Введение к работе
Актуальность исследования. Современные социально-экономические условия в России характеризуются общим ростом и ухудшением качественных характеристик преступности, возникновением и развитием новых форм преступных проявлений, оснащением криминальных структур современными техническими средствами, как разведывательного характера, так и предназначенных для проведения информационных атак и психологических воздействий в каналах информационного обмена.
Сегодня можно констатировать, что проблема контроля и управления потоками информации применительно к правоохранительным структурам переходит на качественно новый уровень. Такое понятие как "информационная война", применявшееся ранее в военном деле, в настоящее время наполняется новым смыслом и становится привычным явлением, как в столкновении противоборствующих политических сил, так и в противостоянии правоохранительных органов и преступного мира, которое теперь можно определить как информационное противодействие в правоохранительной сфере.
Основные понятия и направления информационного противоборства на государственном уровне были заложены в работах Лазарева И.А., Рассторгуе-ва С.П., Черешкина Д.С. и других.
В то же время рассмотрению ведомственных аспектов информационного противоборства, и, прежде всего, в сфере борьбы с организованной преступностью как наиболее подготовленным ядром преступного мира, внимание исследователей практически не уделялось.
Как отмечается в работах Каретникова М.К., Овчинского А.С., Овчинского B.C., Овчинского С.С, Фомина А.В. и других, сегодня информационное противоборство в правоохранительной сфере характеризуется небывалым размахом и особой непримиримостью. Для достижения своих корыстных целей извлечения максимальной прибыли из противозаконной деятельности, организованные преступные сообщества применяют любые способы и уловки, в том числе используют информационные технологии для проведения разведывательных мероприятий, нанесения информационных атак, проведения информационно-психологических воздействий и защиты своей информационной инфраструктуры от действий правоохранительных органов.
Поэтому следует говорить о создании системы комплексного информационного противодействия организованной преступности, насыщению ее новыми формами и способами ведения информационной войны на основе современных мультимедийных технологий через добывание, анализ, обработку, использование и защиту оперативной информации и ее наиболее значимой - акустической составляющей.
В этой связи, краеугольным камнем создания и функционирования подобной системы могут стать основополагающие результаты в области информационной безопасности и защиты информации таких известных ученых как Абалмазов А. Э., Герасименко В.А, Кузьмин А.С, Минаев В.А., Петраков А.В., Саблин В.Н., Скрыль СВ., Хорев А.А., Ярочкин В.И. и других.
Сегодня с уверенностью можно утверждать, что в оперативно-розыскной деятельности (ОРД) правоохранительных органов и специальных служб информация, получаемая с помощью новых информационных технологий, играет все более решающую роль, а способ передачи и фиксации оперативных информационных сообщений в виде устной речи, и ее цифрового представления -оперативных аудиоданных является одним из самых распространенных.
В настоящее время на рынке специальной техники присутствует широ-кнй опоктр.рачнообрпдных устройств несанкционированного съема аудиоин-
формации и блокировки каналов ее утечки, отличающихся как своим исполнением (автономные устройства или программно-аппаратные средства), так и используемыми методами обработки аудиосигналов, принимаемых или передаваемых в каналы связи. Понятно, что все эти устройства тем или иным путем могут оказаться в руках у преступных элементов.
Применяемая в настоящее время в правоохранительных органах аппаратура добывания (разведывания), защиты, анализа и обработки акустических (речевых) сигналов в силу своей ограниченности по областям применения, типам каналов связи, эффективности использования, уровню стойкости, стыковке с другим оборудованием, стоимости и т.п. обладает весьма ограниченными возможностями для решения все возрастающего объема задач в области обеспечения безопасности аудиоинформации, и, в связи с этим, находит пока в оперативно-служебной деятельности правоохранительных органов весьма незначительное применение.
В настоящее время автоматизированные речевые информационные технологии еще не развиты настолько хорошо, чтобы их можно было широко внедрять во все виды практической деятельности правоохранительных органов и специальных служб. Исключением являются криминалистическая фоноскопия, компьютерная телефония (открытая и закрытая) и, отчасти, оперативно-технические мероприятия, в ходе которых производится звукозапись и регистрация на стационарных, хорошо оборудованных пунктах аудиоконтроля.
Следует заметить, что оперативные аудиоданные, как правило, не используются в качестве вещественных доказательств, а служат промежуточным рабочим материалом в ходе оперативно-розыскных мероприятий для предотвращения готовящихся преступлений, разобщения и ликвидации преступных сообществ, получения новых данных о преступной деятельности, которые в дальнейшем могут использоваться как доказательная база. Для протоколирования оперативной информации в ходе переговоров, встреч, совещаний, а также во время розыскных, контролирующих и других действий применяются различные общедоступные и скрытые средства звукозаписи. В ряде случаев низкое качество полученной звукозаписи (фонограммы) создает определенные трудности при понимании и осмыслении полученной информации. Причины этого заключаются как в неудачном или неумелом выборе и использовании технических средств, так и в объективной трудности, выражающейся в невозможности получения высококачественной, «чистой» записи звука в некоторых конкретных обстоятельствах в условиях информационно-технического противодействия. В добавление к этому необходимо обеспечивать безопасность, а зачастую и бескомпроматность, речевой связи в общедоступных каналах телекоммуникаций с оперативными работниками находящимися в местах чрезвычайных ситуаций и с агентурой в криминальной среде.
В этом состоит существенное отличие оперативных аудиоданных от криминалистических фонограмм, к качеству записи и обработке которых предъявляются очень жесткие требования. Вот почему научный потенциал проведения фоноскопических экспертиз, существенный вклад в который внесли Атал Б., Женило В.Р., Зеленый А.И., Поспелов Б.В., Потапова Р.К., Рабинер Л., Рами-швили Г.С, Сердюков В.Д., Сорокин.В.Н., Фант Г., Чудновский Л.С. и другие лишь отчасти может быть применим для защиты и обработки оперативных аудиоданных, получаемых в условиях информационно-техническом противодействия в правоохранительной сфере.
Оценивая реальные возможности автоматической обработки устной речи в большинстве правоохранительных структур, можно утверждать, что в настоящее время реально разрешим лишь очень небольшой круг задач, состав-
ляющих проблему обеспечения безопасности оперативных аудиоданных в условиях информационного противодействия, несмотря на всю актуальность данной проблемы.
В условиях ограниченных финансовых и кадровых ресурсов, которыми располагают сегодня правоохранительные органы, становится крайне необходимой разработка технологически гибкого инструментария, позволяющего на основе известных, стандартных технических средств компьютерной телефонии, мультимедийных технологий и новых методов цифровой обработки акустических сигналов и речи обеспечивать, с одной стороны, высокую защищенность акустической составляющей оперативной информации, используемой в процессе оперативно-розыскной деятельности (ОРД) правоохранительных органов, а с другой-анализировать, обрабатывать, распознавать, восстанавливать и в конечном итоге использовать оперативные аудиоданные, полученные в условиях информационно-технического противодействия со стороны организованных преступных групп (ОПГ), для предотвращения, раскрытия и расследования преступлений.
Таким образом, цепью диссертационной работы является увеличение объема и повышение качества извлекаемой полезной информации из оперативных аудиоданных, создание условий для их надежной защиты в процессе передачи, приема и хранения на базе теоретического обоснования, математической и программно-алгоритмической реализации комплекса технологий обеспечения безопасности оперативных аудиоматериалов, получаемых и используемых в ходе оперативно-розыскной деятельности в условиях информационно-технического противодействия.
Научная проблема, решенная в диссертации, состоит в разработке теоретических основ и практической реализации средств и методов обеспечения безопасности оперативных аудиоданных на основе новых компьютерных технологий анализа-синтеза и обработки нетрадиционных параметрических описаний акустического (речевого) сигнала.
Решение проблемы позволило увеличить объем и повысить качество извлекаемой полезной информации из преднамеренно и непреднамеренно искаженных аудиосигналов и речи, оценивать реальную эффективность технических средств защиты речевых сообщений, создавать стойкие и надежные технологии технического закрытия и маскирования акустических и речевых сигналов, расширить области применения компьютерных технологий безопасности, ставить и решать новые задачи, постановка и решение которых ранее не были возможными.
В настоящее время реализовать такую гибкость в специализированных компьютерных системах можно только с помощью: во-первых, новых методов цифровой обработки и анализа-синтеза звуковых и речевых сигналов (PC) на основе образного анализа изображений их динамических спектрограмм и новых нетрадиционных моделей процессов речеобразования и слухового восприятия; во-вторых, мультимедийных технических средств в составе персонального компьютера, звуковой карты, модема или устройства стыка компьютера с телефонной линией или каналом связи; и, в-третьих, с помощью применения сертифицированных программных средств криптографической защиты потоков данных, представляющих речь или ее параметры.
Несмотря на то, что разработка и совершенствование методологии защиты информации является чрезвычайно актуальной проблемой, специальные исследования по созданию и применению компьютерных технологий безопасности оперативных аудиоданных (БОА) носят достаточно ограниченный характер, а сколь либо целостная теория пока отсутствует.
Изложенное дает основание утверждать, что данная научная проблема является чрезвычайно актуальной, а связанные с этим направлением вопросы создания и функционирования компьютерных технологий безопасности оперативных аудиоданных нуждаются в проработке как в методическом, так и в прикладном аспектах.
Для достижения цели исследования и решения научной проблемы были поставлены и решены следующие научные задачи:
-
Проведение анализа состояния проблемы обеспечения безопасности оперативных аудиоданных с учетом оперативно-технических особенностей применения специализированных компьютерных систем аудио обработки в деятельности правоохранительных органов и специальных служб.
-
Теоретическое обоснование созданию и применению компьютерных технологий образного анализа оперативных аудиоданных.
-
Создание системы моделей аналитического описания акустического (речевого) сигнала при его образном компьютерном представлении.
-
Выбор алгоритмической основы процессов функционирования специализированных компьютерных систем аудиообработки.
-
Построение комплекса базовых элементов специализированных компьютерных систем образного анализа, защиты и обработки оперативных аудиоданных.
-
Теоретическое обоснование использование методов цифровой обработки изображений графических образов аудиосигналов и речи, с последующим переходом от графического, образного к волновому представлению аудиосигналов на временной оси.
-
Разработка критериев оценки качества синтеза аудиосигналов по изображениям их графических образов, заключающихся в сравнении волновых форм и субъективной оценки звучания восстановленного аудиосигнала по отношению к исходному, после различных видов его обработки.
-
Компьютерная реализация, экспериментальные исследования и оценка разработанных методов анализа-синтеза, защиты и обработки оперативных аудиоданных на основе их параметрического описания в виде суммы узкополосных сигналов.
-
Создание технологии проектирования специализированных компьютерных систем обеспечения безопасности оперативных аудиоданных и оценка перспективных направлений их применения.
Объект исследования - технология обеспечения безопасности оперативных аудиоданных в процессе передачи, фиксации, обработки и анализа аудиосигналов и речи, а также их параметрическое представление.
Предмет исследования - модели, методы и средства анализа-синтеза и обработки оперативных аудиоданных в целях обеспечения их защиты в условиях информационно-технического противодействия.
Методология и методы исследования. Методология исследования основана на теории функционального анализа, теории статистической радиотехники, теории образного анализа экспериментальных данных, акустической теории речеобразования, теории восстановления сигналов и изображений, теории связи и информации и теории вероятностей.
Для решения поставленных задач использовались методы защиты информации и информационной безопасности, методы системного анализа, методы функционального анализа и линейной алгебры, матричный анализ, методы оптимизации, математические методы цифровой обработки и анализа сигналов и изображений, элементы нелинейного и системного программирования, численные методы оптимизации и эксперименты.
Обоснованность и достоверность результатов:
обеспечиваются корректным применением апробированного математического аппарата при решении поставленных задач,
подтверждаются совпадением полученных результатов с известными (в некоторых предельных случаях), экспериментальной проверкой эффективности разработанных методов анализа-синтеза, защиты и обработки акустических сигналов и речи с использованием цифрового моделирования данных процессов на ПЭВМ, реальных акустического и телефонного каналов связи, а также аудиокассет с предварительно записанными на них аудио образцами.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Теоретические положения образного анализа аудиоданных и цифровой обработки изображений их графических образов применительно к решению задач обеспечения безопасности речевой связи на основе компьютерных технологий.
-
Система моделей параметрического описания акустического (речевого) сигнала, представляемого на коротких временных интервалах анализа-синтеза в виде суммы конечного числа узкополосных звуков - следов фонообъектов;
-
Комплекс базовых элементов и алгоритмическая реализация процессов функционирования специализированных компьютерных систем обеспечения безопасности оперативных аудиоданных на основе дискретного динамического спектрального анализа с возможностью смены ортогональных базисов, а также с сохранением или искажением фазовых спектральных характеристик, позволяющая моделировать и анализировать широкий класс аудио и речепреобра-зующих устройств (РПУ).
-
Методы выявления, изменения, восстановления и реконструкции следов фонообъектов - параметрических описаний акустического (речевого) сигнала, представленного в виде суперпозиции узкополосных процессов на частотно-временных матрицах динамических спектральных состояний (МДСС) звукового сигнала, в том числе и на изображениях динамических амплитудных и фазовых спектрограмм. На основе данных методов была разработана методическая основа решения проблемы и практических задач безопасности оперативных аудиоданных правоохранительных органов в процессе информационно-технического противодействия.
-
Обобщенный критерий оценки качества звучания акустических сигналов (АС) и речи, синтезированных по изображениям их графических образов, заключающийся в нахождении и оценке расхождений параметров узкополосных сигналов, составляющих исходный и восстановленный после обработки аудиосигналы.
-
Способ построения специальных программно-аппаратных средств зву-ко- и речепреобразования на основе стандартной вычислительной техники, известных средств мультимедиа и компьютерной телефонии, сочетающий идею перевода звукового сигнала в вид графических образов (изображений соно-грамм и фазограмм) и обратно из изображения в аудиосигнал или речь без потери информативности и/или разборчивости с возможностями известных и перспективных методов цифровой обработки изображений;
-
Методика проектирования специализированных систем обеспечения безопасности оперативных аудиоданных, компьютерная реализация их базовых элементов и результаты экспериментальных исследований.
-
Компьютерные технологии обеспечения безопасности речевой связи (ОБРС) на основе разработанных быстрых алгоритмов вычислений динамических дискретных частотно-временных преобразований аудиосигналов, выявления и реконструкции, входящих в их состав следов фонообъектов
9. Рекомендации по практической реализации синтезированных алгорит
мов в виде примеров решения наиболее часто встречающихся в практике пра
воохранительных структур задач обеспечения безопасности оперативных ау
диоданных.
10. Рекомендации по оценке эффективности и выбору надежных и стойких
технических средств защиты речевой информации, имеющихся на открытом
рынке спецтехники для использования в оперативно-розыскной деятельности
правоохранительных органов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложен принципиально новый подход к обработке акустического (речевого) сообщения путем преобразования его из первичной сигнальной формы в форму графических образов и обратно с возможностью использования для обработки звуков разработанных и перспективных методов цифровой обработки изображений.
-
Впервые предложена система моделей параметрического описания акустического (речевого) сигнала как суперпозиции узкополосных сигналов (элементарных фонообъектов) его составляющих, приемлемая для решения задач обеспечения безопасности речевой связи на основе использования компьютерных технологий.
-
Разработан обобщенный критерий оценки качества звучания акустического (речевого) сигнала, восстановленного после различных видов обработки, по отношению к звучанию исходного (открытого) PC, заключающийся в нахождении и оценке расхождений параметров узкополосных сигналов (следов фонообъектов), составляющих исходный и восстановленный аудио сигналы.
-
Экспериментально подтверждена связь частотно-временных преобразований над следами фонообъектов с процедурами цифрового динамического спектрального анализа, а также показаны особенности решения задач, связанных с выделением, изменением и реконструкцией следов фонообъектов на изображениях динамических амплитудных и фазовых спектрограмм.
-
Разработаны методы синтеза аудиосигналов с заданными частотно-временными свойствами по параметрам (следам) их составляющих фонообъектов на изображениях динамических спектрограмм, не вызывающие интерференционных помех в каналах связи.
-
Разработаны методы выявления, изменения и реконструкции следов фонообъектов на частотно-временных матрицах динамических спектральных состояний (МДСС) звукового сигнала, в том числе и на изображениях динамических амплитудных и фазовых спектрограмм, с последующим синтезом и переходом во временную область.
-
Экспериментально подтверждена взаимосвязь между амплитудными и фазовыми спектральными характеристиками аудиосигналов, позволяющая на основе предложенных моделей параметрического описания акустического (речевого) сигналов синтезировать звуки с заданными частотно-временными характеристиками.
Практическая значимость исследования. Полученные в ходе исследований теоретические и экспериментальные результаты позволяют существенно расширить возможности цифровой обработки звука и речи через обработку их графических образов и при использованием описания аудиосигнала в виде суммы элементарных узкополосных процессов, по сравнению с традиционными методами цифрового спектрального анализа, что подтверждается приведенными в диссертации примерами решения задач из области обработки аудиосигналов и изображений их динамических спекторограмм, управления спектральными характеристиками следов фонообъектов и др.
Разработанные методы и алгоритмы позволяют решить широкий круг практических вопросов проектирования и создания компьютерных технологий безопасности речевой связи на основе стандартной вычислительной техники. Это дает возможность правоохранительным органам совершенствовать имеющиеся и разрабатывать собственные новые технологии безопасности речевой связи, проведения информационных атак и тактических информационно-психологических воздействий, независимо от открытых производителей аналогичной техники и, тем самым, получать и использовать преимущества в практических и информационных возможностях данных технологий.
В настоящее время разрабатываемые компьютерные технологии обеспечения безопасности оперативных аудиоданных на основе выявления и реконструкции следов фонообъектов находят свое применение в обработке звуковых и речевых сигналов, зафиксированных на магнитной ленте или в виде цифровых данных в компьютере в ходе проведения оперативно-следственных мероприятий при решении следующих наиболее значимых задач:
оценки эффективности технических средств защиты речевых сообщений, используемых как правоохранительными органами, так и организованными преступными группами;
установления текста высказываний и повышения разборчивости речи, искаженных шумами и помехами, а также в постановке высокоэффективных аку-стозаграждающих помех для защиты выделенных помещений;
технического закрытия служебных телефонных переговоров субъектов правоохранительных органов на базе общедоступной вычислительной техники без синхронизации процессов закрытия-восстановления с использованием сертифицированных криптографических алгоритмов;
в исследования признаков подлинности (монтажа) фонограмм при решении оперативных задач или в ходе следственных действий;
сжатия - восстановления речевых сообщений с адаптацией к пропускной способности канала связи, предназначенных для использования в аппаратуре технического закрытия речевой связи и акустических закладках нового поколения с увеличенным объемом записи.
Это нашло свое отражение в полученных актах внедрения результатов диссертационной работы в практику правоохранительных органов.
Некоторые технологии аудиообработки, реализованные в виде специального программного обеспечения в составе мультимедийных компьютерных комплексов, используются при проведении лекционных, практических и лабораторных занятий со слушателями и студентами ВУЗов в ходе освоения ими таких учебных дисциплин как "Основы защиты информации", "Информационная безопасность" и т.п.
Реализация и внедрение результатов исследования. Основные теоретические исследования выполнялись в научной лаборатории Центрального научно-исследовательского института радиоэлектронных систем (ЦНИИРЭС). Ряд теоретических и практических результатов был получен в ходе выполнения плана НИР на кафедре информационной безопасности Московского Института МВД РФ в 1999-2000 гг. в соответствии с "Концепцией развития системы информационного обеспечения ОВД в борьбе с преступностью", утвержденной Приказом Министра внутренних дел от 12 мая 1993 г.
Кроме того, некоторые результаты настоящего диссертационного исследования использовались в ходе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполнявшихся в течение 1983-2000 гг. в управлениях, институтах и частях МО и МВД РФ. Так отдельные теоретические результаты нашли свое практическое воплощение при разработке и применении специали-
зированных компьютерных систем нелинейного аудиовидеомонтажа в интересах ГУБОП МВД РФ.
Внедрение результатов диссертационной работы в практическую деятельность и учебный процесс подтверждается соответствующими актами из Главного управления по борьбе с организованной преступностью и коррупцией (ГУБОП) МВД РФ, Управления по борьбе с преступностью в сфере высоких технологий (УБПСВТ) МВД России, Технического управления (ТУ) МВД РФ, АО "ЦНИИРЭС", Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ), Воронежского и Московского институтов МВД России и других организаций.
Результаты работы в виде моделей, алгоритмов, специальных программных и программно-аппаратных средств также могут найти свое применение при производстве изделий спецтехники в ГУ НПО "СпецТехника и Связь", в практической деятельности ГУБОП, ГУОТМ, УБПСВТ, ОПУ и УБНОН МВД России, а также в оперативно-технических подразделениях других российских правоохранительных структур.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на:
Военно-научных и научно-практических конференциях ЦНИИ 18 МО РФ в/ч 45807-Р (Москва, 1987, 1991-1995, 2000 гг.);
Международной конференции "Информатизация правоохранительных систем" (Москва, Академия управления МВД России, 1996-1997 гг.);
Международной конференции и дискуссионном научном клубе IP+NN',97 "Нейросетевые технологии обработки информации" (Украина, Крым, Гурзуф, 1997);
25 юбилейной международной конференции и дискуссионном научном клубе IT+CE',98 - «Новые информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникациях и бизнесе» (Украина, Крым, Гурзуф, 1998 г.);
Международной конференции "IEEE ComSoc Digital Signal Processing And Its Applications - Цифровая обработка сигналов и ее применения" (Москва, IEEE ComSoc, 1998 гг.);
Международной конференции "Обработка информации в компьютерных системах" (Москва, МТУСИ. 1997, 1998, 1999, 2000 гг);
Всероссийской научно-методической конференции "Актуальные вопросы подготовки специалистов в области защиты информации" (Москва, МИФИ, 1998г.);
Научно-практическом совещании-семинаре сотрудников оперативно-технических подразделений ГУБОП МВД России (Москва, ГУБОП МВД РФ, 2000г.);
Международной конференции "Информационная безопасность компьютеризированных систем" (Москва, Гротек, 2000 г.);
Международной научно-практической конференции "Россия, XXI век - антитеррор" (Москва, МВД РФ, 2000 г.).
Публикации. Общее количество авторских публикаций в области информационной безопасности - 68. Основные положения диссертации опубликованы в 56 научных работах. В их числе - авторское свидетельство на изобретение, монография, учебник, учебное пособие, 16 статей и докладов в специализированных печатных изданиях и тезисы докладов на конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, изложенных на 387 страницах машинописного текста. Работа содержит 64 рисунка и 13 таблиц. В библиографию включено 196 наименований источников.
