Адаптация принципа кодирования длин серий для противодействия попыткам неавторизованной экстракции стеганоконтента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина

АДАПТАЦИЯ ПРИНЦИПА КОДИРОВАНИЯ ДЛИН СЕРИЙ ДЛЯ ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ ПОПЫТКАМ НЕАВТОРИЗОВАННОЙ ЭКСТРАКЦИИ СТЕГАНОКОНТЕНТА

Гончаров Никита Александрович студент факультета компьютерных наук (магистрант) Лесная Юлия Евгеньевна студентка факультета компьютерных наук (бакалавр) Малахов Сергей Витальевич к. т. н., ст. науч. сотрудник, доцент кафедры безопасности информационных систем и технологий

Аннотация

Рассмотрена возможность использования принципа кодирования длин серий, для обеспечения межблочного мультиплекса данных гибридного стеганоалгоритма. Отмечена ведущая роль параметра длины серий в рамках процедуры противодействия нелегитимной экстракции видеоданных. Представлена взаимосвязь параметров обработки изображений с количеством серий и комбинаторикой используемых ключевых элементов

Ключевые слова: кодирование длин серий; стеганография; контент; взлом; стек.

Введение

Специалистам в области обработки изображений хорошо известен метод кодирования длин серий, который отличается простотой реализации и имеет малую вычислительную сложность. Его использование в системах сжатия видеоданных и форматах представления графической информации, позволяет получить хорошие результаты при обработке изображений имеющих ограниченную цветовую или яркостную палитру (полутоновые изображения), и/или содержащие протяженные фоновые области с более-менее однородной заливкой [1 -4].

Учитывая специфику зрительной системы человека и особенности метода кодирования длин серий при обработке изображений с разными статистическими характеристиками [1,3-5], сделано предположение о возможности его использования для обеспечения процедур межблочного мультиплекса данных, в рамках выбранной концепции реализации малоресурсного гибридного стеганоалгоритма [6]. Такая возможность обусловлена наличием 3-х важных обстоятельств, характерных для данного метода: 1 - нетребовательностью к аппаратным ресурсам (ориентировка на мобильные гаджеты); 2 - высокой скоростью обработки (поддержка режима реального времени); 3 - созданием условий для реализации процедур межблочного переноса параметров длин серий, как инструмента противодействия попыткам несанкционированного извлечения контента.

Процедура межблочного мультиплекса параметров серий, предшествует этапу кодирования с преобразованием [1,4] для всех опорных блоков (ОБ) изображения-контента [6], что сокращает общее время работы алгоритма. Межблочный мультиплекс данных обеспечивается декомпозицией исходного массива ОБ и соответствующих значений длин серий, посредством взаимных перестановок этих элементов в рамках текущей комбинаторики маски перемешивания. Количество формируемых ОБ зависит от: - реализуемого способа сглаживания исходных изображений и порогового значения разницы «Pz» между элементами блоков изображений [6]; - заданной размерности блоков на этапе формирования массива серий [7]; - статистических характеристик и типа изображения-контента [3-5, 8].

Важно подчеркнуть, что помимо размерности блоков, важнейшим параметром, обеспечивающим легитимацию процедуры извлечения контента, является, используемый способ организации развертки серий. Эти оба параметра являются элементами составного ключа экстрактора данных, и определяют порядок реализации процедур кодирования-декодирования контента на уровне межблочной обработки видеоданных-контента [6].

Основная часть

Целью данной работы является демонстрация возможности по адаптации принципа кодирования длин серий [1,2] для реализации процедур межблочного мультиплекса данных [6-7], как механизма противодействия попыткам нелегитимного извлечения данных (изображения-контента) из контейнера. Использованный в ходе моделирования способ выборки серий блоков, приведен на рис. 1. На нем представлена реализованная схема развертки (по столбцам ОБ, сверху вниз и слева направо) и характерное расположение ОБ в каждой новой серии (маркированы белым цветом). Все серии ОБ, в независимости от их содержания (рис.1.б), также маркированы белым цветом. Таким образом, рис. 1 характеризует: 1 - общее количество блоков, подлежащих кодированию с преобразованием на следующем этапе алгоритма (все, что НЕ белое на рис.1.а); 2 - потенциальную комбинаторику перестановок параметра длин серий для ОБ размером 8*8 эл (рис. 1.б).

Для наглядности полученных эффектов, все результаты представлены на примере одного тестового полутонового изображения типа «портрет» (рис.2), в том числе, при реализации разных вариантов сглаживания (рис.3 (а-г)) исходных данных. Таким образом, на рис. 2-3 представлены изображения, демонстрирующие результаты моделирования попыток нелегитимного извлечения/взлома контента в предположении, что атакующей стороне (стеганоаналитик, пытающийся осуществить подбор параметров стегановставки) известны только два параметра обработки: - размер ОБ и реализуемый принцип развертки серий, однако ему не удается определить действующие параметры межблочного мультиплекса данных. Такое развитие ситуации предопределяет три исхода событий: 1 - неверное определение действующего параметра расстановки ОБ (рис. 2.а); 2 - неверное определение мультиплекса параметра длин серий (рис. 2.в); 3 - ошибка в определении сразу 2-х параметров обработки, ОБ и параметра длин серий (рис. 2.д).

Рис. 1 Тестовый вариант развертки серий и их сигнальная маркировка (ОБ - белые блоки на (а); Серии - белые области на (б))

Аналогичные результаты, но для разных вариантов предобработки (сглаживания) контента, представлены на рис. 3(а-г).

Для демонстрации характерной структуры артефактов тестового изображения (рис.2 (а,в,д)), являющихся следствием неудачного взлома контента, был использован короткий стек выборки с длиной в 4 серии. Естественно, что это в значительной мере ограничивает общую комбинаторику перестановок исследуемых параметров, однако разрушение исходного изображения, даже на столь ограниченной базе, является более чем показательным. Очевидно, что расширение базы выборки, приведет к более существенному нарушению корреляционных связей используемых параметров серий и обусловит интенсификацию процесса дефрагментации контента.

На рис. 2(б,г,е) представлена визуализация разницы исходного и «атакованного» изображений-контента, характерная для указанных выше 3-х исходов событий. При этом, чем темнее фрагменты изображения, тем меньше разница между исходным и полученным значениями яркости составляющих их элементов и, соответственно, чем ярче элемент, тем эта разница больше.

Рисунок 2(ж, з) демонстрирует фактическое расположение ОБ и их серий в тестовом изображении при ошибочном подборе сразу 2-х параметров (рис. 2.д). Концептуально, рис.2(ж, з) аналогичен рис.1, однако характеризует ситуацию применительно выбранного тестового изображения.

Рис. 2 Результаты неудачного взлома изображения типа портрет и визуализация артефактов для ОБ размером 4x4 эл

Рис. 3 Результаты неудачного извлечения тестового изображения типа портрет (а-г) и количество формируемых блоков (д, е) при использовании разных способов сглаживания исходных данных (PZ = 3; ОБ 8*8 эл.)

Графики на рис.3 (д, е) отражают характер зависимости количества формируемых блоков (соответственно и комбинаторики перестановок) от установленных значений порога загрубления яркости соседних элементов изображений (Pz) и размерности самих блоков для различных способов сглаживания исходных изображений [5]. Как видно, отличие между разными способами предобработки практически исчезает при выборе значения порога загрубления более 14 градаций яркости (пунктир-отсечка Pz=14).

С точки зрения визуальной заметности проявляющихся артефактов, значение Pz=14, является граничным практически для всех типов изображений. Поэтому, в интересах обеспечения процедур стегановставки видеоданных, наиболее «интересные» результаты получены при использовании матриц сглаживания малой размерности (3*3 эл.), значениях «Pz» от 3 до 7 градаций и размерности ОБ серий в диапазоне 4-г8 эл. Именно при таких, параметрах обработки на рис. 2-3 представлены результаты взлома контента (т.е. несанкционированного извлечения тестового изображения), характерные для разных исходов подбора параметров межблочного мультиплекса серий, реализованного на малой длине стека выборки.

Выводы

1. Использование принципа кодирования длин серий при реализации процедур межблочного мультиплекса данных создает хорошую основу для противодействия попыткам несанкционированного извлечения контента.

2. Применение принципа кодирования длин серий уменьшает вычислительную сложность всего алгоритма (за счет сокращения общего количества ОБ) и создает необходимые исходные условия для реализации процедур межблочного мультиплекса данных.

3. Опорные блоки и параметры их длин серий являются основными процедурными элементами на этапе межблочной обработки контента.

4. Результаты моделирования подтвердили ведущую роль параметра длин серий (рис.2 (а-е)), как ключевого элемента процедуры легитимации извлечения контента. Данный тезис подтверждается уже при малой длине стека выборки серий ОБ (см. сравнениерис.2.а и рис.2.в).

5. Межблочный мультиплекс параметра длин серий в значительно большей степени разрушает корреляционные связи исходных данных, чем при использовании ОБ. Совместное использование обоих параметров (ОБ и длин Серий) дополнительно усиливает требуемый эффект (см. рис.2.д).

6. Увеличение размерности ОБ значительно ограничивает комбинаторику мультиплекса параметров серий, ввиду уменьшения базового стека выборки (рис.3 (д, е)). Оптимальной размерностью ОБ, следует считать блоки в диапазоне от 4*4 до 8*8 эл. при значении Pz <7.

7. Использование разных способов предобработки контента позволяет улучшить комбинаторику мультиплекса серий, что хорошо подтверждается сравнением результатов взлома тестового изображения на рис.3 (в, г).

8. Использование различных способов сглаживания входных данных даже при одинаковых значениях Pz, обеспечивает существенную разницу в количестве формируемых ОБ (рис.3 (д, е)), что хорошо видно на тестовом изображении рис.3 (а, б).

9. Размерность ОБ и способ организации развертки серий, являются элементами составного ключа экстрактора данных, определяющими порядок реализации процедур межблочной обработки данных, как инструмента легитимации доступа к видеоданным контента.

10. Вариативность порядка выборки используемых параметров серий при реализации любого способа их развертки, усиливает стойкость контента к попыткам его неавторизованного извлечения.

11. Использование принципа кодирования длин серий, в значительной мере, ограничено в фоновых областях изображений, что хорошо видно на примере изображений на рис.2(ж, з). Такая обработка данных практически не затрагивает высокоинформативные области изображений, например границы контуров (детали лица на рис.2(ж, з)). Поэтому для блоков, образующих подобные области изображений, необходимо использовать механизм внутриблочного мультиплекса данных (например, в части коэффициентов преобразования, характеризующих среднюю яркость ОБ) [6,8].

Список использованных источников

1. Прэтт У. (1985). Цифровая обработка изображений (Д. С. Лебедева, пер. с англ.). т. 1,2. Москва: Мир.

2. Бутаков Е. А., Островский В. И., & Фадеев И. Л. (1987). Обработка изображений на ЭВМ. Москва: Радио и связь.

3. Ярославский Л. П. (1979). Введение в цифровую обработку изображений. Москва: Сов. Радио.

4. Зубарев Ю. Б., & Дворкович В. П. (1997). Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений. Москва: МЦНТИ.

5. Красильников Н. Н. (1976). Статистическая теория передачи изображений. Москва: Связь.

6. Лесная, Ю., Гончаров, Н., & Малахов, С. (2021). Отработка концепта многоуровневого мультиплекса данных гибридного стеганоалгоритма. Збірник наукових праць SCIENTIA. Извлечено из: https://ojs.ukrlogos.in.ua/index.php/sdentia/ article/view/17666.

7. Гончаров O., Лєсная Ю., Погоріла К., Богданова Є., Малахов С. Дослідження параметру «серій опорних блоків», як елементу композитного ключа екстрактора даних стеганоалгоритму // Problems of science and practice, tasks and ways to solve them. Proceedings of the ХХ International Scientific and Practical Conference. Warsaw, Poland. 2022. Pp. 779-785. Вилучено із: URL: http://www.isg-konf.com/wp-content/ uploads/2022/05/Problems-of-science-and-practice-tasks-and-ways-to-solve-them.pdf.

8. Гончаров, Н., & Малахов, С. (2022). Использование параметра длин серий, как элемента межблочного мультиплекса данных стеганоалгоритма. Збірник наукових праць ЛОГОС, 180-187. https://doi.org/10.36074/logos-08.07.2022.050

Размещено на Allbest.ru