画像ステガノグラフィー：LSB方式

デジタルカラー画像は画素で構成されています。各画素には、Red、Green、Blueという3つの色チャネル値が保存され、それぞれ0から255までの範囲で、1バイトに格納されます。1000x1000画素の画像には、色データを表す300万個のバイトが含まれます。この大量のデータによって、表示上の変化なしに少量の追加情報を隠す余地が生まれます。

8ビット値では、最下位ビットはセットされたときに値へ1だけ寄与しますが、最上位ビットは128を寄与します。色チャネルのLSBを反転しても画素値の変化は255のうち最大1であり、人間の目にはまったく知覚できません。そのため、LSBは表示される画質を低下させずに隠しビットを埋め込むのに理想的な位置です。

秘密データの1バイト（8ビット）を隠すには、1つの色チャネルで連続する8画素のLSBを上書きします。それらのLSBを順番に読み戻すと、元の隠しバイトを再構成できます。これは最も単純なLSBステガノグラフィーアルゴリズムです。画像への変更は非常にわずかなため、（200, 201）のような画素ペアは見た目には同じですが、LSBの違いが意味のあるデータを運びます。

100万画素の24ビットカラーBMP画像には、画素データが300万バイトあり、個々の色チャネル値も300万個あります。チャネルごとに1つのLSBを使用すると、300万ビット、つまり375キロバイトのデータを隠せます。1,000万画素のキャリアファイルなら、およそ3.75メガバイトを隠せます。これは、数千件のテキスト文書や小規模な実行可能ファイルに十分な容量です。

人間の視覚システムは、1単位のわずかな明るさの違いよりも、色相や彩度に対してはるかに敏感です。すべてのLSBを秘密データに置き換えた画像でも、通常のディスプレイで見る限り元の画像と見分けがつきません。LSBステガノグラフィーの知覚品質指標PSNR（Peak Signal-to-Noise Ratio）は通常50 dBを超え、人間の知覚閾値を大きく上回ります。

最も単純な方法では、左上隅から画素にビットを順番に埋め込みます。これは実装しやすい一方で、検出も容易です。ステガナリストは、どこを調べればよいか正確に分かるからです。より安全な方法では、共有鍵をシードとして使う疑似乱数生成器によって、隠しビットを格納する画素と色チャネルを選択します。鍵を持たない解析者は、ペイロードがどこに埋め込まれているかを特定できません。

秘密鍵を使ってPRNGにシードを設定すると、送信者と受信者は同じ疑似乱数の画素座標列をそれぞれ独立して生成できます。送信者はその座標にだけビットを埋め込み、受信者は同じ座標から同じ順序でビットを抽出します。鍵を知らない攻撃者は、ステガノグラフィーが使われたことを知っていても、組合せ探索問題に直面します。

OpenStegoとSteghideは、パスワードベースの暗号化にも対応したLSBステガノグラフィーを実装する、人気のオープンソースツールです。SteghideはJPEG、BMP、WAV、AU形式に対応し、埋め込み位置の選択とペイロードの暗号化の両方にパスフレーズを使用します。パスフレーズを使用すれば、隠しデータの存在が検出されても、内容の復元にはパスフレーズが必要になります。

BMPファイルは非圧縮の画素データをそのまま保存するため、LSBの埋め込みが簡単で、データも失われません。JPEGは非可逆圧縮を使用し、高周波の細部を破棄して画素値をわずかに変更します。保存前にJPEGへLSB方式で埋め込んだデータは、再圧縮によって破壊されます。JPEGでステガノグラフィーを行うには、画素値ではなく周波数領域のDCT係数を扱う必要があります。これはより複雑ですが、広く使われています。

より多くのデータを埋め込むとペイロード容量は増えますが、統計的な歪みも大きくなります。チャネルごとに2ビットを使用すると容量は2倍になりますが、統計的特徴が強くなります。StegExposeのようなツールは、画素ペアの分布を分析することで、一般的なLSBツールを検出できます。検出アルゴリズムを作動させないため、安全なペイロードは通常、キャリア容量の10～15パーセント未満に抑えられます。

画素ペア解析は、LSB埋め込みによって生じる予測可能なアーティファクトを利用します。自然画像には画素値ペアに特徴的な分布がありますが、LSBの埋め込みによって、奇数値が偶数値に、またはその逆に変わるため、この分布がわずかに乱れます。近い値を持つ画素ペアの比率を測定することで、ステガナリストは埋め込みが行われたかどうかと、隠されたデータ量のおおよその大きさを推定できます。

1,000,000ピクセルの24ビットカラーBMP画像で、カラーチャネルごとに1つのLSBを使用します。どの程度のデータを隠せますか。

LSBステガノグラフィでは、ピクセルのカラーチャネルの最下位ビットに秘密のビットを埋め込むため、見た目にはほとんど変化が生じません。隠しデータ1バイトには8ピクセルが必要です。1メガピクセルの画像では、チャネルごとに1つのLSBを使用すると約375KBを隠せます。共有キーを使用したPRNGベースのピクセル選択により、セキュリティが向上します。JPEGではDCT領域への埋め込みが必要です。ピクセルペアの分布を統計的に分析することで、LSBの埋め込みを検出できます。