Metode LSB dan Variannya

Back to IF4020 Kriptografi

Metode LSB dan Variannya

Questions/Cues

• Mengapa mengubah bit LSB tidak terlihat oleh mata manusia?
• Bagaimana proses penyisipan dan ekstraksi pesan dengan LSB?
• Berapa ukuran pesan maksimum yang dapat disembunyikan pada citra tertentu?
• Apa saja varian LSB (sequential, acak, m-bit, dengan enkripsi)?
• Apa trade-off memakai lebih dari 1 bit LSB per byte?

Reference Points

• IF4020 Kriptografi — Steganografi Bagian 1 (Slides 40-59)

Citra Digital Singkat

Citra tersusun dari pixel; citra $1200\times 1500$ berarti $\mathrm{1.800.000}$ pixel. Tiap pixel berukuran $n$ bit: biner 1 bit/pixel, grayscale 8 bit/pixel, true color 24 bit/pixel (3 byte: komponen R, G, B, masing-masing 0-255).

Prinsip LSB

Bit sebuah byte $b_7{b}_6\dots b_0$ disusun dari MSB (most significant bit, paling kiri) hingga LSB (least significant bit, paling kanan). Contoh 11010001 = 209. Mengubah LSB hanya mengubah nilai byte sebesar $\pm 1$: 11010001 (209) $\to$ 11010000 (208). Pergeseran warna 1 dari 256 tingkat tidak dapat dibedakan mata manusia; bahkan membalik seluruh bit LSB sebuah citra (0$\leftrightarrow$1) tampak tanpa beda.

Contoh Penyisipan

Satu pixel 24-bit $[130,123,117]$ = 10000010 01111011 01110101, pesan 3 bit 101:

Byte asli	Bit pesan	Byte stego	Nilai
10000010 (130)	1	10000011	131
01111011 (123)	0	01111010	122
01110101 (117)	1	01110101	117 (tetap)

Pixel berubah dari $[130,123,117]$ menjadi $[131,122,117]$: tetap “ungu”, hanya sedikit bergeser. Contoh pesan 10 bit 1110010111 pada 10 byte berurutan mengubah LSB tiap byte menjadi bit-bit pesan; hanya byte yang LSB-nya berbeda yang benar-benar berubah.

Ekstraksi: baca byte-byte stego, ambil LSB tiap byte, rangkai kembali menjadi bit pesan (1110010111).

flowchart LR
    subgraph EMB["Penyisipan"]
        direction LR
        A["byte cover<br/>b7..b1 b0"] --> B["ganti b0<br/>dengan bit pesan"] --> C["byte stego"]
    end
    subgraph EXT["Ekstraksi"]
        direction LR
        D["byte stego"] --> E["ambil b0<br/>(AND 1)"] --> F["rangkai<br/>bit pesan"]
    end
    EMB --> EXT

Kapasitas

Kapasitas bergantung ukuran cover; tiap byte menampung 1 bit:

Cover	Byte	Pesan maksimum
Grayscale $256\times 256$ (1 byte/pixel)	65.536	65.536 bit = 8192 byte = 8 KB
24-bit $256\times 256$ (3 byte/pixel)	196.608	196.608 bit = 24.576 byte = 24 KB

Varian Metode LSB

1. Sequential: bit pesan disisipkan pada pixel berurutan mulai pixel pertama; ekstraksi membaca berurutan sampai bit terakhir. Sederhana tetapi pola perubahan terkonsentrasi di awal citra sehingga mudah dicurigai.
2. Acak: posisi pixel dipilih oleh PRNG (pseudo-random number generator); seed menjadi stego-key. Ekstraksi memakai seed yang sama sehingga memperoleh urutan posisi yang sama. Lebih aman karena bit tersebar.
3. $m$-bit LSB: memakai $m>1$ bit terakhir tiap byte (mis. 2-bit LSB = $b_1{b}_0$). Trade-off: makin banyak bit LSB, makin besar kapasitas tetapi makin turun kualitas stego-image. Dapat sequential atau acak.
4. Dengan enkripsi: pesan dienkripsi dahulu (mis. XOR dengan bit kunci acak sepanjang pesan; lihat Kriptografi Modern dan Operasi XOR). Jika posisi pixel juga acak, ada dua stego-key: satu untuk membangkitkan bit kunci, satu untuk posisi pixel.

Summary

Metode LSB mengganti bit paling tidak signifikan tiap byte cover dengan bit pesan; perubahan hanya $\pm 1$ sehingga tak terlihat mata (mis. pixel $[130,123,117]\to [131,122,117]$). Ekstraksi cukup mengambil LSB tiap byte dan merangkainya. Kapasitas 1 bit per byte: citra grayscale $256\times 256$ menampung 8 KB, citra 24-bit $256\times 256$ menampung 24 KB. Varian: sequential, acak (PRNG dengan seed sebagai stego-key), $m$-bit LSB (kapasitas naik, kualitas turun), dan dengan enkripsi (pesan di-XOR dengan kunci acak, sehingga bisa ada dua stego-key).

Additional Information

Mengapa Format Cover Menentukan

LSB harus memakai format lossless (BMP, PNG). Format lossy seperti JPEG menghitung ulang nilai pixel lewat DCT dan kuantisasi sehingga LSB hilang saat disimpan; itu sebabnya program contoh meminta output BMP atau PNG. Untuk JPEG dipakai metode transform domain (mis. F5, OutGuess, JSteg) yang mengubah koefisien DCT.

Peningkatan: LSB Matching dan Hamming Embedding

LSB replacement (yang dibahas di kuliah) membuat pasangan nilai $(2k,2k+1)$ menyatu pada histogram, jejak yang dipakai steganalisis chi-square (Steganalisis). LSB matching ($\pm 1$) menambah atau mengurangi 1 secara acak ketika LSB tak cocok sehingga jejak ini hilang. Matrix embedding (kode Hamming, dipakai F5) menyisipkan $k$ bit dengan mengubah paling banyak 1 dari $2^k-1$ posisi sehingga perubahan lebih sedikit.

Mengukur Fidelity

Kualitas stego biasa diukur dengan MSE dan PSNR: $\text{PSNR}=10{\log }_{10}(255^2/\text{MSE})$ dB; nilai di atas $\approx 40$ dB umumnya tidak terlihat.

Proyek Eksplorasi Mandiri

1. Ubah LSB sequential menjadi LSB acak dengan random.seed(stego_key) dan random.sample; verifikasi ekstraksi gagal bila seed salah.
2. Ukur PSNR untuk $m=1,2,3,4$ bit LSB pada citra yang sama dan buat grafik kapasitas vs kualitas.

Bacaan Lanjutan

• Westfeld, A. (2001), F5: A Steganographic Algorithm.
• Mielikainen, J. (2006), LSB Matching Revisited.
• Provos & Honeyman (2003), Hide and Seek: An Introduction to Steganography.