New approach for data encrypted and hiding by EMD method

After applying the proposed algorithm to multiple cases of data and different images, the following was reached:
The use of the MST method as a proposed encryption method gave security and high efficiency to the algorithm due to the multiple stages that the text goes through until we reach the final stage of text encryption. The process of adding lines and columns to the proposed table using the MST method gave flexibility to the encrypted text and eliminated the weaknesses that existed in the previous table. The use of the EMD method to hide the encrypted data, that is, the image points in which the data is buried will be less susceptible to distortion, because the amount of change that occurs to the image points will be either by adding or decreasing one, or the value will remain the same and according to the cases used by inclusion.

The combination of encryption and masking method gave the proposed algorithm high efficiency and security. After applying the proposed algorithm, the entire text file was retrieved and the match rate was 100%.

1. المقدمة  Introduction   

أصبحت عملیه تناقل البیانات عبر الإنترنیت عملیه سهلة نتیجة التطور الکبیر فی تقنیات الشبکات ,وبات بإمکان الکثیرین الاتصال مع بعضهم البعض بسهوله وسرعه. إلا أن استخدام الانترنیت للاتصال ترافقه مشکلتان : إحداهما توفیر الأمنیة ((security والأخرى توفیر عرض الحزمة ( (bandwidthولان الانترنیت بیئة عامه ومفتوحة فبإمکان أی شخص غیر مخول مراقبه معلومات متناقلة بین أی طرفین واعتراضها أو الحصول علیها. هناک تقنیتان لتوفیر الأمنیة للمعلومات المتناقلة والحفاظ على سریتها: أولهما التشفیر(.(Encryption ثانیهما الکتابة المغطاة  (steganography)إذ یهدف التشفیر إلى أعاده صیاغة البیانات السریة بواسطة مفتاح التشفیر بحیث تبدو غیر مفهومه وبلا معنى ولا یمکن إرجاعها إلى أصلها ألا من قبل مالک مفتاح التشفیر, لکن هیئه البیانات المشفرة غیر المفهومة لا تخفی حقیقة وجود اتصال سری بین طرفین مما یدفع الشخص غیر المخول إلى اعتراض تلک البیانات  أو فک تشفیرها أو تحطیمها علاوة على ذلک, فأن کثیرا من الحکومات وضعت قوانین تحد من استخدم طرائق التشفیر أو منعها بصوره عامه لذا توجهت أنظار الکثیرین نحو استخدام التقنیة الثانیة (الکتابة المغطاة) للحفاظ على أمنیة المعلومات المتبادلة بین طرفین. إذ أنها تقنیة تضمین بیانات سریة داخل بیانات أخرى بصورة لا یمکن کشفها بسهولة مما یخفی حقیقة وجود بیانات متناقلة.[1]

1. تقنیه أمنیه المعلومات (Data Security Technique)

یعتبر علم الاختزال من العلوم المهمة فی مجال الأمنیة و أخفاء المعلومات, وهو یختلف عن التشفیر لکنه مکمل له, لان إخفاء البیانات باستخدام طرائق فن الاختزال یقلل من فرصة اکتشاف البیانات المخفیة على المخربین, ربما تکون هذه الفرصة معدومة لأنها أعطت طبقة أخرى لحمایة البیانات من خلال وضع البیانات المراد إخفاؤها داخل أی غطاء أخر من البیانات (نص, صور, صوت, صوره متحرکة), وبعد إخفاء البیانات داخل الغطاء ینتج غطاء جدید یحتوی على البیانات السریة, ولا یکون مدرکا بالعین المجردة لضمان تنقله داخل الشبکة وغیر قابل لاستخراج البیانات السریة فی حال تم اکتشافه من قبل المخربین .        [2]

1.  خوارزمیات النظام

تلعب تقنیات الشبکة الحدیثة دورا مهما فی نقل البیانات الرقمیة بسرعة مثل الصور والتسجیلات  الصوتیة والنصوص والمقاطع الفیدیو ومع هذا یمکن للمستخدمین غیر المصرح لهم الدخول بسهولة والعبث بالبیانات بسبب الطبیعة العامة للشبکة والتقدم الحاصل فی ادوات التزویر لذا اصبح آمن البیانات اثناء الارسال والاستقبال اولویه مهمه . [4][3] یوفر نظام الأمنیة (Security System) طرائقا عدیدة لحمایة البیانات المتراسلة عبر الشبکة , ویمکن بیان نظام الاخفاء(Security  System)  حسب ما موضح بالشکل(1):-

        شکل (1)تصنیفات نظام الاخفاء

 ویصنف نظام الاخفاء الى صنفین وهی العلامة المائیة (watermarking) وفن الاخفاء (steganography) .

تستخدم العلامة المائیة لحمایة حقوق الطبع والتألیف وتضمن سلامه البیانات المنقولة وتکون مناسبه للبیانات ذات الاحجام الصغیرة وتوفر قوة ومتانه مقارنه مع نظام الاخفاء (steganography) الذی یستخدم غطاء کبیر للبیانات المطلوب اخفاءها مثل الصور والصوت والفیدیو. بشکل عام یتم تقییم کفاءة الطرائق المستخدمة بالإخفاء فی الصور الرقمیة من خلال ثلاث محددات رئیسیه وهی:

1-السعه (اقصر حمولة یمکن تضمینها فی صور الغلاف)

2-التناظر(ان تکون الصور الأصلیة قریبه من صور الغلاف)

3-الامان (ان تکون صوره الاخفاء مقاومه للهجمات )

لذا نلاحظ ان عملیه تحقیق السعه العالیة و التناظر البصری الجید والامان فی ان واحد یعد مشکله بحثیه صعبه  .  [5][3]

وهناک العدید من اسالیب الاخفاء فی الصور الرقمیة التی قسمت الى قسمین رئیسیین هما

1-الحیز المکانی spatial Domain                    

2-الحیز الترددیfrequency Domain

فی الحیز المکانی یتم اخفاء البیانات مباشرة بعد تغییر قیم نقاط الصورة کذلک یحتاج الى عملیات حسابیة  اقل مقارنه مع الحیز الترددی الذی یعتبر اقل قوة ضد الهجمات  ولکن نسبه المعلومات المضمنة فیه تکون اقل ومکلف حسابیا .[3][4]

ویقسم الحیز المکانی الى قسمین رئیسیین:

1-               مناهج غیر عکسیة Approaches  Irreversible

2-               مناهج عکسیة Reversible approaches

تقوم أسالیب الکتابة المخفیة القابلة للانعکاس بأعادة بناء الصورة الاصلیة بعد استخراج الرسالة السریه منها بینما تقدم اسالیب الکتابة المخفیة غیر قابله للانعکاس حمولة عالیة بالتضمین وتناظر بصری جید واسترجاع الرسالة السریة دون ایلاء اهتمام باستعادة الصور الاصلیة[3]

وتقسم اسالیب الکتابه المخفیه غیر قابله للانعکاس الى :

1-LSB((least Significant Bit

PVD-2(Pixel  Value  Difference )

EMD-3((Exploiting  Modification  Direction

Spread  Spectrum-4

. [3][2]

1.  EMD( Exploiting  Modification  Direction ) :-

 تم اقتراح طریقة الEMD  من قبل Zhaug and Wang)) فی عام (2006) وذلک لغرض التقلیل من التغییر الحاصل فی الصورة خلال عملیة تضمین المعلومات بداخلها. هذه الطریقة تعمل على تقسیم الصورة الى مجامیع متساویة کل مجموعة تحوی على n من البیکسل  وذلک لغرض تضمین الأرقام السریة بنظام الترمیز 2n+1) ary) خلال عملیة التضمین سیتم اضافة او طرح (1) من قیمة

 ألبکسل التی سیتم  اختیارها داخل المجموعة. فی عام(2007) قدم(Lee) واخرون طریقة جدیدة لتحسین طریقة ال EMD اطلق علیها(IEMD) هذه الطریقة حققت نسبه تضمین اکبر بالمقارنة مع الطریقة  الاصلیة ومن دون التأثیر على جوده الصورة التی  تحمل الرسالة او التأثیر على السریة.  فی هذه الطریقة الرسالة السریة سیتم تحویلها الى ارقام سریه بنظام ترمیز(ary-8) وکل رقم سری یطمر فی المجموعة المکونة من البکسل,  فی هذه الطریقة تم اخفاء کمیة کبیرة من البیانات ولکن کانت جودة الصورة  اقل من طریقه EMD الاصلیة.[6]

 تم اقتراح طریقة الـ ((opt EMD من قبلK.lin) ) واخرون فی عام 2010  حیث وجدوا العلاقة ما بین عدد البکسل ((n  فی المجموعة وکمیة البیانات التی  سیتم تضمینها داخل الصورة وذلک لتحسین طریقة الـ (EMD) فی اخفاء البیانات, وفی عام 2013 قدم Kuo)) واخرون طریقة جدیدة  لتحسین خوارزمیة الـ EMD وذلک من خلال إخفاء (n+1) بت من الرسالة السریة فی n من البکسل فی الصورة.[6]

1. خوارزمیه الـEMD

تستخدم خوارزمیه الـ(EMD) نظام الترمیز(2n+1) والتعامل مع صورة رمادیة وحسب الخوارزمیة التالیة:

1. تحدید الصورة کمجموعة من النقاط (group) التی تمثل قیمة (n) اما الرقم السری الذی سیتم تضمینه فیعبر عنه بالرمزd"", المعادلة رقم (1) تستخدم لغرض حساب قیمه داله الاسترجاع التی یرمز لها بالرمز(f) لکل بکسل داخل المجموعة

F=F(g1,g2,g3,……..gn)=[                                                                 (1)

 حیث ان :-

 (g₁,g₂,g₃,……g_n)  تمثل قیم النقاط داخل المجموعة                  .

 (n)  تمثل عدد البیکسل داخل المجموعة.

1.  یتم حساب قیمهf  ومقارنتها مع الرقم السری "d" , اذا کان (d=f) فلا یتم تغییر قیم البیکسل وذلک لان قیمة الرقم السری سیکون مـساوی لقیمه داله الاسترجاع. اما فی حاله  "d"لا تساوی f یتم حســاب مؤشر الصورة التی تمثل الفرق ما بین قیمتین d ,f)) باستـخدام المـعادلة (2) :-           

S=d-f mod(2n+1)                                                                                        (2)

 یتم مقارنة قیمة  s:-

اذا کانت قیمه s<=n فان g_s=g_s+1                                                                     

اما اذا کانت القیمة s>n     فان                                            1-g_2n+1-s=g _2n+1-s

 وتطبق هذه الخطوات حتى نهایة الارقام السریة المراد اخفاءها.

1. عملیه استرجاع الرسالة السریة من الصورة فتکون عبارة من مجموعة من الخطوات بالبدء سیتم تقسیم الصورة الى مجموعه من البیکسل وکل مجموعه متکونه من (n) من النقاط اما المعادلة المستخدمة لاسترجاع الرسالة السریة فتکون بالشکل الاتی:- 

F=F(g₁,g₂,g₃,……..g_n)=[                             (1)

الارقام السریة المستخدمة من المجامیع سیتم تحویلها الى ارقام بالنظام الثنائی لتکوین سلسله من البتات واسترجاع الرسالة السریة . [6]

1.  الدمـج بین طریقتـی الابدال والتعویــض (Merge Substation Transform)

یتم استخدام طریقة الدمج ((MST وذلک لتشفیر النص واعطاء درجة امنیة عالیة للبیانات التی سیتم اخفاؤها فیما بعد تبدا العملیة بإدخال النص المراد تشفیره ولیکن کمثال :

TAKE ME TO YOUR LEADER

حیث سیتم الاعتماد على جدول لأجراء عملیة التشفیر :-

جدول (1) المعتمد فی التشفیر وفک التشفیر

   نأخذ الحرف  الاول من النص  T  ومقارنته  مع القیمة المحددة بالجدول ویعوض عنه بالقیمة DE و اخذ الحرف الثانی  A ومقارنته  بالقیمة من الجدول ویعوض عنه بالقیمة AA   وهکذا

 سینتج لدینا  النص التالی :

DE AA CA AE CC AE DE CE EE CE EA DC CB AE AA AD AE DC

یتم الان تقسیم النص الى جزئیین :

DE AA CA AE CC AE DE CE EE الجزء الاول

CE EA DC CB AE AA AD AE DC الجزء الثانی

بعدها یتم القیام بأخذ الحرف الاول من الجزء الاول مع الحرف الاول من الجزء الثانی وهکذا حتى نحصل على الناتج الاتی :

DC EE AE AA CD AC AC EB CACE AA EA DA ED CA EE ED EC

یتم الرجوع الى الجدول (1) مرة ثانیة  للتعویض عن قیمة کل حرفین لینتج النص الاتی:

RYEANCCVKOAUPXKYXW

الناتج  یمثل النص المشفر وهو المرحلة الاولى من التشفیر وتکون جاهزة للإخفاء داخل الصورة.

1. فک التشفیر

بعد ان تم القیام بإخفاء النص داخل الصورة تبدء عملیة فک تشفیره وذلک باستخدام الخطوات التالیة:-

اولا :- البدء بأخذ الحرف الاول من النص R وتعویضه عن القیمة  المحددة بالجدول1) ) سینتج لدینا القیمة DC  واخذ الحرف الثانی Y وتعویضه عن القیمة المحددة فی الجدول سینتج لدینا القیمةEE   وهکذا.

سینتج لدینا النص الاتی :

DC EE AE AA CD AC AC EB CA CE AA EA DA ED CA EE ED EC

ثانیا :- یتم القیام  بتقسیم النص المشفر الى جزئین جزء مواقع فردیة وجزء مواقع  زوجیة حسب تسلسل الحرف لینتج لدینا النص الاتی :

DE AA CA AE CC AE DE CE EE الجزء الاول

CE EA DC CB AE AA AD AE DC الجزء الثانی

ثالثا:-  یتم العمل على دمج الجزئیین مع بعضهم  البعض ویکون ترتیب النص بالشکل الاتی :

DE AA CA AE CC AE DE CE EE CE EA DC CB AE AA AD AE DC

الرجوع الى الجدول (1) للتعویض عن قیمة کل حرفین لینتج  لدینا النص الاصلی

TAKE ME TO YOUR LEADER

1. الخطوات المتبعة ضمن النظام  :

1. قراءة ملف صوری من نوع RGB 

[a b] = uigetfile('*.jpg', 'pick an M-file');

q=imread([b a]);

2. ادخال النص المراد اخفاءه .

text="ibrahem and ruaa.hghg";

3.استلام النص .

text2 =ibrahem and ruaa

4. تکوین الجدول المعتمد علیة فی عملیة التشفیر  وقد تم اضافة سطر وعمود للجدول لکی یکون اکثر مرونة واعطاء امکانیة استخدام الرموز التی یمکن ان یتم استخدامها بالنص .

5.تحدید طول النص المدخل ویتم اخذ الحرف الاول من النص الذی هو حرف الـ "i"وتعویضه بالجدول من کل سطر وعامود ینتج لدینا حرفین bd وتستمر العملیة لجمیع حروف النص المدخل.

جدول (2) : المحدث والمعتمد فی التشفیر وفک التشفیر

partafter =bdabdcaabcaeccdfaacdaddfdceaaaaa

6. یتم تقسیم النص الى جزئین بالتسلسل  بشکل متساوی

partone =bdabdcaabcaeccdf

parttwo =aacdaddfdceaaaaa

7. یتم دمج الجزئیین بأخذ الحرف الاول من الجزء الاول  مع الحرف الاول من الجزء ثانی وحتى نهایة الجزئیین.

badaacbddacdadafbdccaeeacacadafa

8. نأخذ کل حرفین ونعوضهم بالجدول لینتج حرف واحد عن کل حرفین والذی سیمثل النص

المشفر , وبالتالی یکون جاهز لعملیة الاخفاء.

textencrapion =fpcipnd1imeukkp5

9.بعد اجراء عملیة التشفیر واختیار الصورة المراد الاخفاء فیها ,یتم تحدید عدد النقاط الکلی الصورة, حسب عدد الحروف المشفرة (uu) وحسب معادلة الاتیة .

nopos=3*uu*n;

10. تحویل  کل حرف بالنص المشفر الى نظام  ثنائی من 8 بت وتقسیمه الى ثلاثة اجزاء وتحویل کل جزء الى نظام العشری  حیث ان لکل جزء سیحتاج الى مجموعة واحدة من النقاط وحسب قیمة d!=f  لکی تتم عملیة الاخفاء.

011 010 01 d1=

d= 3  2 1

11. حساب قیمة دالة الاسترجاع والذی یرمز لها بf من اجل اخفاء الجز الاول من الحرف حسب معادلة التالیة

  F=F(g₁,g₂,g₃,……..g_n)=[

12. بعد حساب قیمة f  یتم مقارنتها مع قیمه d .

d(xx)==f

فاذ کانت القیم متساویة  فلا حاجه لتغییر قیم النقاط داخل المجموعة  واما اذ کان هناک فرق فیتم حساب قیمه معامل القیاسs وحسب المعادلة :-

 S=d-f mod(2n+1)

13.اجراء عملیة المقارنة بین  [n,s] فاذ کان s اکبر منn  یتم تطبیق المعادلة الاتیة ونقصان قیمه البکسل المحدد بمقدار واحد.

g_2n+1-s=g_2n+1-s-1

واما اذ کان قیمه s اقل من n  یتم حساب معادلة التالیة  وزیادة قیمة البکسل المحدد بمقدار واحد.

g_s=g_s+1

 .14تستمر عملیه الاخفاء حتى نهایة النص المشفر فی الصورة ینتج صورة التالیة .

.15 حفظ الصورة .

imwrite( res,'C:\Users\3D\Documents\MATLAB\ibb.jpg')

1. الخطوات المتبعة فی عملیة الاسترجاع :   

1. استلام الصورة لیتم قراءتها عند المستلم.

[u y] = uigetfile('*.jpg', 'pick an M-file');

 qwe=imread([y u])

2 . اجراء عملیة فک الاخفاء بعد تحدید عدد النقاط التی تم الاخفاء بدخلها و تحدید قیمة n.

 3. حساب داله الاسترجاع التی یرمز ها بالرمزرF  من اجل استرجاع النص وذلک بتطبیق المعادلة على کل مجموعة من النقاط لاسترجاع  جزء من الحرف وتستمر حتى  استرجاع ثلاثة اجزاء والتی ستمثل الحرف الاول الذی تم اخفاءه.

  F=F(g₁,g₂,g₃,……..g_n)=[

text =3  2  1

4. تجمیع  کل ثلاثة ارقام عشریة وتحویل الى نظام الثنائی من8  بت وبعدها تحویل نظام  ثنائی الى حرف یمثل  النص المشفر .

ans =01101001

5. تستمر العملیة لحین ارجاع النص المشفر الذی تم اخفاءه  داخل الصورة.

o =fpcipnd1imeukkp5

6. اخذ النص المشفر ناتج من عملیة فک الاخفاء وتعویض عن کل حرف بقیمته المحدده بالجدول.

Faktshfer=badaacbddacdadafbdccaeeacacadafa

7. نقسم النص الناتج الى جزئین حسب المواقع الفردیة والزوجیة.  

part4 =bdabdcaabcaeccdf

part5 =aacdaddfdceaaaaa

8.  دمج جزئی النص الى نص کامل .

 part4part5 =bdabdcaabcaeccdfaacdaddfdceaaaaa

9. تعویض عن کل حرفین  بالجدول لینتج لدینا النص الاصلی.

plantext =ibrahem and ruaa

1. مقاییس الکفاءة :

تم اقتباس مقیاس الکفاءة من مجالات معالجة الإشارات الرقمیة و نظریة المعلومات حیث تم اعتماد الأسئلة التی یمکن أن تستخدم لأجل التمکن من قیاس کمیات الخطأ فی الصورة المعاد تکوینها ویمکن تعریفها بان مستوى المعلومات المفقودة ومن الممکن أن یعبر عنه کدالة من الصورة الأصلیة –المدخلة والصورة المسترجعة وتسمى بمقاییس المصداقیة وبالرغم من انه استخدم بشکل واسع , إلا انه لیس بالضرورة ارتباطه مع الإدراک (أو التمییز) لنوعیة الصورة. فهنالک  کثیر من القیاسات التی تعتمد على حساب مقدار التباین بین نسخ مختلفة لنفس الصورة  ومن هذه المقاییس:

اولاً:نسبة الضوضاء بالصورة (PSNR) :

حیث ان:

R: تمثل عدد المستویات لتدرج الالوان

ثانیاً: نسبة مربع الخطأ بالصـورة (MSE) :

حیث ان:

I1(m,n): تمثل الصورة الاصلیة قبل الاخفاء

I2(m,n)     :  تمثل الصورة الغطاء.

1. مناقشة النتائج:

تم تطبیق الخوارزمیة المقترحة فی هذا البحث  وحساب مقاییس الکفاءة لعدد غیر محدد من  البیانات المدخلة من اجل بیان کفاءة الخوارزمیة المقترحة والجدول (3) یوضح ذلک:

جدول(3):یوضح مقاییـس الکفـاءة لعـدد غیر محـدد من الحـروف لصورة معینة

نلاحظ من الجدول (3)ان قیمة معامل الضوضاء تقل کلما زادت کمیة البیانات المدخلة وتزداد کلما قلت کمیة البیانات الداخلة وقد کانت قیم معامل الضوضاء جیدة على الرغم من زیادة کمیة البیانات الداخلة على النظام الا انه لم یوثر کثیرا على  الصورة  الغطاء التی هی اقرب للصورة الاصلیة وقد تم رسم مخطط یبین العلاقة  بین قیمة معامل الضوضاء (PSNR) وکمیة البیانات المدخلة وکما موضح بالشکل (5).

شکل(5) یوضح العلاقة بین عدد الاحرف ومعامل الضوضاء PSNR

اما بالنسبة  لمعامل الخطأ (MSE) فانه یزداد کلما زادت کمیة البیانات المدخلة ویقل کلما قلت کمیة البیانات المدخلة وعلى الرغم من زیادة کمیة البیانات المدخلة فی الصورة الا ان معامل نسبة الخطأ کان قلیلا مقارنة مع کمیة البیانات الداخلة مما یثبت کفاءة الخوارزمیة المقترحة وان نسبة الخطأ بالصورة الغطاء قلیلة وهذا یعنی ان الصورة الغطاء هی اقرب للصورة الاصلیة والشکل (6) یوضح العلاقة بین معامل نسبة الخطأ وکمیة البیانات المدخلة.

شکل (6) یوضح العلاقة بین معامل نسبة الخطأ وکمیة البیانات المدخلة

1. الاستنتاجات

    بعد تطبیق الخوارزمیة المقترحة على حالات متعددة من البیانات وعلى صور مختلفة تم التوصل الى ما یلی :
استخدام طریقة ال MST کطریقة مقترحة بالتشفیر اعطت امنیة وکفاءة عالیة للخوارزمیة نظرآ للمراحل المتعددة التی یمر بیها النص حتى نصل  الى مرحلة تشفیر النص النهائیة . عملیة اضافة السطر والعمود للجدول المقترح بطریقة الMST  اعطى مرونة بالنص الذی تم تشفیره والقضاء على حالات الضعف التی کانت موجودة بالجدول السابق. استخدام طریقة ال EMD فی اخفاء البیانات المشفرة, ای نقاط الصورة التی یتم فیها طمر البیانات ستکون اقل عرضة للتشوه وذلک لان مقدار التغیر الذی یحصل لنقاط الصورة سیکون اما بإضافة او نقصان واحد او تبقى القیمة کما هی وحسب حالات المستخدمة بالتضمین. دمج طریقة التشفیر والاخفاء اعطى للخوارزمیة المقترحة کفاءة وامنیة عالیة. بعد تطبیق الخوارزمیة المقترحة تم استرجاع الملف النصی کاملاً وکانت نسبة التطابق 100%.

1. التوصیات

من اجل الاستفادة من النتائج التی تم الحصول علیها من الخوارزمیة بالإمکان اتباع ما یلی:

1-     من الممکن استخدام ملفات فیدیویة کغطاء بدل من الصورة.

2-     عملیة اختیار المجامیع المستخدمة بطریقة ال EMD تکون بشکل عشوائی او حسب معادلات معینة ولیس بشکل متسلسل.

3-     من الممکن استخدام هذه الخوارزمیة على ملفات الصوت والصورة بدلا من النص.