Задачи-ДЗ-по-выбору-2016

Темы домашних заданий по разделу «Стеганография и стегоанализ»
дисциплины «Обнаружение и распознавание сигналов».
Требования к отчету по выполненному ДЗ.
1. Материалы должны быть оформлены в одной папке, содержащей:
 Исполняемую программу в среде MathCAD.
 Исходные данные и результаты выполнения.
 Текст пояснительной записки, содержащий результаты исследований.
Этот материал может составить основу будущей статьи.
2. Результаты в виде звуковых файлов должны быть доступны для
прослушивания.
Тема 1 Стегозапись и стегоанализ графических файлов при реализации
различных методов сокрытия сообщений. В качестве скрываемых
данных
использовать
чертежи,
электрические
схемы
и.т.п,
продуцируемые в средах CAD/CAM, т.е в векторных форматах.
Задача 1.1
1.1 В произвольно выбранном контейнере в виде
файла управляемого
объема записать цифровую голограмму методом, реализованном в
алгоритме Брундокса (Bruyndonckx). (см. конспект, материалы
кафедральной энциклопедии и описание алгоритма в метод. материалах)
1.2 Восстановить стего по известному ключу.
1.3 Промоделировать занесение шума в файл, содержащий стегосообщение
с помощью функции rnorm(*).
1.4 Качественно оценить влияние шума на восстановленное стего.
1.5 Оценить предельное соотношение объемов контейнера и стего
визуально и по спектру пространственных частот.
Задача 1.2.
1
1.1 В произвольно выбранном контейнере в виде файла управляемого
объема записать цифровую голограмму методом Patchwork (заплаток). (см.
конспект и материалы кафедральной энциклопедии, блога Н.В. Чичварина)
1.2 Восстановить стего по известному ключу.
1.3 Промоделировать дефокусировку путем фильтрации пространственным
фильтром с импульсным окликом ℎ(𝑥, 𝑦) = exp⁡{−
𝑥 2 +𝑦 2
𝑟2
}
1.4 Качественно оценить влияние дкфокусировки при различных значениях r
на восстановленное стего.
1.5 Оценить предельное соотношение объемов контейнера и стего визуально
и по спектру пространственных частот.
Задача 1.3.
1.1 В произвольно выбранном контейнере в виде файла управляемого
объема записать цифровую голограмму методом Ленгелаара (Langelaar) (см.
конспект, материалы кафедральной энциклопедии и блога).
1.2 Восстановить стего по известному ключу.
1.3 Промоделировать дефокусировку путем фильтрации пространственным
фильтром с импульсным окликом ℎ(𝑥, 𝑦) = exp⁡{−
𝑥 2 +𝑦 2
𝑟2
}
1.4 Качественно оценить влияние дкфокусировки при различных значениях r
на восстановленное стего.
1.5 Оценить предельное соотношение объемов контейнера и стего визуально
и по спектру пространственных частот.
Задача 1.4.
1.1 В произвольно выбранном контейнере в виде файла управляемого
объема записать цифровую голограмму методом
Питаса (Pitas) (см.
конспект, материалы кафедральной энциклопедии и блога).
1.2 Восстановить стего по известному ключу.
1.3 Промоделировать дефокусировку путем фильтрации пространственным
фильтром с импульсным окликом ℎ(𝑥, 𝑦) = exp⁡{−
𝑥 2 +𝑦 2
𝑟2
}
2
1.4 Качественно оценить влияние дкфокусировки при различных значениях r
на восстановленное стего.
1.5 Оценить предельное соотношение объемов контейнера и стего визуально
и по спектру пространственных частот.
1.5 Оценить предельное соотношение объемов контейнера и стего визуально
и по спектру пространственных частот.
Задача 1.5.
1.1 В произвольно выбранном контейнере в виде файла управляемого
объема записать цифровую голограмму методом
Питаса (Pitas) (см.
конспект, материалы кафедральной энциклопедии и блога).
1.2 Восстановить стего по известному ключу.
1.3 Промоделировать дефокусировку путем фильтрации пространственным
фильтром с импульсным окликом ℎ(𝑥, 𝑦) = exp⁡{−
𝑥 2 +𝑦 2
𝑟2
}
1.4 Качественно оценить влияние дкфокусировки при различных значениях r
на восстановленное стего.
1.5 Оценить предельное соотношение объемов контейнера и стего визуально
и по спектру пространственных частот.
1.5 Оценить предельное соотношение объемов контейнера и стего визуально
и по спектру пространственных частот.
Задача 1.6.
1.1 В произвольно выбранном контейнере в виде файла управляемого
объема записать цифровую голограмму методом Роджена (Rongen) (см.
конспект, материалы кафедральной энциклопедии и блога).
1.2 Восстановить стего по известному ключу.
1.3 Промоделировать дефокусировку путем фильтрации пространственным
фильтром с импульсным окликом ℎ(𝑥, 𝑦) = exp⁡{−
𝑥 2 +𝑦 2
𝑟2
}
1.4 Качественно оценить влияние дкфокусировки при различных значениях r
на восстановленное стего.
1.5 Провести стегоанализ путем применения гистограммы.
3
Задача 1.7.
1.1 В произвольно выбранном контейнере в виде файла управляемого
объема записать цифровую голограмму методом Каттера (Kutter) (см.
конспект, материалы кафедральной энциклопедии и блога).
1.2 Восстановить стего по известному ключу.
1.3 Промоделировать дефокусировку путем фильтрации пространственным
фильтром с импульсным окликом ℎ(𝑥, 𝑦) = exp⁡{−
𝑥 2 +𝑦 2
𝑟2
}
1.4 Качественно оценить влияние дкфокусировки при различных значениях r
на восстановленное стего.
1.5 Провести стегоанализ путем применения гистограммы.
Задача 1.8.
1.1 В произвольно выбранном контейнере в виде файла управляемого
объема записать произвольно выбранный текст методом Бендера (Bender)
(см. конспект, материалы кафедральной энциклопедии и блога).
1.2 Восстановить стего по известному ключу.
1.3 Промоделировать дефокусировку путем фильтрации пространственным
фильтром с импульсным окликом ℎ(𝑥, 𝑦) = exp⁡{−
𝑥 2 +𝑦 2
𝑟2
}
1.4 Качественно оценить влияние дкфокусировки при различных значениях r
на восстановленное стего.
1.5 Оценить предельное соотношение объемов контейнера и стего визуально
и по спектру пространственных частот.
Тема 2 Стегозапись, стегоанализ и спектральный анализ файлов,
содержащих изображения при реализации различных методов сокрытия
сообщений. Для всех задач в качестве скрываемых данных использовать
схемы, чертежи и.т.п, представленные в векторном формате (aCAD,
КОМПАС и.т.п.)
4
Задача 2.2
1.1 В
контейнере в виде
файла с изображением QR кода записать
произвольно выбранное стего методом реализованном в алгоритме Питас
(см. конспект, описание алгоритма в метод. материалах и материалы
кафедральной энциклопедии, блога Н.В. Чичварина.)
1.2 Восстановить стего по известному ключу.
1.3 Оценить влияние постоянно растущего объема стего на восстановленное
стего и расшифровку QR-кода.
Задача 2.3
1.1 В
контейнере в виде
файла с изображением QR кода записать
произвольно выбранное стего методом реализованном в алгоритме Коча
(Koch) (см. конспект, описание алгоритма в метод. материалах и материалы
кафедральной энциклопедии, блога Н.В. Чичварина.)
1.2 Восстановить стего по известному ключу.
1.3 Оценить влияние постоянно растущего объема стего на восстановленное
стего и расшифровку QR-кода.
Задача 2.4
1.1 В
контейнере в виде
файла с изображением QR кода записать
произвольно выбранное стего методом реализованном в алгоритме Бенхама
(Benham). (см. конспект, описание алгоритма в метод. материалах и
материалы кафедральной энциклопедии, блога Н.В. Чичварина.)
1.2 Восстановить стего по известному ключу.
1.3 Оценить влияние постоянно растущего объема стего на восстановленное
стего и расшифровку QR-кода.
Задача 2.5
5
1.1 В
контейнере в виде
файла с изображением QR кода записать
произвольно выбранное стего методом Подилчука (Podilchuk) (см. конспект,
описание алгоритма в метод. материалах и материалы кафедральной
энциклопедии, блога Н.В. Чичварина.)
1.2 Восстановить стего по известному ключу.
1.3 Оценить влияние постоянно растущего объема стего на восстановленное
стего и расшифровку QR-кода.
Тема 3 Стегозапись, стегоанализ и спектральный анализ аудиофайлов
при реализации различных методов сокрытия аудиосообщений. Для
всех задач ввод аудиосообщений осуществляется либо с помощью WEB –
средств, либо из «музыкальных» файлов. Результаты исследований
должны быть доступны для прослушивания и предствлены
соответсвующими графиками сигналов и спектров.
Задача 3.1.
1.1 В произвольно выбранном контейнере в виде сэмпла звукового файла
управляемого объема записать произвольно выбранное стего методом эхо –
кодирования.
(см. конспект, описание алгоритма в метод. материалах и
материалы кафедральной энциклопедии, блога Н.В. Чичварина.)
1.2 Восстановить стего по известному ключу.
1.3Оценить предельные возможности по соотношению объемов контейнера
и внедряемого сообщения.
1.4 Исследовать влияние гауссовских аддитивных шумов, заносимых в
контейнер со стего.
Задача 3.2.
1.1 В произвольно выбранном контейнере в виде сэмпла звукового файла
управляемого объема записать произвольно выбранное стего методом
фазового кодирования. (см. конспект, описание алгоритма в метод.
материалах и материалы кафедральной энциклопедии, блога Н.В.
Чичварина)
6
1.2 Восстановить стего по известному ключу.
1.3 Оценить предельные возможности по объему внедряемого сообщения.
1.4 Провести фильтрацию сэмпла со стегосообщением фильтром с
импульсным откликом
𝑡2
ℎ(𝑡) = exp⁡(− 2 )
𝑎
1.5 Оценить влияние фильтрации изменением a на качество восстановления
стегосообщения при переменном значении параметра a.
Задача 3.3.
1.1 В произвольно выбранном контейнере в виде сэмпла звукового файла
управляемого объема записать произвольно выбранное стего методом
занесения в коэффициенты вейвлет - преобразования
(см. конспект,
описание алгоритма в метод. материалах и материалы кафедральной
энциклопедии, блога Н.В. Чичварина.).
1.2 Оценить предельные возможности по объему внедряемого сообщения.
1.3 Провести фильтрацию сэмпла со стего фильтром с импульсным
откликом
𝑡2
ℎ(𝑡) = exp⁡(− 2 )
𝑎
1.4 Оценить влияние фильтрации изменением a на качество восстановления
стегосообщения.
Задача 3.4 Разработать программу спектрального анализа
звуковых
файлов,
оконного
содержащих
стегосообщения
с
помощью
преобразования Фурье и вейвлет-преобразования. Программу испытать
для проведения стегоанализа заполненных контейнеров. Исходные
данные получить у Чичварина и у коллег, занимающихся стеганографией
в звуковых файлах.
7
Задача 3. 5
Разработать программу скремблирования и восстановления сообщений в
звуковых файлах с помощью спектрального преобразования.
1.1 В произвольно выбранном сигнале в виде сэмпла звукового файла
управляемого объема провести кодирование путем изменения вейвлетспектра сигнала:
- Найти вейвлет - преобразование от скремблируемого сигнала.
- Произвольно «переставить» поддиапазоны спектра в диапазоне 0 – 20000
Гц. Число поддиапазонов – произвольное.
- Найти обратное преобразование вейвлет - преобразование.
1.2 Восстановить закодированное сообщение
по известному ключу
(процедуре «перестановки» поддиапазонов»).
Задача 3. 6
В произвольно выбранном контейнере в виде сэмпла звукового файла
управляемого объема записать произвольно выбранное стего
модифицированным методом фазового кодирования. Модификация
заключается в применении оконного преобразования Фурье.
1.1 Восстановить стего по известному ключу.
1.2Промоделировать процедуру стегоанализа корреляционным методом.
Вычисляется автоковариационная функция для «пустого» контейнера) и
функция взаимной ковариации для «пустого» контейнера и контейнера со
стегосообщением. Для выполнения задания использовать
процедуру
БПФ.
Задача 3.7.
1.1 В произвольно выбранном контейнере в виде сэмпла звукового файла
управляемого объема записать произвольно выбранное стего методом
встраивания в коэффициенты дискретного косинусного преобразования
(ДКП) (см. конспект и материалы кафедральной энциклопедии и блога).
8
Cтадартная процедура ДКП есть в библиотеке MathCAD и описана в
Help MathCAD – e-bookLocal Cosine Transforms (LCT) оконное
преобразование (ОДКП):
lct(a, n, f), ilct(w, n, b, f), cpt(a, n), icpt(w, n, b))
дискретное
косинусное
1.2 Восстановить стего по известному ключу.
1.3 Промоделировать
занесение
шума
в
контейнер,
содержащий
стегосообщение с помощью функции rnorm().
1.4 Промоделировать фильтрацию с помощью полосового фильтра низких
частот (см. материалы семинара).
1.5 Качественно и по спектру оценить влияние шума и фильтрации на
восстановленное стего.
Задача 3.8.
1.1В произвольно выбранном контейнере в виде сэмпла звукового файла
управляемого объема, содержащего речевое сообщение, записать
дргое речевое сообщение методом LSB(см. конспект и материалы
кафедральной энциклопедии, блога Н.В. Чичварина.).
1.2 Восстановить стего по известному ключу.
1.3 Промоделировать фильтрацию с помощью полосового фильтра
низких частот, меняя постоянную времени фильтра (см. материалы
семинара).
1.4 Качественно оценить влияние фильтрации на восстановленное стего.
Задача 3.9.
1.1В произвольно выбранном контейнере в виде сэмпла звукового файла
управляемого объема записать произвольно выбранное стего методом
втраивания
данных
в
коэффициенты
дискретного
косинусного
преобразования (см. конспект и материалы кафедральной энциклопедии).
Cтадартная процедура ДКП есть в библиотеке MathCAD и описана в Help
MathCAD – e-book9
Local Cosine Transforms (LCT) оконное дискретное косинусное
преобразование (ОДКП):
lct(a, n, f), ilct(w, n, b, f), cpt(a, n), icpt(w, n, b))
1.2 Качественно и по спектру оценить влияние растущего объема стего на
качество сокрытия стего.
Задача 3.10.
1.1 В произвольно выбранном контейнере в виде сэмпла звукового файла
управляемого объема записать произвольно выбранное стего методом
«Рatchwork» («заплаток»). (см. конспект и материалы кафедральной
энциклопедии)
1.2 Оценить предельные возможности по объему внедряемого сообщения.
1.3 Провести фильтрацию сэмпла со стего фильтром с импульсным
откликом
1.4
Оценить
влияние
𝑡2
ℎ(𝑡) = exp⁡(− 2 )
𝑎
фильтрации изменением
a
на
качество
восстановления стегосообщения.
Тема 4 Стегозапись и стегоанализ содержащих изображения при
реализации
метода Куттера. Для всех задач в качестве стего
использовать проектную документацию (принципиальная схема, чертеж
и.т.п.)
Задача 4.1
1.1 В произвольно выбранном контейнере в виде файла с изображением
записать произвольно выбранное стего методом Куттера. (см. конспект и
материалы кафедральной энциклопедии, блога Н.В. Чичварина)
1.2
Промоделировать
пространственным
exp⁡{−
𝑥 2 +𝑦 2
𝑟2
дефокусировку
фильтром
с
импульсным
путем
окликом
фильтрации
ℎ(𝑥, 𝑦) =
}
1.3 Качественно оценить влияние дкфокусировки при различных
значениях r на восстановленное стего.
10
1.4
Оценить предельное соотношение объемов контейнера и стего
визуально и по спектру пространственных частот.
Задача 4.2
1.1В произвольно выбранном контейнере в виде
файла управляемого
объема записать произвольно выбранное стего методом Куттера. (см.
конспект и материалы кафедральной энциклопедии)
1.2 Восстановить стего по известному ключу.
1.3Отфильтровать «загруженный» контейнер с помощью фильтра с
гауссовским импульсным откликом
1.4Восстановить стего по известному ключу.
1.5 Оценить предельно возможное соотношение объемов контейнера и
стего.
1.6 Провести стегоанализ с применением гистограмм.
Задача 5.1.
1.1 В произвольно выбранном контейнере в виде сэмпла звукового файла
управляемого объема записать произвольно выбранное стего методом
широкополосного кодирования. (см. конспект и материалы кафедральной
энциклопедии)
1.2 Оценить предельные возможности метода по соотношению объемов
контейнера и стего.
1.3 Провести сопоставительный анализ частотно-временных вейвлет спектров «пустого» контейнера и стегосообщения путем отображения на
графиках спектров. Использовать материалы семинара, на котором
рассматривались вейвлеты Дебеши.
11
Задача 5.2.
1.1В произвольно выбранном контейнере в виде сэмпла звукового файла
управляемого объема записать произвольно выбранное стего методом
Patchwork («заплаток»). (см. конспект и материалы кафедральной
энциклопедии)
1.2 Провести сопоставительный анализ частотно-временных Фурье спектров «пустого» контейнера и стегосообщения путем отображения на
графиках спектров.
1.3 Оценить предельные возможности метода по соотношению объемов
контейнера и стего.
Задача 5.3.
1.1 В произвольно выбранном контейнере в виде сэмпла звукового файла
управляемого объема записать произвольно выбранное стего методом
замены шума (см. конспект, материалы кафедральной энциклопедии и блога
Н.В.Чичварина)
1.2 Промоделировать процедуру стегоанализа спектральным методом.
Вычисляется спектр временных частот для «пустого» контейнера и
контейнера со стегосообщением. Для выполнения задания использовать
процедуру БПФ.
1.3 Оценить предельные возможности метода по соотношению объемов
контейнера и стего.
1.4 Оценить предельные возможности метода по соотношению объемов
контейнера и стего.
Задача 5. 4
Разработать программу спектрального анализа аудиофайлов с помощью
вейвлет-преобразования.
1.1Сформировать сэмпл аудиофайла управляемого объема.
12
1.2 Внести «помеху» с помощью функций rnd(.) и rnorm
1.3Определить вейвлет-спектры исходного и «зашумленных» сигналов.
1.4 Промоделировать процедуру сопоставительного «визуального» вейвлетанализа
с
использованием
вейвлетов
Дебеши
(См.
материалы
соответствующего семинара) Для «визуализации» применить график
«Countur plot»
Тема 6. Решение задач обнаружения и распознавания
Задача 6.1 Определение координат уникального объекта в произвольном
изображении (можно в простом «самодельном»). В изображении, в котором
априори присутсвует искомый объект, определить его положение.
Например, на фотографии друзей обнаружить себя.
Задача 6.2 Решить задачу обнаружения объекта в расфокусированном
изображении по исходным данным задачи 6.1.
Рекомендации: Советую разобраться с Help, e-book:
- с библиотекой MathCad для обработки сигналов;
- с библиотекой Waivelets.
В Mathcad версии 2001 существует возможность записывать и считывать
амплитуду акустических сигналов, записанных в звуковые файлы с
расширением .wav:
READWAV ("file") — чтение звукового файла в матрицу;
WRITEWAV ("file", s, b) — запись данных в звуковой файл;
GETWAVINFO ("file") — создает вектор из четырех элементов с
информацией о звуковом файле;
file — путь к файлу;
s — скорость следования сэмплов, задаваемых матрицей;
b — разрешение звука в битах.
13
Использование этих встроенных функций позволяет организовать обработку
звука.
14