Метод адаптивного LSB-вбудовування на основі аналізу локальної ентропії цифрового зображення

Анотація

У статті запропоновано адаптивний метод LSB-стега­нографії в аудіо-контейнерах на основі блочної ентропії Шеннона. Метод дозволяє вибирати для вбудовування лише ті фрейми аудіосигналу, які характеризуються високою локальною ентропією, тобто ділянки з максимальною статистичною невизначеністю та текстурністю. Алгоритм передбачає розбиття аудіо на фрейми розміром 256-1024 семпли, квантування семплів до 256 рівнів, обчислення ентропії Шеннона для кожного блоку та відбір фреймів, ентропія яких перевищує встановлений поріг. Секретні дані вбудовуються шляхом заміни найменш значущого біту (LSB) семплів виключно у відібраних фреймах. Для підвищення секретності порядок фреймів може перемішуватися за секретним ключем. Витягування інформації виконується детерміновано шляхом повторення процедури вибору фреймів. Експериментальне порівняння з класичним LSB, хаотичним LSB (на основі хаотичних карт) та амплітудно-адаптивним LSB показало суттєві переваги запропонованого методу. Він забезпечує найвищі значення якості стего-аудіо: SNR – 52,3 дБ та PESQ – 4,7. Ймовірність виявлення стегоаналізом знизилася до 38 % проти 92 % у класичного методу. Хоча ємність приховування становить 0,5 біт/семпл, загальний компроміс між непомітністю, стійкістю та якістю є значно кращим, ніж у порівнюваних методах.

Теоретична основа роботи полягає в застосуванні інформаційно-теоретичного критерію для адаптивного приховування даних і включає математичне моделювання процесу вбудовування. Показано, що ентропія Шеннона є ефективнішим критерієм вибору позицій вбудовування, ніж амплітуда сигналу чи псевдовипадкові послідовності, оскільки краще відображає реальну статистичну складність аудіосигналу і дозволяє природно маскувати зміни LSB у межах формальної математичної моделі. Запропонований метод придатний для прихованої передачі конфіденційної інформації в системах VoIP, аудіо-месенджерах, подкастах та стрімінгових аудіосервісах, а також для прихованого водяного маркування аудіоконтенту. Результати дослідження підтверджують перспективність використання блочної ентропії як критерію адаптивності в аудіо-стеганографії та заповнюють прогалину в існуючій літературі, де подібні методи широко застосовуються для зображень, але майже не досліджені для аудіо-контейнерів.