Привет, Хабр!

Сегодня я хочу поделиться историей одной, казалось бы, простой задачи, которая превратилась в увлекательное техническое расследование. Мы разрабатывали утилиту для стеганографии ChameleonLab и решили добавить поддержку современных форматов изображений, таких как WebP и AVIF. С WebP все прошло гладко, но AVIF оказался на удивление крепким орешком.

Эта статья — рассказ о том, почему классический LSB-метод стеганографии не работает с форматом AVIF, даже в режиме "lossless", и почему WebP в этом плане гораздо сговорчивее.

Что такое LSB и почему он так уязвим?

LSB (Least Significant Bit, Наименее значимый бит) — это один из самых базовых методов стеганографии. Идея проста: у каждого пикселя в изображении есть каналы цвета (красный, зеленый, синий). Значение каждого канала — это байт (число от 0 до 255). Мы берем биты нашего секретного сообщения и поочередно записываем их в самые "младшие" биты цветовых каналов.

Например, у нас есть пиксель с красным каналом 1110101**1**. Если нам нужно спрятать бит 0, мы просто меняем последний бит: 1110101**0**.

Изменение настолько незначительно, что человеческий глаз его не замечает. Но у этого метода есть ахиллесова пята: он требует, чтобы данные пикселей после сохранения и повторного открытия остались бит-в-бит идентичными. Любое, даже самое незначительное, изменение разрушит спрятанное сообщение.

Успешный старт: WebP и его режим Lossless

Сначала мы реализовали поддержку WebP. Этот формат имеет прекрасный режим сохранения без потерь, который идеально подходит для LSB.

Вот как выглядит упрощенный код для встраивания и сохранения в WebP с помощью библиотеки Pillow:

from PIL import Image
import numpy as np

def hide_data_in_image(image_data, secret_message):
    # ... здесь логика, которая превращает сообщение в биты
    # и встраивает их в младшие биты пикселей image_data ...
    # Этот код мы опустим, он довольно стандартный.
    # Главное, что он возвращает numpy array с измененными пикселями.
    
    # Предположим, функция hide() делает это за нас
    stego_data = stego.hide(image_data, secret_message.encode('utf-8'), n_bits=2)
    return stego_data

# 1. Открываем оригинальное изображение
with Image.open("habr.webp") as img:
    # Конвертируем в RGBA для единообразия
    img_rgba = img.convert("RGBA")
    carrier_data = np.array(img_rgba, dtype=np.uint8)

# 2. Прячем данные
secret_text = "Это секретное сообщение для Хабра!"
stego_image_data = hide_data_in_image(carrier_data, secret_text)

# 3. Сохраняем результат
stego_image = Image.fromarray(stego_image_data)
# Ключевой момент: `lossless=True`
stego_image.save("habr_Stego_LSB.webp", lossless=True)

print("Данные успешно спрятаны в habr_Stego_LSB.webp")

Когда мы сохраняем с флагом lossless=True, Pillow гарантирует, что пиксельные данные в habr_Stego_LSB.webp будут в точности такими, какими мы их передали. При последующем чтении этого файла наш алгоритм извлечения без проблем находит и восстанавливает секретное сообщение.

Все работало как часы. Мы были уверены, что с AVIF будет так же просто. Мы ошибались.

Тайна AVIF: Почему "Lossless" — не всегда Lossless

Мы взяли тот же подход для AVIF. Так как Pillow не всегда хорошо справляется с этим форматом, мы использовали более современную библиотеку imageio, которая под капотом использует мощные кодеки. В ней тоже есть настройки качества, и quality=100 должно соответствовать режиму без потерь.

import imageio.v2 as imageio
import numpy as np

# ... hide_data_in_image() та же, что и раньше ...

# 1. Читаем оригинальный AVIF
carrier_data = imageio.imread("fox.avif")
# ... приводим его к RGBA, как мы делали в отладке ...

# 2. Прячем данные
secret_text = "AVIF, ты крепкий орешек!"
stego_image_data = hide_data_in_image(carrier_data, secret_text)

# 3. Сохраняем результат с максимальным качеством
imageio.imwrite("fox_Stego_LSB.avif", stego_image_data, quality=100)

print("Данные вроде бы спрятаны в fox_Stego_LSB.avif")

И вот тут начались проблемы. При попытке извлечь данные из fox_Stego_LSB.avif наша утилита сообщала, что ничего не найдено. Мы проверяли все: правильность чтения файла, алгоритм извлечения, целостность данных. Все было верно. Но данные исчезали.

Копаем глубже: Цветовые пространства RGB и YUV

После долгих часов отладки мы решили провести простой эксперимент: прочитать оригинальный файл, сохранить его с "lossless" настройками и сравнить, остался ли он бит-в-бит таким же.

Вот код нашего диагностического скрипта:

import numpy as np
import imageio.v2 as imageio

def read_avif_as_rgb(filepath):
    """Читает AVIF и гарантированно возвращает RGB numpy array."""
    # pilmode="RGB" заставляет imageio конвертировать данные в RGB при чтении
    return imageio.imread(filepath, pilmode="RGB")

# Пути к файлам
original_file = 'fox.avif'
temp_saved_file = 'fox_resaved.avif'

# 1. Читаем оригинальный файл
print(f"Читаем оригинал: {original_file}")
original_data = read_avif_as_rgb(original_file)
print(f"Форма оригинала: {original_data.shape}, тип: {original_data.dtype}")

# 2. Сразу же сохраняем его с нашими "lossless" настройками
print(f"\nПересохраняем в: {temp_saved_file}")
# pixelformat='yuv444p' — это chroma subsampling 4:4:4, самый качественный вариант YUV
imageio.imwrite(temp_saved_file, original_data, quality=100, pixelformat='yuv444p')
print("Сохранение завершено.")

# 3. Читаем пересохраненный файл
print(f"\nЧитаем пересохраненный файл: {temp_saved_file}")
resaved_data = read_avif_as_rgb(temp_saved_file)
print(f"Форма пересохраненного: {resaved_data.shape}, тип: {resaved_data.dtype}")

# 4. Сравниваем массивы пикселей
print("\nСравниваем массивы...")
if np.array_equal(original_data, resaved_data):
    print("РЕЗУЛЬТАТ: УСПЕХ! Массивы идентичны.")
else:
    print("РЕЗУЛЬТАТ: ПРОВАЛ! Массивы НЕ идентичны.")
    # Считаем, насколько сильно они отличаются
    diff = np.sum(original_data.astype("int32") - resaved_data.astype("int32"))
    print(f"Сумма разниц значений пикселей: {diff}")

Результат выполнения этого кода стал моментом истины:

Читаем оригинал: fox.avif
Форма оригинала: (800, 1204, 3), тип: uint8

Пересохраняем в: fox_resaved.avif
Сохранение завершено.

Читаем пересохраненный файл: fox_resaved.avif
Форма пересохраненного: (800, 1204, 3), тип: uint8

Сравниваем массивы...
РЕЗУЛЬТАТ: ПРОВАЛ! Массивы НЕ идентичны.
Сумма разниц значений пикселей: -13458

Это и есть доказательство. Цикл "чтение -> сохранение" не является бит-в-бит обратимым. Но почему?

Ответ кроется в спецификации формата AVIF. Он, как и многие современные видеокодеки, работает в цветовом пространстве YUV, а не RGB.

• RGB хранит цвет как комбинацию красного, зеленого и синего.

• YUV хранит цвет как яркость (Y) и две цветоразностные компоненты (U, V).

Когда мы даем библиотеке imageio наши RGB-пиксели для сохранения в AVIF, она выполняет преобразование RGB -> YUV. Когда мы читаем AVIF, она выполняет обратное преобразование YUV -> RGB.

Эти преобразования включают в себя математику с плавающей запятой и последующее округление до целых чисел. И хотя для человеческого глаза результат выглядит идентично (визуально без потерь), на уровне байтов значения пикселей немного "плывут". Этого "немного" достаточно, чтобы полностью уничтожить информацию, спрятанную в младших битах.

WebP в режиме lossless, в свою очередь, работает напрямую с данными RGBA, не выполняя таких критичных преобразований цветового пространства.

Выводы

1. "Lossless" не всегда означает "бит-в-бит идентично". В контексте современных форматов это часто означает "визуально без потерь", что является результатом математически сложных, но не идеально обратимых преобразований.

2. LSB-стеганография требует абсолютной стабильности формата. Она применима только к форматам, которые гарантируют побитовое сохранение данных, таким как PNG, BMP, TIFF и WebP (в режиме lossless).

3. AVIF и JPEG не подходят для LSB. Из-за обязательного использования сжатия и/или преобразования цветовых пространств они всегда будут изменять младшие биты пикселей.

4. Альтернатива есть. Для форматов вроде AVIF и JPEG можно использовать другие методы, например, бинарное добавление данных в конец файла (append method). Это менее изящно, но работает.

Надеюсь, наш опыт поможет другим разработчикам сэкономить время и нервы. AVIF — великолепный формат для сжатия изображений, но для стеганографии он оказался по-настояшему крепким орешком.

Последнюю версию программы «Steganographia» от ChameleonLab для Windows и macOS можно скачать на нашем официальном сайте https://chalab.ru.

Будем рады, если вы опробуете новую версию. Ждем ваших отзывов, сообщений об ошибках и, конечно же, предложений по новым форматам для исследований. Присоединяйтесь к нашему Telegram-каналу https://t.me/ChameleonLab !

Спасибо за внимание!