СТЕГАНОГРАФИЧЕСКОЕ ШИФРОВАНИЕ ТЕКСТОВОЙ ИНФОРМАЦИИ В РАСТРОВОМ ИЗОБРАЖЕНИИ МЕТОДОМ LSB

Защита информации всегда имела большую ценность и значимость в любой области научных и прикладных знаний. Для обеспечения трёх ее главных составляющих, – доступность, целостность и конфиденциальность информации, – в основном используются криптографические методы, с помощью которых, используя секретные алгоритмы или ключи, открытый текст преобразуется в некий зашифрованный текст (как правило, стойкий к атакам), дешифровать который крайне сложно за полиномиальное время. Тем не менее, в алгоритме может произойти ошибка или сбой, и злоумышленник сможет получить доступ к информации, представляющей тайные сведения. Для предотвращения этого криптографические методы защиты информации дополняют стеганографическими методами: пользователи отправляют друг другу безобидные изображения, аудио и видео файлы, не привлекающие особого внимания злоумышленников, однако в действительности эти файлы являются лишь контейнерами для зашифрованной информации. Среди стеганографических методов наиболее распространенной является группа цифровых методов стеганографии. Она включает в себя совокупность методов и алгоритмов, позволяющих внедрить информацию в цифровые объекты, вызывая при этом незначительные искажения этих объектов, которые находятся ниже порога чувствительности зрения среднестатистического человека [1].

Данная работа посвящена изучению особенностей цифрового метода стеганографии LSB на примере растрового изображения карты.

Суть метода LSB (англ., Least Significant Bit – наименьший значащий бит) заключается в замене последних значащих битов в контейнере (изображения, аудио или видеозаписи) на биты скрываемого сообщения.

Рассмотрим принцип работы метода LSB на примере 24-битного растрового RGB-изображения. Одна точка изображения в этом формате кодируется тремя байтами, каждый из которых отвечает за интенсивность одного из трех составляющих цветов – рисунок 1:

Рисунок 1. Представление цвета пикселя в 24-битном bmp-изображении

В результате аддитивного смешения цветов из красного (R), зеленого (G) и синего (B) каналов пиксель получает нужный оттенок. Чтобы нагляднее увидеть принцип действия метода LSB, распишем на примере каждый из трех байтов в битовом виде:

18. – 22 → 00010110
7. – 49 → 00110001
2. – 177 → 10110001

Младшие разряды (справа) в меньшей степени влияют на итоговое изображение, чем старшие. Из этого можно сделать вывод, что замена одного или двух младших, наименее значащих битов, на другие произвольные биты настолько незначительно исказит оттенок пикселя, что изменение цвета будет незаметным для зрительного аппарата человека. При замене двух младших битов, мы можем скрыть 6 бит сообщения в данной точке.

Допустим, мы хотим зашифровать следующее сообщение: 111000. Тогда каждый из трех байтов в битовом виде представится (Рисунок 2):

18. – 00010111 → 23
7. – 00110010 → 50
2. – 10110000 → 176

Рисунок 2. Цвет пикселя с внедренными данными

В результате мы получим новый оттенок, очень похожий на исходный. Эти цвета трудно различить даже на большой по площади заливке.  Как показывает практика, замена двух младших битов не воспринимается человеческим глазом (Рисунок 3а). В случае необходимости можно занять и три разряда, что также весьма незначительно скажется на качестве картинки (Рисунок 3б).  Однако при замене четырех бит цвет меняется весьма ощутимо, что будет заметно на большой площади заливки (Рисунок 3в).

Рисунок 3. Слева – оригинальный цвет, справа – цвет после модификации

Для подтверждения работы описанного метода и исследования его надежности на языке программирования Delphi [2, 3] была разработана программа и интерфейс к ней (Рисунок 4), позволяющая внедрить текстовое сообщение в контейнер формата BMP (цифровое растровое изображение фрагмента карты). Опишем этапы ее работы.

Рисунок 4. Интерфейс программы LSB шифрование

Загружаем контейнер формата BMP и вводим текст, который необходимо внедрить – рисунок 5:

Рисунок 5. Исходное растровое изображение и внедряемый текст

После нажатия кнопки «Зашифровать» получаем новый контейнер, содержащий наш текст – рисунок 6:

Рисунок 6. Результат работы программы

Основной характеристикой стеганографических алгоритмов шифрования является надежность. Для алгоритмов LSB надежность может быть улучшена тремя основными способами:

- восстановление статистических характеристик исходного изображения;

- минимизация вносимого искажения;

- сокрытие информации в зашумленных областях изображения.

Рассмотрим подробнее исходное и полученное изображения.

Рисунок 7. Исходное растровое изображение (фрагмент карты)

Рисунок 8. Изображение, полученное после шифрования

Как мы видим (рисунок 6), пустой контейнер и контейнер с сообщением визуально неотличимы для человеческого глаза.

Для усиления этого метода можно менять только последние биты контейнера (что скажется на его вместительности) и не использовать изображения с большими областями ярких цветов. Так, при использовании в качестве контейнера этого же зашумленного изображения, смоделированного в среде Photoshop (Рисунок 9) зашифрованное сообщение невозможно будет увидеть не только визуально, но и при помощи просмотра побитового среза полученного изображения.

Рисунок 9. Зашумленное изображение, после шифрования

Заключение

В данной статье рассмотрены и исследованы особенности алгоритма стеганографии, основанного на методе LSB применительно к растровым изображениям фрагмента карты. Для этой цели разработана программа на языке программирования Delphi, позволяющая внедрить текстовое сообщение в контейнер формата BMP (цифровое растровое изображение фрагмента карты). В перспективе разработанное приложение будет дополнено функцией проведения компьютерного моделирования надежности работы данного алгоритма.

Список литературы:

1. Грибунин В.Г., Оков И.Н., Туринцев И.В. Цифровая стеганография – М.: Юрайт, 2002. – 265 с.
2. Емельянов В.И., Воробьев В.И., Тюрина Т.П. Основы программирования на Delphi: под ред. В.М. Черненького. – М.: Высшая школа, 2005. – 231 с.
3. Ревич Ю.В. Нестандартные приемы программирования на Delphi– СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 560 с.