Вадим Грибунин - Цифровая стеганография
Рис. 3.13. Оценки скорости передачи скрываемых сообщений в зависимости от отношения сигнал/шум
Рис. 3.14. Оценки скорости передачи скрываемых сообщений в зависимости от отношения сигнал/шум для низкочастотного изображения «Lena» и высокочастотного изображения «Eiger»
Верхние и нижние границы скрытой ПС в работе [4] были вычислены для двух типовых полутоновых изображений. На левом графике рис. 3.14 показаны верхняя и нижняя границы величины скрытой пропускной способности стеганографического канала для тестового портретного изображения «Lena». В качестве оценки энтропии этого изображения была использована достигнутая алгоритмом CALIC скорость 4,6321 бит на пиксел. Правый график показывает верхнюю и нижнюю границы величины скрытой ПС для тестового пейзажного изображения «Eiger» (скорость CALIC 5,2366 бит на пиксел). На этих же графиках точками указаны достигнутые скорости передачи скрываемого сообщения в предложенной в работе [4] системе скрытия данных в изображении с расширением спектра (SSIS). Отметим, что достигнутые в стегосистеме SSIS скорости передачи скрываемых сообщений лежат между верхней и нижней границами скрытой пропускной способности, вычисленных для использованных контейнерных изображений.
Из рис. 3.13 и рис. 3.14 видно, что величина скрытой ПС приблизительно линейно зависит от отношения сигнал/шум при малых величинах ОСШ. Отношение сигнал/шум может быть использовано в качестве объективной оценки степени необнаруживаемости скрываемого сообщения. Для различных видов скрываемых сообщений допустимая величина ОСШ разная. Пусть в аддитивной стегосистеме речевое сообщение скрытно передается в составе контейнера с гауссовским распределением. Признаки наличия речи не выявляются на слух и с использование инструментальных методов при ОСШ не превышающем -16…-20 дБ [33]. Если прятать речь в изображении, характеристики которого существенно отличаются от статистики гауссовского сигнала, то можно надеяться, что допустимая с точки зрения необнаруживаемости величина ОСШ может быть уменьшена. Это важно с точки зрения увеличения скрытой ПС. Например, при ОСШ равном -18 дБ, согласно описанным границам в низкочастотном изображении «Lena» можно скрыть не менее 0,05…0,95 бит речевой информации на пиксел изображения.
Пусть в аддитивной стегосистеме в изображение-контейнер внедряется скрываемое изображение. Различные изображения характеризуются большим разбросом корреляционных зависимостей между пикселами. Для скрытой передачи низкочастотных изображений, у которых корреляционные зависимости являются значительными (например, к этому классу относится портретное изображение «Lena»), требуемое отношение мощности скрываемого изображения к мощности гауссовского контейнера должно быть не более -20…-25 дБ. Для высокочастотных изображений типа пейзаж, надежное скрытие может быть обеспечено при большем значении ОСШ, порядка -10…-15 дБ. Таким образом, проще прятать изображения с большим количеством мелких деталей в гауссовском контейнере. Заметим, что эти цифры являются ориентировочными и справедливы для контейнеров с нормальным распределением. При скрытии изображения в изображении, допустимая величина ОСШ может быть уменьшена. Таким образом, в зависимости от характера скрываемого и контейнерного изображения в каждом пикселе контейнерного изображения потенциально можно надежно прятать от 0,01 до 1 бита графической информации.
Однако следует учитывать, что приведенные оценки скрытой ПС указывают на потенциальную возможность скрытия такого количества информации в усредненном элементе контейнера, но не гарантируют, что в реальных стегосистемах скорости передачи скрываемой информации будут близки к этим теоретическим оценкам и при этом будет обеспечиваться стойкость к произвольным методам стегоанализа. От излишнего оптимизма предостерегает крах многих предложенных к настоящему времени стегосистем, для которых очень быстро были разработаны эффективные методы стегоанализа. В частности, в следующей главе будет показано, как на основе визуальной и статистических атак уверенно обнаруживаются следы скрываемой информации при ее встраивании в наименее значащие биты элементов изображений и аудиосигналов. Необходимо отметить, что отношение сигнал-шум является характеристикой скрытия не более чем первого порядка при использовании методов стегоанализа, и потому для уверенности в надежном скрытии информации требуется использовать и другие оценки необнаруживаемости.
В работе [5] с позиций теории информации исследована скрытая пропускная способность стегоканала при следующей постановке. При передаче изображений широко используются алгоритмы сжатия типа JPEG, JPEG2000, MPEG, вносящие в изображение некоторую допустимую для получателя погрешность. Пусть есть контейнерное изображение, М — встраиваемое сообщение. После вложения сообщение М в контейнер сформированное стего подвергается сжатию с погрешностью. Будем полагать, что встраивание сообщения в контейнер, а также сжатие стего описываются отображениями при которых на скрываемое сообщение аддитивно воздействуют шум встраивания и, соответственно, шум сжатия. Это позволяет представить анализируемую стегосистему в виде, показанном на рис. 3.15.
Рис. 3.15. Упрощенная схема аддитивной стегосистемы со сжатием стего
Обозначим мощность встраиваемого сигнала в виде , мощность контейнера — , а мощность шума, добавляемого при сжатии через . Предположим, что контейнер и шум сжатия имеют нормальное распределение. Тогда оба источника шума можно объединить в один источник Z с дисперсией =+. В соответствии с теорией связи, пропускная способность канала передачи сообщения М при воздействии независимого от него шума Z равна . При фиксированных вероятностных характеристиках шума пропускная способность увеличивается максимизацией значения энтропии выбором соответствующего распределения скрываемого сообщения. Известно [25], что величина максимальна при нормальном распределении:
, где есть дисперсия стего.
Соответственно, энтропия источника Z равна
.
Тогда скрытая пропускной способность рассматриваемого стегоканала равна
. (3.35)
Отметим, что данная оценка величины скрытой ПС справедлива при условии, что распределения скрываемых сообщений, контейнера и шума сжатия описываются нормальным законом. Это условие не выполняется строго для реальных изображений и реальных алгоритмов их сжатия. Поэтому в работе [5] для вычисления величины скрытой ПС мощность изображений приводится к энтропийной мощности гауссовского сигнала, оказывающего на скрываемое сообщение такое же мешающее воздействие, что и реальное изображение.
Рассмотрим гауссовский контейнер, амплитуды отсчетов которого равномерно распределены в диапазоне значений от 0 до 255 с дисперсией . Энтропия равномерно распределенной величины определяется выражением бит. Отсюда . Однако, как исследовано в работе [5], для реальных изображений , так как они обладают некоторой избыточностью.
Так как распределение шума сжатия в практически используемых алгоритмах обработки точно неизвестно, то на наихудший случай предположим, что шум сжатия гауссовский. Пусть при осуществлении вложения скрываемой информации в контейнер допускается искажение исходного изображения до величины пикового отношения сигнал/шум (ПОСШ) порядка 40 дБ. Такое искажение практически незаметно на глаз. Тогда допустимая мощность скрытого сообщения равна . В работе [5] производилась оценка шума, возникающего при сжатии изображений алгоритмом JPEG с показателем качества 50 %. Из результатов экспериментов следует, что . Тогда легко подсчитать, что величина скрытой пропускной способности составляет C = 0,0022 бит/пиксел, или 140 бит для изображения размером 256 × 256 пикселов. Пиковое отношение сигнал/шум изображения при этом обеспечивается не менее 37 дБ. При сжатии изображений с более высоким коэффициентом сжатия мощность шума сжатия существенно возрастает. При величина C уменьшается до 0,0019 бит/пиксел, или 124 бита для того же изображения. При этом ПОСШ снижается и составляет не менее 34 дБ, что еще допустимо для большинства изображений. Заметим, что при увеличении шума сжатия задача нарушителя по обнаружению стегоканала существенно усложняется, так как задачу обнаружения скрываемых сообщений приходится решать при большем уровне маскирующего шума. Таким образом, при увеличении шума обработки при сжатии изображений величина скрытой пропускной способности уменьшается достаточно плавно, а защищенность, напротив, существенно повышается. Следовательно, вполне может быть использована обработка изображений по алгоритму JPEG с умеренным коэффициентом сжатия после встраивания в них скрываемых сообщений.
