Goでステガノグラフィやってみる

2020.03.23

こんにちは、痩せるが口癖の3年目の終わりが近いエンジニアの井村です。
ゲーム事業グループ内でGo勉強会を隔週でやっていまして第4回目の時に担当になったのでその内容を書こうと思います。

勉強会

まず、前提として私のGo言語の経験は勉強会時点で「スターティングGo言語」のChapter5までの基本構文を読んだ程度です。

今回の勉強会ではステガノグラフィをテーマとしました。
画像データに別のデータ（画像・文字列）を埋め込み、その方法を参加者に教えてそれを復元してもらいました。

ステガノグラフィとは

ステガノグラフィはデータ隠蔽の一種で画像、音声、テキストなどのデータを別のデータに隠す技術のことです。
今回の勉強会ではLSBステガノグラフィと呼ばれる方法を使いました。

LSB法

各RGB値の最下位ビット(LSB)にデータを埋め込む方法。
RGB値の最下位1bitを使う場合、１ピクセルに3bit使うことができます。

以下の画像は中央の画像を基準に左が最上位bitを変化させたもの、右が最下位bitを変化させたものです。
左の画像は肉眼でも色が変化していることがわかりますが、右の画像は肉眼では変化がわかりません。
このように下位bitを使って、人の眼では認識できないようにしてデータを隠します。

今回、下位何bit使うかは実際に画像を作ってみて判断しました。
以下の画像はそれぞれ下位6bit、4bit、2bit使ってデータを埋め込んだ画像です。
6bitと4bitは肉眼でも何かが見えてしまっています、2bitはギリギリ見えないだろうと判断して2bitに決めました。

imageパッケージ

Image interfaceは画像データを抽象化してくれるものでパッケージにはgif、jpeg、png形式のデコーダ・エンコーダが用意されています。
自作のデコーダを作成してimage.RegisterFormatに渡すことで独自の画像形式に対応することも可能です。

PNG読み込み

package main

import (
    "image"
    "image/png"
    "os"
)

func loadPNG(path string) (image.Image, error) {
    // ファイルを開く
    file, err := os.Open(path)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    defer file.Close()

    // ファイルをデコードする
    img, err := png.Decode(file)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    return img, nil
}

PNG保存

package main

import (
    "image"
    "image/png"
    "os"
)

func savePNG(path string, img image.Image) error {
    // ファイルを作成
    file, err := os.Create(path)
    if err != nil {
        return err
    }
    defer file.Close()

    // 画像データをエンコードする
    png.Encode(file, img)
    return nil
}

画像作成

image.NewNRGBAでNRGBA構造体のポインタが返ってきます。
またimage.NewRGBAでRGBA構造体のポインタが返ってきます。
２つの違いはアルファ乗算済みかどうかです。

package main

import (
    "image"
    "image/color"
)

fun main() {
    // widthが256、heightが256のNRGBAを作成
    img := image.NewNRGBA(image.Rect(0, 0, 256, 256))

    rect := img.Bounds()
    // すべてのピクセルを赤色にする
    for y := rect.Min.Y; y < rect.Max.Y; y++ {
        for x := rect.Min.X; x < rect.Max.X; x++ {
            img.SetNRGBA(x, y, color.NRGBA{255, 0, 0, 255})
        }
    }

    // 画像書き出し
    savePNG("new.png", img)
}

データ埋め込み

実装を簡単にするためにカバー画像と隠蔽画像は同じサイズ、アルファ値は255に固定して書き出しています。

全ピクセルに対して以下の処理をします。

r := coverColor.R&0xfc + sourceColor.R>>6
g := coverColor.G&0xfc + sourceColor.G>>6
b := coverColor.B&0xfc + sourceColor.B>>6

ここではカバー画像をマスクして上位6bitを取り出し、隠蔽画像を右シフトして下位2bitにズラしたものを加算しています。

func lsbEncode() {
    // カバー画像の読み込み
    coverImg, err := loadPNG("cover.png")
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
    // 隠蔽画像の読み込み
    sourceImg, err := loadPNG("source.png")
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    rect := coverImg.Bounds()
    if rect != sourceImg.Bounds() {
        log.Fatal("画像サイズが一致しません")
    }
    newImg := image.NewNRGBA(image.Rectangle{rect.Min, rect.Max})

    for y := rect.Min.Y; y < rect.Max.Y; y++ {
        for x := rect.Min.X; x < rect.Max.X; x++ {
            c := color.NRGBAModel.Convert(coverImg.At(x,y))
            s := color.NRGBAModel.Convert(sourceImg.At(x,y))
            coverColor, ok := c.(color.NRGBA)
            if !ok {
                continue;
            }
            sourceColor, ok := s.(color.NRGBA)
            if !ok {
                continue;
            }
            r := coverColor.R&0xfc + sourceColor.R>>6
            g := coverColor.G&0xfc + sourceColor.G>>6
            b := coverColor.B&0xfc + sourceColor.B>>6

            newImg.SetNRGBA(x, y, color.NRGBA{r, g, b, 255})
        }
    }
    savePNG("lsb.png", newImg)
}

データ抽出

抽出は埋め込みの逆の処理で、各ピクセルのRGB値を左に6シフトして下位2bitを上位2bitにするだけです。

r := c.R<<6
g := c.G<<6
b := c.B<<6

func lsbDecode() {
    img, err := loadPNG("lsb.png")
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    rect := img.Bounds()
    newImg := image.NewNRGBA(image.Rectangle{rect.Min, rect.Max})

    for y := rect.Min.Y; y < rect.Max.Y; y++ {
        for x := rect.Min.X; x < rect.Max.X; x++ {
            i := color.NRGBAModel.Convert(img.At(x, y))
            c, ok := i.(color.NRGBA)
            if !ok {
                continue;
            }
            r := c.R<<6
            g := c.G<<6
            b := c.B<<6
            newImg.SetNRGBA(x, y, color.NRGBA{r, g, b, 255})
        }
    }
    savePNG("decode.png", newImg)
}