Stéganographie d’image : technique LSB

Une image numérique en couleur est composée de pixels. Chaque pixel stocke trois valeurs de canaux de couleur : Rouge, Vert et Bleu, chacune comprise entre 0 et 255 et stockée dans un octet. Une image de 1000x1000 pixels contient donc trois millions d'octets individuels de données de couleur. Ce volume important de données permet de dissimuler de petites quantités d'informations supplémentaires sans changement visible.

Dans une valeur de 8 bits, le bit de poids faible n'ajoute que 1 à la valeur lorsqu'il est activé, contre 128 pour le bit de poids fort. Inverser le LSB d'un canal de couleur modifie la valeur d'un pixel d'au plus 1 sur 255, un changement totalement imperceptible à l'œil humain. Le LSB constitue donc l'emplacement idéal pour intégrer des bits dissimulés sans dégrader la qualité visuelle de l'image.

Pour dissimuler un octet (8 bits) de données secrètes, nous remplaçons le LSB de huit pixels consécutifs dans un seul canal de couleur. La lecture de ces LSB dans le même ordre permet de reconstituer l'octet dissimulé d'origine. Il s'agit de l'algorithme de stéganographie LSB le plus simple. La modification de l'image est si subtile que des paires de pixels comme (200, 201) semblent identiques visuellement, alors que la différence de LSB transporte des données significatives.

Une image BMP couleur 24 bits de 1 million de pixels contient 3 millions d'octets de données de pixels et 3 millions de valeurs individuelles de canaux de couleur. En utilisant un LSB par canal, nous pouvons dissimuler 3 millions de bits, soit 375 kilo-octets de données. Avec un fichier servant de support porteur de 10 mégapixels, il est possible de dissimuler environ 3,75 mégaoctets. Cela suffit pour des milliers de documents texte ou de petits exécutables.

Le système visuel humain est bien plus sensible à la teinte et à la saturation des couleurs qu'à de minuscules différences de luminosité d'une unité. Une image dont chaque LSB a été remplacé par des données secrètes est visuellement impossible à distinguer de l'originale sur un écran courant. L'indicateur de qualité perceptuelle PSNR (rapport signal/bruit de crête) de la stéganographie LSB est généralement supérieur à 50 dB, ce qui dépasse largement le seuil de perception humaine.

L'approche la plus simple consiste à intégrer les bits dans les pixels séquentiellement, en partant du coin supérieur gauche. Cette méthode est facile à implémenter et à détecter : les stéganalystes savent exactement où chercher. Une approche plus sûre utilise un générateur de nombres pseudo-aléatoires initialisé avec une clé partagée afin de sélectionner les pixels et les canaux de couleur qui recevront les bits dissimulés. Un analyste qui ne possède pas la clé ne peut pas déterminer où la charge utile est intégrée.

En initialisant un PRNG avec une clé secrète, l'expéditeur et le destinataire peuvent générer indépendamment la même séquence pseudo-aléatoire de coordonnées de pixels. L'expéditeur intègre les bits uniquement à ces coordonnées ; le destinataire les extrait aux mêmes coordonnées et dans le même ordre. Un attaquant qui ne connaît pas la clé se trouve face à un problème de recherche combinatoire, même s'il sait que la stéganographie a été utilisée.

OpenStego et Steghide sont des outils populaires à code source ouvert qui mettent en œuvre la stéganographie LSB avec un chiffrement facultatif fondé sur un mot de passe. Steghide prend en charge les formats JPEG, BMP, WAV et AU, et utilise une phrase secrète à la fois pour sélectionner les emplacements d'intégration et pour chiffrer la charge utile. Une phrase secrète garantit que, même si la présence de données dissimulées est détectée, la récupération de leur contenu nécessite cette phrase secrète.

Les fichiers BMP stockent des données brutes de pixels non compressées, ce qui rend l'intégration par LSB simple et sans perte. JPEG utilise une compression avec perte qui supprime les détails haute fréquence et modifie légèrement les valeurs des pixels. Les données intégrées par LSB dans un JPEG avant son enregistrement seront détruites par la recompression. La stéganographie dans JPEG doit fonctionner dans le domaine fréquentiel, sur les coefficients DCT, plutôt que sur les valeurs des pixels ; elle est plus complexe, mais largement utilisée.

L'intégration d'une plus grande quantité de données augmente la capacité de la charge utile, mais aussi la distorsion statistique. Utiliser deux bits par canal double la capacité, mais renforce la signature statistique. Des outils comme StegExpose peuvent détecter les outils LSB courants en analysant la distribution des paires de pixels. Pour éviter de déclencher les algorithmes de détection, la charge utile sûre est généralement limitée à moins de 10 à 15 pour cent de la capacité du support porteur.

L'analyse des paires de pixels exploite un artefact prévisible de l'intégration par LSB. Les images naturelles possèdent une distribution caractéristique des paires de valeurs de pixels ; l'intégration par LSB la perturbe légèrement en transformant les valeurs impaires en valeurs paires, ou inversement. En mesurant la proportion de paires de pixels aux valeurs proches, les stéganalystes peuvent estimer à la fois si une intégration a eu lieu et quelle quantité de données a approximativement été dissimulée.

Une image BMP couleur de 24 bits contenant 1 000 000 pixels utilise un LSB par canal de couleur. Quelle quantité de données peut-elle dissimuler ?

La stéganographie par LSB dissimule des bits secrets dans les bits de poids faible des canaux de couleur des pixels, ce qui entraîne une modification visuelle imperceptible. Un octet de données dissimulées nécessite huit pixels. Une image d’un mégapixel peut dissimuler environ 375 Ko en utilisant un LSB par canal. La sélection de pixels fondée sur un PRNG avec une clé partagée renforce la sécurité. Le format JPEG nécessite une dissimulation dans le domaine DCT. L’analyse statistique au moyen des distributions de paires de pixels peut détecter la dissimulation par LSB.