Меню журнала
> Архив номеров > Рубрики > О журнале > Авторы > Требования к статьям > Редсовет > Рецензенты > Порядок рецензирования статей > Политика издания > Ретракция статей > Этические принципы > Правовая информация
Журналы индексируются
Реквизиты журнала

Публикация за 72 часа - теперь это реальность!
При необходимости издательство предоставляет авторам услугу сверхсрочной полноценной публикации. Уже через 72 часа статья появляется в числе опубликованных на сайте издательства с DOI и номерами страниц.
По первому требованию предоставляем все подтверждающие публикацию документы!
ГЛАВНАЯ > Вернуться к содержанию
Метод увеличения скрытности передаваемой информации за счет минимально возможного изменения пикселей изображения при его максимальном заполнении информацией
Балтаев Родион Хамзаевич

ассистент, кафедра радиоэлектроники и защиты информации, Пермский государственный национальный исследовательский университет

614990, Россия, Пермский край, г. Пермь, ул. Букирева, 15

Baltaev Rodion Khamzaevich

Teaching Fellow at the Department of Radioelectronics and Information Protection of Perm State University

614990, Russia, Perm, ul. Bukireva, 15

rodion-baltaev@yandex.ru
Лунегов Игорь Владимирович

кандидат физико-математических наук

доцент, кафедра радиоэлектроники и защиты информации, Пермский государственный национальный исследовательский университет

614990, Россия, Пермский край, г. Пермь, ул. Букирева, 15

Lunegov Igor Vladimirovich

PhD in Physics and Mathematics

Associate Professor at the Department of Radioelectronics and Information Protection of Perm State University

614990, Russia, Perm, ul. Bukireva, 15

lunegov@psu.ru
Аннотация. Предметом исследования являются стеганографические методы защиты информации, которые способны скрывать не только содержание передаваемой информации, но и сам факт ее передачи. В работе рассматривается важная проблема создания стеганографических систем защиты информации (ССЗИ) – передача информации с высокой скрытностью, которая является наиболее важным свойством данных систем. Под скрытностью понимается не только визуальная или слуховая неотличимость цифрового медиа ресурса от медиа ресурса со встроенной информацией, но и статистическая неотличимость. Методологической основой исследования является объективная метрика искажения изображений, к которой относится общепринятая величина – пиковое отношение сигнал/шум. Новизна исследования заключается в том, что предложен метод увеличения скрытой передачи информации за счет минимально возможного искажения изображений с максимальным его заполнением встроенными данными. Были проанализированы основные наиболее часто используемые в настоящее время ССЗИ. В результате анализа было установлено, что наиболее перспективным в плане использования в стеганографии является метод на основе прямого расширения спектра, поскольку он обладает рядом преимуществ по сравнению с другими рассмотренными методами. Проблема высокой скрытности передачи информации вызванная недопустимо большими искажениями контейнера при встраивании информации была решена предложенным методом. С помощью пикового отношения сигнал/шум было исследовано искажение цифровых изображений со встроенной разными методами информацией. В результате установлено, что наилучшие результаты показал предложенный метод.
Ключевые слова: защита информации, стеганография, LSB метод, QIM метод, прямое расширение спектра, метод встраивания информации, цифровые изображения, искажение изображений, скрытая передача информации, принцип Керкгоффса
УДК: 004.056.5
DOI: 10.7256/2409-7543.2016.6.21337
Дата направления в редакцию: 07-12-2016

Дата рецензирования: 12-12-2016

Дата публикации: 10-01-2017

Abstract. The research subject is the steganographic methods of data protection, able to hide not only the contents of the transmitted information, but also the very fact of transmission. The authors consider an important problem of creation of steganographic systems of information protection – the high secrecy of information transmission, which is the most important characteristic of such systems. The secrecy is understood not only as a visual or sound indistinguishability of a digital media file from the media file with embedded information, but also the statistical indistinguishability. The research methodology is based on the objective metric of image distortion, including the generally accepted figure – peak signal to noise ratio. The scientific novelty of the study consists in the proposed method of increase of the hidden transmission of information using the minimal possible image distortion with its maximal filling with embedded data. The authors analyze the most widely used steganographic systems of information protection. The authors ascertain that the most promising method of steganography is the method of direct spectrum broadening, since it has particular advantages compared with other methods. The problem of a high level of secrecy of information transmission, connected with the unacceptably high level of a container distortion upon the hidden data embedding is solved using this method. Based on the peak signal to noise ratio, the authors study the distortion of digital images with hidden information, embedded using different methods. The proposed method demonstrates the best results. 

Keywords: Kerckhoffs' principle, hidden information transmission, image distortion, digital images, method of information embedding, direct spectrum broadening, quality index method, LSB method, steganography, information protection

Введение

Важным направлением в развитии современных средств защиты информации являются стеганографические системы, которые обеспечивают сокрытие в тайне не только информационного содержания передаваемых данных, но и самого факта их передачи. Стеганографическая система защиты информации (ССЗИ) — это совокупность средств и методов, используемых для создания скрытого канала передачи информации. Под скрытностью понимается чувственная (визуальная) и статистическая неотличимость контейнера от стегоконтейнера: здесь под контейнером понимается неподвижное цифровое изображение, а под стегоконтейнером аналогичное изображение со встроенной информацией.

Наиболее перспективным в плане использования в стеганографии является, предложенный в [1], метод на основе прямого расширения спектра, в котором биты, составляющие передаваемое сообщение, модулируются широкополосной псевдослучайной последовательностью (ПСП). В данной работе анализируются преимущества метода на основе прямого расширения спектра над другими методами стеганографии, определяются недостатки существующих модификаций рассматриваемого метода в аспекте скрытности передачи информации и предлагается решение данной проблемы.

Основные стеганографические методы защиты информации

Существуют три основных стеганографических метода скрытой передачи информации [2]: встраивание информации в наименее значимые биты (LSB метод), встраивание информации на основе квантования (QIM метод) и встраивание информации на основе расширения спектра (SS метод). Каждый из этих методов может быть использован для встраивания информации в пространственной или в частотной области (область преобразований) изображений.

Как известно [3], изменение наименее значимых бит пикселей изображения не приводит к заметному визуальному различию, поскольку величина их изменения мала. Поэтому в методе LSB, для скрытой передачи информации, наименее значимые биты пикселей изображения заменяются битами передаваемого сообщения. На приемной стороне просто считываются наименее значимые биты у соответствующего пикселя изображения.

В методе QIM выбирается индекс квантования m, который связан со встраиваемыми данными, затем происходит квантование пикселей x изображения соответствующим квантователем. Результирующий пиксель s со встроенным сообщением получается из следующей формулы [4]: s=qm(x), где qm(x)=Q(x)+∆/4(2m-1), Q(x) – скалярный равномерный квантователь с шагом ∆, m ∈ {0, 1}.

В стеганографическом методе на основе прямого расширения спектра исходное изображение размером MxN пикселей разбивается на P непересекающихся блоков размером MxN/P, из которых строится вектор xi развертыванием исходного изображения по столбцам (строкам), где i – номер блока изображения. Генерируется псевдослучайная последовательность w размерностью MN/P, удовлетворяющая условию ‖w‖=1, где wj ∈ {+1, -1}, которое является ключом. Встраиваемое информационное сообщение m представляется бинарной последовательностью mi ∈ {+1, -1}. Результирующий вектор si элементов блока изображения после встраивания одного бита сообщения: si=Gmiw+xi, где G – параметр, задающий мощность встраиваемой псевдослучайной последовательности w.

Для извлечения бита mi используется согласованная фильтрация: mi=sign{wTsi}, где sign{.} – сигнум-функция. Если mi=0, то встроенная информация считается потерянной.

Метод на основе прямого расширения спектра имеет следующие преимущества над остальными методами:

– Гибкая связь стеганографических свойств.

Основные свойства, которые должны учитываться при построении любой стегосистемы, являются скрытность, устойчивость и стеганографическая емкость.

Устойчивость – способность стегосистемы извлечь встроенные данные после того как цифровой медиа ресурс (цифровое изображение) был подвергнут различным модификациям, преднамеренным или непреднамеренным (случайным). Устойчивость является второстепенным свойством в стеганографии и может быть учтена только для противодействия случайным искажениям.

Стеганографическая емкость – максимальное количество бит, которые могут быть скрыты в контейнере, так что наличие встроенной информации является незаметным для злоумышленника. Стеганографическая емкость является вторым по важности свойством, как и скрытность, при построении стегосистемы. Чем больше бит информации можно передать скрытно, тем лучше.

В методе на основе прямого расширения спектра увеличение длины псевдослучайной последовательности приводит к уменьшению стеганографической емкости; увеличению устойчивости; увеличению скрытности. Увеличение мощности (параметра G) псевдослучайной последовательности приводит к уменьшению скрытности; увеличению устойчивости. Увеличивая или уменьшая те или иные параметры встраивания, можно добиться характеристик стегосистемы с желаемыми свойствами.

В методе LSB регулируемые параметры отсутствуют, встраивание информации происходит в наименее значимые биты пикселей изображения. В методе QIM есть единственный регулируемый параметр – шаг квантования ∆, увеличивая или уменьшая его можно только увеличивать или уменьшать устойчивость и скрытность.

– Дополнительная маскировка.

Псевдослучайная последовательность, которая используется для встраивания информации, есть белый Гауссов шум с нулевым средним и соответствующей мощностью. Это представление дает дополнительную маскировку наличия встраивания, поскольку аддитивный белый Гауссов шум небольшой мощности на изображении встречается очень часто.

– Выполнение принципа Керкгоффса.

Принцип Керкгоффса используется в криптографии и гласит, что стойкость криптосистемы должна зависеть только от секретности ключа. Применение принципа Керкгоффса в стеганографии имеет особенности. Злоумышленник, в первую очередь, стремится обнаружить присутствие скрытого сообщения, а не определить содержание этого сообщения. Обнаружение присутствия скрытого сообщения часто значительно легче, чем расшифровка его содержания, поскольку зависит только от возникающих статистических изменений в контейнере.

В методе на основе прямого расширения спектра для встраивания информации используется псевдослучайная последовательность, которая является белым Гауссовым шумом, который при небольшой мощности является обыденностью на изображении. Не зная псевдослучайной последовательности, которая использовалась для встраивания информации, крайне затруднительно обнаружить наличие встраивания и извлечь передаваемую информацию.

В методах LSB и QIM для извлечения скрытой информации необходимо знать, только в какой пиксель была встроена информация.

Недостатки метода на основе прямого расширения спектра и его модификаций

Подставляя выражение результирующего вектора si в выражение извлечения бита mi, получим следующее: mi=sign{GmiwTw+wTxi}. Первое слагаемое равно Gmi, поскольку ‖w‖=1, а второе слагаемое не будет равно нулю, поскольку вектор xi составлен из элементов блока изображения и поэтому не имеет случайной структуры. Правильное извлечение бита mi произойдет при условии |wTxi |<|Gmi|, которое возникает при G>>0, что приводит к большим искажениям изображения и как следствие к низкой скрытности передачи информации.

В целях уменьшения влияния вектора изображения xi в [5] было предложено использовать параметр G в виде функции G=μ(xi, mi), где xi=wTxi. В целях упрощения поиска параметра G функция μ(.) представляется в линейном виде μ(xi, mi)=αmixi, где α, λ – параметры функции μ(.). Результирующий вектор si элементов блока изображения после встраивания одного бита сообщения представляется в следующем виде: si=xi+(αmixi)w.

Выражение для извлечения бита mi преобразуется к следующему виду: mi=sign{αmi+(1-λ)wTxi}. Параметры α, λ подбираются таким образом, чтобы уменьшить влияние вектора изображения xi, т.е. α, λ выбираются адаптивно, чтобы уменьшить вероятность ошибочного извлечения встроенной информации.

Адаптивный подбор не решает проблему скрытой передачи информации. Адаптивный подбор мощности G псевдослучайной последовательности в виде функции μ(.) решает проблему нахождения минимальной мощности, при которой встроенная информация будет извлечена с минимальным числом ошибок. Мощность G, которая находится при адаптивном подборе, является минимально необходимой только для безошибочного извлечения встроенных данных. При этом эта адаптивно выбранная мощность может быть гораздо больше той небольшой мощности, при которой встроенные данные являются статистически незаметными.

Метод увеличения скрытности передаваемой информации

Адаптивный подбор частично решает проблему увеличения скрытности передачи информации за счет уменьшения искажения тех блоков изображения, которые меньше влияют на возможность извлечения встроенной информации.

Рассмотрим выражения среднеквадратичных искажений D контейнера, возникающих в результате встраивания информации стандартным и улучшенным методом на основе прямого расширения спектра. Для стандартного метода на основе прямого расширения спектра среднеквадратичное искажение контейнера определяется следующим выражением: D=G2, а для улучшенного метода (с адаптивным подбором параметров): D22wTRxw, где Rx – автокорреляционная матрица контейнера. Для того чтобы максимально скрытно передавать информацию необходимо встраивать информацию так чтобы, возникающие искажения в контейнере были минимально возможными. Встраивание информации в контейнер с минимально возможными искажениями можно осуществить только с минимально возможными параметрами встраивания, т.е. с теми значениями параметров, которые только минимально необходимы, чтобы встроить информацию.

Таким образом, в работе предлагается встраивать информацию с минимально возможным среднеквадратичным искажением D=1. Для стандартного метода на основе прямого расширения спектра среднеквадратичное искажение D=1 возникает при встраивании информации с параметром G=1. Для улучшенного метода на основе прямого расширения спектра среднеквадратичное искажение D=1 возникает при встраивании информации с параметрами α=1 и λ=0, при этом улучшенный метод сводится к стандартному методу.

При таком методе увеличения скрытности передаваемой информации должно увеличиться количество ошибок ее извлечения. Способы уменьшения количество ошибок извлечения встроенной информации рассматриваются в работах [6-8].

Искажения изображений, возникающие в результате встраивания информации можно определить с помощью пикового отношения сигнал/шум, которое измеряется в децибелах (Дб). Значение пикового отношения сигнал/шум больше 40 Дб указывает на высокое качество изображения [9]. Значение пикового отношения сигнал/шум, находящееся в пределах 30-40 Дб, говорит о среднем качестве изображения [10].

В таблице представлены сравнения пикового отношения сигнал/шум, полученного с помощью предложенного, стандартного и улучшенного стеганографического метода на основе прямого расширения спектра.

Таблица. Сравнение пикового отношения сигнал/шум предложенного, стандартного и улучшенного стеганографического метода на основе прямого расширения спектра.

Стандартный стеганографический метод на основе прямого расширения спектра

Улучшенный стеганографический метод на основе прямого расширения спектра

Предложенный метод встраивания информации

Среднее пиковое отношение сигнал/шум, Дб

22.352

36.167

50.515

Результаты в таблице получены с использованием набора из 1000 изображений, которые были взяты из базы данных изображений UCID описанной в [11]. Встраивание осуществлялось во все непересекающиеся блоки размером 8х8 пикселей одновременно во все цветовые каналы цветовой модели RGB с рекомендуемыми параметрами встраивания, которые позволяют извлекать встроенное сообщение с минимальным числом ошибок.

Как видно из таблицы наилучшие показатели пикового отношения сигнал/шум при встраивании информации одновременно во все цветовые каналы цветовой модели RGB у предложенного метода встраивания информации. Среднее качество изображения показывает только улучшенный стеганографический метод на основе прямого расширения спектра. Поэтому для уменьшения искажений цветного изображения при встраивании информации с использование стандартного и улучшенного стеганографического метода на основе прямого расширения спектра применяется только синий цветовой канал цветовой модели RGB, что снижает объем передаваемой информации. Используется синий цветовой канал цветовой модели RGB поскольку система человеческого зрения наименее чувствительна к его изменениям [12].

Предложенный метод встраивания информации использовался при построении ССЗИ, которая показала высокую устойчивость к пассивным стегоаналитическим атакам.

Заключение

В работе были рассмотрены основные используемые в настоящее время стеганографические методы защиты информации. Определено, что наиболее перспективным в плане использования в стеганографии является метод на основе прямого расширения спектра, поскольку данный метод обладает рядом преимуществ:

– Гибкая связь стеганографических свойств;

– Дополнительная маскировка;

– Выполнение принципа Керкгоффса.

Определено, что стандартный стеганографический метод на основе прямого расширения спектра и его модификации не решают проблему высокой скрытности передачи информации в связи с недопустимо большим искажением контейнера при встраивании информации. Поэтому был предложен метод встраивания информации с минимально возможным искажением контейнера при его максимальном заполнении информацией, т.е. со значениями параметров, которые только минимально необходимы, чтобы встроить информацию.

С помощью пикового отношения сигнал/шум было исследовано искажение цифровых изображений, возникающее после встраивания информации во все непересекающиеся блоки размером 8х8 пикселей одновременно во все цветовые каналы цветовой модели RGB. Определено, что наилучшие показатели пикового отношения сигнал/шум у предложенного метода встраивания информации.

Библиография
1.
Smith J., Comiskey B. Modulation and Information hiding in Image. // Information hiding: First Int. Workshop “InfoHiding’96”, Springer as Lecture Notes in Computing Science. 1996. Vol. 1174. Р. 207-227.
2.
Sullivan K. M. Image Steganalysis: Hunting and Escaping. A Dissertation submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Electrical and Computer Engineering. Santa Barbara, 2005. 199 p.
3.
Johnson, N.F. and Jajodia, S. Exploring Steganography: Seeing the Unseen // Computer, 1998. vol. 31, № 2. pp. 26-34.
4.
He X. Signal processing, perceptual coding and watermarking of digital audio: advanced technologies and models. IGI Global, 2011. 200 p.
5.
Malvar H.S., Florencio D.A. Improved spread spectrum: a new modulation technique for robust watermarking // IEEE Transactions on Signal Processing, 2003. vol. 51. № 4. pp. 898-905.
6.
Балтаев Р.Х., Лунегов И.В. Модель авторегрессии в стеганографическом методе на основе прямого расширения спектра // Вопросы защиты информации. 2015. № 3. С. 73-78.
7.
Балтаев Р.Х., Лунегов И.В. Двумерный авторегрессионный процесс в стеганографическом методе на основе прямого расширения спектра // Безопасность информационных технологий. 2016. № 2. С. 5-11.
8.
Балтаев Р. Х., Лунегов И. В. Увеличение количества передаваемой информации в стеганографической системе на основе метода прямого расширения спектра // Изв. вузов. Приборостроение. 2016. Т. 59. № 9. С. 717-722.
9.
Нариманова Е.В., Трифонова Е.А., Килин А.Е., Кучма М.С. Методика количественной оценки надежности восприятия цифрового изображения // Інформатика та математичні методи в моделюванні. 2014. Т. 4. № 4. С. 332-336.
10.
Грибунин В.Г., Оков И.Н., Туринцев И. В. Цифровая стеганография. М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2009. 272 с.
11.
Schaefer G., Stich M. UCID – An uncompressed colour image database // Proc. SPIE, storage and retrieval methods and applications for multimedia. 2004. P. 472-480.
12.
Коханович Г.Ф., Пузыренко А.Ю. Компьютерная стеганография. Теория и практика. К.: МК-Пресс, 2006. 288 с.
References (transliterated)
1.
Smith J., Comiskey B. Modulation and Information hiding in Image. // Information hiding: First Int. Workshop “InfoHiding’96”, Springer as Lecture Notes in Computing Science. 1996. Vol. 1174. R. 207-227.
2.
Sullivan K. M. Image Steganalysis: Hunting and Escaping. A Dissertation submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Electrical and Computer Engineering. Santa Barbara, 2005. 199 p.
3.
Johnson, N.F. and Jajodia, S. Exploring Steganography: Seeing the Unseen // Computer, 1998. vol. 31, № 2. pp. 26-34.
4.
He X. Signal processing, perceptual coding and watermarking of digital audio: advanced technologies and models. IGI Global, 2011. 200 p.
5.
Malvar H.S., Florencio D.A. Improved spread spectrum: a new modulation technique for robust watermarking // IEEE Transactions on Signal Processing, 2003. vol. 51. № 4. pp. 898-905.
6.
Baltaev R.Kh., Lunegov I.V. Model' avtoregressii v steganograficheskom metode na osnove pryamogo rasshireniya spektra // Voprosy zashchity informatsii. 2015. № 3. S. 73-78.
7.
Baltaev R.Kh., Lunegov I.V. Dvumernyi avtoregressionnyi protsess v steganograficheskom metode na osnove pryamogo rasshireniya spektra // Bezopasnost' informatsionnykh tekhnologii. 2016. № 2. S. 5-11.
8.
Baltaev R. Kh., Lunegov I. V. Uvelichenie kolichestva peredavaemoi informatsii v steganograficheskoi sisteme na osnove metoda pryamogo rasshireniya spektra // Izv. vuzov. Priborostroenie. 2016. T. 59. № 9. S. 717-722.
9.
Narimanova E.V., Trifonova E.A., Kilin A.E., Kuchma M.S. Metodika kolichestvennoi otsenki nadezhnosti vospriyatiya tsifrovogo izobrazheniya // Іnformatika ta matematichnі metodi v modelyuvannі. 2014. T. 4. № 4. S. 332-336.
10.
Gribunin V.G., Okov I.N., Turintsev I. V. Tsifrovaya steganografiya. M.: SOLON-PRESS, 2009. 272 s.
11.
Schaefer G., Stich M. UCID – An uncompressed colour image database // Proc. SPIE, storage and retrieval methods and applications for multimedia. 2004. P. 472-480.
12.
Kokhanovich G.F., Puzyrenko A.Yu. Komp'yuternaya steganografiya. Teoriya i praktika. K.: MK-Press, 2006. 288 s.
Ссылка на эту статью

Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также попробовать найти похожие статьи

Другие сайты издательства:
Официальный сайт издательства NotaBene / Aurora Group s.r.o.
Сайт исторического журнала "History Illustrated"