Esteganografia de imagens: técnica LSB

Uma imagem digital colorida é formada por pixels. Cada pixel armazena três valores de canais de cor: Vermelho, Verde e Azul, cada um variando de 0 a 255 e armazenado em um byte. Uma imagem de 1000x1000 pixels, portanto, contém três milhões de bytes individuais de dados de cor. Esse grande volume de dados cria espaço para ocultar pequenas quantidades de informações adicionais sem alteração visível.

Em um valor de 8 bits, o bit menos significativo contribui apenas com 1 para o valor quando definido, em comparação com 128 no caso do bit mais significativo. Inverter o LSB de um canal de cor altera o valor de um pixel em no máximo 1 de 255, uma mudança completamente imperceptível ao olho humano. Isso torna o LSB o local ideal para inserir bits ocultos sem degradar a qualidade visual da imagem.

Para ocultar um byte (8 bits) de dados secretos, sobrescrevemos o LSB de oito pixels consecutivos em um único canal de cor. Ler esses bits LSB de volta na ordem reconstrói o byte oculto original. Esse é o algoritmo mais simples de esteganografia LSB. A modificação na imagem é tão sutil que pares de pixels como (200, 201) parecem visualmente idênticos, enquanto a diferença no LSB transporta dados significativos.

Uma imagem BMP colorida de 24 bits com 1 milhão de pixels tem 3 milhões de bytes de dados de pixels e 3 milhões de valores individuais de canais de cor. Usando um LSB por canal, podemos ocultar 3 milhões de bits ou 375 quilobytes de dados. Com um arquivo de cobertura de 10 megapixels, é possível ocultar aproximadamente 3,75 megabytes. Isso é suficiente para milhares de documentos de texto ou pequenos executáveis.

O sistema visual humano é muito mais sensível à tonalidade e à saturação da cor do que a minúsculas diferenças de brilho de 1 unidade. Uma imagem com cada LSB substituído por dados secretos é visualmente indistinguível da original quando exibida em uma tela comum. A métrica de qualidade perceptiva PSNR (Relação Sinal-Ruído de Pico) para esteganografia LSB normalmente fica acima de 50 dB, bem acima do limiar de percepção humana.

A abordagem mais simples insere bits nos pixels sequencialmente, começando pelo canto superior esquerdo. Isso é fácil de implementar e detectar: os esteganalistas sabem exatamente onde procurar. Uma abordagem mais segura usa um gerador de números pseudoaleatórios inicializado com uma chave compartilhada para selecionar quais pixels e quais canais de cor receberão bits ocultos. Um analista sem a chave não consegue determinar onde a carga útil está inserida.

Ao inicializar um PRNG com uma chave secreta, o remetente e o destinatário podem gerar de forma independente a mesma sequência pseudoaleatória de coordenadas de pixels. O remetente insere bits apenas nessas coordenadas; o destinatário extrai os bits das mesmas coordenadas e na mesma ordem. Um invasor que não conhece a chave se depara com um problema de busca combinatória, mesmo sabendo que a esteganografia foi usada.

OpenStego e Steghide são ferramentas populares de código aberto que implementam esteganografia LSB com criptografia opcional baseada em senha. Steghide oferece suporte aos formatos JPEG, BMP, WAV e AU e aplica uma frase-senha tanto para selecionar os locais de inserção quanto para criptografar a carga útil. Usar uma frase-senha garante que, mesmo se a presença de dados ocultos for detectada, recuperar o conteúdo exigirá a frase-senha.

Os arquivos BMP armazenam dados de pixels brutos não comprimidos, tornando a inserção LSB simples e sem perdas. JPEG usa compressão com perdas que descarta detalhes de alta frequência e altera ligeiramente os valores dos pixels. Dados LSB inseridos em um JPEG antes de salvá-lo serão destruídos pela recompressão. A esteganografia em JPEG precisa operar no domínio da frequência (coeficientes DCT), e não nos valores dos pixels, o que é mais complexo, mas amplamente utilizado.

Inserir mais dados aumenta a capacidade da carga útil, mas também aumenta a distorção estatística. Usar dois bits por canal dobra a capacidade, mas torna a assinatura estatística mais forte. Ferramentas como StegExpose podem detectar ferramentas LSB comuns analisando as distribuições de pares de pixels. Em geral, mantém-se a carga útil segura abaixo de 10 a 15 por cento da capacidade do arquivo de cobertura para evitar acionar algoritmos de detecção.

A análise de pares de pixels explora um artefato previsível da inserção LSB. As imagens naturais têm uma distribuição característica de pares de valores de pixels; a inserção LSB a perturba ligeiramente, alterando valores ímpares para pares ou vice-versa. Ao medir a proporção de pares de pixels com valores próximos, os esteganalistas podem estimar tanto se houve inserção quanto aproximadamente quantos dados foram ocultados.

Uma imagem BMP colorida de 24 bits com 1.000.000 de pixels usa um LSB por canal de cor. Quantos dados podem ser ocultados?

A esteganografia LSB incorpora bits secretos nos bits menos significativos dos canais de cor dos pixels, causando uma alteração visual imperceptível. Um byte de dados ocultos requer oito pixels. Uma imagem de 1 megapixel pode ocultar cerca de 375 KB usando um LSB por canal. A seleção de pixels baseada em PRNG com uma chave compartilhada aumenta a segurança. JPEG exige incorporação no domínio DCT. A análise estatística por meio de distribuições de pares de pixels pode detectar a incorporação por LSB.