МЕТОД ПОЄДНАННЯ СИМЕТРИЧНОГО ШИФРУВАННЯ ТА АДАПТИВНОЇ СТЕГАНОГРАФІЇ ДЛЯ ЗАХИСТУ ІНФОРМАЦІЇ В ЦИФРОВИХ ЗОБРАЖЕННЯХ

Анотація

Стрімкий розвиток інформаційно-комунікаційних технологій та активне використання цифрових каналів обміну даними зумовлюють необхідність удосконалення методів захисту конфіденційної інформації. Під час передавання даних через відкриті мережі виникають ризики перехоплення, модифікації або несанкціонованого доступу до інформації. Актуальним є забезпечення захисту цифрових зображень, які часто використовуються як носії даних у сучасних інформаційних системах. У зв’язку з цим у роботі досліджено підхід до адаптивного захисту інформації на основі поєднання криптографічних та стеганографічних методів.

У межах дослідження реалізовано метод, що поєднує симетричні алгоритми AES-256, ChaCha20 та ChaCha20-Poly1305 з адаптивною робастною стеганографією. Основною ідеєю підходу є приховування попередньо зашифрованих даних у цифрових зображеннях з урахуванням характеристик контейнера. Перед виконанням криптографічного оброблення вхідні дані проходять етап попередньої нормалізації та перетворення у стандартизований формат цифрового представлення зображення (PNG). Для цього здійснюється аналіз текстурних областей, рівня ентропії та шумових характеристик зображення, що дозволяє визначити найпридатніші ділянки для вбудовування інформації та знизити ймовірність її виявлення.

Ефективність запропонованого методу оцінювалася шляхом проведення серії експериментів з приховуванням повідомлень у цифрових контейнерах та подальшим аналізом якості отриманих стегозображень. Для оцінювання використовувалися метрики, які дозволили визначити рівень спотворень контейнера та стійкість прихованих даних до зовнішніх впливів. Отримані результати показали, що після вбудовування інформації зображення зберігає високу візуальну якість, а зміни залишаються практично непомітними для людського ока.

Наукова новизна полягає у розробленні алгоритму адаптивного криптостеганографічного захисту цифрових зображень, який реалізує двоетапну процедуру адаптації: визначення областей вбудовування на основі інтегрального показника, що враховує ентропію, текстурну складність і рівень шуму контейнера, та автоматичний вибір оптимального криптографічного алгоритму за комплексним зваженим критерієм якості стегозображення, сформованим за використання метрик PSNR, MSE і SSIM. На відміну від наявних гібридних криптостеганографічних підходів, що використовують фіксовані параметри вбудовування або один алгоритм шифрування, запропонований метод забезпечує адаптивну оптимізацію параметрів приховування залежно від характеристик контейнера та автоматичний вибір найбефективнішого алгоритму шифрування.

Особливістю реалізованого підходу є забезпечення стійкості прихованої інформації до типових операцій цифрової обробки зображень, а саме повороту, ущільнення та додавання шуму. Результати експериментів підтвердили можливість коректного відновлення прихованого повідомлення навіть після геометричних перетворень контейнера.

Стрімкий розвиток інформаційно-комунікаційних технологій та активне використання цифрових каналів обміну даними зумовлюють необхідність удосконалення методів захисту конфіденційної інформації. Під час передавання даних через відкриті мережі виникають ризики перехоплення, модифікації або несанкціонованого доступу до інформації. Актуальним є забезпечення захисту цифрових зображень, які часто використовуються як носії даних у сучасних інформаційних системах. У зв’язку з цим у роботі досліджено підхід до адаптивного захисту інформації на основі поєднання криптографічних та стеганографічних методів.

У межах дослідження реалізовано метод, що поєднує симетричні алгоритми AES-256, ChaCha20 та ChaCha20-Poly1305 з адаптивною робастною стеганографією. Основною ідеєю підходу є приховування попередньо зашифрованих даних у цифрових зображеннях з урахуванням характеристик контейнера. Перед виконанням криптографічного оброблення вхідні дані проходять етап попередньої нормалізації та перетворення у стандартизований формат цифрового представлення зображення (PNG). Для цього здійснюється аналіз текстурних областей, рівня ентропії та шумових характеристик зображення, що дозволяє визначити найпридатніші ділянки для вбудовування інформації та знизити ймовірність її виявлення.

Ефективність запропонованого методу оцінювалася шляхом проведення серії експериментів з приховуванням повідомлень у цифрових контейнерах та подальшим аналізом якості отриманих стегозображень. Для оцінювання використовувалися метрики, які дозволили визначити рівень спотворень контейнера та стійкість прихованих даних до зовнішніх впливів. Отримані результати показали, що після вбудовування інформації зображення зберігає високу візуальну якість, а зміни залишаються практично непомітними для людського ока.

Наукова новизна полягає у розробленні алгоритму адаптивного криптостеганографічного захисту цифрових зображень, який реалізує двоетапну процедуру адаптації: визначення областей вбудовування на основі інтегрального показника, що враховує ентропію, текстурну складність і рівень шуму контейнера, та автоматичний вибір оптимального криптографічного алгоритму за комплексним зваженим критерієм якості стегозображення, сформованим за використання метрик PSNR, MSE і SSIM. На відміну від наявних гібридних криптостеганографічних підходів, що використовують фіксовані параметри вбудовування або один алгоритм шифрування, запропонований метод забезпечує адаптивну оптимізацію параметрів приховування залежно від характеристик контейнера та автоматичний вибір найбефективнішого алгоритму шифрування.

Особливістю реалізованого підходу є забезпечення стійкості прихованої інформації до типових операцій цифрової обробки зображень, а саме повороту, ущільнення та додавання шуму. Результати експериментів підтвердили можливість коректного відновлення прихованого повідомлення навіть після геометричних перетворень контейнера.

Практична цінність отриманих результатів полягає у можливості застосування розробленого підходу для забезпечення захисту конфіденційних даних в інформаційно-комунікаційних системах, системах електронного документообігу та мультимедійних сервісах. Використання комбінації криптографічних методів і адаптивної стеганографії сприяє підвищенню рівня безпеки передавання інформації та зменшенню ймовірності виявлення прихованих даних.