Д.т.н., професор Юдін О.К., Симониченко Я.А.
Національний авіаційний університет, Україна
АНАЛІЗ
СУЧАСНИХ ГРАФІЧНИХ ФОРМАТІВ
В
УМОВАХ РЕАЛІЗАЦІЇ ПРОЦЕСІВ СТЕГАНОЗАХИСТУ
Вступ. На сучасному етапі розвитку
інформаційних технологій інформація є найбільшою цінністю. Тому виникає необхідність
створення нових, більш надійніших, методів захисту інформації. Для вирішення даної
задачі використовують стеганографічні методи, що дозволяють приховувати не тільки інформацію, але і факт її наявності при передачі каналом зв’язку.
Реалізація методів
стеганографічного захисту призводить до створення стеганографічної системи. При
підвищенні надійності стеганосистеми, необхідно прагнути якнайменше змінювати
структурні ознаки контейнера.
Постановка задачі. Для
реалізації методів стеганографічного захисту використовують фіксовані
контейнери растрового зображення. Важливими характеристиками контейнерів є:
розмір растру, роздільна здатність, глибина кольору та колірна модель. Зміна
цих характеристик впливає на структурні ознаки контейнера. Зберігання
растрового зображення відбувається у вигляді певного файлу. Кожен файл
зображення має свій формат, в залежності від алгоритму зберігання графічної
інформації. В залежності від формату, при внесенні повідомлення до зображення,
можлива зміна розміру файлу.
Оптимальніший
контейнер визначається рядом показників, що базуються на відмінності між
контейнером-оригіналом і контейнером-результатом.
Метою даної статті є
аналіз сучасних графічних форматів растрового зображення в умовах реалізації
процесів стеганозахисту. На основі
проведених досліджень потрібно визначити оптимальний графічний формат файлу для
контейнера. В ході роботи сформуємо графічні залежності відхилення структурних
ознак контейнера-оригінала від контейнера-результату.
Аналіз сучасних графічних форматів в умовах реалізації
процесів стеганозахисту. На сучасному етапі найбільш поширеними форматами є BMP, GIF, PNG, JPEG та TIFF. Растрові зображення зберігаються в стиснутому вигляді. Залежно від алгоритму
стиснення, може бути
можливо чи неможливо відновити зображення в точності таким, яким воно
було до стиснення.
Для проведення аналізу
була використана синя складова статичного 24-бітового RGB зображення із
розміром растру – 240х240. Ступінь заповнення синьої складової становив від 20 до 100%. Інформація приховувалась методом модифікації молодшого
біту елементу зображення [1].
Для знаходження
оптимального формату файлу виконаємо порівняння зображень на основі таких
показників: розмір файлу, кореляція зображень та спотворення якості зображення.
Розмір файлу. Розміри файлів після стеганоперетворення наведені у
таблиці 1.
Таблиця 1. Розмір файлів
|
Формат файлу |
Ступінь заповнення
контейнера, % |
||||||
|
0 % |
20% |
40% |
60% |
80% |
100% |
||
|
Розмір файлу після
стеганоперетворення, байт |
|||||||
|
1 |
TIFF |
202 200 |
202 208 |
202 208 |
202 216 |
202 208 |
202 212 |
|
2 |
BMP |
172 854 |
172 854 |
172 854 |
172 854 |
172 854 |
172 854 |
|
3 |
PNG |
108 181 |
108 462 |
108 576 |
108 653 |
108 718 |
108 806 |
|
4 |
JPEG |
47 015 |
47 016 |
47 019 |
47 027 |
47 011 |
47 017 |
|
5 |
GIF |
40 550 |
40 619 |
40 620 |
40 562 |
40 580 |
40 636 |
Таким чином, за
даним показником оцінювання, оптимальнішим є BMP-формат. Розмір даного файлу не
змінюється. Це зумовлено тим, що стиснення,
за алгоритмом RLE,
відбувається за рахунок того, що в початковому зображенні зустрічаються
послідовності однакових байт [2].
Зміна розмірів
файлів інших форматів обумовлена алгоритмом стиснення інформаційної
послідовності. Менш надійнішим є JPEG-формат, зміна у розмірі становить від 1
до 12 байтів. JPEG використовує стиснення з втратами.
При використанні TIFF, розмір файлу змінювався від 8 до 16 байтів. При
GIF – від 12 до 70 байтів, а PNG – 354 до 625 байтів (рис.1).
Рис.1. Розмір файлів в
залежності від ступеню заповнення
Кореляція зображень. Наступним
показником оцінювання є кореляція контейнера-оригінала та контейнера-результату.
Для визначення взаємозв’язку двох зображень використаємо формулу коефіцієнта
кореляції Пірсона:
де 
,
- середні значення вибірки х та у;
S - середньоквадратичне відхилення.
Таблиця 2. Коефіцієнт
кореляції
|
№ |
Формат файлу |
Ступінь заповнення контейнера, % |
|||||
|
0 % |
20% |
40% |
60% |
80% |
100% |
||
|
Показник коефіцієнта кореляції зображень |
|||||||
|
1 |
TIFF |
1 |
0,99999885 |
0,99999778 |
0,99999602 |
0,99999467 |
0,99999258 |
|
2 |
BMP |
1 |
0,99999885 |
0,99999778 |
0,99999601 |
0,99999466 |
0,99999257 |
|
3 |
PNG |
1 |
0,99999278 |
0,99998796 |
0,99997345 |
0,99995994 |
0,99994743 |
|
4 |
GIF |
1 |
0,99999185 |
0,99998159 |
0,99995966 |
0,99993439 |
0,99991841 |
|
5 |
JPEG |
1 |
0,99997991 |
0,99995249 |
0,99991332 |
0,99991332 |
0,99983271 |
При дослідженні
кореляції зображень із різними форматами файлів можна зробити висновок, що
оптимальнішими є BMP та TIFF формати. Максимальне відхилення, цих файлів від оригінального зображення,
становить 0,00000743 при 100% заповненні (рис.2). Формат TIFF дозволяє використовувати
RLE, LZW та JPEG алгоритми стиснення. Менш
стійким, до стеганографічний перетворень, є PNG-формат. PNG
використовує стиснення за алгоритмом Deflate. Даний алгоритм використовує
комбінацію алгоритму LZ77 і алгоритму
Хаффмана. Його відхилення становить 0,00005257. Наступним форматом є GIF
із відхиленням – 0,00008159, а JPEG – 0,00016729.
Рис.2. Значення
коефіцієнтів кореляції файлів після стеганоперетворення
Якість зображення. Даний показник
належить до групи різницевих показників спотворення [1]. Він базується на
відмінності між контейнером-оригіналом і контейнером-результатом. Для
визначення показника використаємо наступну формулу:
де C x, y - піксель
порожнього контейнера з координатами (x, y), а S x, y – відповідний піксель
заповненого контейнера.
Таблиця 3. Спотворення
якості зображення
|
№ |
Формат файлу |
Ступінь заповнення контейнера, % |
|||||
|
0 % |
20% |
40% |
60% |
80% |
100% |
||
|
Показник спотворення якості зображення |
|||||||
|
1 |
TIFF |
1 |
0,99999912 |
0,99999832 |
0,99999695 |
0,99999591 |
0,99999431 |
|
2 |
BMP |
1 |
0,99999912 |
0,99999831 |
0,99999694 |
0,99999591 |
0,99999431 |
|
3 |
PNG |
1 |
0,99999556 |
0,99999104 |
0,99998561 |
0,99997325 |
0,99992657 |
|
4 |
GIF |
1 |
0,99999376 |
0,99998591 |
0,99996912 |
0,99994977 |
0,99993754 |
|
5 |
JPEG |
1 |
0,99998463 |
0,99996365 |
0,99993369 |
0,99990271 |
0,99987201 |
Аналізуючи
результати, що показані у таблиці 3, можна зробити висновок, що кращі показники
за даним критерієм у BMP та TIFF-формату. Спотворення цих зображень становить
0,00000569 при 100% заповнені. Менш стійкішим є GIF. У GIF
використовується стиснення за алгоритмом LZW. При такому стисненні відбувається пошук повторюваних комбінацій різних байт, які
записуються у вигляді ключів. Показник цього формату становить 0,00006246.
Наступним є PNG-формат із показником спотворення – 0,00007343. Найменш
оптимальнішим форматом для стеганографічний перетворень, за даним показником, є
JPEG. Спотворення 100% заповненого контейнера із контейнером-оригіналом
становить 0,0001279 (рис.3).
Рис.3. Значення показників
якості зображення
Висновок. На основі проведених
досліджень, було визначено найстійкіший формат файлу до стеганографічний
перетворень. Таким чином, за результатами досліджень, найоптимальнішим форматом
є BMP. При внесенні прихованого повідомлення зберігається розмір файлу із
найменшим візуальним спотворенням. Наступним форматом, слід виділити,
TIFF-формат. Єдиним недоліком цього формату є зміна розміру файлу. Останні
формати файлів є нестійкими до стеганографічний перетворень. Це зумовлено
великими змінами у розмірах файлів та візуальних показниках спотворень зображень.
Література:
1. Конахович Г.Ф., Пузыренко А.Ю. Компьютерная
стеганография. Теория и практика. – К.: МК-Пресс, 2006. – 288 с.
2.
Ватолин Д., Ратушняк А., Смирнов М., Юкин В. Методы
сжатия данных. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2002. - 384 с.