Метод поєднання симетричного шифрування та адаптивної стеганографії для захисту інформації в цифрових зображеннях

Abstract

The rapid development of information and communication technologies and the active use of digital data exchange channels necessitate the improvement of methods for protecting confidential information. When transmitting data over open networks, there are risks of interception, modification, or unauthorized access to information. It is urgent to ensure the protection of digital images, which are often used as data carriers in modern information systems. Therefore , the paper investigates an approach to adaptive information protection based on a combination of cryptographic and steganographic methods. The research implements a method that combines the symmetric algorithms AES-256, ChaCha20, and ChaCha20- Poly1305 with adaptive robust steganography. The main idea of the approach is to hide pre-encrypted data in digital images, taking into account the characteristics of the container. Before performing cryptographic processing, the input data undergoes a stage of preliminary normalization and conversion into a standardized digital image representation format (PNG). To do this, the analysis of the texture areas, the level of entropy and noise characteristics of the image is carried out, which enables to determine the most suitable areas for embedding information and reduce the probability of its detection. The efficiency of the proposed method was assessed by conducting a series of experiments with hiding messages in digital containers and further analysis of the quality of the resulting stegoimages. Metrics were used for the evaluation, which allowed determining the level of container distortion and the resistance of hidden data to external influences. The results obtained showed that after embedding information, the image retains high visual quality, and the changes remain practically imperceptible to the human eye. The scientific novelty consists in the development of an algorithm for adaptive cryptosteganographic protection of digital images, which implements a two-stage adaptation procedure: determination of embedding areas based on an integral indicator that takes into account entropy, texture complexity and noise level of the container, and automatic selection of the optimal cryptographic algorithm according to a complex weighted stegoimage quality criterion formed using PSNR, MSE and SSIM metrics. Unlike the existing hybrid cryptosteganographic approaches that use fixed embedding parameters or a single encryption algorithm, the proposed method provides adaptive optimization of hiding parameters depending on the characteristics of the container and automatic selection of the most effective encryption algorithm. A characteristic feature of the implemented approach is ensuring the stability of hidden information to typical digital image processing operations, namely rotation, compression and noise addition. The results of the experiments confirmed the possibility of the correct recovery of the hidden message even after geometric transformations of the container. The practical value of the results obtained lies in the possibility of applying the developed approach to ensure the protection of confidential data in information and communication systems, electronic document management systems and multimedia services. The use of a combination of cryptographic methods and adaptive steganography contributes to increasing the level of security of information transmission and reducing the probability of detecting the hidden data.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.