إخفاء المعلومات في الصور: تقنية LSB

تتكوّن الصورة الرقمية الملونة من بكسلات. ويخزّن كل بكسل ثلاث قيم للقنوات اللونية: الأحمر والأخضر والأزرق، وتتراوح كل قيمة منها بين 0 و255 وتُخزّن في بايت واحد. ولذلك تحتوي صورة بحجم 1000x1000 بكسل على ثلاثة ملايين بايت منفردة من بيانات الألوان. ويوفر هذا الحجم الكبير من البيانات مساحة لإخفاء كميات صغيرة من المعلومات الإضافية من دون تغيير مرئي.

في قيمة مؤلفة من 8 بتات، لا يضيف البت الأقل أهمية إلى القيمة سوى 1 عند ضبطه، مقارنةً بـ128 للبت الأكثر أهمية. ويؤدي قلب البت الأقل أهمية في قناة لونية إلى تغيير قيمة البكسل بمقدار لا يتجاوز 1 من أصل 255، وهو تغيير لا تدركه العين البشرية إطلاقًا. لذلك يُعد البت الأقل أهمية الموقع المثالي لتضمين البتات المخفية من دون التأثير في جودة الصورة المرئية.

لإخفاء بايت واحد، أي 8 بتات، من البيانات السرية، نستبدل البت الأقل أهمية في ثمانية بكسلات متتالية ضمن قناة لونية واحدة. وتؤدي قراءة هذه البتات الأقل أهمية بالترتيب إلى إعادة بناء البايت المخفي الأصلي. وهذه أبسط خوارزمية للإخفاء باستخدام البت الأقل أهمية. ويكون التعديل في الصورة طفيفًا جدًا؛ فزوجا البكسلات مثل (200, 201) يبدوان متطابقين بصريًا، بينما يحمل اختلاف البت الأقل أهمية بينهما بيانات ذات معنى.

تحتوي صورة BMP ملونة بعمق 24 بتًا وبمليون بكسل على 3 ملايين بايت من بيانات البكسلات و3 ملايين قيمة منفردة للقنوات اللونية. وباستخدام بت واحد الأقل أهمية لكل قناة، يمكننا إخفاء 3 ملايين بت، أي 375 كيلوبايت من البيانات. ومع ملف حامل بدقة 10 ميغابكسلات، يمكن إخفاء نحو 3.75 ميغابايت. وهذا يكفي لآلاف المستندات النصية أو الملفات التنفيذية الصغيرة.

يكون الجهاز البصري البشري أكثر حساسية بكثير لتدرج اللون والتشبّع من حساسيته لفروق السطوع الطفيفة بمقدار وحدة واحدة. وتتعذر بصريًا التفرقة بين صورة استُبدلت فيها كل البتات الأقل أهمية ببيانات سرية والصورة الأصلية عند عرضها على شاشة عادية. وتكون قيمة مقياس جودة الإدراك PSNR، أي نسبة الإشارة إلى الضجيج القصوى، في الإخفاء باستخدام البت الأقل أهمية عادةً أعلى من 50 dB، وهي أعلى بكثير من عتبة إدراك الإنسان.

تضمّن الطريقة الأبسط البتات في البكسلات بالتتابع بدءًا من الزاوية العلوية اليسرى. ويسهل تنفيذ هذه الطريقة واكتشافها، إذ يعرف محللو الإخفاء المكان المحدد الذي ينبغي البحث فيه. أما الطريقة الأكثر أمانًا فتستخدم مولد أرقام شبه عشوائية مهيأً بمفتاح مشترك لاختيار البكسلات والقنوات اللونية التي ستتلقى البتات المخفية. ولا يستطيع المحلل الذي لا يملك المفتاح تحديد موضع تضمين الحمولة.

من خلال تهيئة PRNG بمفتاح سري، يستطيع المُرسِل والمستلم توليد التسلسل شبه العشوائي نفسه لإحداثيات البكسلات بشكل مستقل. ويضمّن المُرسِل البتات في تلك الإحداثيات فقط، بينما يستخرجها المستلم من الإحداثيات نفسها وبالترتيب نفسه. ويواجه المهاجم الذي لا يعرف المفتاح مسألة بحث توافقي، حتى إذا كان يعرف أن الإخفاء قد استُخدم.

يُعد OpenStego وSteghide من الأدوات الشائعة مفتوحة المصدر التي تطبق الإخفاء باستخدام البت الأقل أهمية، مع تشفير اختياري قائم على كلمة مرور. ويدعم Steghide تنسيقات JPEG وBMP وWAV وAU، ويستخدم عبارة مرور لاختيار مواضع التضمين وتشفير الحمولة معًا. ويضمن استخدام عبارة مرور أنه حتى إذا اكتُشف وجود البيانات المخفية، فإن استعادة محتواها تتطلب عبارة المرور.

تخزّن ملفات BMP بيانات البكسلات الأولية غير المضغوطة، مما يجعل التضمين باستخدام البت الأقل أهمية مباشرًا وغير فاقد للبيانات. أما JPEG فيستخدم ضغطًا مع فقد يتخلص من التفاصيل عالية التردد ويغيّر قيم البكسلات قليلًا. وسيُدمّر التضمين باستخدام البت الأقل أهمية في ملف JPEG قبل حفظه عند إعادة ضغطه. لذلك يجب أن يعمل الإخفاء في JPEG ضمن مجال التردد، أي على معاملات DCT، بدلًا من قيم البكسلات، وهو أمر أكثر تعقيدًا لكنه مستخدم على نطاق واسع.

يؤدي تضمين مزيد من البيانات إلى زيادة سعة الحمولة، لكنه يزيد أيضًا التشويه الإحصائي. فاستخدام بتين لكل قناة يضاعف السعة، لكنه يجعل البصمة الإحصائية أقوى. وتستطيع أدوات مثل StegExpose اكتشاف أدوات LSB الشائعة من خلال تحليل توزيعات أزواج البكسلات. وعادةً ما تُحافظ الحمولة الآمنة على نسبة تقل عن 10 إلى 15 بالمئة من سعة الوسيط الحامل لتجنب تشغيل خوارزميات الكشف.

يستغل تحليل أزواج البكسلات أثرًا متوقعًا من آثار التضمين باستخدام LSB. فللصور الطبيعية توزيع مميز لأزواج قيم البكسلات، ويؤدي التضمين باستخدام LSB إلى اضطرابه قليلًا من خلال تحويل القيم الفردية إلى زوجية أو العكس. ومن خلال قياس نسبة أزواج البكسلات ذات القيم المتقاربة، يستطيع محللو الإخفاء تقدير ما إذا كان التضمين قد حدث، وكذلك تقدير كمية البيانات المخفية تقريبًا.

تستخدم صورة BMP ملونة بمقدار 24 بت وتضم مليون بكسل بتًا واحدًا الأقل أهمية لكل قناة لونية. ما مقدار البيانات التي يمكن إخفاؤها؟

تعمل تقنية الإخفاء المعلوماتي باستخدام LSB على تضمين البتات السرية في البتات الأقل أهمية لقنوات ألوان البكسلات، مما يسبب تغيرًا بصريًا لا يمكن ملاحظته. يتطلب إخفاء بايت واحد من البيانات ثمانية بكسلات. يمكن لصورة بدقة 1 ميغابكسل إخفاء نحو 375KB باستخدام بت واحد من LSB لكل قناة. يؤدي اختيار البكسلات باستخدام PRNG مع مفتاح مشترك إلى تحسين الأمان. يتطلب JPEG التضمين في نطاق DCT. ويمكن للتحليل الإحصائي باستخدام توزيعات أزواج البكسلات اكتشاف تضمين LSB.