Неформатные методы сокрытия в JPEG
Методы сокрытия информации
Стеганография представляет собой науку о методах сокрытия информации в сигналах-контейнерах без нарушения их естественности. Наиболее распространенными типами контейнеров на данный момент являются изображения, представленные в цифровой форме, а также видеопоследовательности. Это объясняется тем, что подобные контейнеры уже по технологии получения имеют шумовую составляющую, которая маскирует встраиваемое сообщение.
Довольно большой процент современных стеганографических систем использует в качестве контейнеров растровые графические изображения различных форматов. Ясно, что наилучший контейнер это тот, передача которого является типичным событием и не вызывает подозрений. Поэтому при выборе формата графических изображений, используемых в качестве контейнера не достаточно требовать только то, чтобы этот формат позволял произвести разработку стойкой к атакам стеганографической системы. Необходимо еще, чтобы он был достаточно распространен и использовался широко на практике. Самое широкое распространение в последнее время получил формат JPEG. Практически все современные цифровые фотоаппараты и видеокамеры сохраняют изображения в этом формате, большинство фотографических изображений опубликованы именно в нем в сети Интернет. Но он довольно сложен для понимания, поэтому мы рассмотрим основные методы сокрытия данных с контейнерами, не только в формате JPEG, но и в значительно более простом формате Windows BMP. Конечно же есть и другие широко распространенные графические форматы, такие как GIF, PNG, TIFF, TGA, и т.д., но их рассмотрение выходит за рамки данного учебного пособия.
|
|
|
Вообще говоря, с точки зрения разработки стеганографических систем важны следующие особенности современных графических форматов:
- наличие в формате сжатия данных,
- наличие в формате сжатия данных с потерями,
- использование в формате палитры цветов.
В том случае, когда формат хранения растровых изображений использует сжатие данных, значительно возрастает сложность разработки стеганографической системы, так как, во-первых, увеличивается сложность анализа формата, а во-вторых, вносимые стеганографической системой в данные изображения изменения приводят к нежелательному ухудшению эффективности сжатия. В случае, когда формат графических изображений использует сжатие с потерями информации, классические методы сокрытия в графических изображениях становятся малоэффективными, так как при потерях информации происходит уничтожение сокрытой информации (в силу малой амплитуды сокрытого сигнала). Поэтому в данном случае необходимо проводить детальный анализ направленный на поиск этапа сжатия, пригодного для сокрытия. После чего необходима адаптация классических методов сокрытия или разработка новых. Использование в формате хранения графических изображений палитры цветов, также затрудняет применение классических методов сокрытия. К примеру, в данном случае применим метод сокрытия в младших битах. Но не в младших битах данных графического изображения, которые в данном случае являются ссылками на элементы палитры (а следовательно, для сокрытия в младшие биты необходимо, чтобы элементы палитры, отличающиеся лишь младшим битом были близки по интенсивностям цветовых составляющих, что выполнено далеко не всегда), а в младших битах элементов самой палитры, размер которой не превышает 256 цветов. Конечно же, данные особенности графических форматов важны лишь в случае разработки неформатных методов сокрытия, так как в случае разработки форматных методов основной информацией, необходимой для разработки, является непосредственно сам формат.
|
|
|
Другим типом контейнеров, являются аудио-сигналы. Этому типу контейнеров в данное время уделяется гораздо меньшее внимание. По видимому данный факт объясняется как сложностью обработки, так и более низким, по сравнению с изображениями, коэффициентом использования контейнера. В то же время в некоторых ситуациях данный тип контейнера является единственно возможным. Кроме того, из-за слабой распространенности и отсутствия наработок по обнаружению вложений этот контейнер может использоваться в случаях требующих повышенной скрытности передачи небольших сообщений.
|
|
|
Привлекательность использования аудио сигнала в роли контейнера подтверждается так же все увеличивающимся числом публикаций, посвященных этой теме.
Неформатные методы сокрытия в JPEG
В результате детального анализа алгоритма сжатия с потерями JPEG, режимов его работы и промежуточных этапов (таких, как преобразование изображения в оптимальное цветовое пространство, субдискретизация, дискретное косинусное преобразование, квантование и кодирование) были разработаны методы, позволяющие производить неформатное сокрытие данных в файлы, форматы которых построены в соответствии со спецификацией JPEG.
Метод сокрытия в исходных данных изображения. Стандарт JPEG позволяет производить сжатие изображений без потерь (режим Lossless JPEG), этот режим существенно отличается от режима с потерями, основанного на базе квантования DCT коэффициентов. Lossless JPEG представляет собой кодирование с предсказанием (использующего схему двумерной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции - ДИКМ), когда значение каждого пикселя объединяется со значениями соседних с ним для формирования величины прогнозирующего параметра. Затем полученный результат вычитается из исходного значения. Сформированные, после обработки подобным образом всех точек изображения, результирующие величины сжимаются посредством арифметического кодирования или кодирования по методу Хаффмана.
|
|
|
Поэтому в случае использования Lossless JPEG можно говорить о сокрытии информации непосредственно в данных самого изображения. При этом сокрытие может осуществляться при помощи основного метода компьютерной стеганографии - метода сокрытия в младших битах и его модификаций.
Однако, Lossless JPEG применяется крайне редко на практике, а использовать формат JPEG в режиме сжатия с потерями при сокрытии информации данным методом нельзя, так как она будет потеряна в силу особенностей используемого алгоритма (субдискретизация, DCT, квантование).
Метод сокрытия с использованием таблиц квантования является одним из используемых на сегодня методов сокрытия данных файлах JPEG. Идея данного метода состоит в использовании для сокрытия младших битов чисел, представляющих коэффициенты квантования. Достоинство метода состоит в том, что он не нарушает типичную структуру потока JPEG, и следовательно является полностью неформатным. К недостаткам можно отнести то, что обычно файлы JPEG содержат одну или две таблицы квантования (размер одной таблицы квантования равен 64 байтам), поэтому объем скрываемых данных невелик (сокрытие во всех младших битах одной таблицы квантования позволяет скрыть всего лишь 8 байт). Помимо этого изменение младших бит коэффициентов квантования вносит изменения в статистические характеристики сжимаемых блоков, тем самым отрицательно влияя на эффективность последующего кодирования и, как следствие, ведет к увеличению размеров файла.
Метод использования ложных таблиц квантования является дальнейшим развитием предыдущего метода. Он состоит в создании дополнительных ложных таблиц квантования. Это позволяет в несколько раз увеличить объем скрываемых данных по сравнению с предыдущим методом. В стандарте JPEG учтена возможность использования нескольких таблиц квантования, т.е. это не нарушает внутреннюю организацию формата. Однако, помимо того, что для данного метода сохраняются отмеченные выше недостатки, он становиться отчасти форматным, так как используется особенность формата, которая является допустимой, но не типичной. Вообще говоря, на практике применяются две разновидности метода использования ложных таблиц квантования. Первая разновидность добавляет таблицы так, чтобы увеличить эффективность сжатия и уменьшить потери при сжатии, как это и подразумевалось в спецификации алгоритма JPEG. Однако в таком случае, для большинства изображений число ложных таблиц невелико. Вторая разновидность метода использования ложных таблиц квантования заключается в добавлении ложных таблиц квантования с определенным (не всегда фиксированным) периодом, при этом используются как правило одни и те же таблицы, различия которых состоят лишь в тех младших битах, где сокрыто сообщение. Естественно, этот метод является форматным, и не обладает стойкостью к атакам пассивного противника, направленной на определения факта наличия сокрытого сообщения.
Метод сокрытия в спектре изображения после квантования основан на использовании частот блоков изображения после их квантования, но перед этапом кодирования. При этом сокрытие может осуществляться при помощи классических методов компьютерной стеганографии. Отметим, что данный метод позволяет скрывать намного большее число бит, чем приведенные выше методы, и не является форматным, поэтому его стойкость к атаке пассивного противника может значительно (в зависимости от реализации) превышать уровень стойкости приведенных ранее методов. При использовании данного метода объем скрываемых данных пропорционален объему сжатого изображения, при этом увеличение объема внедряемой информации может приводить к изменениям исходного изображения и снижению эффективности последующего этапа кодирования. Однако, возможность варьировать качество сжатого изображения в широком диапазоне не позволяет легко установить, являются возникающие в результате сжатия погрешности следствием сокрытия данных или использования больших коэффициентов квантования.
Приведем формальное описание данного метода. Через m j обозначим биты скрываемого сообщения, под 
будем понимать значения ненулевых элементов блоков квантованного спектра немодифицированного изображения, упорядоченные согласно порядку их кодирования в алгоритме JPEG, где i – номер бита элемента, j – номер элемента. 
соответствующие блоки модифицированного изображения. Введем двоичную последовательность k j, биты которой поставим в соответствие блокам , при этом kj=1, когда в младший бит j-го блока скрывается очередной бит сообщения и kj=0, в противном случае.
Прямое стеганографическое преобразование F:M´B´K®B для данного метода имеет вид:
А соответствующее ему обратное стеганографическое преобразованиe F-1:B´K®M имеет вид:
В качестве примера данного метода рассмотрим квантованный блок коэффициентов, условимся скрывать биты сообщения в младших биты тех квантованных отсчетов, модуль которых больше 1. Пусть сообщение - это слово "Hell!", в двоичной форме с учетом того, что мы будем скрывать первыми младшие биты оно примет вид: "00010010 10100110 00110110 00110110 10000100".
Блок до сокрытия сообщения:
161, -1, -10, -5, -10, 0, 9, 5,
24, 56, 38, 7, -14, 0, -2, 3,
10, 29, -30, 19, 7, -5, -1, -8,
10, 1, -29, 1, -15, 5, 1, -9,
-12, 4, -5, 9, 0, 0, 3, 4,
8, -16, -4, -1, -2, 0, -6, 10,
3, -1, 1, -3, 3, 2, 0, 3,
5, 8, 0, 0, -5, -1, -6, -1
Блок после сокрытия сообщения (жирным выделены коэффициенты, пригодные для сокрытия, подчеркнуты - измененные в результате сокрытия):
160, -1, -10, -4, -11, 0, 8, 4,
25, 56, 39, 6, -15, 0, -2, 2,
11, 29, -30, 18, 6, -5, -1, -9,
10, 1, -29, 1, -15, 4, 1, -8,
-12, 5, -5, 8, 0, 0, 3, 5,
8, -17, -4, -1, -2, 0, -6, 10,
3, -1, 1, -2, 2, 2, 0, 3,
5, 8, 0, 0, -5, -1, -6, -1
Дата добавления: 2020-12-12; просмотров: 95; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!