Санкт-Петербург

Ключевые слова: стеганография, цифровые водяные знаки, наименее значимые биты, 
стеганоанализ, многоуровневое встраивание, стегановставка, взвешенный контейнер, LSB, MLSB, 
WF5. 
В последнее время обмен данными в Интернете стал быстрым и удобным, вследствие 
чего использование цифровых ресурсов и управление ими становится наиболее 
востребовано. Проблема управления и обеспечение безопасности цифровых медиаресурсов 
становится 
актуальной 
задачей, 
для 
решения 
которой 
могут 
применяться 
стеганографические подходы. Сокрытие информации и ее выявление также является 
важной проблематикой в условиях быстро развивающихся инфраструктур сетевого обмена 
данными. В результате чего значительный объем передаваемых медиаресурсов часто 
сопровождается незаконным копированием и распространением, что может нарушать 
авторские права. Исходя из этого, возникает необходимость поиска способов внедрения 
авторской информации в передаваемые объекты и дальнейшего ее обнаружения в целях 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
24 
защиты авторских прав на них. Одним из направлений для решения данной задачи является 
цифровая стеганография. Главной задачей стеганографии является организация скрытого 
канала связи с помощью особого внедрения информационного сообщения (например, 
авторская информация) в цифровые объекты (контейнеры), свободно распространяющиеся 
по сети. Также стеганографические методы могут применяться для построения системы 
защиты на базе незаметных цифровых водяных знаков. В качестве таких объектов 
(контейнеров) могу выступать цифровые изображения, аудио- и видеофайлы и т.д. 
Наиболее распространенным типом контейнера являются файлы изображения, часто файлы 
формата BMP. Положительной стороной в пользу выбора формата BMP выступает высокое 
качество изображения и простота формата. При этом разработчики стеганографических 
методов должны организовывать целостность передаваемых авторских данных, а также 
вносимые изменения в процессе встраивания в контейнере не должны привести к 
существенным потерям его качества (должны отсутствовать артефакты визуализации 
встраивания). 
Существует много стеганографических методов встраивания информации в различные 
типы изображений и их области. В данной работе проводилось сравнительное исследование 
с целью выявления лучшего подхода к встраиванию при использовании многоуровневой 
модели изображения-контейнера (взвешенного контейнера [1]) BMP-изображения, сравнивая 
стеганографические методы: метод замены наименее значимых бит (LSB-метод) [2] и метод 
многоуровневого LSB -встраивания (метод MLSB) [1]. 
Для исследования в качестве контейнера рассматривается 24-битовое растровое 
изображение формата BMP в системе цветности RGB. Каждый пиксель представляет собой 
комбинацию значений яркости трех составляющих цвета – красного (R), зеленого (G) и 
синего 
(B), которые 
занимают 
каждый 
по 
1 Б. 
Самым 
распространенным 
стеганогарфическим методом, позволяющим встроить информацию в пространственную 
область BMP-изображения, является LSB-метод. Суть метода заключается в том, что 
наименее значимые биты цветовых компонентов пикселя изображения заменяются битами 
передаваемой информации. Проведя исследования, было выявлено, что встраивать 
информацию можно не только в первые, наименее значимые биты [3], но и последующие три 
(в некоторых случаях 4), при этом не происходит сильного искажения изображения и 
показатель визуального искажения PSNR [4] не опускается ниже 30 дБ, как можно заметить в 
таблице, приведенной ниже. Если значения PSNR опускаются ниже 30 дБ, то такие 
искажения изображения становятся визуально обнаружимыми [5]. 
Таблица. Сравнение значений PSNR при встраивании информации в разные LSB 
№ бита 
1 
2 
3 
4 
1&2 
1&2&3 
1&2&3&4 
PSNR (дБ) 
51,13 
45,11 
39,09 
33,09 
44,16 
37,90 
31,79 
Классический метод встраивания LSB не требует дополнительных вычислений и 
позволяет скрывать в относительно небольших файлах объем авторской информации, не 
превышающей объем младшей битовой плоскости. При этом уровень вносимых искажений 
является достаточно существенным (около 50 дБ), хотя все еще обеспечивается их 
визуальная незаметность. Объем встраивания может быть увеличен за счет увеличения 
числа битовых плоскостей, используемых при встраивании. Однако при этом растет 
вероятность появления артефактов встраивания, следовательно, снижается его качество 
(уменьшение PSNR до уровня, близкого к 30 дБ). Кроме того, малейшее изменение 
изображения приводит к серьезным искажениям, вплоть до полной потери встроенной 
авторской информации. 
Для решения задачи увеличения объема встраивания относительно классического LSB 
при уменьшении заметности вносимых искажений, был предложен метод многоуровневого 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
25 
встраивания MLSB [1], использующий для встраивания помехоустойчивые коды. Для 
формирования рабочей области контейнера в этом методе также могут быть использованы 
различные комбинации наименее значимых бит цветовых компонентов пикселей BMP-
изображения, а именно несколько младших битовых плоскостей. 
В представленной работе проводилось исследование метода MLSB, реализованного на 
базе метода WF5 [1] на тестовых изображениях [6] различных типов: портрет, пейзаж, текст, 
натюрморт и т.д. В сформированный из трех младших битовых плоскостей взвешенный 
контейнер встраивалась псевдослучайная последовательность, так как предполагается, что 
авторская информация может быть зашифрована перед встраиванием. Сравнивая данный 
метод с применением LSB-встраивания, было выявлено, что при одинаковом объеме 
встраиваемой информации LSB-метод искажает изображение сильнее, чем метод MLSB, как 
можно заметить на рисунке, где значения PSNR при MLSB-методе значительно выше при 
разных способах формирования рабочей области. Это значит, что данный метод, по 
сравнению с обычным LSB-методом, позволяет комбинировать наименее значимые биты для 
лучшего распределения встраиваемой информации в контейнере, тем самым уменьшая 
визуальное искажение изображения. 
Рисунок. Гистограммы PSNR при встраивании LSB-методом и MLSB-методом 
В результате исследования было выявлено, что при одинаковом объеме встраиваемой 
информации метод MLSB искажает изображение существенно меньше, чем обычный метод 
LSB. И даже при незначительном объеме встраивания у LSB-метода и при разных способах 
формирования рабочей области у метода MLSB, значения PSNR значительно выше при 
встраивании информации методом многоуровневого LSB-встраивания. Это означает, что для 
решения задачи увеличения объема встраивания в дальнейшем может рассматриваться метод 
WF5 с использованием других, более оптимальных с точки зрения объема встраивания, 
параметров помехоустойчивых кодов. Исследования проводились также при использовании 
разной встраиваемой информации: различные псевдослучайные последовательности; 
различные тестовые изображения: текст, портретное изображение, пейзаж и т.д. Результаты 
проведенного эксперимента по встраиванию также подтвердили преимущество метода 
MLSB над обычным LSB-методом.