이미지 스테가노그래피: LSB 기법

디지털 색상 이미지는 픽셀로 구성됩니다. 각 픽셀에는 빨강, 초록, 파랑이라는 세 가지 색상 채널 값이 저장되며, 각 값의 범위는 0에서 255이고 1바이트에 저장됩니다. 따라서 1000x1000 픽셀 이미지는 색상 데이터로 300만 개의 개별 바이트를 포함합니다. 이렇게 많은 데이터가 있기 때문에 눈에 띄는 변화 없이 소량의 추가 정보를 숨길 수 있습니다.

8비트 값에서 최하위 비트는 설정되었을 때 값에 1만큼만 기여하지만, 최상위 비트는 128만큼 기여합니다. 색상 채널의 LSB를 뒤집어도 픽셀 값은 255 중 최대 1만큼만 변하므로 사람의 눈에는 전혀 보이지 않습니다. 따라서 LSB는 보이는 이미지 품질을 저하시키지 않고 숨겨진 비트를 삽입하기에 가장 적합한 위치입니다.

비밀 데이터 1바이트(8비트)를 숨기려면 하나의 색상 채널에서 연속된 8개 픽셀의 LSB를 덮어씁니다. 이 LSB를 순서대로 다시 읽으면 원래 숨겨진 바이트를 복원할 수 있습니다. 이것은 가장 단순한 LSB 스테가노그래피 알고리즘입니다. 이미지의 변화가 매우 미묘하므로 (200, 201)과 같은 픽셀 쌍은 시각적으로 동일하게 보이지만 LSB의 차이가 의미 있는 데이터를 전달합니다.

픽셀이 100만 개인 24비트 색상 BMP 이미지에는 300만 바이트의 픽셀 데이터와 300만 개의 개별 색상 채널 값이 있습니다. 채널당 LSB 하나를 사용하면 300만 비트, 즉 375킬로바이트의 데이터를 숨길 수 있습니다. 1천만 픽셀의 매개체 파일에는 약 3.75메가바이트를 숨길 수 있습니다. 이는 수천 개의 텍스트 문서나 소형 실행 파일을 저장하기에 충분합니다.

인간의 시각 체계는 1단위의 미세한 밝기 차이보다 색상과 채도의 변화에 훨씬 더 민감합니다. 모든 LSB를 비밀 데이터로 바꾼 이미지도 일반적인 디스플레이에서 보면 원본과 시각적으로 구별되지 않습니다. LSB 스테가노그래피의 지각 품질 지표인 PSNR(최대 신호 대 잡음비)은 일반적으로 50dB를 넘으며, 이는 인간이 인지할 수 있는 한계보다 훨씬 높습니다.

가장 단순한 방법은 왼쪽 위 모서리부터 픽셀에 순서대로 비트를 삽입하는 것입니다. 구현과 탐지가 쉽기 때문에 스테가노분석가는 정확히 어디를 살펴봐야 하는지 알 수 있습니다. 더 안전한 방법은 공유 키로 초기화한 의사 난수 생성기를 사용하여 숨겨진 비트를 받을 픽셀과 색상 채널을 선택하는 것입니다. 키가 없는 분석가는 숨길 데이터가 어디에 삽입되었는지 알아낼 수 없습니다.

비밀 키로 PRNG를 초기화하면 발신자와 수신자가 동일한 의사 난수 픽셀 좌표 시퀀스를 각자 생성할 수 있습니다. 발신자는 해당 좌표에만 비트를 삽입하고, 수신자는 같은 순서로 같은 좌표에서 비트를 추출합니다. 공격자가 키를 모르는 경우 스테가노그래피가 사용되었다는 사실을 알고 있더라도 조합 탐색 문제에 직면합니다.

OpenStego와 스테그하이드는 선택적으로 비밀번호 기반 암호화를 적용하는 인기 오픈 소스 도구이며 LSB 스테가노그래피를 구현합니다. 스테그하이드는 JPEG, BMP, WAV, AU 형식을 지원하고, 삽입 위치를 선택하는 일과 숨길 데이터를 암호화하는 일 모두에 암호 문구를 적용합니다. 암호 문구를 사용하면 숨겨진 데이터의 존재가 탐지되더라도 내용을 복구하려면 암호 문구가 필요합니다.

BMP 파일은 압축되지 않은 원시 픽셀 데이터를 저장하므로 LSB 삽입을 간단하고 손실 없이 수행할 수 있습니다. JPEG는 손실 압축을 사용하여 고주파 세부 정보를 버리고 픽셀 값을 약간 변경합니다. 저장하기 전에 JPEG에 삽입한 LSB 데이터는 재압축으로 파괴됩니다. JPEG에서 스테가노그래피를 사용하려면 픽셀 값이 아니라 주파수 영역의 DCT 계수에 데이터를 삽입해야 하므로 더 복잡하지만 널리 사용됩니다.

더 많은 데이터를 삽입하면 숨김 데이터 용량은 늘어나지만 통계적 왜곡도 커집니다. 채널당 2비트를 사용하면 용량이 두 배가 되지만 통계적 특징이 더 뚜렷해집니다. StegExpose와 같은 도구는 픽셀 쌍 분포를 분석하여 일반적인 LSB 도구를 탐지할 수 있습니다. 탐지 알고리즘이 작동하지 않도록 안전한 숨김 데이터 양은 일반적으로 매개체 용량의 10~15% 미만으로 유지합니다.

픽셀 쌍 분석은 LSB 삽입으로 생기는 예측 가능한 흔적을 이용합니다. 자연 이미지에는 픽셀 값 쌍의 특징적인 분포가 있지만, LSB 삽입은 홀수 값을 짝수로 바꾸거나 그 반대로 바꾸면서 이 분포를 약간 흐트러뜨립니다. 스테가노분석가는 값이 가까운 픽셀 쌍의 비율을 측정하여 삽입이 이루어졌는지와 숨겨진 데이터의 대략적인 양을 추정할 수 있습니다.

24비트 컬러 BMP 이미지에 픽셀이 1,000,000개 있고 각 색상 채널마다 LSB 하나를 사용한다면, 얼마나 많은 데이터를 숨길 수 있습니까?

LSB 스테가노그래피는 픽셀 색상 채널의 최하위 비트에 비밀 비트를 삽입하여 눈으로 감지할 수 없는 시각적 변화를 일으킵니다. 숨긴 데이터 1바이트에는 픽셀 8개가 필요합니다. 1메가픽셀 이미지는 채널마다 LSB 하나를 사용하여 약 375킬로바이트를 숨길 수 있습니다. 공유 키를 사용하는 PRNG 기반 픽셀 선택은 보안을 향상합니다. JPEG에는 DCT 영역 삽입이 필요합니다. 픽셀 쌍 분포를 이용한 통계 분석으로 LSB 삽입을 탐지할 수 있습니다.