Стеганография изображений: метод LSB

Цифровое цветное изображение состоит из пикселей. Каждый пиксель хранит три значения цветовых каналов: красного, зеленого и синего, каждое в диапазоне от 0 до 255 и хранящееся в одном байте. Таким образом, изображение размером 1000x1000 пикселей содержит три миллиона отдельных байтов цветовых данных. Такой большой объем данных позволяет скрыть небольшое количество дополнительной информации без видимых изменений.

В 8-битном значении наименее значащий бит добавляет к значению только 1, если установлен, тогда как наиболее значащий — 128. Инвертирование LSB цветового канала изменяет значение пикселя не более чем на 1 из 255 — изменение, совершенно незаметное человеческому глазу. Поэтому LSB идеально подходит для встраивания скрытых битов без ухудшения видимого качества изображения.

Чтобы скрыть один байт (8 бит) секретных данных, перезаписывают LSB восьми последовательных пикселей в одном цветовом канале. Считывание этих LSB по порядку восстанавливает исходный скрытый байт. Это простейший алгоритм стеганографии LSB. Изменение изображения настолько незаметно, что пары пикселей, например (200, 201), визуально выглядят одинаково, а различие LSB несет осмысленные данные.

Цветное BMP-изображение с глубиной 24 бита и 1 миллионом пикселей содержит 3 миллиона байтов данных пикселей и 3 миллиона отдельных значений цветовых каналов. Используя по одному LSB на канал, можно скрыть 3 миллиона битов, или 375 килобайт данных. В изображении-носителе размером 10 мегапикселей можно скрыть примерно 3,75 мегабайта. Этого достаточно для тысяч текстовых документов или небольших исполняемых файлов.

Зрительная система человека гораздо чувствительнее к оттенку и насыщенности цвета, чем к мельчайшим различиям яркости в 1 единицу. Изображение, в котором каждый LSB заменен секретными данными, визуально неотличимо от оригинала при просмотре на обычном дисплее. Метрика перцептивного качества PSNR (пиковое отношение сигнала к шуму) для стеганографии LSB обычно превышает 50 дБ, что значительно выше порога человеческого восприятия.

Простейший подход встраивает биты в пиксели последовательно, начиная с верхнего левого угла. Его легко реализовать и обнаружить: специалисты по стеганоанализу точно знают, где искать. Более защищенный подход использует генератор псевдослучайных чисел, инициализированный общим ключом, чтобы выбрать, какие пиксели и какие цветовые каналы будут содержать скрытые биты. Аналитик без ключа не может определить, где встроена полезная нагрузка.

Инициализировав PRNG секретным ключом, отправитель и получатель могут независимо сгенерировать одну и ту же псевдослучайную последовательность координат пикселей. Отправитель встраивает биты только по этим координатам; получатель извлекает их по тем же координатам в том же порядке. Злоумышленник, не знающий ключа, сталкивается с комбинаторной задачей поиска, даже если знает, что использовалась стеганография.

OpenStego и Steghide — популярные инструменты с открытым исходным кодом, реализующие стеганографию LSB с необязательным шифрованием на основе пароля. Steghide поддерживает форматы JPEG, BMP, WAV и AU и использует парольную фразу как для выбора мест встраивания, так и для шифрования полезной нагрузки. Парольная фраза обеспечивает, что даже при обнаружении скрытых данных для восстановления содержимого потребуется эта фраза.

Файлы BMP хранят необработанные несжатые данные пикселей, поэтому встраивание LSB выполняется просто и без потерь. JPEG использует сжатие с потерями, которое отбрасывает высокочастотные детали и слегка изменяет значения пикселей. LSB, встроенный в JPEG до сохранения файла, будет уничтожен повторным сжатием. Стеганография в JPEG должна работать в частотной области (коэффициенты DCT), а не со значениями пикселей; это сложнее, но широко применяется.

Встраивание большего объема данных увеличивает емкость полезной нагрузки, но также усиливает статистическое искажение. Использование двух битов на канал удваивает емкость, но делает статистический признак заметнее. Такие инструменты, как StegExpose, могут обнаруживать распространенные инструменты LSB, анализируя распределения пар пикселей. Чтобы не запускать алгоритмы обнаружения, безопасный объем полезной нагрузки обычно ограничивают 10–15 процентами емкости носителя.

Анализ пар пикселей использует предсказуемый артефакт встраивания LSB. Естественные изображения имеют характерное распределение пар значений пикселей; встраивание LSB слегка нарушает его, превращая нечетные значения в четные и наоборот. Измеряя соотношение пар пикселей с близкими значениями, специалисты по стеганоанализу могут оценить, происходило ли встраивание, а также приблизительный объем скрытых данных.

24-битное цветное изображение BMP с 1 000 000 пикселей использует по одному LSB на каждый цветовой канал. Сколько данных можно скрыть?

Стеганография LSB встраивает секретные биты в наименее значащие биты цветовых каналов пикселей, вызывая незаметное визуальное изменение. Для одного байта скрытых данных требуется восемь пикселей. В изображении размером 1 мегапиксель можно скрыть около 375 КБ, используя по одному LSB на канал. Выбор пикселей на основе PRNG с общим ключом повышает безопасность. Для JPEG требуется встраивание в области DCT. Статистический анализ с помощью распределений пар пикселей позволяет обнаружить встраивание LSB.