 21 Não

Sim 1 0 -1 1 Masc 25 Não

Não -2 -2 -3 -1

Masc 21 Sim 6 Sim 1 2 2 1 Masc 23 Sim 7 Sim 0 0 -1 2 Masc 26 Sim 2,5 Sim 1 2 2 1 Masc 19 Sim 3 Não 1 1 2 1 Masc 23 Sim 2 Não 2 1 1 2 Fem 14 Sim 1 Não 3 2 2 3 Masc 23 Não

Não 1 1 -2 -1

Masc 21 Sim 2 Não 2 1 -2 2 Masc 23 Não

Não 2 2 3 3

Masc 23 Não

Não 1 1 -1 3 Fem 16 Não

Não 0 -3 -1 -1

Fem 15 Não

Não 2 2 3 3 Masc 22 Sim 6 Não 2 2 2 2 Masc 23 Sim 10 Não 1 -1 1 1 Fem 25 Não Não -1 -1 3 3

Quantidade de Avaliações 24 24 24 24 CMOS 0,38 0,46 0,13 0,88

Desvio Padrão 1,68 1,66 2,05 1,86 Somatório das Avaliações 9 11 3 21


69

APÊNDICE E – FLUXOGRAMA DO CÓDIGO FONTE DE ESTEGANOGRAFIA COM

DHT.

Figura 21 - Fluxograma do código fonte.


70

APÊNDICE F – CÓDIGO FONTE DE ESTEGANOGRAFIA COM DHT,

DESENVOLVIDO NO MATLAB.

%Alex de Souza %29/10/2003 % SET - INSERÇÃO DE WAV - INSERÇÃO DO TEXTO %===================================================================== clear all; vet_mais_menos = 2; %1,2 Se a inserção for menor que 30% por 1. %Set do algoritmo. LSB=7; %Set do bit que se deseja inserir o a informação Porcentagem_insercao = 30; %ex: 30, 70 100. intervalo= 0 a 100! befor_fft=1; %Fatores de correção para inserção em audios de 16 bits Multipli=1; %Fatores de correção para inserção em audios de 16 bits %lê audio [y_in, Fs,nbits,readinfo] = wavread( 'C:\Users\Keki\Documents\MATLAB\MATLAB_PROGRAMAS\sons_pcm\Choveu muito neste fim de semana\Choveu muito neste fim de semana.wav','double'); size_audio=length(y_in);% Comprimento do vetor com audio wav_dbl_8_bits=double(y_in(:,1));% Passa valores de inteiros para double. wav_dbl=(wav_dbl_8_bits); %Importa texto a ser ocultado. fid = fopen('C:\Users\Keki\Documents\MATLAB\MATLAB_PROGRAMAS\dado_ocultar\hino_gremio.txt', 'rt'); %arquivo a ser codificado arq_texto = fread(fid)'; %conteúdo do arquivo texto_bin=dec2bin(arq_texto); %Organiza conteudo em bin do arq_texto em uma unica célula. acum=0; size_texto = size(texto_bin); for linhas=1:size_texto(1,1) for colunas= 1:size_texto(1,2) acum=acum+1; vet_data_acum(1,acum)=texto_bin(linhas,colunas); end end % Logica da porcentagem de inserção de texto no áudio. Porc_insercao=(size_audio*(Porcentagem_insercao/100)-nbits); %Mensura quantas vezes irão caber do texto dentro do áudio. size_texto_acum=length(vet_data_acum); espaco_lsb_8bits=size_audio./nbits; texto_inteiro=fix((Porc_insercao./nbits)./size_texto(1,1)); letras_soltas=fix((Porc_insercao./nbits)-texto_inteiro*size_texto(1,1)); texto_100_porc = letras_soltas*nbits+size_texto(1,1)*texto_inteiro*nbits; %incrementa o vetor de acordo com a porcentagem desejada a ser inserida. new_vet_acum=0;

71

if texto_inteiro==0; new_vet_acum = [vet_data_acum(1,1:(letras_soltas*nbits))]; else for aux=1:texto_inteiro new_vet_acum=[new_vet_acum vet_data_acum]; if texto_inteiro == aux new_vet_acum= [new_vet_acum vet_data_acum(1,1:(letras_soltas*nbits))]; end; end; end; size_new_vet=length(new_vet_acum); %===================================================================== %Alex de Souza %29/10/2003 %DHT - OCULTAÇÃO - EXPORTA WAV %===================================================================== wav_dbl=(wav_dbl.*befor_fft);% fator de conversão para áudios de 16bits Eixo_y_fft = fft(wav_dbl);%função FFT Eixo_y_fht = real(Eixo_y_fft) - imag(Eixo_y_fft);%Equivalência do Hartley com Fourier. Eixo_y_fht(1:2,1) = 1; %limpa ruido DC caracteristico do programa para sinal WAV. Eixo_y_fht_multip=Eixo_y_fht.*Multipli;%Multiplica vetor float para áudios de 16bits Eixo_y_fht_int = round(Eixo_y_fht_multip);%Arredonda valores. %Cria vetor com sinais para retornar no final. for m=1:1:(size(Eixo_y_fht_int)) Eixo_y_fht_int(m,1); if Eixo_y_fht_int(m,1)<0; Eixo_y_fht_sinal(m,1)=-1; else Eixo_y_fht_sinal(m,1)=1; end; end; Eixo_y_fht_int_posit=abs(Eixo_y_fht_int);%Encontra o módulo dos valores (função ABS();). size_vet_fht=(size(Eixo_y_fht_int_posit));%Comprimento do vetor vet_bin_freq = dec2bin (Eixo_y_fht_int_posit);%converte decimal para binário size_vet_bin=size(vet_bin_freq); size_vet_bin=size_vet_bin(1,2); %ESSE TRECHO INSERIR DADOS DO DOMINIO DA FREQUENCIA DE HARTLEY size_vet_fht=size_vet_fht(1,1); %Metade do vetor do audio em frequencia metade=size_vet_fht/2; % Encontra posição para iniciar a inserção de texto no audio. size_vet_data_acum_metade=size_new_vet/2; inicio=(metade-size_vet_data_acum_metade)-1; inicio=fix(inicio); fim=size_new_vet; % Inserção do texto no vetor de áudio. for freq_inicio=1:1:fim local_vet=0; local_vet=inicio+freq_inicio; vet_bin_freq(local_vet,LSB)= new_vet_acum(1,freq_inicio); end

72

%Manipula vetor, convertendo para decimal=>double=>retirando_ganho_áudio_16bits vet_dec_freq=bin2dec(vet_bin_freq); dbl_fht=double(vet_dec_freq); %Converte para Double. dbl_fht=dbl_fht.*Eixo_y_fht_sinal; % Adiciona sinal retirado função (abs) wav_dbl_fht=dbl_fht./Multipli; % Retira ganho para sinais 16 bits. % Inicial a Transformada Inversa de Hartley. Eixo_y_fft_ret = fft(wav_dbl_fht); Eixo_y_ifht = (real(Eixo_y_fft_ret) - imag(Eixo_y_fft_ret))/prod(size(Eixo_y_fft_ret)); Eixo_y_ifht=(Eixo_y_ifht./befor_fft); % Retira ganho para sinais 16 bits. % Reproduz áudio antes de exportar, com mensagem já inserida. sound(Eixo_y_ifht,Fs); wavwrite(Eixo_y_ifht,Fs,16,'C:\Users\Keki\Documents\MATLAB\MATLAB_PROGRAMAS\sons_pcm\Choveu muito neste fim de semana\Choveu muito_30_7bit.wav') %===================================================================== %Alex de Souza %29/10/2003 % Importa - Extrai Texto - Exporta Texto %===================================================================== [y_ext, Fs_ext,nbits_ext,readinfo_ext] = wavread('C:\Users\Keki\Documents\MATLAB\MATLAB_PROGRAMAS\sons_pcm\Choveu muito neste fim de semana\Choveu muito_30_7bit.wav','double'); size_ext=size(y_ext); size_ext=size_ext(1,1); % Passa valores de inteiros para double. wav_dbl_rec=double(y_ext); wav_dbl_rec=(wav_dbl_rec.*befor_fft);%Ganho para sinais 16 bits Eixo_y_fft_ext = fft(wav_dbl_rec);%função FFT %Equivalência do Hartley com Fourier. Eixo_y_fht_ext = real(Eixo_y_fft_ext) - imag(Eixo_y_fft_ext); Eixo_y_fht_ext(1:2,1) = 1; %Multiplica vetor float(evitar grande perda de qualidade)para sinais 16 bits Eixo_y_fht_multip_ext=Eixo_y_fht_ext.*Multipli; %Ganho para sinais 16 bits Eixo_y_fht_int_ext = round(Eixo_y_fht_multip_ext);%Arredonda valores. %Cria vet com sinais para retornar no final. for m=1:1:(size(Eixo_y_fht_int_ext)) Eixo_y_fht_int_ext(m,1); if Eixo_y_fht_int_ext(m,1)<0; Eixo_y_fht_sinal_ext(m,1)=-1; else Eixo_y_fht_sinal_ext(m,1)=1; end; end; %Encontra o módulo dos valores função ABS(). Eixo_y_fht_int_posit_ext=abs(Eixo_y_fht_int_ext); size_vet_fht_ext=(size(Eixo_y_fht_int_posit_ext));%Comprimento do vetor vet_bin_freq_ext = dec2bin (Eixo_y_fht_int_posit_ext);%converte decimal para binario

73

%RECUPERA TEXTO. start=(inicio+vet_mais_menos); stop=(start+fim)-1; bb1=vet_bin_freq_ext(start:stop,LSB); linha_ext=fix(size_new_vet/8); inc=0; for x=1:1:linha_ext for y=1:1:8 inc=inc+1; texto_recuperado(x,y)=bb1(inc,1); end end texto_dec=bin2dec(texto_recuperado); texto_dec=texto_dec'; texto_char=char(texto_dec); texto_original=char(arq_texto);%texto original size_coluna=size(texto_original); size_coluna=size_coluna(1,2); ah=0; colunas=size_coluna; size_char=size(texto_char); linhas=size_char./colunas; for mx=1:colunas for my=1:linhas ah=ah+1; texto_fim_0(my,mx)=texto_char(ah,1); end; end; %Exporta para um arquivo TXT. fid = fopen('C:\Users\Keki\Documents\MATLAB\MATLAB_PROGRAMAS\dado_ocultar\decoded.txt', 'wt'); fwrite(fid, texto_dec, 'char'); fclose(fid); %Manipula vetor, convertendo para decimal=>double=>retirando_ganho vet_dec_freq_ext=bin2dec(vet_bin_freq); vet_dbl_ext=double(vet_dec_freq_ext); vet_dbl_ext=vet_dbl_ext.*Eixo_y_fht_sinal_ext; wav_dbl2_ext=vet_dbl_ext./Multipli; wav_dbl2_ext=double(wav_dbl2_ext); % Inicial a Transformada Inversa de Hartley. Eixo_y_fft_ret_ext = fft(wav_dbl2_ext); Eixo_y_ifht_ext = (real(Eixo_y_fft_ret_ext) - imag(Eixo_y_fft_ret_ext))/prod(size(Eixo_y_fft_ret_ext)); Eixo_y_ifht_ext=Eixo_y_ifht_ext./befor_fft; Plot(Eixo_y_ifht_ext); %=====================================================================

Tcc2 Alex de Souza

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