Анализ стойкости метода коха-жао стеганографического встраивания информации в статические изображения

Дмитрий Андрущенко, Галина Козина УДК 004.056.5+003.26 АНАЛИЗ СТОЙКОСТИ МЕТОДА КОХА-ЖАО СТЕГАНОГРАФИЧЕСКОГО ВСТРАИВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ В СТАТИЧЕСКИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ Дмитрий Андрущенко, Галина Козина Запорожский национальный технический университет Аннотация: Рассмотрен метод стеганографического встраивания информации Коха-Жао. В статье проведен анализ стойкости данного метода к JPEG-компрессии изображений со встроенным сообщением. Разработаны рекомендации по выбору параметров алгоритма. Summary: The steganographic Koch and Zhao method is considered. The robustness of this method to the JPEG-compression of images with embedded data is analyzed. The robust algorithm settings are recommended. Ключевые слова: Стеганоанализ, статическое изображение, метод Коха-Жао, алгоритм сжатия JPEG. I Введение В связи с широким распространением мультимедийных технологий в последние годы появился значительный интерес к стеганографии. За это время было опубликовано немало качественных алгоритмов стеганографического скрытия данных в изображениях, как в зарубежной, так и отечественной литературе [1–4]. Однако значительно меньше публикаций посвящено анализу стойкости предложенных алгоритмов к различным атакам. Стеганографических методов, одинаково стойких ко всем видам атак, на сегодняшний день не существует. Поэтому при выборе стеганоалгоритма важно иметь в наличии как можно более подробный анализ стойкости этих алгоритмов к различным видам атак. Другим важным требованием к стеганосистемам является «незаметность» встроенного сообщения, для обеспечения которого искажения, вносимые в контейнер во время скрытия в нем информации, должны быть минимальными, но обеспечивать при этом необходимую стойкость к определенным видам атак. В данной работе исследована стойкость стеганографического метода Коха-Жао к атаке сжатия JPEG в зависимости от различных параметров реализации алгоритма [1]. II Постановка задачи Алгоритм Коха-Жао для скрытия данных использует частотную область контейнера и заключается в относительной замене величин коэффициентов дискретного косинусного преобразования (ДКП). Изображение разбивается на блоки размерностью 8×8 пикселей и к каждому блоку применяется ДКП. Каждый блок пригоден для записи одного бита информации. При организации секретного канала выбираются два коэффициента ДКП из полосы средних частот, которые задаются координатами и . Для передачи бита «0» эти коэффициента изменяются так, чтобы разница между ними стала не ниже некоторой фиксированной величины . Для передачи бита «1» эта разница должна стать не выше, чем . После этого производится обратное ДКП. От выбора параметров и зависит величина вносимых изменений при встраивании информации в контейнер и стойкость стеганосистемы. Цель данной работы – исследование стойкости стеганографической системы к JPEG-компрессии с различными коэффициентами сжатия и разработка рекомендаций по выбору параметров алгоритма Коха-Жао при организации секретного канала передачи информации. III Решение задачи Для количественной оценки величины искажения использовалось пиковое отношение сигнал/шум, вычисляемое в децибелах [2]: , (1) где – число пикселей в изображении, – значения пикселей исходного изображения и изображения со встроенным сообщением, 255 – максимальное значение яркости полутонового изображения (т.е. 8 бит/пиксель). Такая модель хоть и не является точной, поскольку плохо согласовывается со зрительной системой человека, но она очень популярна в связи с трудностью математического описанию последней [1]. Если в среднем PSNR ≥ 28 дБ, то величину вносимых искажений можно считать приемлемой [2]. В некоторых случаях могут быть более жесткие требования к вносимым искажениям. Для проведения исследований было отобрано 10 фотографий размером 200х150 пикселей. В канал синего цвета каждой из них внедрено сообщение длиной 300 бит, представляющее собой битовое изображение размером 20х15 пикселей. Встраивание производилось в коэффициенты с координатами (4,5), (5,4) и (3,2), (2,3) при различных значениях параметра , которое изменялось от 5 до 55 с шагом 5. Таким образом, было получено 220 изображений, каждое из которых в дальнейшем было подвергнуто компрессии с различным коэффициентом сжатия , изменяющемся от 12 до 2 с шагом 1. Чем меньше , тем большему сжатию подвергаются изображения. Из всех сжатых изображений (2420 шт.) извлекалось сообщение, которое сравнивалось с оригиналом. Для оценки совпадения сообщений вычислялся коэффициент корреляции [2]: , (2) где – элементы оригинального и извлеченного сообщения; – количество бит сообщения. Различные варианты извлеченного сообщения и соответствующие коэффициенты корреляции представлены в таблице 1. Таблица 1 – Примеры оригинального сообщения и искаженных сообщений после извлечения и соответствующие коэффициенты корреляции Графическое сообщение 1 Коэффициент корреляции, 1,00 0,82 0,79 0,67 0,55 (оригинал) Графическое сообщение 2 Коэффициент корреляции, 1,00 0,99 0,94 0,89 0,72 (оригинал) IV Полученные результаты Результаты исследований представлены на рис. 1 и рис. 2. Анализ характера изменения кривых на рис. 1 показывает, что при увеличении параметра , значение коэффициента корреляции из зоны полного разрушения сообщения (заштрихованная область) переходит в зону частичного разрушения, после чего достигает уровня полного соответствия извлеченного и оригинального сообщений (), и в дальнейшем не изменяется. Анализ характера изменения кривых на рис. 2 показывает, что при компрессии контейнера с коэффициентом сжатия , величина параметра практически не влияет на пиковое отношение сигнал/шум PSNR (кривые сливаются на этом участке), что означает разрушение внедренного сообщения. Это подтверждается тем, что кривые на рис. 1 при находятся в зоне полного разрушения сообщения. Конечно, при увеличении параметра кривые перейдут в зону частичного разрушения, однако в данной работе было установлено, что при значениях могут появляться видимые изменения контейнера при встраивании информации, что является крайне нежелательным при построении стеганосистемы. Поэтому был сделан вывод, что метод Коха-Жао пригоден, если не требуется стойкость стеганосистемы к компрессии с коэффициентом сжатия . Полученные результаты также показали, что при встраивании сообщения в коэффициенты с координатами (3,2), (2,3) стойкость к сжатию, а, соответственно, и искажения контейнера оказались больше, чем при встраивании в коэффициенты с координатами (4,5), (5,4). Кроме того, сообщение не разрушается, когда искажения, вносимые компрессией изображений, не превышают искажений, вносимых внедрением сообщения. Интересно проследить за характером изменения значения пикового отношения сигнал/шум PSNR при (рис. 2). На участке значение PSNR убывает, а извлеченное сообщение полностью совпадает с оригиналом (рис. 1), следовательно, преобладают искажения, вносимые при встраивании информации. На участке значение PSNR возрастает, а извлеченное сообщение частично разрушено, значит, величина вносимых искажений при сжатии контейнера приближена к величине искажений, вносимых при встраивании информации. На участке значение PSNR снова убывает, а извлеченное сообщение полностью разрушено, значит, преобладают искажения, вносимые при сжатии контейнера. Рис. 1 – Изменение коэффициента корреляции для извлеченного и оригинального сообщений в зависимости от параметра при различных коэффициентах сжатия контейнера (для встраивания выбраны коэффициенты (4,5) и (5,4)) В зависимости от целей, предъявляемых к стеганосистеме, может требоваться различная стойкость к компрессии контейнера. Например, это может быть требование частичного соответствия извлеченного и оригинального сообщений с коэффициентом корреляции при компрессии контейнера с коэффициентом сжатия . На основании результатов исследований, полученных в данной работе, были разработаны рекомендации по выбору параметра при встраивании сообщения по алгоритму Коха-Жао в зависимости от предъявляемых требований к стойкости стеганосистемы (табл. 2). В случае требования частичного соответствия извлеченного и оригинального сообщений с коэффициентом корреляции при компрессии контейнера с коэффициентом сжатия рекомендуется значение . Если требуется полное соответствие извлеченного и оригинального сообщений () при компрессии контейнера с коэффициентом сжатия рекомендуется значение . Полученные результаты относятся к встраиванию сообщения, представляющего собой битовое изображение. Однако, если встраивается «обычный» текст, требуется полное соответствие извлеченного и оригинального сообщения. В этом случае можно пойти по следующему пути. Перед встраиванием сообщения воспользоваться одним из методов помехоустойчивого кодирования [5] для преобразования иплнаоп Рис. 2 – Изменение пикового отношения сигнал/шум в зависимости от параметра Р при различных коэффициентах сжатия контейнера (для встраивания выбраны коэффициенты (4,5) и (5,4)) текстового сообщения в помехоустойчивый код, предварительно сжав информацию. Это позволит с одной стороны избавиться от избыточности, которая всегда присуща в текстовой информации, а с другой – добавить специфическую избыточность, которая позволит восстановить сообщение после частичного разрушения. Таблица 2 – Оптимальное значение параметра алгоритма Р в зависимости от требований, предъявляемых к стойкости стеганосистемы \ 12 11 10 9 8 7 6 0,6 5 5 5 10 20 30 40 0,7 5 5 10 15 30 35 – 0,8 5 5 15 25 35 – – 0,9 5 10 15 30 40 – – 1 10 15 25 35 50 – – V Заключение Полученные результаты позволяют при организации секретного канала передачи информации обоснованно выбирать параметры алгоритма Коха-Жао, обеспечивающие необходимый уровень стойкости одновременно с максимально возможной «незаметностью» встроенного сообщения. Приемлемое значение параметра алгоритма Коха-Жао находится в диапазоне . Если , сообщение разрушается при малейшем сжатии контейнера. Если , видимые искажения, вносимые при встраивании информации в контейнер, чрезмерно велики. В случае приемлемых значений параметра алгоритм Коха-Жао может обеспечить стойкость к компрессии контейнера с коэффициентом сжатия при полном соответствии извлеченного сообщения либо частичном его разрушении. Если требуется стойкость к компрессии контейнера с коэффициентом сжатия , то алгоритм Коха-Жао не пригоден. В дальнейшем планируется создать систему стегоанализа для исследования стойкости других методов стеганографического встраивания информации к атакам, направленным на разрушение данных, встроенных в контейнер. Литература: 1. Конахович Г.Ф., Пузыренко А.Ю. Компьютерная стеганография. Теория и практика. – К.: МК-Пресс, 2006. – 288 с. 2. Грибунин В.Г., Оков И.Н., Туринцев И.В. Цифровая стеганография. – М.: СОЛОН-Пресс, 2002. – 272 с. 3. Аграновский А.В., Девянин П.Н., Хади Р.А. и др. Основы компьютерной стеганографии. – М.: Радио и связь, 2003. – 151 с. 4. Eyadat M., Vasikarla S. Performance evaluation of an incorporated DCT Block-Based Watermarking algorithm with Human Visual system Model // Pattern Recognition Journal. – 2005. – V. 26. – P. 1405-1411. 5. Золотарев В.В., Овечкин Г.В. Помехоустойчивое кодирование. Методы и алгоритмы: Справочник / Под ред. чл.-кор. РАН Ю.Б. Зубарева. – M.: Горячая линия-Телеком, 2004. – 126 c.

Похожие:

	Дипломному проекту на тему: «Разработка методов встраивания информации... Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “лэти” им. В. И. Ульянова (Ленина)” (СПбгэту)		Дипломному проекту на тему: «Разработка методов встраивания информации... Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “лэти” им. В. И. Ульянова (Ленина)” (СПбгэту)
	Программа Steganos Privacy Suite 11 19 Данный документ представляет собой пояснительную записку к выпускной работе бакалавра. Данная дипломная работа посвящена анализу...		Исследование по дисциплине «Социология рекламной деятельности» на... В качестве метода сбора эмпирической информации был выбран один из видов письменного опроса – онлайн анкетирование. Данный метод...
	Методическая разработка открытого занятия по теме: «Греко-латинские... Отработка умений анализировать, извлекать информацию, умение выражать свои мысли с применением объяснительно-иллюстративного метода,...		1. Источники информации 4 Вследствие развития рыночных отношений анализ финансового состояния деятельности предприятия приобретает наибольшую актуальность....
	Ф. Т. Михайлов Проблемы метода культурно-исторической психологии Статья получилась скорее об авторе, чем о содержании, заявленном заказным названием. Но проблемы метода теории, которой нет – тоже...		Открытая Cиcтема «человек» Если он не сможет отказаться от привычного диалектического метода, метода победы в споре, то непременно примет взгляды материалиста....
	Конфиденциальность гарантируется получателем информации Нарушение порядка представления статистической информации, а равно представление недостоверной статистической информации влечет ответственность,...		Автоматизированная система регистрации на услуги одо «Автопроспектсервис» Анализ технологии обработки информации в предметной области и определение требований к асои 4