Пояснительная записка (Декодирование скрытой информации с использованием алгоритма JPEG), страница 4

1. Способы передачи информации в защищенном виде

При организации обмена информацией конфиденциального характера, участниками которого являются государственные органы и организации, выполняющие государственные заказы, необходимость криптографической защиты информации и выбор применяемых СКЗИ определяются государственными органами или организациями, выполняющими государственные заказы [5].

При организации обмена информацией, доступ к которой ограничивается по решению обладателя, пользователя (потребителя) данной информации, собственника (владельца) информационных ресурсов (информационных систем), не являющихся организациями, выполняющими государственные заказы, или уполномоченными ими лицами (за исключением информации, содержащей сведения, к которым в соответствии с законодательством Российской Федерации не может быть ограничен доступ), необходимость ее криптографической защиты и выбор применяемых СКЗИ определяются соглашениями между участниками обмена.

1. Разработка программного обеспечения, позволяющего декодировать информацию с использованием алгоритма JPEG

1. Описание алгоритма шифрования

Данный алгоритм основывается на сжатии изображения по алгоритму JPEG. По мере того как изображение потеряет качество, в него же будет встроена некая информация, о существовании которой рядовой пользователь даже и не узнает. Для встраивания в сообщения и последующего извлечения из него скрытой информации выполняются следующие действия:

• производится сжатие изображения с потерями по классическому алгоритму JPEG – до момента построения матрицы квантования;

• построение матрицы квантования и шифрования;

• кодирование;

• декодирование;

• дешифрование.

Применение классического алгоритма JPEG

Выполняем следующие этапы сжатия:

• перевести изображение из цветового пространства RGB, с компонентами, отвечающими за красную (Red), зеленую (Green) и синюю (Blue) составляющие цвета одного пикселя, в цветовое пространство YCrCb, в котором Y – яркостная составляющая, а Cr, Cb – компоненты, отвечающие за цвет (хроматический красный и хроматический синий);

• исходное изображение разбивается на матрицы 8x8, из каждой формируются три рабочие матрицы ДКП – по 8 бит отдельно для каждой компоненты;

• применяется ДКП к каждой рабочей матрице. При этом в полученной матрице коэффициенты в левом верхнем углу соответствуют низкочастотной составляющей изображения, а в правом нижнем – высокочастотной;

• производится квантование, т. е. деление рабочей матрицы на матрицу квантования поэлементно. Для каждой компоненты (Y, Cb и Cr), в общем случае, задается своя матрица квантования;

Получив матрицы квантования, можно встраивать информацию в изображение. Для каждой компоненты Y, Cb, Cr задается по два ключа: маска блока и маска байт. Маска блока представляет собой матрицу размером 8х8, каждый элемент которой равен нулю или единице. Такой ключ нужен для того, чтобы встроенная информация располагалась в тех позициях матриц квантования, которые соответсвует тем же позициям ненулевых значений маски блока.

Маска байта задается в виде последовательности восьми битов и предназначена для того, чтобы знать, какие позиции битов в двоичном коде числа, соответствующего ненулевому значению маски блока, необходимо заменить на биты кодируемого сообщения.

Допустим имеется матрица квантования, изображенная на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Заданная неканоничная матрица квантования

Маска блока задана так, как показано на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Заданная маска блока

Маска байт задана в виде последовательности битов «00100101».

Построение специфической матрицы квантования и шифрование

Предположим необходимо зашифровать букву «Д» и будем считать ее сообщением. Согласно кодировке Windows-1251, буква представляет собой последовательность бит «11000100». Именно эту последовательность битов и необходимо спрятать в матрице квантования.

Если внимательно посмотреть на маску блока, то можно увидеть, что по ней изменениям будут подвергнуты элементы «28» и «48». Эти числа необходимо представить в виде последовательности битов, переведя их в двоичную систему счисления. Число «28» – это «00011100», число «48» – «00110000».

Берем из последовательности битов сообщения, начиная с младших, столько битов, сколько единиц содержится в маске байт. Этими битами заменяются биты в двоичном представлении «отборных» чисел из матриц квантования. Заменяются они на позиции, соответствующие позициям ненулевых битов маски байт, причем замена происходит, начиная с младших битов.

В таблице 3.1. наглядно приведено преобразование чисел матриц квантования в новые по маске блока и маске байт.

Таблица 3.1 – Преобразование чисел

Таким образом, матрица квантования будет иметь вид, показанный на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Матрица квантования с измененными элементами

Однако сообщение не считается зашифрованным, так как остались еще два бита «1» и «1». Действительно, мы не сможем встроить это сообщение в одну матрицу квантования. В данном случае по маске блока берутся два элемента из матрицы квантования и в каждом заменяются три бита, т. е. с заданием таких ключей мы сможем внедрить в матрицу квантования сообщение длиной шесть бит. Но не нужно забывать, что мы встраиваем сообщение в изображение и таких матриц квантования очень много. Поэтому, если в матрице квантования невозможно дальше производить изменения, то необходимо перейти к следующей матрице и повторить действия с последующим набором битов сообщения.

Кодирование

Сообщение представляет собой следующую последовательность. В начале прописывается маркер «ff 66» длиной два байта. Такой маркер позволяет обнаружить факт внедрения в изображение скрытой информации. Далее выделяются два байта для длины сообщения и затем собственно последовательность битов, которая и является скрытым сообщением.

Декодирование