СПОСОБ СКРЫТОЙ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2017 года по МПК H04L9/08 

Изобретение относится к области цифровой стеганографии, в частности к способам скрытой передачи цифровой информации по каналам связи, преимущественно, к способам передачи изображений. Широкое применение компьютерных технологий привело к появлению методов цифровой стеганографии для обеспечения безопасности передачи данных. Применяются различные по технологии стеганографические способы скрытой передач информации и, в частности, изображений. Суть их заключается в том, что передаваемую видеоинформацию маскируют другой информацией, например, другим изображением.

Стеганография используется для маркирования информации по типу водяных знаков, введения скрытых комментариев, цифровой подписи и т.п. В отличие от криптографии стеганография скрывает сам факт передачи информации. Нередко используют оба метода, которые дополняют друг друга. Направление цифровой стеганографии активно развивается в связи с расширением использования компьютерных технологий.

Известно множество способов скрытой передачи видеоинформации, которые относятся к области стеганографии. Эти методы подробно описаны в литературе (например, Аграновский АВ, Балакин АВ, Грибунин ВГ, Сапожников СА Стеганография, цифровые водяные знаки и стеганоанализ М.: Вузовская книга, 2009).

Существуют способы, при которых передаваемую информацию модулируют некоторой известной, например, случайной зависимостью и, зная эту зависимость, при приеме восстанавливают информацию. Их основным недостатком является необходимость синхронизации процессов кодирования и декодирования.

Известен способ секретной передачи информации, при котором используют формирование исходного хаотического детерминированного сигнала генератором хаоса и модуляции параметров хаотического сигнала полезным (см. патент РФ №2295835 «Способ секретной передачи информации», класс МПК Н04K, H04L, опубл. 20.03.2007).

Известен способ скрытой передачи информации, содержащей полезный цифровой сигнал, заключающийся в том, что полезный сигнал кодируют в двоичный код, формируют посредством первого хаотического генератора исходный детерминированный хаотический сигнал путем модуляции параметров хаотического сигнала полезным цифровым сигналом, суммируют сформированный таким образом сигнал с шумовым сигналом, производимым генератором шума (см. патент РФ №2421923 «Способ скрытой передачи информации с изменяющимися характеристиками генератора шума», класс МПК H04L 9/22, опубл. 20.06.2011).

Известен способ защищенной передачи информации, включающий формирование информационного сигнала с закодированной информацией, аддитивное суммирование информационного сигнала с хаотическим маскирующим сигналом, передачу суммарного сигнала по каналу связи. Согласно этому решению в качестве информационного и маскирующего сигналов используют последовательности одиночных импульсов подобной формы, при этом кодирование информации осуществляют расстоянием между соседними импульсами информационного сигнала. Распознавание формы импульсов выполняют с использованием принципов нейросетевого распознавания (см. патент РФ №2493659 «Способ защищенной передачи информации с использованием импульсного кодирования», класс МПК H04L, опубл. 20.09.2013).

Известен способ засекречивания сигналов, заключающийся в том, что исходный сигнал подвергают дискретизации, причем каждый дискретный отсчет сигнала умножают на импульсную характеристику, которую формируют из импульсных характеристик отдельных частотных полос в виде последовательности временных отсчетов (см. патент РФ №2207733 «Способ засекречивания сигналов и устройство для его осуществления», класс МПК Н04K H04L, опубл. 27.06.2003).

Существенным недостатком всех этих способов является то, что они имеют достаточно сложную технологию реализации.

Известен способ кодирования и декодирования видеосигнала, при котором передают последовательно одну группу строк изображения в порядке, который отличается от нормального, соответствующего отчетливому изображению (см. патент РФ №2132114 «Способ кодирования и декодирования видеосигнала», класс МПК Н04K H04N, опубл. 20.06.1991). Недостатком является необходимость передавать и саму последовательность для восстановления принятой информации.

Широко известны способы скрытия данных в пространственной области передаваемой информации. При этом различными операциями встраивают скрываемые данные в области первичного изображения-контейнера. Их преимущество заключается в том, что в большинстве случаев для встраивания скрываемой информации нет необходимости выполнять сложные и длительные преобразования изображений. Общий принцип этих методов заключается в замене избыточной, малозначимой части цифрового изображения битами секретного сообщения. Используемые разряды цифровых данных содержат незначительную часть полезной информации. Внесение в них дополнительной информации практически не влияет на качество восприятия. Для извлечения скрытого сообщения необходимо знать алгоритм, по которому размещалась в контейнер эта информация. (Грибунин ВН, Оков ИН, Туринцев ИВ Цифровая стеганография М.: Солон-пресс, 2009)

Среди методов замены в пространственной области наиболее распространен метод замены наименее значащего бита (Least Significant Bit). Младший значащий бит изображения несет в себе меньше всего информации. Известно, что человек в большинстве случаев не способен заметить изменений в этом бите. Фактически это шум, поэтому его можно использовать для встраивания информации путем замены менее значащих битов пикселей изображения битами секретного сообщения. При этом для изображения в градациях серого объем встроенных данных может составлять существенную часть от общего объема контейнера. Популярность данного метода обусловлена его простотой и тем, что он позволяет скрывать в относительно небольших файлах достаточно большие объемы информации.

Известен метод сокрытия информации с использованием младших бит элементов цифровых изображений описанный в (В.Н. Кустов, А.А. Федчук "Методы встраивания скрытых сообщений", "Защита информации. Конфидент", №3, 2000 г.). Недостатком метода является определенная сложность технологии кодирования и декодирования.

Применяется также метод случайного интервала, который заключается в случайном распределении битов секретного сообщения по контейнеру, в результате чего расстояние между двумя встроенными битами определяется псевдослучайно. Этот метод особенно эффективен в случае, когда битовая длина секретного сообщения существенно меньше количества пикселей изображения. Недостатком этого метода является то, что биты сообщения в контейнере размещены в той же последовательности, что и в самом сообщении, и только интервал между ними изменяется псевдослучайно. Поэтому для контейнеров фиксированного размера более целесообразным является его усиление, использованием псевдослучайной перестановки. Однако все это только увеличивает сложность метода.

К методам сокрытия в пространственной области также относится метод квантования изображения, основанный на межпиксельной зависимости, которую можно описать некоторой функцией. В простейшем случае вычисляют разницу между смежными пикселями и задают ее как параметр этой функции. При данном методе скрытие информации производится путем корректировки разностного сигнала. Недостатком этого метода является использование стеганоключа, который представляет собой таблицу, где каждому возможному значению разности ставится в соответствие определенный бит. При этом соответствующим образом корректируются значения интенсивностей пикселей изображения.

Технология скрытия данных в пространственной области довольно сложная и подробно описана, например в (Конахович Г.Ф., Пузыренко А.Ю. Компьютерная стеганография. Теория и практика. К.: МКПресс, 2006 г.).

Прототипом, близким по выполняемым операциям, был принят способ стеганографической защиты секретной информации, заключающийся в замене малозначимых битов цифрового сигнала контейнера битами секретной информации, при котором для записи бита секретной информации выбирают подмножество отсчетов цифрового сигнала, изменение значения которых на единицу приводит к установлению бита секретной информации в значении дискретной функции распределения значений отсчетов цифрового сигнала контейнера, причем из этого подмножества отсчетов для записи бита секретной информации выбирают тот отсчет, модуль разности которого между собственным значением и средним значением соседних отсчетов максимален (см. патент РФ №2262805 «Способ стеганографической защиты секретной информации», класс МПК H04L 9/00, опубл. 10.07.2004).

В предлагаемом нами способе также вносятся неразличимые для глаза искажения в изображение-контейнер, однако используется иной способ кодирования скрываемого сообщения. Сущность предложенного способа кодирования заключается в том, что информацию-сообщение помещают в информацию-контейнер путем табличного преобразования, а после преобразования информацию о каждом из элементов скрываемого сообщения в контейнере несет количество единичных битов в двоичном представлении значения соответствующего элемента заполненного контейнера.

Общие с прототипом операции заключаются в том, что скрываемую информацию-сообщение помещают в информацию-контейнер, которую для этого поэлементно преобразуют на бинарном уровне, затем передают преобразованную цифровую информацию-контейнер со встроенным сообщением по каналу связи, а после приема, учитывая преобразование, извлекают информацию-сообщение из принятой информации-контейнера.

Предлагаемый способ скрытой передачи цифровой информации осуществляется следующим образом. Предварительно формируют кодирующую таблицу для преобразования значений сигнала элементов информации-контейнера. Формирование такой таблицы для информации с заданными градационными характеристиками производится однократно. Она может использоваться для передачи любой другой информации с теми же градационными характеристиками. Эта таблица связывает последовательность значений сигнала информации-контейнера (например, по вертикали) с последовательностью значений сигнала изображения-сообщения (например, по горизонтали). При этом для кодирования диапазона уровней для информации-контейнера в каждом столбце отбирают только значения, бинарное представление которых имеет число единиц, соответствующее значению уровня сигнала изображения сообщения. Таким образом, для каждого из возможных значений величины сигнала изображения-контейнера во всем диапазоне определяют число единиц в их бинарном представлении. При этом группируют эти значения величины сигнала по числу единиц в их бинарном представлении. В каждую такую группу помещают только сигналы с одинаковым числом единиц в бинарном представлении. Далее, в каждой группе для каждого из значений сигнала информации-контейнера, для которого число единиц его бинарного представления не соответствует данной группе, определяют наиболее близкое ему по величине значение с количеством единиц, соответствующим данной группе, дополняя, таким образом, каждую группу до количества элементов равного диапазону значений сигнала информации-контейнера. Эти группы упорядочивают по возрастанию значений числа единиц в диапазоне допустимых значений величины сигнала элементов передаваемого изображения-сообщения. Такая кодирующая таблица универсальна и может использоваться для любых передаваемых изображений-контейнеров, а также других сообщений, если они соответствуют взятому диапазону значений сигналов.

На этапе кодирования видеоинформации одновременно поэлементно просматривают информацию-контейнер и загружаемую в него информацию-сообщение. Для каждого взятого элемента сообщения по величине его значения сигнала выбирают соответствующую по порядку группу, столбец из кодирующей таблицы. А затем для используемого для его размещения, элемента информации-контейнера по величине его сигнала выбирают из той же таблицы в выбранной группе соответствующее ему по величине значение и заменяют этим значением сигнала текущее значение элемента изображения-контейнера.

После этого передают преобразованную цифровую информацию-контейнер со встроенным сообщением по каналу связи. Значение яркости передаваемого изображения для каждого элемента является ближайшим приближением значения яркости элемента изображения-контейнера, но таким, что количество единиц в его двоичном представлении равно соответствующему значению сообщения.

После приема этой информации с загруженным сообщением вновь поэлементно просматривают значение величины сигнала каждого элемента в его бинарном представлении. При этом для каждого выбранного элемента принятой информации определяют количество единичных значений в ее бинарном представлении известным образом, например (см. патент РФ №2030783 «Устройство для определения количества единиц в двоичном восьмиразрядном числе», класс МПК G06F 7/50, опубл. 10.03.1995) или сортируют единицы и нули в бинарном представлении для получения непрерывной последовательности единиц. Для операции сортировки данных может быть применена известная схема логического сумматора, построенная на логических элементах И и ИЛИ, например, которая использовалась в (см. патент РФ №2578799 «Способ получения изображений с увеличенным динамическим диапазоном», класс МПК G06Т 5/50, опубл. 27.03.2016). По полученному результату числа единиц формируют величину сигнала переданной информации-сообщения.

Кодированное сообщение передают по каналу связи без ключа или дополнительных указаний о способе кодирования. Прямое отображение переданного сообщения даст отображение изображения-контейнера. Число единичных бит бинарного представления сигнала даст отображение передаваемой информации.

Изобретение поясняется примером опытной реализации предлагаемого способа. На рис. 1 представлена схема кодирования для скрытой передачи изображения-информации загрузкой ее в изображение-контейнер. Операция выполняется попиксельно табличным процессором с двумя входами и выходом. На рис. 2 представлена схема декодирования, выделения изображения-сообщения из полученного изображения-контейнера. Декодер показан на схеме как блок логического сумматора, сортирующий по уровням 1 и 0 и сформированный на логических элементах И и ИЛИ. Он функционирует аналогично применяемому в (см. патент РФ №2578799 «Способ получения изображений с увеличенным динамическим диапазоном», класс МПК G06Т 5/50, опубл. 27.03.2016).

На рис. 3 показан пример незагруженного изображения-контейнера, а на рис. 4 показан пример изображения-сообщения использованные в эксперименте. На рис. 5 показан пример уже загруженного изображения-контейнера. Зрительных изменений при сравнении изображений на рис. 3 и рис. 5 не обнаруживается. На рис. 6 показана структура кодирующей таблицы, используемой в нашем эксперименте. По вертикали эта таблица содержит - 256 значений яркости для исходного изображения-контейнера, а по горизонтали - 9 значений яркости возможные для изображения-сообщения с одинаковым числом единиц в бинарном представлении. Их пересечение при попиксельном просмотре определяет выбор значения сигнала загруженного изображения-контейнера.

На рис. 7 показан вариант сортирующей схемы для бинарного представления сигналов, которая построена на сдвоенных логических элементах И и ИЛИ. При ее прохождении значения 1 группируются внизу. Анализ выполняется непрерывно при поэлементном просмотре поступающей информации.

В результате описанных действий передаваемая информация-сообщение в эксперименте была восстановлена без информационных потерь.

Передаваемое изображение является результатом простого табличного преобразования элементов исходного изображения с ограничивающими факторами, которые зависят от градационных характеристик для амплитуды сигнала в каждой точке. Кодированное сообщение передают по каналу связи без дополнительных указаний. Принимаемую видеоинформацию восстанавливают путем преобразования бинарного сигнала методами накопления или сортировки в темпе ее поступления. Эта процедура автономна, проста и не требует применения ключей для расшифровки скрытой информации-сообщения, и не требует синхронизации процессов приемопередачи.

Рассматриваемые процедуры предлагаемого способа скрытой передачи видеоинформации не требуют для реализации сложных алгоритмов и могут быть легко реализованы на логическом уровне блоками на основе ПЛМ (В.Б. Стешенко Плис фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов. М. До дека, 2000 г.). Такая реализация обеспечивает быстродействие операций передачи информации.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано для охраны авторских прав публикуемых произведений путем маркирования информации и введения скрытых комментариев, для подтверждения финансовых документов путем введения в них цифровых водяных знаков и цифровой подписи, для передачи оперативной информации в составе изображений планов и карт, в системах передачи конфиденциальной информации, а также других приложений.

Изобретение относится к области цифровой стеганографии. Технический результат заключается в обеспечении скрытой передачи цифровой информации. Технический результат достигается за счет предварительного формирования кодирующей таблицы для преобразования значений сигнала элементов информации-контейнера, в которой для диапазона из всех возможных значений величины сигнала информации-контейнера определяют число единиц в его бинарном представлении, группируют эти значения величины сигнала по числу единиц в его бинарном представлении и при этом одновременно упорядочивают эти группы по возрастанию значений числа единиц в диапазоне допустимых значений величины сигнала элементов передаваемого изображения-сообщения, затем в каждой группе для каждого из значений сигнала информации-контейнера, для которого число единиц его бинарного представления не соответствует данной группе, определяют наиболее близкое ему по величине значение с количеством единиц, соответствующим данной группе, а затем по полученному результату формируют величину сигнала переданной информации-сообщения. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ скрытой передачи цифровой информации, заключающийся в том, что перед передачей информацию-сообщение помещают в информацию-контейнер, которую для этого поэлементно преобразуют, затем передают преобразованную цифровую информацию-контейнер со встроенным сообщением по каналу связи, а после приема извлекают информацию-сообщение из принятой информации-контейнера, учитывая характер сделанного преобразования, отличающийся тем, что предварительно формируют кодирующую таблицу для преобразования значений сигнала элементов информации-контейнера, в которой для диапазона из всех возможных значений величины сигнала информации-контейнера определяют число единиц в его бинарном представлении, группируют эти значения величины сигнала по числу единиц в его бинарном представлении и при этом одновременно упорядочивают эти группы по возрастанию значений числа единиц в диапазоне допустимых значений величины сигнала элементов передаваемого изображения-сообщения, затем в каждой группе для каждого из значений сигнала информации-контейнера, для которого число единиц его бинарного представления не соответствует данной группе, определяют наиболее близкое ему по величине значение с количеством единиц, соответствующим данной группе, а на этапе помещения информации в контейнер поэлементно просматривают информацию-контейнер и одновременно информацию-сообщение, причем для каждого элемента сообщения по величине его значения сигнала выбирают группу из кодирующей таблицы с соответствующим ему числом бинарных единиц, при этом для каждого элемента информации-контейнера по величине его сигнала выбирают в этой группе из таблицы соответствующее ему по величине значение и заменяют этим значением сигнала текущее значение элемента изображения-контейнера, затем после приема этой информации вновь поэлементно просматривают ее и преобразуют значение величины сигнала каждого элемента к его бинарному представлению, при этом для каждого элемента принятой информации определяют количество единичных значений в ее бинарном представлении, а затем по полученному результату формируют величину сигнала переданной информации-сообщения.

2. Способ скрытой передачи цифровой информации по п. 1, отличающийся тем, что для каждого элемента принятой информации сортируют единицы и нули в бинарном представлении до получения непрерывной последовательности единиц, а затем по полученному результату формируют величину сигнала переданной информации-сообщения.