Методика распознавания скрытой информации в изображениях на основе алгоритмов стеганографии

Abstract. The article discusses the basic concepts of steganography. The most common methods for hiding data using steganographic algorithms are described. The problem of stability of steganographic systems is described. A technique for detecting information in images is proposed based on the simultaneous use of two methods: signature and statistical. The role of the signature method is to check for possible empty containers in the image and their fullness. If the response is positive, the image is scanned using the chi-square method. A software implementation of detecting embedded information in graphic data is presented. The analysis of various known steganoanalytical methods was carried out and the percentage of hidden information detection in the image was revealed by each algorithm separately. Comparison of the effectiveness of the methods is presented in the form of histograms obtained on the basis of the experiments. Based on the comparison of steganalysis algorithms, the effectiveness of using the combined technique for detecting data in images is substantiated.

Keywords: steganography, hidden information, container, steganalysis, information protection, image, signature method, chi-square method.

Введение

В настоящее время можно столкнуться с нарушением конфиденциальности защищаемой информации. Причиной может послужить неправильно построенная система защиты, а именно: устаревшие технические средства защиты информации, слабая система идентификации и аутентификации, не удовлетворяющие требованиям средства от несанкционированного доступа, незащищенные каналы передачи данных, отсутствие антивирусной защиты. Однако существует еще одна проблема защиты: информация может быть встроена в некоторые графические, текстовые или иные файлы и незаметно передана. Это реализуется методами стеганографии.

Материалы и методы исследования

Стеганография - это наука о скрытой передаче информации путем сохранения в тайне самого факта передачи. Секретное сообщение при помощи стеганографии внедряется в не привлекающий внимание объект, который направляется адресату или размещается в общедоступной области. Получатель сообщения, зная стеганографический ключ, расшифровывает сообщение. На рисунке 1 представлена подробная схема стеганографических преобразований.

Рис. 1. Схема стеганосистемы

Математическая модель стеганосистемы представлена ниже. Процесс тривиального стеганографического преобразования описывается с помощью следующих зависимостей:

Зависимость (1) описывает процесс скрытия информации, зависимость (2) - извлечение скрытой информации. При этом оба адресата (отправитель и получатель) должны знать алгоритм прямого (Е) и обратного (D) стеганографического преобразования.

В общем случае стеганосистема представляется как совокупность ^= (C,M,S,E,D) контейнеров (оригиналов и результатов), сообщений и преобразований, которые их связывают.

В качестве контейнеров стеганографических систем могут быть:

- цифровые изображения;

- аудиофайлы;

- видеофайлы;

- текстовые документы;

- файлы в формате HTML [2].

Каждый контейнер стегосистемы имеет свои недостатки и проблемы использования. Основной является проблема устойчивости.

Практически невозможно встроить большой объем информации без визуально заметного искажения контейнера. Чем больше размер скрываемого сообщения, тем меньше надежность системы сокрытия. Задача непосредственно стеганографии состоит в том, чтобы найти середину между качеством контейнера после встраивания, размером встраиваемого сообщения и устойчивостью контейнера со встроенным сообщением к модификации или анализу [2, 3]. В зависимости от поставленной задачи, решаемой стеганографией, используются различные методы, которые требуют разного объема внедряемой информации и устойчивости к модификации контейнера.

В рамках данной статьи предлагается методика обнаружения информации в изображениях, основанная на одновременном использовании двух методов: сигнатурного и статистического.

Суть сигнатурного метода заключается в синтаксическом анализе предъявленной на вход распознающего устройства последовательности терминальных символов, определяющих контейнер [4]. На рисунке 2 представлен алгоритм работы сигнатурного метода, который состоит из пяти основных этапов.

Рис. 2. Алгоритм работы сигнатурного метода

Если же сигнатурный метод не идентифицировал стеганографические изменения, но выявил наличие контейнера или его заполненность, то далее файл атакуется методом хи- квадрат.

На рисунке 3 представлен алгоритм работы атаки хи-квадрат. В статистическом методе также выделяется пять основных этапов для сканирования контейнеров на наличие возможной встроенной информации.

Рис. 3. Алгоритм работы метода хи-квадрат

Алгоритм работы предложенной методики заключается в последовательном использовании сигнатурной и статистической атак для возможности обработки большего количества данных, а также для экономии времени. Использование атаки хи-квадрат при обнаружении контейнера или его заполненности обязательно, так как сигнатурный метод недостаточно надежен и не может дать полную оценку безопасности проверяемого файла, а может только провести предварительный анализ [4].

Предложенная методика была реализована в виде приложения на языке программирования C#. В результате работы программы появляется информационное сообщение, подтверждающее наличие или отсутствие скрытых данных в проверяемом изображении.

На основе разработанного приложения проведен сравнительный анализ предложенной методики с некоторыми другими методами, а именно: RS-анализ, метод анализа гистограмм, хи-квадрат, сигнатурный метод. Результаты сравнительного анализа приведены на рисунке 4.

Основное различие в использовании рассмотренных методов - это их скорость и эффективность обнаружения заполненных контейнеров [5]. Под эффективностью подразумевается вероятность обнаружения и применение к разным видам контейнеров.

На рисунке 4 представлены результаты проверки графических данных и указан процент выявления скрытой информации каждым методом. За основу был взят формат изображения BMP.

Для сравнительной характеристики вероятности обнаружения внедренных данных использовалось изображение, в котором была скрыта информация, и программы для непосредственного обнаружения этих данных: Jsteg, JPHide, OutGuess, F5. Каждая из программ использует один или несколько методов: RS-анализ, метод анализа гистограмм, хи-квадрат, сигнатурный метод [6].

При проверке рисунка с помощью указанных приложений был выявлен процент распознавания скрытой информации.

а)

б)

Рис. 4. Сравнительная статистика вероятности обнаружения скрытой информации:

а) при последовательной записи в НЗБ дискретных коэффициентов;

б) при псевдослучайной записи в НЗБ дискретных коэффициентов

Заключение

Таким образом, как уже было упомянуто, человеческому глазу не увидеть модифицированного изображения, то есть невозможно отличить «чистый» цифровой файл от содержащего информацию. Оба метода, используемые в предложенной методике, снижают времязатратность на поиск подозрительных данных, которые поступают в информационную систему.

С точки зрения защищенности информации предложенная методика обеспечивает стойкость и быстродействие выявления и предотвращения стеганографии. Стегоанализ помогает исключить вероятность использования стеганографии как таковой и повышает уровень защищенности системы в целом.