Стеганография в Matlab. Пример последовательного вcтраивания в НЗБ. (LSB embedding).

Теория хороша только в случае подтверждения практикой. Так и в вопросах стеганографии знать, что скрываемое сообщение можно поместить в НЗБ (наименее значимые биты), не значит уметь это сделать. Существует несколько готовых стеганографических программ, как платных, так и бесплатных, которые спрячут файл в изображение или аудио. Однако использование таких программ не дает полного контроля над процессом. Куда происходит встраивание? Насколько оно стойко к обнаружению? Насколько изменяется файл?.. На многие подобные вопросы ответа не будет.

Для начала сделаем простой стеганографический скрипт в системе математического моделирования Matlab.

Почему Matlab? Просто эта система позволяет сконцентрировать внимание на алгоритме сокрытия. Не нужно уметь открывать файл, распознавать его формат, показывать изображение на экране… Все это Matlab уже умеет. Так же он умеет работать с изображением как с матрицей, выполнять битовые операции (and, or, xor…) и многое, многое другое. Язык написания скриптов же очень прост и становится интуитивно понятным для любого кто хоть немного знаком с программированием.

Будем считать, что Matlab у вас уже установлен и запущен. Об основных окнах и приемах работы в matlab можно почитать в http://matlab.exponenta.ru/ml/book1/index.php 

- в рабочем каталоге создаем папку, «images». Помещает в папку цветное изображение, в которое будем прятать данные;

- создаем пустой M-File

- назовем этот файл sample_embedding

Загружаем в Matlab изображение, которое будет служить контейнером для скрываемого сообщения:

Рис. 1.  Наглядное представление цветовых
компонент изображения

emb_IMG_name='./images/murzik.bmp';

emb_IMG = imread(emb_IMG_name);

В Workspace появилась переменная IMG <1024xl024x3 uint3>. Это трехмерный массив цветовых компонент RGB (red, green, blue).

В Matlab принята особая система работы с матрицами, которая несколько отличается от привычной для программистов работы с массивами. К элементам матриц можно обращаться как традиционным способом :

RedComponentPixel=IMG(1,1,1);

или

GreenComponentPixel=IMG(1,1,2);

так и с помощью линейной индексации:

RedComponentPixel=IMG(1);

или

GreenComponentPixel=IMG(1048577).

в приведенных строках переменным RedComponentPixel и GreenComponentPixel. присваиваются значения яркости красной и зеленой компоненты левого верхнего пикселя рисунка 1024х1024. 

Рис. 2. Представление индексации
массивов в Matlab

Понять линейное индексирование цветовых компонент можно из рисунка 2. 

 Подробнее о работе с матрицами в matlab  можно почитать на http://matlab.exponenta.ru/ml/book1/matlab/chapter3/3_5.php.

Определим размер рисунка в пикселях:

emb_IMG_size_y=size(emb_IMG,1);

emb_IMG_size_x=size(emb_IMG,2);

Рассчитаем количество информации которую можно внедрить в НЗБ:

emb_max_Bytes=emb_IMG_size_y*emb_IMG_size_x*3/8;% Bytes

Определяем сколько бит необходимо для хранения максимально возможного  размера файла.

emb_num_bits=ceil(log2(emb_max_Bytes));% bits

Загружаем в переменную emb_FILE файл, который будем встраивать.

fid = fopen(emb_FILE_name);

emb_FILE = fread(fid);

status =fclose(fid);

emb_FILE_size=size(emb_FILE,1);% Bytes

Для примера объемности встраиваемых данных был взят RAR-архив первого тома «Войны и мира» в текстовом формате. Пароль архива: Password.

Проверяем, не превышает ли  встраиваемый файл максимально допустимый размер.

if (emb_FILE_size*8+emb_num_bits<=emb_max_Bytes*8)

  emb_possible=true;

else

  emb_possible=false; 

end;

Если стеганографическое встраивание возможно, кодируем длину скрываемого файла последовательностью бит.

% FILE size -> bit's row

emb_FILE_size_arr=zeros(emb_num_bits,1);

for ind=0:1:emb_num_bits-1,

  emb_FILE_size_arr(ind+1)=bitand(bitshift(emb_FILE_size,-ind),1);

end;

Так же разделяем байты файла который будем встраивать на биты. Этот шаг нужен так как встраивание будет происходить побитно.

% hidded FILE -> bit's row

emb_DATA_bits = uint8(im2bw([bitand(emb_FILE,128),...

                            bitand(emb_FILE,64), ...

                            bitand(emb_FILE,32), ...

                            bitand(emb_FILE,16), ...

                            bitand(emb_FILE,8),  ...

                            bitand(emb_FILE,4),  ...

                            bitand(emb_FILE,2),  ...

                            bitand(emb_FILE,1)],0.6));

Объединяем битовую последовательность в которой закодирован размер файла с битовой последовательностью самого файла.

%FILE size bits + FILE data bits

emb_BITs=[emb_FILE_size_arr; emb_DATA_bits(:)];

Формируем индекс для встраивания битовой последовательности:

emb_BITs_ind=1:size(emb_BITs,1);

emb_BITs_ind=emb_BITs_ind';

Долгожданный момент! Встраиваем битовый ряд файла в НЗБ изображения.

emb_new_IMG(emb_BITs_ind)=bitshift(emb_IMG(emb_BITs_ind),-1);

emb_new_IMG(emb_BITs_ind)=bitshift(emb_new_IMG(emb_BITs_ind),1)+emb_BITs;

Записываем стеганоизображение в файл и показываем его пользователю.

imwrite(emb_new_IMG,'stego_murzik2.bmp','bmp');

imshow(emb_new_IMG);

В той же папке, где располагается скрипт для встраивания появится BMP-файл. Наименее значимые биты которого содержат скрытое сообщение.

Для тех у кого нет желания собирать весь скрипт из текста сообщения, искать файл для изображения и файл который можно спрятать, а попробовать как это все работает хочется, даю ссылку на архив со всеми файлами.