Вадим Грибунин - Цифровая стеганография

• Название: Цифровая стеганография
• Автор: Вадим Грибунин
• Жанр: Техническая литература
• Год: 2002
• ISBN: 5-98003-011-5

Интерес к стеганографии появился в последнее десятилетие и вызван широким распространением мультимедийных технологий. Методы стеганографии позволяют не только скрытно передавать данные, но и решать задачи помехоустойчивой аутентификации, защиты информации от несанкционированного копирования, отслеживания распространения информации по сетям связи, поиска информации в мультимедийных базах данных.

Международные симпозиумы по скрытию данных проводятся с 1996 года, по стеганографии первый симпозиум состоялся в июле 2002 года. Стеганография – быстро и динамично развивающаяся наука, использующая методы и достижения криптографии, цифровой обработки сигналов, теории связи и информации.

На русском языке стеганографии было посвящено только несколько обзорных журнальных статей. Данная книга призвана восполнить существующий пробел. В ней обобщены самые последние результаты исследований зарубежных ученых. В книге рассмотрены как теоретические, так и практические аспекты стеганографии, выполнена классификация стегосистем и методов встраивания, детально исследованы вопросы повышения пропускной способности стегоканала, обеспечения стойкости и незаметности внедрения, приведено более 50 алгоритмов встраивания данных.

Книга предназначена для студентов, аспирантов, научных работников, изучающих вопросы защиты информации, а также для инженеров-проектировщиков средств защиты информации. Также несомненный интерес она вызовет у специалистов в области теории информации и цифровой обработки сигналов.

---

- (или ) — процедура извлечения ЦВЗ;

-- масштабирующий коэффициент;

- - бинарный признак подобия двух сигналов: равен 1, если коэффициент взаимной корреляции больше некоторого порога ; в противном случае — равен 0.

Первое определение необратимости следующее.

Стегоалгоритм является (строго) обратимым, если для любого существует отображение такое, что и . При этом вычислительно осуществимо, принадлежит к классу допустимых ЦВЗ, истинное и ложное изображения визуально сходны и . Иначе (слабо) необратим.

В этом определении требование, чтобы накладывает слишком сильное ограничение. В самом деле, даже может не выполняться в силу различного рода искажений . С другой стороны, это требование слишком слабо для определения обратимости. Поэтому, в работе [14] оно заменено на требование, чтобы , где .

Второе определение необратимости следующее.

Стегоалгоритм является (слабо) обратимым, если для любого существует отображение такое, что и . При этом вычислительно осуществимо, принадлежит к классу допустимых ЦВЗ, , и . Иначе (строго) необратим.

В настоящее время известны различные решения проблемы права собственности. Они представлены в пункте 2.3.

В работе [12] описаны атаки, использующие наличие стегокодера. Подобная атака является одной из наиболее опасных. Одним из возможных сценариев, когда ее опасность существует, является следующий. Пусть пользователю разрешено сделать одну копию с оригинала, но не разрешено делать копии с копий. Записывающее устройство должно изменить ЦВЗ с «разрешена копия» на «копирование не разрешено». В этом случае атакующий имеет доступ к сообщению до и после вложения ЦВЗ. Значит, он может вычислить разность между исходным и модифицированным сообщением. Эта разность равна . Далее исходное изображение предыскажается: из него вычитается . После осуществления копирования будет записано , что очень близко к исходному изображению . Эта близость объясняется тем, что ЦВЗ должны быть робастны к добавлению аддитивного шума. Следовательно, . В случае данной атаки в качестве шума выступает стегосообщение и .

В работе [3] и др. исследуются атаки на системы защиты от копирования. В ряде случаев гораздо проще не удалять ЦВЗ, а помешать его использованию по назначению. Например, возможно внедрение дополнительных ЦВЗ так, что становится неясно, какой из них идентифицирует истинного собственника контента.

Другой известной атакой на протокол использования ЦВЗ является атака копирования. Эта атака заключается в оценивании ЦВЗ в защищенном изображении и внедрении оцененного ЦВЗ в другие изображения. Целью может являться, например, противодействие системе имитозащиты или аутентификации.

Одна из слабостей стегосистемы, применяемой для защиты от копирования, является то, что детектор способен обнаружить ЦВЗ только когда видеосигнал визуально приемлем. Однако можно подвергнуть сигнал скремблированию, получить шумоподобный сигнал, затем без помех незаконно скопировать его. В видеоплейер в этом случае встраивается дескремблер, который и восстанавливает незаконно сделанную копию. Аппаратная реализация скремблера и дескремблера весьма проста и иногда используется для защиты, например, программ кабельного телевидения. Возможной защитой против такого подхода является разрешения копирования только определенного формата данных.

2.3. Методы противодействия атакам на системы ЦВЗ

В простейших стегосистемах ЦВЗ при встраивании используется псевдослучайная последовательность, являющаяся реализацией белого гауссовского шума и не учитывающая свойства контейнера. Такие системы практически неустойчивы к большинству рассмотренных выше атак. Для повышения робастности стегосистем можно предложить ряд улучшений.

В робастной стегосистеме необходим правильный выбор параметров псевдослучайной последовательности. Известно, что при этом системы с расширением спектра могут быть весьма робастными по отношению к атакам типа добавления шума, сжатия и т. п. Так считается, что ЦВЗ должен обнаруживаться при достаточно сильной низкочастотной фильтрации (7х7 фильтр с прямоугольной характеристикой). Следовательно, база сигнала должна быть велика, что снижает пропускную способность стегоканала. Кроме того, используемая в качестве ключа ПСП должна быть криптографически безопасной.

Атака «сговора» и возможные методы защиты от нее рассмотрена в работе [16]. Причиной нестойкости систем ЦВЗ с расширением спектра к подобным атакам объясняется тем, что используемая для вложения последовательность обычно имеет нулевое среднее. После усреднения по достаточно большому количеству реализаций ЦВЗ удаляется. Известен специальный метод построения водяного знака, направленный против подобной атаки. При этом коды разрабатываются таким образом, чтобы при любом усреднении всегда оставалась не равная нулю часть последовательности (статическая компонента). Более того, по ней возможно восстановление остальной части последовательности (динамическая компонента). Недостатком предложенных кодов является то, что их длина увеличивается экспоненциально с ростом числа распространяемых защищенных копий. Возможным выходом из этого положения является применение иерархического кодирования, то есть назначения кодов для группы пользователей. Некоторые аналогии здесь имеются с системами сотовой связи с кодовым разделением пользователей (CDMA).

Различные методы противодействия предлагались для решения проблемы прав собственности. Первый способ заключается в построении необратимого алгоритма ЦВЗ. ЦВЗ должен быть адаптивным к сигналу и встраиваться при помощи однонаправленной функции, например, хэш-функции [1]. Хэш-функция преобразует 1000 бит исходного изображения V в битовую последовательность , . Далее, в зависимости от значения используется две функции встраивания ЦВЗ. Если , то используется функция , если , то функция , где  - i-й коэффициент изображения,  - i-й бит встраиваемого сообщения. Предполагается, что такой алгоритм формирования ЦВЗ предотвратит фальсификацию. В работе [13] на примере показано, что для того, чтобы данный алгоритм был необратимым, все элементы должны быть положительными.

Второй способ решения проблемы прав собственности заключается во встраивании в ЦВЗ некоторой временной отметки, предоставляемой третьей, доверенной стороной. В случае возникновения конфликта лицо, имеющее на изображении более раннюю временную отметку, считается настоящим собственником.

Один из принципов построения робастного ЦВЗ заключается в адаптации его спектра. В ряде работ показано, что огибающая спектра идеального ЦВЗ должна повторять огибающую спектра контейнера. Спектральная плотность мощности ЦВЗ, конечно же, намного меньше. При такой огибающей спектра винеровский фильтр дает наихудшую оценку ЦВЗ из возможных: дисперсия значений ошибки достигает дисперсии значений заполненного контейнера. На практике адаптация спектра ЦВЗ возможна путем локального оценивания спектра контейнера. С другой стороны, методы встраивания ЦВЗ в области преобразования достигают этой цели за счет адаптации в области трансформанты.

Для защиты от атак типа аффинного преобразования можно использовать дополнительный (опорный) ЦВЗ. Этот ЦВЗ не несет в себе информации, но используется для «регистрации» выполняемых нарушителем преобразований. В детекторе ЦВЗ имеется схема предыскажения, выполняющая обратное преобразование. Здесь имеется аналогия с используемыми в связи тестовыми последовательностями. Однако, в этом случае атака может быть направлена именно против опорного ЦВЗ. Другой альтернативой является вложение ЦВЗ в визуально значимые области изображения, которые не могут быть удалены из него без существенной его деградации. Наконец, можно разместить стего в инвариантных к преобразованию коэффициентах. Например, амплитуда преобразования Фурье инвариантна к сдвигу изображения (при этом меняется только фаза).

Другим методом защиты от подобных атак является блочный детектор. Модифицированное изображение разбивается на блоки размером 12х12 или 16х16 пикселов, и для каждого блока анализируются все возможные искажения. То есть пикселы в блоке подвергаются поворотам, перестановкам и т. п. Для каждого изменения определяется коэффициент корреляции ЦВЗ. Преобразование, после которого коэффициент корреляции оказался наибольшим, считается реально выполненным нарушителем. Таким образом появляется возможность как бы обратить внесенные нарушителем искажения. Возможность такого подхода основана на предположении о том, что нарушитель не будет значительно искажать контейнер (это не в его интересах).