«Эффективность применения цифровых изображений в компьютерной стеганографии» (стр. 2 из 4)

· слабой чувствительностью человеческого глаза к незначительным изменениям цветов изображения, его яркости, контрастности, содержанию в нем шума, искажениям вблизи контуров;

· хорошо разработанными в последнее время методами цифровой обработки изображений.

Надо отметить, что последняя причина вызывает и значительные трудности в обеспечении скрытности секретных сообщений: чем более совершенными становятся методы сжатия, тем меньше остается возможностей для встраивания посторонней информации. Не случайно поэтому стеганоалгоритмы учитывают свойства системы человеческого зрения (СЧЗ), аналогично алгоритмам сжатия изображений. В стеганоалгоритмах зачастую используются те же преобразования, что и в современных алгоритмах сжатия (дискретное косинусное преобразование (ДКП) – в JPEG, вейвлет-преобразование – в JPEG2000). При этом существуют, очевидно, три возможности. Вложение информации может производиться в исходное изображение, либо одновременно с осуществлением сжатия изображения-контейнера, либо в уже сжатое алгоритмом JPEG изображение.

На начальном этапе большой популярностью пользовались методы встраивания информации в пространственную область изображения (исходное изображение), так как выполнение линейных ортогональных преобразований изображений обладало достаточной вычислительной сложностью, несмотря на наличие быстрых алгоритмов. Кроме того, на начальном этапе большинство цифровых изображений хранилось в несжатом виде.

С ростом вычислительной мощности персонального компьютера, проблема вычислительной сложности отошла на второй план. В то же время, стремительный рост количества цифровой графической информации и необходимость её передачи по сетям привели к необходимости хранения изображений в сжатом виде. В результате, особую важность приобрела разработка алгоритмов встраивания в область преобразований, как достаточно устойчивых (в отличие от первой группы алгоритмов) к процессу сжатия.

Ввиду того, что свойства человеческого зрения (СЧЗ) оказывают решающую роль на алгоритмы скрытия данных в изображениях, коротко опишем их.

Свойства СЧЗ можно разделить на две группы: низкоуровневые («физиологические») и высокоуровневые («психофизиологические»). Вплоть до середины 90-х годов исследователи принимали во внимание, главным образом, низкоуровневые свойства зрения. В последние годы наметилась тенденция построения стеганоалгоритмов с учетом и высокоуровневых характеристик СЧЗ.

Выделим три наиболее важных низкоуровневых свойства, влияющих на заметность постороннего шума в изображении: чувствительность к изменению яркости изображения, частотная чувствительность и эффект маскирования.

Чувствительность к изменению яркости можно определить следующим образом [5]. Испытуемому показывают некоторую однотонную картинку (рис. 1,1). После того, как глаз адаптировался к ее освещенности

, «настроился на нее», постепенно изменяют яркость вокруг центрального пятна. Изменение освещенности продолжают до тех пор, пока оно не будет обнаружено. На рис. 1, 2 показана зависимость минимального контраста от яркости (для удобства мы поменяли привычное расположение осей).

Частотная чувствительность СЧЗ проявляется в том, что человек гораздо более восприимчив к низкочастотному, чем к высокочастотному шуму. Это связано с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики системы зрения человека. Экспериментально ее можно определить при помощи того же опыта, что и при яркостной чувствительности. Но на этот раз в центральном квадрате изменяются пространственные частоты до тех пор, пока изменения не станут заметными.

Рис. 1. Чувствительность к контрасту (1) и порог неразличимости

(2).

Элементы СЧЗ разделяют поступающий видеосигнал на отдельные компоненты. Каждая составляющая возбуждает нервные окончания глаза через ряд подканалов. Выделяемые глазом компоненты имеют различные пространственные и частотные характеристики, а также различную ориентацию (горизонтальную, вертикальную, диагональную) [6]. В случае одновременного воздействия на глаз двух компонентов со сходными характеристиками возбуждаются одни и те же подканалы. Это приводит к эффекту маскирования, заключающегося в увеличении порога обнаружения видеосигнала в присутствии другого сигнала, обладающего аналогичными характеристиками. Поэтому, аддитивный шум гораздо заметнее на гладких участках изображения, чем на высокочастотных.

Высокоуровневые свойства СЧЗ пока редко учитываются при построении стеганоалгоритмов. Их отличием от низкоуровневых является то, что эти свойства проявляются «вторично», обработавший первичную информацию от СЧЗ мозг выдает команды на ее «подстройку» под изображение. Перечислим основные из этих свойств.

· Чувствительность к контрасту. Высококонтрастные участки изображения, перепады яркости обращают на себя значительное внимание.

· Чувствительность к размеру. Большие участки изображения «заметнее» меньших размером.

· Чувствительность к форме. Длинные и тонкие объекты вызывают большее внимание, чем круглые однородные.

· Чувствительность к цвету. Некоторые цвета (например, красный) «заметнее» других.

· Люди обычно внимательнее к изображениям переднего плана, чем заднего.

· Если на изображении есть люди, в первую очередь человек обратит свое внимание на них (лицо, глаза, рот, руки).

· Чувствительность к внешним раздражителям. Движение глаз наблюдателя зависит от полученной им перед просмотром дополнительной информации.

Критерии эффективности в стеганографии изображений.

Под термином «эффективность» в стеганографии будем понимать возможность решения с помощью цифровых изображений основных задач стеганографии: быстро и скрытно передавать большие объемы информации. Существует очень большое количество факторов, влияющих на эффективность стеганографии цифровых изображений.

Среди этих факторов можно выделить группу технических критериев эффективности, которые поддаются строгому математическому описанию и имеют некоторый набор численных характеристик. В качестве примера такого критерия можно привести отношение максимального размера встраиваемого сообщения, не приводящего к искажению изображения, к размеру самого контейнера.

С другой стороны, существуют критерии эффективности, не поддающиеся техническому описанию, но по-прежнему играющие исключительную роль в формировании понятия «эффективность». Рассматривая несколько графических форматов, можно утверждать, что применять один из них эффективнее, чем другой. Причиной для этого может являться то, что один из форматов имеет гораздо большее распространение (в том числе, в сети Интернет), чем остальные. Более того, использование некоторых форматов для нетипичных для них целей само по себе может быть подозрительным и провоцировать атаки. Например, выложенные на сайт в сети Интернет фотографии друзей в формате BMP (имеющие размер порядка нескольких мегабайт) определенно вызовут подозрение у посетителей (ведь современные алгоритмы сжатия позволяют сжимать фотографии в 20-30 раз с приемлемой потерей качества). К тому же, для некоторых форматов (например, упомянутый выше формат BMP) разработан широчайший спектр методов и инструментов стеганоанализа, и эти форматы являются более уязвимыми, а значит и менее эффективными с точки зрения стеганографии.

Проанализируем наиболее важные критерии эффективности применения цифровых изображений в стеганографии.

1. Скрытность или стеганографическая стойкость. Удовлетворение требованию скрытности является обязательным для абсолютно любой стеганосистемы. В применении к графической стеганосистеме, стойкость связана с изменениями (искажениями), вносимыми в исходное изображение при встраивании сообщения. Требование стойкости считается невыполненным, если изображение поддается атаке посредством простого визуального анализа. Такая стеганосистема обладает крайне низкой эффективностью и не может найти практического применения, так как не соответствует минимальному уровню безопасности (Рис. 2).

Рис.2. Результат работы алгоритма, не отвечающего требованиям стойкости.
1 – исходное изображение, 2- изображение со встроенным сообщением.

Как правило, при создании стеганографических алгоритмов, наибольший объем исследований связан именно с обеспечением скрытности. Производятся эксперименты, позволяющие установить, как изменение той или иной части файла-контейнера влияет на результирующее изображение. Стойкость стеганоалгоритма в значительной степени определяется размерами встраиваемого сообщения.

2. Размер встраиваемого сообщения. Эффективность использования цифрового изображения для хранения секретной информации в значительной мере определяется максимальным возможным размером секретного сообщения. Как правило, численно этот критерий характеризуется процентным соотношением между объемом встраиваемого сообщения и исходным объемом контейнера. В отношении изображений, данная величина варьируется в зависимости от используемого графического формата.

Главным «ограничителем» максимального размера сообщения для конкретного графического файла выступает описанное выше требование скрытности. В стеганографии имеется фундаментальная зависимость между стойкостью встраивания и размером встраиваемого сообщения. Эта зависимость имеет обратно пропорциональный характер: чем больше объем встраиваемого в заранее заданный контейнер сообщения, тем ниже надежность сокрытия этой информации в контейнере (Рис.3).