Скрытое внедрение цифровых водяных знаков методом LSB
статья

Скрытое внедрение цифровых водяных знаков методом LSB

Токарев Игорь Эдуардович

Магистрант

БелГУ “Белгородский государственный национальный исследовательский университет”

Аннотация: В данной работе представлено экспериментальное исследование устойчивости простейшего алгоритма стеганографии, основанного на методе замены наименьшего значащего бита (LSB), к широкому спектру цифровых атак. Полученные данные подчеркивают ограниченную практическую применимость метода LSB в условиях, где изображение может быть подвергнуто внешним воздействиям.

Ключевые слова: Стенография, LSB, средства защиты информации, защита авторства, простой алгоритм защиты изображения.

Hidden implementation of digital watermarks using the LSB method

Tokarev Igor Eduardovich

Master's student

Belgorod State National Research University

Abstract: This paper presents an experimental study of the resistance of the simplest steganography algorithm based on the least significant bit (LSB) replacement method to a wide range of digital attacks. The results highlight the limited practical applicability of the LSB method in environments where the image may be subjected to external influences.

Keywords: Stenography, LSB, information protection tools, copyright protection, simple image protection algorithm.

Введение

С развитием цифровых технологий обеспечение конфиденциальности информации становится все более актуальной задачей. Одним из подходов к решению этой задачи является стеганография — наука о скрытии факта передачи информации. Метод LSB (Least Significant Bit) представляет собой один из наиболее простых и широко известных алгоритмов стеганографии, заключающийся в замене младших битов цветовых компонент пикселей на биты скрываемого сообщения. Несмотря на свою простоту, метод LSB часто используется в учебных целях и в качестве базового для сравнения более сложных алгоритмов. Однако его практическая ценность определяется прежде всего устойчивостью к различным видам атак. Целью данной работы является проведение комплексного экспериментального исследования устойчивости алгоритма LSB к набору стандартных цифровых атак и анализ полученных результатов.

Методика исследования

Экспериментальная реализация алгоритма LSB была выполнена в программной среде MATLAB. В качестве исходного изображения был выбран цветной файл формата JPEG размером 1280x720 пикселей. Рассматривая изображение подробнее можно заметить, что ярко-красный цвет может быть 11010110, по методу LSB “Наименьший значащий бит” можно изменить 11010110 на 11010111 и никакой разницы для человеческого глаза не будет заметно. В качестве скрываемого сообщения использовалась строка "qweasd" (6 символов, что эквивалентно 48 битам данных). Сообщение внедрялось последовательно в младшие биты каналов RGB каждого пикселя изображения.

Для оценки качества внедрения и незаметности стеганограммы проводился визуальный анализ и количественная оценка с помощью следующих метрик:

• PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) — для оценки искажения изображения.
• MAE (Mean Absolute Error) — для оценки средней абсолютной разницы между исходным и обработанным изображением.
• Гистограммы каналов RGB — для визуального и статистического сравнения распределения интенсивностей.
• Карта абсолютных ошибок — для визуализации локальных изменений.

Для оценки устойчивости алгоритма к атакам было применено 25 различных типов обработки к стеганограмме, после чего производилось извлечение сообщения и расчет процента совпадения с исходным сообщением "qweasd".

Результаты эксперимента

Рисунок 1 – Шифрование методом LSB.

Как показывают результаты (Рисунок 1), визуально исходное изображение и изображение с внедренным сообщением идентичны. Количественные метрики подтверждают это:

• PSNR = дБ (значение значительно выше 30 дБ, что свидетельствует о практически полном отсутствии заметных искажений).
• MAE = (что указывает на отсутствие среднего отклонения, так как изменения происходят только в младшем бите, который не влияет на восприятие яркости).

Анализ гистограмм RGB-каналов (Рисунок 1) показывает их полное совпадение, что говорит о сохранении статистических свойств изображения. Карта абсолютных ошибок (Рисунок 1) демонстрирует наличие единичных точек, соответствующих измененным младшим битам, но общая картина подтверждает высокую степень незаметности.

Оценка устойчивости к атакам

Результаты тестирования на устойчивость к различным видам атак представлены в Таблице 1.

Таблица 1: Устойчивость алгоритма LSB к различным атакам

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Алгоритм LSB действительно обеспечивает высочайшую степень незаметности для человеческого глаза, что подтверждается как визуальным анализом, так и количественными метриками PSNR и MAE.
2. Устойчивость алгоритма к внешним воздействиям крайне низка. Даже относительно мягкие атаки, такие как JPEG-сжатие с качеством 50% или медианный фильтр 3x3, приводят к потере информации (сохраняется лишь ).
3. Большинство распространенных типов обработки изображений (JPEG-сжатие при любом качестве, шумы, геометрические преобразования, фильтрация, изменение яркости/контраста) полностью разрушают внедренное сообщение, приводя к 0% совпадения.
4. Это делает метод LSB практически непригодным для использования в реальных сценариях, где изображение может быть подвергнуто любой обработке, даже минимальной. Его можно рассматривать только как учебный пример или как базовый алгоритм для сравнения с более устойчивыми методами.

Заключение

В ходе проведенного исследования было экспериментально подтверждено, что метод LSB, несмотря на свою простоту и высокую незаметность, обладает критически низкой устойчивостью к практически любым видам цифровых атак. Результаты, полученные в среде MATLAB, однозначно показывают, что внедренное сообщение "qweasd" теряется практически полностью при минимальной обработке изображения. Таким образом, для практического применения в условиях, требующих надежной защиты информации, метод LSB является неприемлемым. Будущие исследования должны быть направлены на разработку или использование более устойчивых стеганографических алгоритмов, способных сохранять скрытое сообщение при обработке изображения.