Стеганография изображений и аудио

Чтобы скрывать данные в изображении, сначала нужно понять, как изображения хранят цвет. Пиксель изображения RGB имеет три канала: красный, зелёный и синий; каждый обычно представлен 8-битным числом от 0 до 255.

Таким образом, один пиксель занимает три байта. Небольшое изображение размером 800x600 содержит 480 000 пикселей и 1,44 миллиона цветовых байтов. Именно эту избыточность использует стеганография: байтов гораздо больше, чем способен внимательно рассмотреть человеческий глаз.

Главная идея такова: зрительная система человека не различает значения цвета 200 и 201. В этом незаметном диапазоне и размещаются скрытые данные.

Встраивание в LSB заменяет младший разряд каждого байта цвета одним битом секрета. Поскольку младший бит изменяет значение всего на 1, визуальное изменение незаметно.

Рассмотрим встраивание бита 1 в значение красного канала, равное 200 (в двоичной форме 11001000). Замена последнего бита на 1 даёт 11001001 = 201 — изменение, которое человек не заметит.

Для тысяч пикселей полезную нагрузку восстанавливают, считывая эти младшие биты по порядку.

Сообщение представляет собой последовательность байтов, каждый из которых содержит 8 битов. Чтобы скрыть слово вместе с заголовком, содержащим длину, полезную нагрузку преобразуют в поток битов и записывают по одному биту в каждый цветовой канал.

Практическая система встраивания также сохраняет префикс длины или уникальную последовательность-терминатор, чтобы извлекатель знал, когда прекратить чтение; иначе он не сможет отличить полезную нагрузку от шума контейнера.

Именно это автоматизируют такие инструменты, как «стегхайд», «зстег» и «стегано», часто добавляя пароль и уровень шифрования.

Формат чрезвычайно важен из-за сжатия:

• Форматы без потерь (PNG, BMP) сохраняют каждый пиксель без изменений. Данные LSB сохраняются идеально, поэтому такие форматы являются идеальными контейнерами.
• Форматы с потерями (JPEG) отбрасывают мелкие детали при сжатии, из-за чего простые данные LSB разрушаются.

Для JPEG встраивание должно выполняться в коэффициенты DCT — значения частотной области, используемые при сжатии, — а не в исходные пиксели. Такие инструменты, как стегхайд, а также классические ДжейСтег/OutGuess, работают именно с ними, поэтому полезная нагрузка переживает этап сжатия.

Простое встраивание в LSB пикселей отличается хрупкостью. Любая операция, изменяющая значения пикселей, разрушает скрытые биты:

• Повторное сохранение в формате JPEG сжатие с потерями перезаписывает байты.
• Изменение размера или кадрирование повторная выборка изменяет каждое значение.
• Коррекция цвета сдвиги яркости и контрастности.
• Загрузка в социальные сети платформы автоматически перекодируют изображения.

Это относится к вершине треугольника, связанной с устойчивостью. Если полезная нагрузка должна переживать редактирование, например в случае водяного знака, встраивайте её в частотную область (DCT/DWT) и соглашайтесь на меньшую ёмкость в обмен на устойчивость.

Простое встраивание записывает данные в пиксели последовательно, начиная с верхнего левого угла, что создаёт заметный статистический след. Более скрытные методы распределяют полезную нагрузку так, чтобы затруднить анализ:

• Псевдослучайное размещение стегоключ инициализирует PRNG, который выбирает пиксели для хранения битов, поэтому последовательность выглядит случайной.
• Зашумлённые области встраивание в текстурированные участки, например траву или волосы, где изменения уже присутствуют, а не в однородное небо.
• Адаптивное встраивание современные алгоритмы минимизируют функцию стоимости обнаружения.

Стегоключ также действует как пароль: без него аналитик не сможет восстановить порядок битов, даже если заподозрит сокрытие данных.

Аудио работает по тому же принципу, что и изображения, но во временной или частотной области. Файл WAV хранит отсчёты — обычно 16-битные числа, представляющие амплитуду, — тысячи раз в секунду.

Встраивание в LSB аудиоданных перезаписывает младший бит каждого отсчёта. Изменение 16-битной амплитуды на 1 настолько мало, что находится значительно ниже порога человеческого слуха, поэтому звучание остаётся неизменным.

При 44 100 отсчётах в секунду на канал аудио предоставляет большую ёмкость, хотя форматы с потерями уничтожают LSB исходных отсчётов так же, как JPEG уничтожает LSB пикселей.

Помимо LSB, стеганография в аудио использует особенности восприятия, основанные на работе слуха:

• Фазовое кодирование изменяет фазу компонентов аудиосигнала; слух нечувствителен к абсолютной фазе.
• Скрытие с помощью эха добавляет крошечные незаметные эхо-сигналы, задержка которых кодирует биты.
• Метод расширенного спектра распределяет полезную нагрузку по широкому диапазону частот в виде низкоуровневого шума, устойчивого к редактированию.
• Внедрение тонов скрывает данные с помощью тонов, замаскированных более громкими близлежащими звуками (психоакустическое маскирование).

Эти методы обменивают ёмкость на устойчивость и скрытность, подобно методам работы с изображениями в частотной области.

Общая для разных типов данных идея заключается в выборе области:

• Пространственная или временная область данные встраиваются непосредственно в пиксели или отсчёты. Метод прост и обеспечивает большую ёмкость, но плохо переносит сжатие.
• Частотная область сигнал преобразуется (DCT для JPEG, DWT для вейвлетов, FFT для аудио), данные встраиваются в коэффициенты, а затем выполняется обратное преобразование. Метод более устойчив и скрытен, но обеспечивает меньшую ёмкость и сложнее в реализации.

Правило таково: если контейнер будут сжимать, изменять его размер или пересылать, встраивайте данные в частотной области. Для исходных контейнеров без потерь вполне подходит пространственное встраивание в LSB.

Перед встраиванием оцените, какой объём данных можно безопасно скрыть. Полезный ориентир — скорость встраивания: количество скрытых битов на один бит контейнера.

• 1 бит на канал (полный LSB) максимальная ёмкость, но наибольшая заметность для анализа.
• Дробные значения использование только части пикселей уменьшает ёмкость, но значительно повышает незаметность.

Изображение RGB размером 1920x1080 содержит около 6,2 миллиона цветовых байтов — примерно 777 KB при полном использовании LSB. Однако при встраивании с учётом безопасности используют лишь часть этого объёма, поскольку заполнение каждого LSB создаёт статистические аномалии, которые средства стегоанализа легко обнаруживают.

С точки зрения защитника понимание методов встраивания подсказывает, на что следует обращать внимание:

• Несоответствия формата файл PNG/BMP там, где ожидается JPEG, может указывать на выбор контейнера без потерь для встраивания в LSB.
• Аномалии размера файл необычно велик по сравнению с его видимым содержимым.
• Перекодирование как мера защиты платформы, повторно сжимающие все загружаемые файлы, разрушают простые полезные нагрузки LSB; это недорогая мера защиты.
• Статистический анализ встраивание в полный LSB выравнивает естественное распределение значений битов, что обнаруживается стегоанализом.

Эти признаки ведут к следующему уроку: обнаружению скрытых данных.

Проверьте, насколько хорошо Вы поняли выбор формата.

Вы узнали, как данные действительно встраиваются в медиафайлы.

• Встраивание в LSB перезаписывает младший бит каждого цветового или аудиоотсчёта; изменение на 1 остаётся незаметным.
• Префикс длины или терминатор отмечает конец полезной нагрузки; такие инструменты, как стегхайд и стегано, автоматизируют этот процесс с возможностью добавить шифрование.
• Форматы без потерь (PNG, BMP, WAV) сохраняют данные LSB; форматы с потерями (JPEG и звуковые форматы с потерями) требуют встраивания в частотной области (DCT, эхо или расширенный спектр).
• Скрытность повышается благодаря псевдослучайному размещению, встраиванию в зашумлённые области и адаптивным алгоритмам, управляемым стегоключом.
• Выбор между пространственной и частотной областью представляет собой компромисс между ёмкостью и устойчивостью.
• Защитники отслеживают несоответствия формата, аномалии размера и статистические признаки, а также используют перекодирование для уничтожения простых полезных нагрузок.

Далее Вы научитесь обнаруживать скрытые данные с помощью стегоанализа.