Esteganografía de imágenes: técnica LSB

Una imagen digital en color se compone de píxeles. Cada píxel almacena tres valores de canales de color: rojo, verde y azul, cada uno en un rango de 0 a 255 y almacenado en un byte. Por tanto, una imagen de 1000x1000 píxeles contiene tres millones de bytes individuales de datos de color. Este gran volumen de datos permite ocultar pequeñas cantidades de información adicional sin cambios visibles.

En un valor de 8 bits, el bit menos significativo solo contribuye con 1 al valor cuando está establecido, frente a 128 en el caso del bit más significativo. Invertir el LSB de un canal de color cambia el valor de un píxel como máximo en 1 de 255, una variación completamente imperceptible para el ojo humano. Por eso, el LSB es la ubicación ideal para insertar bits ocultos sin degradar la calidad visual de la imagen.

Para ocultar un byte (8 bits) de datos secretos, sobrescribimos el LSB de ocho píxeles consecutivos en un único canal de color. Leer esos LSB en orden permite reconstruir el byte oculto original. Este es el algoritmo más sencillo de esteganografía LSB. La modificación de la imagen es tan sutil que pares de píxeles como (200, 201) parecen idénticos visualmente, mientras que la diferencia en el LSB contiene datos significativos.

Una imagen BMP en color de 24 bits con 1 millón de píxeles tiene 3 millones de bytes de datos de píxeles y 3 millones de valores individuales de canales de color. Al utilizar un LSB por canal, podemos ocultar 3 millones de bits, es decir, 375 kilobytes de datos. En un soporte de 10 megapíxeles se pueden ocultar aproximadamente 3,75 megabytes. Esto basta para miles de documentos de texto o ejecutables pequeños.

El sistema visual humano es mucho más sensible al tono y la saturación del color que a diminutas diferencias de luminosidad de 1 unidad. Una imagen con todos sus LSB reemplazados por datos secretos resulta visualmente indistinguible de la original cuando se observa en una pantalla normal. La métrica de calidad perceptual PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) para la esteganografía LSB suele superar los 50 dB, muy por encima del umbral de percepción humana.

El enfoque más sencillo inserta los bits secuencialmente en los píxeles desde la esquina superior izquierda. Es fácil de implementar y detectar: los estegoanalistas saben exactamente dónde buscar. Un enfoque más seguro utiliza un generador de números seudoaleatorios inicializado con una clave compartida para seleccionar qué píxeles y qué canales de color reciben los bits ocultos. Un analista que no tenga la clave no puede determinar dónde está insertada la carga útil.

Al inicializar un PRNG con una clave secreta, el remitente y el destinatario pueden generar de forma independiente la misma secuencia seudoaleatoria de coordenadas de píxeles. El remitente inserta bits únicamente en esas coordenadas; el destinatario extrae los bits de las mismas coordenadas y en el mismo orden. Un atacante que no conozca la clave se enfrenta a un problema de búsqueda combinatoria, incluso si sabe que se ha utilizado esteganografía.

OpenStego y Steghide son herramientas populares de código abierto que implementan esteganografía LSB con cifrado opcional basado en contraseña. Steghide admite los formatos JPEG, BMP, WAV y AU, y utiliza una frase de contraseña tanto para seleccionar las posiciones de inserción como para cifrar la carga útil. Utilizar una frase de contraseña garantiza que, aunque se detecte la presencia de datos ocultos, recuperar el contenido requiera dicha frase.

Los archivos BMP almacenan datos de píxeles sin comprimir, lo que hace que la inserción LSB sea sencilla y no destructiva. JPEG utiliza compresión con pérdida, que descarta detalles de alta frecuencia y altera ligeramente los valores de los píxeles. Los LSB insertados en un JPEG antes de guardarlo se destruyen al volver a comprimirlo. La esteganografía en JPEG debe trabajar en el dominio de frecuencias, utilizando coeficientes DCT en lugar de valores de píxeles, lo que resulta más complejo, pero se utiliza ampliamente.

Insertar más datos aumenta la capacidad de carga útil, pero también incrementa la distorsión estadística. Utilizar dos bits por canal duplica la capacidad, pero hace más intensa la firma estadística. Herramientas como StegExpose pueden detectar herramientas LSB comunes mediante el análisis de las distribuciones de pares de píxeles. Por lo general, la carga útil segura se mantiene por debajo del 10 al 15 por ciento de la capacidad del soporte para evitar activar los algoritmos de detección.

El análisis de pares de píxeles aprovecha un artefacto predecible de la inserción LSB. Las imágenes naturales tienen una distribución característica de pares de valores de píxeles; la inserción LSB la altera ligeramente al cambiar valores impares por pares o viceversa. Al medir la proporción de pares de píxeles con valores cercanos, los estegoanalistas pueden estimar tanto si se produjo la inserción como la cantidad aproximada de datos ocultos.

Una imagen BMP de color de 24 bits con 1.000.000 de píxeles utiliza un LSB por canal de color. ¿Cuántos datos se pueden ocultar?

La esteganografía LSB incrusta bits secretos en los bits menos significativos de los canales de color de los píxeles, lo que provoca un cambio visual imperceptible. Para ocultar un byte de datos se necesitan ocho píxeles. Una imagen de 1 megapíxel puede ocultar aproximadamente 375 KB utilizando un LSB por canal. La selección de píxeles basada en un PRNG con una clave compartida mejora la seguridad. JPEG requiere realizar la incrustación en el dominio DCT. El análisis estadístico mediante distribuciones de pares de píxeles puede detectar la incrustación LSB.