СПОСОБ ВСТРАИВАНИЯ СООБЩЕНИЯ В ЦИФРОВОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ
METHOD FOR MESSAGE INTEGRATION INTO DIGITAL IMAGE

Изобретение относится к области стеганографии, а именно к способам встраивания сообщения в цифровые изображения, и может быть использовано для организации скрытого хранения и передачи конфиденциальной информации по открытым каналам связи, а также цифровых водяных знаков.
Известны способы стеганографической защиты информации, основанные на внедрении дополнительной информации в растровые изображения путем замены младших значащих битов в байтах цветового представления исходного изображения битами добавляемой информации (См. Bender W., Gruhl D, Morimoto N., Lu A., Techniques for data hiding, IBM system journal, vol. 35 (3&4), p. 313-336, 1996. Патент РФ № 2002135272, опубл. 10.07.2004).
2
Основным недостатком таких способов является низкая эффективность обеспечения защиты информации, так как в данном случае изменения приводят к искажению ряда статистических параметров обрабатываемых изображений, что может быть обнаружено методами статистического анализа (См. Westfeld A., Pfitzmann A. Attacks on Steganographic System. Breaking the Steganographic Utilities EzStego, Jsteg, Steganos, and S-Tools - and Some Lessons Learned // Proceeding of the Workshop on Information Hiding 1999 - 16 p.). В настоящее время эффективно применяются такие методы анализа, как визуальный стеганоанализ, анализ длин серий, анализ числа переходов, оценка энтропии, анализ гистограммы на основе критерия χ.
Известен также способ внедрения дополнительной информации в цифровые изображения, в котором для противодействия некоторым методам анализа при записи информации используется только часть младших значащих битов в байтах цветового представления исходного изображения, оставшиеся биты используются для последующей коррекции наиболее важных статистических параметров (См. Provos N. Defending Against Statistical Steganalysis, Proceeding of the 10 USENIX Security Symposium, 2001, p. 323-335).
Недостатком способа является то, что корректирующие изменения приводят к дополнительному искажению цифрового изображения и уменьшают пропускную способность стеганоканала использованием части свободного пространства под корректирующую информацию. К тому же корректирующие исправления, направленные на противодействие какому-либо из методов статистического анализа за счет коррекции одного из параметров, могут привести к еще большему искажению других параметров и, как следствие, к более вероятному обнаружению скрытого канала другими методами анализа. В частности, искажения, вносимые внедрением дополнительной информации и корректирующими изменениями при использовании указанного способа, могут быть заметны при проведении визуального анализа битовых слоев полученного изображения.
К недостаткам указанных выше способов внедрения информации в растровые изображения следует также отнести и то, что для внедрения информации используются только младшие значащие биты байтов цветового представления, что не позволяет в полной мере использовать весь объем данных изображения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является способ внедрения дополнительной информации в цифровые изображения (См. Патент РФ №2288544, опубл. 27.11.2006, БИ №33), заключающийся в том, что исходное цифровое изображение раскладывают на битовые слои, для записи дополнительной информации выбирают один из полученных битовых слоев, который представляют в виде битовой последовательности, запись дополнительной информации осуществляют с помощью кода, при этом в полученной битовой последовательности биты, расположенные на границах всех переходов одинаковых последовательностей нулей и единиц, заменяют в соответствии с битами записываемой дополнительной информации, оставшиеся биты нижележащих битовых слоев при необходимости используют для коррекции исходного изображения или для записи другой дополнительной информации.
Недостатком данного способа является необходимость коррекции статистических характеристик, которая приводит к увеличению времени обработки изображения, а также к снижению объема встраиваемой информации. При этом увеличение объема встраиваемой информации достигается за счет использования старших битовых слоев, что приводит к еще большему изменению исходного изображения.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является разработка способа встраивания сообщения в цифровое изображение, обеспечивающего возможность хранения и передачи больших объемов конфиденциальной информации, основанного на сериях совпадений битов информации с битами в байтах цветового представления, при изменении в исходном изображении только наименее значащих (флаговых) битов и требующего минимальной коррекции статистических характеристик только наименее значащих битов, вследствие случайного характера совпадений.
Технический результат достигается за счет того, что в известном способе внедрения дополнительной информации в цифровое изображение, заключающемся в замене отдельных битов в байтах исходного цифрового изображения битами встраиваемой информации, наименее значащему биту в байтах исходного цифрового изображения присваивают флаговое значение «единица» при совпадении части битов байта сигнала цифрового изображения и битов сигнала сообщения, либо флаговое значение «ноль» при несовпадении, при этом корректировку статистики распределения наименее значащих битов производят по оставшейся их части, не используемой в качестве флаговых значений.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в способе реализована возможность встраивания больших объемов конфиденциальной информации при минимальном изменении исходного изображения и требующая минимальной коррекции статистических характеристик.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность отличительных существенных признаков, обусловливающих тот же технический результат, который достигнут в заявляемом способе. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показано:
фиг.1 - общая схема устройства, реализующего способ встраивания сообщения в цифровое изображение;
фиг.2 - принципиальная логическая схема устройства, реализующего способ встраивания сообщения в цифровое изображение,
фиг.3 - общая схема устройства, реализующего способ извлечения сообщения.
Устройство, реализующее заявленный способ, общая схема которого представлена на фиг.1, а принципиальная логическая схема на фиг.2, работает следующим образом.
Сигнал цифрового изображения (контейнер) 1 последовательно побитно подают на вход блока 2 - последовательно-параллельный преобразователь, состоящий из 8-разрядного регистра сдвига (микросхема КР1554ИР24) и 8-разрядного буферного регистра (микросхема КР1554ИР22). Тактовые импульсы Т1 подают на вход блока 2 и на вход блока 5 - блок управления, включающий два 4-разрядных двоичных синхронных счетчика (микросхема КР1554ИЕ23), два D-триггера (микросхема КР1554ТМ2), четыре элемента 2И-НЕ (микросхема КР1554ЛАЗ) и четыре элемента 2И (микросхема КР1554ЛИ1). Сигнал сообщения подают последовательно побитно на вход блока 4 - блок хранения встраиваемых битов сообщения, состоящий из 8-разрядного регистра сдвига (микросхема КР1554ИР24).
С приходом 8-го тактового импульса в блоке 2 (выход 8-разрядного регистра сдвига - микросхема КР1554ИР24) формируют сигнал контейнера, а на выходе блока управления (выход Q4 4-разрядного двоичного синхронного счетчика - микросхема КР1554ИЕ23) формируют сигнал, разрешающий передачу сигнала контейнера в параллельном виде на выход блока 2 (выход 8-разрядного буферного регистра - микросхема КР1554ИР22) и на вход блока 7 - блок хранения байта сигнала стегоконтейнера - 8-разрядный буферный регистр (микросхема КР1554ИР22). С выхода блока 4 на вход блока 6 (блок сравнения, включающий 4 элемента 2 ИЛИ - компаратор (микросхема КР1554ЛП5), 4 элемента 2 ИЛИ-НЕ (микросхема КР1554ЛЕ1)) подают два бита встраиваемого сообщения, которые сравнивают с 6 и 7 (по номеру от 1 до 8) битами соответственно сигнала контейнера, сформированного на выходе блока 2. При попарном совпадении битов сигнала контейнера и битов сигнала встраиваемого сообщения восьмой бит сигнала контейнера в блоке 7 устанавливают в состояние логической единицы. Считывание байта сигнала стегоконтейнера со входа на выход блока 7 осуществляют по заднему фронту 8-го тактового импульса. Одновременно с этим обнуляют 4-разрядный двоичный синхронный счетчик блока 5 (микросхема КР1554ИЕ23).
В случае установления восьмого бита сигнала контейнера в блоке 7 в состояние логической единицы формируют сигнал на считывание двух очередных битов сигнала встраиваемого сообщения в блоке 4. Сигнал, разрешающий считывание очередных битов сигнала встраиваемого сообщения, формируют в блоке 5 (D-триггер и элемент 2И) На выходе Q2 счетчика через два тактовых импульса формируют сигнал установки в нуль D-триггера и процесс считывания приостанавливают для очередного сравнения.
В случае установления восьмого бита сигнала контейнера в блоке 7 в состояние логического нуля (попарное несовпадение битов сигналов контейнера и встраиваемого сообщения) считывание байта сигнала стегоконтейнера со входа на выход блока 7 также осуществляют по заднему фронту 8-го тактового импульса. Одновременно с этим обнуляют 4-разрядный двоичный синхронный счетчик блока 5 (микросхема КР1554ИЕ23) Однако сигнал, разрешающий считывание очередных битов сигнала встраиваемого сообщения в блоке 5 (D-триггер и элемент 2И), не формируют и сравнение битов сигнала очередного байта контейнера производят с ранее записанными битами сигнала встраиваемого сообщения.
Извлечение сообщения, встроенного в цифровое изображение по способу, общая схема которого представлена на фиг.1, осуществляют в соответствии со схемой, представленной на фиг.3, в следующем порядке.
Сигнал цифрового изображения со встроенным сообщением (стегоконтейнер) блок 1 последовательно побитно подают на вход блока 2 - последовательно-параллельный преобразователь. Тактовые импульсы с блока 6 - генератор тактовых импульсов подают на вход блока 2 и на вход блока 5 - блок управления.
С приходом 8-го тактового импульса в блоке 2 формируют сигнал стегоконтейнера, а на выходе блока 5 формируют сигнал, разрешающий передачу сигнала стегоконтейнера в параллельном виде на выход блока 2.
Восьмой бит сформированного байта сигнала стегоконтейнера подают на вход блока 5, где производят его сравнение с логической единицей и в случае совпадения формируют сигнал, разрешающий считывание 6 и 7 (по номеру от 1 до 8) битов сигнала стегоконтейнера, поступающих на вход блока 3 - блок извлечения и хранения встроенного сообщения.
Корректировку статистики при необходимости проводят по неиспользуемым восьмым битам байтов стегоконтейнера.
Проведенные испытания показали высокую стойкость способа встраивания сообщения в цифровое изображение против визуального анализа и статистических методов анализа распределений наименее значащих битов изображения. В ходе испытаний относительный объем внедренных данных в ряде случаев составлял 10% от объема исходного цифрового изображения, при полном сохранении визуального качества последнего. Для обеспечения наибольшей эффективности встраивания в цифровое изображение сообщения, последнему придается характер псевдослучайной последовательности. Наиболее эффективным является использование предложенного способа встраивания информации совместно с алгоритмами скремблирования и эффективного кодирования.