Выпускная работа по «Основам информационных технологий»

Основные понятия и принципы стеганографии изображений.

Среди основных областей использования компьютерной стеганографии (КС) — скрытие сообщений в цифровых данных, которые, как правило, имеют аналого­вую природу (речь, изображение, аудио или видеозаписи) [1].
Так, например, наименее значимые биты цифрового изображения или аудиофайла могут быть заменены данными из текстового файла таким образом, что посторонний независимый наблюдатель не обнаружит никакой потери в качестве изображения или звука.
Несмотря на многочисленные открытые публикации и ежегодные конференции, длительное время стеганография не имела сложившейся терминологии. Основные понятия стеганографии были согласованы в 1996 г. на 1-й Междуна­родной конференции по скрытию данных – Information Workshop on Information Hiding ‘96. Тем не менее, даже такое основополагающее понятие как «стеганография» разными специалистами трактуется неодинаково.
Приведем определения наиболее важных, с точки зрения стеганографии, терминов.
Стеганосистема – система, осуществляющая встраивание и выделение одной битовой последовательности из другой. Последовательность, подлежащая скрытию, называется сообщением. Последовательность, в которую осуществляется встраивание, называется контейнером. Если в контейнер не встраивалось сообщение, то он называется пустым, иначе – заполненным. Как правило, в составе стеганосистемы дополнительно выделяют подсистемы, такие как прекодер, стеганокодер, стеганодетектор, декодер [1]. Сравнительно недавно была разработана математическая модель стеганосистемы [2].
В любой стеганосистеме важную роль играет стаганографический протокол – порядок действий, к которым прибегают две или более сторон, с целью решения определенных задач [3].
Цифровой водяной знак (ЦВЗ) – внедренная в мультимедийный сигнал информация, назначение которой – аутентификация содержимого, охрана прав собственника, защита от копирования и т.п.
Стеганосистема образует стеганоканал, по которому передается заполненный контейнер. Этот канал считается подверженным воздействиям со стороны нарушителей. Следуя [4], в стеганографии обычно рассматривается постановка задачи в виде «проблема заключенных», желающих тайно обмениваться сообщениями посредством передачи их в скрытом. Пассивный нарушитель может лишь обнаружить факт наличия стеганоканала и (возможно) читать сообщения. Диапазон действий активного нарушителя значительно шире. Скрытое сообщение может быть им удалено или разрушено. В этом случае передающая и, возможно, принимающая сторона узнают о факте вмешательства. Действия злоумышленного нарушителя наиболее опасны. Он способен не только разрушать, но и создавать ложные сообщения.
При построении стеганосистемы должны учитываться следующие положения, многие из которых лежат в основе критериев эффективности стеганографических алгоритмов изображений [1]:

• 
  стеганосистема должна иметь приемлемую вычислительную сложность реализации;
  
• 
  заполненный контейнер должен быть визуально неотличим от незаполненного;
  
• 
  должна обеспечиваться необходимая пропускная способность (что особенно актуально для стеганосистем скрытой передачи данных);
  
• 
  методы скрытия должны обеспечивать аутентичность и целостность секретной информации для авторизованного лица;
  
• 
  потенциальный нарушитель имеет полное представление о стеганосистеме и детали её реализации, единственное, что ему неизвестно, – это ключ, с помощью которого только его обладатель может установить факт наличия и содержание скрытого сообщения;
  
• 
  если факт существования скрытого сообщения становится известным наруши­телю, это не должно позволить последнему извлечь его до тех нор, пока ключ сохраняется в тайне;
  
• 
  нарушитель должен быть лишен любых технических и других преимуществ в распознании или, по крайней мере, раскрытии содержания секретных сообщений;
  

Анализ мультимедиа-файла, с целью установления факта наличия в нём секретного сообщения называется стагенографическим анализом, или стеганоанализом. Иногда алгоритмы стеганоанализа позволяют не только установить факт наличия, но и извлечь сообщение, либо определить используемый стеганоалгоритм.
В настоящее время большинство исследований в области стеганографии посвящено использованию в качестве стеганоконтейнеров цифровых изображений. Это обусловлено следующими причинами:

• 
  существованием практически значимой задачи защиты фотографий, картин, видео от незаконного тиражирования и распространения;
  
• 
  относительно большим объемом цифрового представления изображений, что позволяет внедрять сообщение большого объема либо повышать скрытность внедрения;
  
• 
  заранее известным размером контейнера, отсутствием ограничений, накладываемых требованиями реального времени;
  
• 
  наличием в большинстве реальных изображений текстурных областей, имеющих шумовую структуру и хорошо подходящих для встраивания информации;
  
• 
  слабой чувствительностью человеческого глаза к незначительным изменениям цветов изображения, его яркости, контрастности, содержанию в нем шума, искажениям вблизи контуров;
  
• 
  хорошо разработанными в последнее время методами цифровой обработки изображений.
  

Надо отметить, что последняя причина вызывает и значительные трудности в обеспечении скрытности секретных сообщений: чем более совершенными становятся методы сжатия, тем меньше остается возможностей для встраивания посторонней информации. Не случайно поэтому стеганоалгоритмы учитывают свойства системы человеческого зрения (СЧЗ), аналогично алгоритмам сжатия изображений. В стеганоалгоритмах зачастую используются те же преобразования, что и в современных алгоритмах сжатия (дискретное косинусное преобразование (ДКП) – в JPEG, вейвлет-преобразование – в JPEG2000). При этом существуют, очевидно, три возможности. Вложение информации может производиться в исходное изображение, либо одновременно с осуществлением сжатия изображения-контейнера, либо в уже сжатое алгоритмом JPEG изображение.
На начальном этапе большой популярностью пользовались методы встраивания информации в пространственную область изображения (исходное изображение), так как выполнение линейных ортогональных преобразований изображений обладало достаточной вычислительной сложностью, несмотря на наличие быстрых алгоритмов. Кроме того, на начальном этапе большинство цифровых изображений хранилось в несжатом виде.
С ростом вычислительной мощности персонального компьютера, проблема вычислительной сложности отошла на второй план. В то же время, стремительный рост количества цифровой графической информации и необходимость её передачи по сетям привели к необходимости хранения изображений в сжатом виде. В результате, особую важность приобрела разработка алгоритмов встраивания в область преобразований, как достаточно устойчивых (в отличие от первой группы алгоритмов) к процессу сжатия.
Ввиду того, что свойства человеческого зрения (СЧЗ) оказывают решающую роль на алгоритмы скрытия данных в изображениях, коротко опишем их.
Свойства СЧЗ можно разделить на две группы: низкоуровневые («физиологические») и высокоуровневые («психофизиологические»). Вплоть до середины 90-х годов исследователи принимали во внимание, главным образом, низкоуровневые свойства зрения. В последние годы наметилась тенденция построения стеганоалгоритмов с учетом и высокоуровневых характеристик СЧЗ.
Выделим три наиболее важных низкоуровневых свойства, влияющих на заметность постороннего шума в изображении: чувствительность к изменению яркости изображения, частотная чувствительность и эффект маскирования.
Чувствительность к изменению яркости можно определить следующим образом [5]. Испытуемому показывают некоторую однотонную картинку (рис. 1,1). После того, как глаз адаптировался к ее освещенности , «настроился на нее», постепенно изменяют яркость вокруг центрального пятна. Изменение освещенности продолжают до тех пор, пока оно не будет обнаружено. На рис. 1, 2 показана зависимость минимального контраста от яркости (для удобства мы поменяли привычное расположение осей).
Частотная чувствительность СЧЗ проявляется в том, что человек гораздо более восприимчив к низкочастотному, чем к высокочастотному шуму. Это связано с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики системы зрения человека. Экспериментально ее можно определить при помощи того же опыта, что и при яркостной чувствительности. Но на этот раз в центральном квадрате изменяются пространственные частоты до тех пор, пока изменения не станут заметными.

Рис. 1. Чувствительность к контрасту (1) и порог неразличимости (2).
Элементы СЧЗ разделяют поступающий видеосигнал на отдельные компоненты. Каждая составляющая возбуждает нервные окончания глаза через ряд подканалов. Выделяемые глазом компоненты имеют различные пространственные и частотные характеристики, а также различную ориентацию (горизонтальную, вертикальную, диагональную) [6]. В случае одновременного воздействия на глаз двух компонентов со сходными характеристиками возбуждаются одни и те же подканалы. Это приводит к эффекту маскирования, заключающегося в увеличении порога обнаружения видеосигнала в присутствии другого сигнала, обладающего аналогичными характеристиками. Поэтому, аддитивный шум гораздо заметнее на гладких участках изображения, чем на высокочастотных.
Высокоуровневые свойства СЧЗ пока редко учитываются при построении стеганоалгоритмов. Их отличием от низкоуровневых является то, что эти свойства проявляются «вторично», обработавший первичную информацию от СЧЗ мозг выдает команды на ее «подстройку» под изображение. Перечислим основные из этих свойств.

• 
  Чувствительность к контрасту. Высококонтрастные участки изображения, перепады яркости обращают на себя значительное внимание.
  
• 
  Чувствительность к размеру. Большие участки изображения «заметнее» меньших размером.
  
• 
  Чувствительность к форме. Длинные и тонкие объекты вызывают большее внимание, чем круглые однородные.
  
• 
  Чувствительность к цвету. Некоторые цвета (например, красный) «заметнее» других.
  
• 
  Люди обычно внимательнее к изображениям переднего плана, чем заднего.
  
• 
  Если на изображении есть люди, в первую очередь человек обратит свое внимание на них (лицо, глаза, рот, руки).
  
• 
  Чувствительность к внешним раздражителям. Движение глаз наблюдателя зависит от полученной им перед просмотром дополнительной информации.