تکنیک هایی برای پنهان کردن اطلاعات
پنهان کردن اطلاعات شکلی از مختصر نویسی است که اطلاعات را در یک رسانه دیجیتالی به منظور شناسایی، تعلیق و حق چاپ جا می دهند. محدودیت های زیادی بر این فرآیند تاثیر می گذارند: کمیت اطلاعات پنهان شده، نیازمند تغییری ناپذیری این اطلاعات تحت شرایطی است که سیگنال میزبان در معرض تحریف باشد برای مثال می توان اختصار پراتلاف، درجه ای که اطلاعات باید برای رهگیری محفوظ شوند، تغییر یا پاک شدن توسط گروه سوم را نام برد. ما هم تکنیک های سنتی و هم جدید را جستجو می کنیم. به فرآیند پنهان کردن اطلاعات و ارزیابی این تکنیک ها در سه کاربرد می پردازیم:
حمایت از حق چاپ، محافظت در برابر دستکاری و مداخله و افزایش جای گذاری اطلاعات.
دسترسی دیجیتالی به امکانات رسانه ای و به طور بالقوه بهبود قابلیت انتقال، بازده و صحت اطلاعات ارائه شده است. تاثیرات نامطلوب دسترسی آسان به اطلاعات، افزایش فرصت برای نقض حق چاپ و دستکاری یا تغییر مطالب می باشند. انگیزه این کار در بر گیرنده اقدامات لازم حقوق عقلانی است که نشانه ای از دستکاری مطالب و به معنای تعلیق آنهاست. پنهان کردن اطلاعات نشان دهنده بخشی از فرآیندهای مورد استفاده برای جای گذاری اطلاعات است که از آن جمله حق چاپ اطلاعات، اشکال مختلف رسانه(صوتی، تصویری، متنی) با حداقل میزان تنزل مشهود برای سیگنال میزبان است.
برای مثال اطلاعات جای گذاری شده باید برای فرد ناظر غیر قابل دیدن و نامفهوم باشند. به این مسئله توجه کنید که پنهان کردن اطلاعات گرچه مشابه تراکم و اختصار است اما از پنهان کاری متمایز است. و هدف آن دسترسی منحصر و خاص برای سیگنال میزبان نیست بلکه بیشتر برای اطمینان از مصونیت و بازیابی اطلاعات جایگذاری شده است. دو هدف مهم پنهان کردن اطلاعات در رسانه دیجیتالی فراهم کردن حفاظت از حق چاپ و تضمین بی عیبی مطالب است، بنابراین اطلاعات باید در سیگنال میزبان پنهان بمانند حتی اگر سیگنال در معرض دستکاری، تنزل خلوص، نمونه برداری یا اختصار پر اتلاف داده ها قرار بگیرد. کاربرد دیگر پنهان کردن اطلاعات شامل گنجایش زیاد اطلاعات می شود که نیازی به بازیابی، پاک کردن یا جدا کردن پیدا نمی کند و این اطلاعات هم برای نویسنده و هم خواننده مفید هستند. بنابراین تکنیک هایی که برای پنهان کردن اطلاعات مورد استفاده قرار می گیرند به کمیت اطلاعات و تغییر ناپذیری آن اطلاعات برای دستکاری بستگی دارد. از آنجایی که هیچ یک از روشها تمام این اهداف را برآورده نمی کند، هر یک از این فرآیندهای مورد نیاز طیفی از کاربردهای ممکن را در بر می گیرند. از لحاظ فنی پنهان کردن اطلاعات دشوار است و هر روزنه ای برای اینکه با اطلاعات در سیگنال میزان یا از لحاظ ادراکی یا آماری پر شود در معرض پاک شدن یا اختصار پر اتلاف قرار می گیرد.
کلید موفقیت برای پنهان کردن اطلاعات پیدا کردن روزنه هایی است که برای استخراج مناسب نیستند و از طریق الگوریتم اختصار حاصل می شوند. مسئله حادتر پر کردن این روزانه ها با اطلاعات، نامتغیر باقی ماندن طبقه بزرگ انتقال سیگنال میزبان است.
ویژگی ها و کاربردها:
تکنیک های پنهان کردن اطلاعات باید قادر به جای گذاری اطلاعات در سیگنال میزبان با محدودیت ها و ویژگی هایی که در ادامه آمده است باشند:
1. سیگنال میزبان باید به خوبی اطلاعات را کاهش دهد و آنها را به شکلی جای گذاری کند که در حالت حداقل قابل درک باشند.(هدف از این کار پنهان نگه داشتن اطلاعات است. طوری که هر جادوگری به شما خواهد گفت که هر چیزی امکان پنهان شدن دارد گرچه قابل دیدن باشد. شما به ندرت می توانید فرد را از جستجو کردن در آن باز دارید. ما از کلمات غیرقابل شنیدن، غیر مشهود و غیر قابل دیدن بدین منظور استفاده می کنیم که ناظر متوجه حضور اطلاعات نمی شود حتی اگر آنها مشهود و قابل درک باشند.)
2. اطلاعات جای گذاری شده باید به طور مستقیم در رسانه رمز گذاری شده باشند تا اینکه اطلاعات از طریق تغییر شکل فایل اطلاعات بی عیب و کامل باقی بمانند.
3. اطلاعات جای گذاری شده باید در مقابل تغییرات عمدی و تلاش های هوشیارانه در پاک کردن با پیش بینی دستکاریها مصون بمانند. برای مثال: صدای شبکه، فیلترکردن، نمونه برداری، اختصار پر اتلاف، پرینت و اسکن، تبدیل دیجیتال به آنالوگ(A/D) و تبدیل آنالوگ به دیجیتال(A/D) و...
4. رمزگذاری بی تناسب اطلاعات جای گذاری شده معقول است زیرا هدف پنهان کردن اطلاعات نگهداشتن آنها در سیگنال میزبان است و ضرورتی ندارد تا دسترسی به اطلاعات را مشکل سازیم.
5. رمزگذاری اصلاح خطا و اشتباه باید برای اطمینان از بی عیبی اطلاعات استفاده شود. تنزل اطلاعات جای گذاری شده در زمان تغییر سیگنال میزبان اجتناب ناپذیر است.
6. اطلاعات جای گذاری شده باید خود قفل شوند و یا به طور قراردادی و دلخواهانه برگشت شوند. این امر اطمینان می دهد که اطلاعات جای گذاری شده زمانی که تنها بخش هایی از سیگنال میزبان قابل دسترس هستند می توانند بازیافت شوند. برای مثال اگر بیت صدا از یک مصاحبه استخراج شده است، اطلاعات جای گذاری شده در بخش صوتی می توانند بازیافت شوند. این ویژگی همچنین رمزگذاری اتوماتیک اطلاعات پنهان را تسهیل می کند و نیازی به ارجاع به سیگنال اصلی میزبان نمی باشد.
کاربردها:
بین کمیت اطلاعات جای گذاری شده و میزان مصونیت سیگنال میزبان در مقابل تغییر، تناسب وجود دارد. با محدودیت میزان تنزل سیگنال میزبان روش پنهان کردن اطلاعات یا با میزان بالای اطلاعات جای گذاری شده یا با مقاومت بالا در مقابل تغییر عمل می کند و نمی تواند هر دو را با هم داشته باشد و همان طور که یکی افزایش می یابد دیگر باید کاهش پیدا کند.
این مسئله از لحاظ ریاضی می تواند برای بعضی سیستم های پنهان کردن اطلاعات نشان داده شود و شامل یک طیف گسترده است و به نظر می رسد برای همه سیستم های پنهان کردن اطلاعات درست باشد. کمیت اطلاعات جای گذاری شده و میزان تغییر سیگنال میزبان از کاربردی به کاربرد دیگر متفاوت است. بنابراین تکنیک های مختلف برای کاربردهای مختلف به کار گرفته می شوند، چندین مورد از کاربرد احتمالی پنهان کردن اطلاعات در این بخش مورد بحث قرار می گیرند، یکی از کاربردها که نیازمند حداقل میزان اطلاعات جای گذاری شده است سایه دار کردن دیجیتالی می باشد. اطلاعات جای گذاری شده برای نشانه ای از صاحب سیگنال میزبان و برای اهدافی مشابه آن استفاده می شوند برای مثال برای امضای نویسنده یا لوگوی شرکت به کار می روند، از آنجایی که اطلاعات ماهیت بحرانی دارند و سیگنال ممکن است با تلاش های عمدی و هوشیارانه تخریب یا پاک شوند؛ تکنیک های رمزگذاری باید برای مصون ماندن از انواع گسترده تغییرات استفاده شوند، دومین کاربرد برای پنهان کردن اطلاعات، حفاظت در مقابل دستکاری است، و مورد استفاده قرار می گیرد تا نشان دهد که سیگنال میزبان از طریق نویسنده اش تعیین شده است، تغییر اطلاعات جای گذاری شده نشان دهنده تغییر سیگنال میزبان در مواردی می باشد. سومین کاربرد ویژگی مکان یابی است که نیازمند اطلاعات بیشتری برای جای گذاری است.
در این کاربرد اطلاعات جای گذاری شده در مکان های خاصی در یک تصویر پنهان می شوند، و امکان تعیین ویژگی های فردی مطالب وجود دارد. برای مثال: نام فرد سمت چپ در مقابل سمت راست تصویر است. به طور خاص، ویژگی مکان یابی اطلاعات در معرض یاک پدگی عمدی قرار نمی گیرد. اما انتظار می رود سیگنال میزبان در معرض میزان خاصی از تغییر قرار بگیرد. برای مثال: تصاویر به طور همیشگی توسط مقیاس تعیین می شوند؛ در نتیجه تکنیک پنهان کردن اطلاعات با ویژگی مکان یابی باید از تغییرات هندسی و غیرهندسی سیگنال میزبان مصون باشند. عنوان های صوتی و تصویری به میزان زیادی از اطلاعات نیاز دارند. حاشیه ها اغلب به طور جداگانه از سیگنال میزبان حرکت می کنند. بنابراین نیازمند ذخیره سازی و شبکه های اضافه هستند. اگر شکل فایل تغییر کند حاشیه ها در فایل و بخش های اصلی اغلب ناپدید می شوند. حاشیه ها اغلب در قابل فایل تصویری نشاندار خلق می شوند و زمانی که تصویر به شکل مبادله گرافیکی انتقال می یابد امکان ندارد ظاهر شود. این مشکلات توسط حاشیه هایی که به طور مستقیم در سیگنال میزبان جای گذاری شده اند حل می شوند.
اقدام اولیه:
Adelson(ادلسون) روش پنهان کردن اطلاعاتی را توصیف می کند که از حساسیت گوناگون سیستم بصری انسان برای مقابله با فرکانس سه بعدی استفاده می کند. ادلسون، اطلاعات تصویری با فرکانس بالای سه بعدی را جایگزین پنهان کردن اطلاعات در هرم رمزگذاری شده تصویر ساکن کرده است. و قادر است میزان زیادی از اطلاعات را به طرز کارآمدی رمزگذاری کند. قوانینی برای مصون کردن اطلاعات در مقابل شناسایی یا پاک کردن از طریق تغییرات خاص از قبیل فیلتر کردن و ... وجود ندارد. Stego(استیگو)، یکی از چندین بسته نرم افزایش قابل دسترس به طور گسترده است که به آسانی اطلاعات را در حداقل بیت خاص سیگنال میزبان رمزگذاری می کند. این تکنیک نیز از تمام مشکلات مشابه مثل روش ادلسون رنج می برد اما مشکل تنزل کیفیت صوتی و تصویری را نیز دارد. Bender(بیندر) تکنیک ادلسون را با استفاده از بی نظمی به منظور پنهان کردن اطلاعات جای گذاری شده و باز داشتن از شناسایی تغییر می دهد. اما پیشرفتی برای مصونیت از دستکاری سیگنال میزبان فراهم نمی کند. Lippman(لیپمن) اطلاعات را در شبکه رنگی سیگنال تلویزیونی کمیته استانداردهای بین المللی تلویزیون پنهان می کند و این کار را از طریق استخراج موقتی نشانه های رنگی در چنین سیگنالهایی انجام می دهد. سیستم های خاص توسعه یافته تلویزیونی، در این روش میزان زیادی از اطلاعات را رمزگذاری می کنند اما این اطلاعات برای فرآیندهای ضبط، اختصار و انتقال رمز ناپدید می شوند. تکنیک های دیگر از قبیل Hecht's Data .colyph یک بارکد(کد میله ای) به تصاویر اضافه می کند. و تغییرات هندسی آنها از پیش تعیین شده است.
طیف گسترده یک تکنولوژی امید بخش برای پنهان کردن اطلاعات است. جدا کردن و پاک کردن آن کار سختی است اما اغلب تعریف محسوسی در سیگنال میزبان وارد می کند.
مشکل فضا:
هر یک از کاربردهای پنهان کردن اطلاعات نیازمند میزان متفاوتی از مقاومت در مقابل تغییر و میزان متفاوت جای گذاری اطلاعات هستند. این شکل، تئوری مشکل فضای پنهان کردن اطلاعات را دارد(به شکل 1 نگاه کنید). بین گستردگی و استحکام، تناسب ذاتی وجود دارد یا به بیان دیگر میزانی که اطلاعات در مقابل حمله یا انتقال مصون هستند، برای سیگنال میزبان از طریق کاربرد معمولی رخ می دهد. برای مثال: اختصار، نمونه برداری و...
بیشتر اطلاعات پنهان شده برای مثال متن مجزای تصویری، ایمنی کمتری نسبت به رمزگذاری دارد. حداقل اطلاعات پنهان شده برای مثال سایه دار کردن، امنیت کمتری برای رمزگذاری دارد.
پنهان کردن اطلاعات در تصاویر ساکن
پنهان کردن اطلاعات در تصاویر ساکن نشان دهنده گوناگونی چالش هایی است که در نتیجه روش عمل سیستم بصری بشر(HVS) و تغییرات خاصی که تصاویر متحمل می شوند، افزایش می یابد. علاوه بر این تصاویر ساکن به نسبت سیگنال کوچک میزبان را برای پنهان کردن اطلاعات فراهم می کند.
تصویر هشت بیتی 200 * 200 پیکسل نزدیک به چهل کیلو بایت فضای اطلاعاتی را فراهم می کند. همچنین، این مسئله معقول است که انتظار داشته باشیم تصاویر ساکن در معرض تغییرهای ساده یا غیرخطی از قبیل محو کردن، حذف کردن و اختصار پر اتلاف قرار بگیرند. تکنیک های عملی پنهان کردن اطلاعات نیاز به استحکام در مقابل بسیاری از این تغییرات دارند. برخلاف این چالش ها، تصاویر ساکن نماینده مناسبی برای پنهان کردن اطلاعات هستند. وجود بسیاری از ویژگی های HVS است که آن را بالقوه نماینده استفاده در سیستم پنهان کردن اطلاعات می کند. و حساسیت زیاد ما را در مقابل عملکرد فرکانس سه بعدی و مخفی کردن تاثیر لبه ها را در بر می گیرد.(هم در روشنایی و هم در رنگ تابی). HVS حساسیت پائینی برای تغییرات کوچک در روشنایی دارد و قادر است تغییرات کمتر از یک جزء را در 30 جزء برای الگوهای بی نظم دریافت کند. به هر حال در قسمت های یکسان تصویر، HVS در مقابل تغییرات روشنایی بیشتر حساس است و نزدیک به یک جزء در 240 می باشد. یک نمایشگر خاص CRT یا پرینتر طیف پویای محدود شده ای دارد. یک تصویر، یک جزء در 256 را نشان می دهد. برای مثال سطوح خاکستری 8 بیتی که به طور بالقوه در اتاق برای پنهان کردن اطلاعات وجود دارند، به عنوان تغییرات شبه تصادفی برای وضوح و روشنایی تصویر هستند، روزانه دیگر HVS حساسیت بسیار کمتری در مقابل فرکانس های سه بعدی دارد. از آن جمله تغییرات دائمی در روشنایی بین تصویر است مثل یک عکس. مزیت دیگر کار کردن با تصاویر ساکن این است که آنها غیر اتفاقی هستند. تکنیک های پنهان کردن اطلاعات به هر پیکسل یا قالبی از پیکسل های بی نظمی می توانند دسترسی داشته باشند. با استفاده از این مشاهدات، ما گوناگونی تکنیک ها را برای جای گذاری اطلاعات در مقابل تصاویر ساکن را توسعه داده ایم. بعضی از تکنیک ها بیشتر برای میزان کوچکی از اطلاعات و بعضی دیگر برای میزان بیشتری مناسب هستند.