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title: Python圖片隱寫
tags: python, picture, cyber security, steganography
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# Python圖片隱寫

> [TOC]
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> Reference Website:
> - [Python LSB圖片隱寫技術](https://www.itread01.com/content/1541820687.html)
> - [如何在圖片中隱藏信息？Python3實現圖片隱寫術](https://kknews.cc/zh-tw/other/p8nq5l2.html)
> - [隱寫技巧 - PNG文件中的隱寫技巧](https://3gstudent.github.io/%E9%9A%90%E5%86%99%E6%8A%80%E5%B7%A7-PNG%E6%96%87%E4%BB%B6%E4%B8%AD%E7%9A%84LSB%E9%9A%90%E5%86%99/)
> - [隱寫術之圖片隱寫](https://zhuanlan.zhihu.com/p/62895080)
> - [Steganography Tutorial - Hiding Text inside an Image](https://www.youtube.com/watch?v=q3eOOMx5qoo)
> - [Steganography Tutorial | How To Hide Text Inside The Image | Cybersecurity Training | Edureka](https://www.youtube.com/watch?v=xepNoHgNj0w)
> [Steganography Tutorial – A Complete Guide For Beginners](https://www.edureka.co/blog/steganography-tutorial)
> - [Image based Steganography using Python?](https://www.tutorialspoint.com/image-based-steganography-using-python)
> - [Image based Steganography using Python](https://www.geeksforgeeks.org/image-based-steganography-using-python/)
> - [steganography](https://searchsecurity.techtarget.com/definition/steganography)

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# ***What is Steganography?***

> **隱寫術 (Steganography)** 是一個避免訊息被偵測的技術，它將訊息隱藏在一般的非秘密文件中。

* 隱寫術 (Steganography)
* Steganography 源自希臘文中的 steganos 和 graphein。
* steganos 代表 hidden or covered (隱藏) 的意思。
* graph 代表 to write (書寫) 的意思。
* 隱寫術 可被用來隱藏任何類型的數位內容。
* 隱寫術的類型，亦即訊息可隱藏於以下的載體中：
* 文字
* 它可以是利用改變字型的顯示格式來隱藏訊息。
* 如：[美團隊研發「字型加密術」](https://buzzorange.com/techorange/2018/05/18/font-encryption-system/)
* 圖像
* 圖像被廣泛運用於隱寫術上，因為圖像由大量的bit所組成，方便訊息的隱藏。
* 方法：
* ==Least Significant Bit Insertion==
* Masking and Filtering
* Redundant Pattern Encoding
* Encrypt and Scatter
* Coding and Cosine Transformation
* 音檔
* 將訊息嵌入音頻訊號中，藉由改變音頻訊號相應的二進位序列來隱藏訊息。
* 影片
* 可以視為圖像隱寫術和音檔隱寫術的結合。
* 網路(Protocol Steganography)
* 在資料傳輸中，將訊息嵌入網路協定(如：TCP、UDP、ICMP...)的技術。
* 如：你可以在TCP/IP封包的標頭中隱藏訊息。
* 應用：
* 【實際案例】
> 2012年，大眾點評和食神網的競爭非常激烈，後者開始大規模地爬取前者的數據，主要是圖片。
> 大眾點評沒有走中國的司法流程，而是直接向APP STORE提交了證據，使食神的APP下架2次。
> 這些證據就是食神爬取的圖片，圖片中用隱寫術嵌入了大眾點評的版權資訊！

* 【合法利用】
> 添加商標的浮水印 (Watermark)，以識別未經授權許可的文件。
* 【非法利用】
> 惡意軟件開發人員使用隱寫術來掩蓋惡意程式碼的傳輸。

# *History of Steganography*

> **隱寫術** 在古代時便已存在，數千年來以各種形式實踐，以保持通信隱密性。

* **Wax Tablet**
* 隱寫術的第一次使用，可追溯到公元前440年，當時古希臘人在木頭上寫下訊息，再使用蠟覆蓋。
* **Invisible Inks**
* 羅馬人使用各種形式的隱形墨水來隱藏訊息，並使用光或熱來破譯。
* [How to Make Your Own Invisible Ink?](https://www.thoughtco.com/make-your-own-invisible-ink-605973)
* **Microdots**
* 二次世界大戰期間，德國人引進了微點 (Microdots)，這些微點可以是完整的文件、圖片或計劃。
* 亦即將原始正常大小的完整文件縮小到一個點的大小，並附在正常的文書工作上。
* **Null Ciphers**
* 空密碼，也稱為隱藏密碼，是一種古老的加密形式，被視為一種簡單的隱寫術形式。
* 將密文隱藏於看似普通的明文中。解密時，必須將明文中的字元丟棄後，才能看到訊息。
* 密文：Wikipedia
> It's important **w**e allow anyone **i**nterested in gaining **k**nowledge access to **i**nformation which is **p**ublished freely. There **e**xists a website **d**evoted to this **i**dea, and you **a**re on it!

# *Steganography vs. Cryptography*

> **Steganography** 和 **Cryptography** 是兩種不同的概念。但是，有著相同的目標，保護訊息不被第三方得知。

| | STEGANOGRAPHY | CRYPTOGRAPHY |
| -------- | -------- | -------- |
| **Definition** | It is a technique to hide the existence of communication | It’s a technique to convert data into an incomprehensible form |
| **Purpose** | Keep communication secure | Provide data protection |
| **Data Visibility** |Never | Always |
| **Data Structure** | Doesn’t alter the overall structure of data | Alters the overall structure of data |
| **Key** | Optional, but offers more security if used | Necessary requirement |
| **Failure** | Once the presence of a secret message is discovered, anyone can use the secret data | If you possess the decryption key, then you can figure out original message from the ciphertext　|

* Steganography 可與 Encryption 相結合，來作為隱藏或保護資料的額外步驟。
* 做法：
* 先加密秘密訊息，再使用隱寫術將加密的秘密訊息嵌入圖片或其他載體中。

# *Image-based Steganography*

> Hiding the data by taking the cover object as the image is known as **image steganography**.

## [Pixels & Bits](https://www.youtube.com/watch?v=15aqFQQVBWU)

* 每張圖像是由 pixels (像素) 所組成，pixel 為影像顯示的基本單位。
* 每個 pixels (像素)，儲存的是由 RGB 三原色組成的顏色值。亦即 Red, Green, Blue 組成每張圖像的每一個 pixel (像素)。
> Every image is made up of pixels and every pixel contains 3-values (red, green, blue).
* Red, Green, Blue 各自使用 8-bit 來儲存顏色值。
* 若以十進位表示
* 最大值：255 (二進位：11111111)
* 最小值：0 (二進位：00000000)

## MSB vs. LSB


* 最高有效位 (MSB，Most Significance Bit)
* 指二進位中最高值的 bit。MSB 是最高加權位，具有最大的影響力。
* MSB位於二進位數的最左側。
* 最低有效位 (LSB，Least Significance Bit)
* 指二進位中最低值的bit。LSB 是最低加權位，具有最小的影響力。
* LSB位於二進位數的最右側。

## ==**LSB Steganography**==

* 藉由修改RGB之二進位顏色值的最低有效位(LSB)來隱藏訊息。

### Concept

* Every byte of data is converted to its 8-bit binary code using ==ASCII== values.
* Now pixels are read from left to right in a group of 3 containing a total of 9 values.
* The first 8-values are used to store the binary data.
* The value is made odd, ==if 1 occurs and even, if 0 occurs==.

### Encode the data:

* Suppose the message to be hidden is '**Hii**'. Since the message is of **3-bytes**, therefore, pixels required to encode the data is 3 x 3 = 9.

* Consider a 4 x 3 image with total 12-pixels, which are sufficient to encode the given data.

> [==(27, 64, 164), (248, 244, 194), (174, 246, 250)==, (149, 95, 232),
> (188, 156, 169), (71, 167, 127), (132, 173, 97), (113, 69, 206),
> (255, 29, 213), (53, 153, 220), (246, 225, 229), (142, 82, 175)]

* ASCII value of '**H**' is **72** whose binary equivalent is **01001000**. **Taking first 3-pixels (27, 64, 164), (248, 244, 194), (174, 246, 250) to encode.**
* Now ==change the pixel to odd for 1 and even for 0==. So, the modifies pixels are (26, 63, 164), (248, 243, 194), (174, 246, 250). The new image will look like:
> [==(26, 63, 164), (248, 243, 194), (174, 246, 250)==, (148, 95, 231),

  (26, 63, 164), (248, 243, 194), (174, 246, 250)
    0   1    0      0    1    0      0    0    0   => H

> (188, 155, 168), (70, 167, 126), (132, 173, 97), (112, 69, 206),
> (254, 29, 213), (53, 153, 220), (246, 225, 229), (142, 82, 175)]

### 程式碼
#### 程式流程
先確認使用者要用何種功能(隱寫or解密)
* 隱寫
1. 開圖檔
2. 將訊息轉換為ASCII的二進位編碼，並加上`1111111111111110`作為結尾
3. 讀取圖片pixel的RGBA值(紅、綠、藍、透明度)
4. 將訊息二進位編碼一個bit一個bit寫入R or G or B or A
5. 將更改後的RGBA編碼重新存檔為圖片
* 解密
1. 開圖檔
2. 讀取pixel的RGBA值
3. 將R or G or B or A值轉換為二進制，並讀取其最後一個bit，將其寫入二進位字串
4. 假設該字串最後16碼為`1111111111111110`則代表訊息結束
5. 停止讀取，將該二進位字串轉換為文字字串

#### 各部分解析
* **str2bin(message)**

    def str2bin(message):
        message_bytes = bytes(message, 'ascii')
        return "".join(["{:08b}".format(x) for x in message_bytes])

1. 將字串轉為ascii編碼
2. 將ascii編碼轉為二進位
`{:08b}`這種寫法要分成三部分來看
* `{:8}`: 固定字串長度為8，不足部分以空格補位
* `{:08}`: 同上，但不足部分以0補位
* `{:b}`: 將數字轉為二進位字串
* **bin2str(binary)**

    def bin2str(binary):
        binary_split = []
        count = 0
        temp = ""
        for i in range(len(binary)):
            count += 1
            temp += binary[i]
            if count == 8:
                binary_split.append(temp)
                count = 0
                temp = ""
        return "".join([chr(int(b, 2)) for b in binary_split])

1. 將二進位字串分成八個八個一組
2. `chr(int(b, 2))`
* `int(b, 2)`
先將二進位轉為10進位
* `chr()`
再將10進位轉為字串
* **encode(num, digit)**
將num轉為二進位，再將digit插入二進位的最後一位數

    def encode(num, digit):
        '''
        1. change num to binary.
        2. add digit to last digit of num binary.
        3. change num binary back to decimal, and return it.
        '''
        bin_num = bin(num)
        bin_num = bin_num[:-1] + digit
        return int(bin_num, 2)

1. 將num轉成二進位
2. 將轉換後的二進位字串最後一位數換成digit
3. 將新的二進位字串轉回十進位並回傳
* **decode(num)**
將num轉為二進位，並回傳最後一位數

    def decode(num):
	    return bin(num)[-1]

* **hide(filename, message)**

    def hide(filename, message):
        img = Image.open(filename)
        binary = str2bin(message) + "1111111111111110"
        if img.mode == 'RGBA':
            datas = img.getdata()
            newData = []
            count = 0
            message_end = False
            for data in datas:
                if not message_end:
                    newpix = []
                    for num in data :
                        if count < len(binary):
                            newpix.append(encode(num, binary[count]))
                            count += 1
                        else:
                            newpix.append(num)
                            message_end = True
                    newData.append(tuple(newpix))
                else:
                    break
            img.putdata(newData)
            img.save(filename, "PNG")
            return "Completed!"
        else:
            return "Incorrect Image Mode, couldn't hide :("

1. 開啟圖檔
2. 將message轉換為二進位
3. 判斷是否為RGBA的顏色編碼
* 是
1. 讀取圖檔每個pixel的RGBA值
2. 用一個newData list來存取更改後的RGBA值
3. 利用count計算目前寫入到第幾位
4. 利用message_end來確認訊息是否已寫完
5. 讀取每個pixel的RGBA值
* 訊息是否還未結束
* 是
* 新增一個newpix的list來存取更改後pixel的RGBA值
* 分別讀取R、G、B與A的值
* 如果訊息還未結束，則將訊息插入R or G or B or A中
* 如果訊息已結束則結束寫入動作
* 否
結束讀取
6. 將修改過後的pixel寫入圖片
* putdata(): 這個函式會將新的pixel寫入圖片中，直到所有資料都寫入，或是原圖已讀取結束
> 參考: https://pillow.readthedocs.io/en/3.3.x/reference/Image.html#PIL.Image.Image.putdata
* 否
跟使用者說明圖檔模式不支援
* **retr(filename)**

    def retr(filename):
        img = Image.open(filename)
        binary = ""

        if img.mode == 'RGBA':
            datas = img.getdata()
            for data in datas:
                for num in data:
                    binary += decode(num)
                    if binary[-16:] == "1111111111111110":
                        print("Seccuss!")
                        return bin2str(binary[:-16])
            return bin2str(binary)
        return "Incorrect Image Mode, couldn't retrieve :("

1. 開啟圖片
2. 確認模式是否為RGBA
* 是
1. 讀取圖檔每個pixel值
2. 分別讀取R、G、B、A值
3. 將每個值轉換為二進位，並讀取最後一位數字
4. 如果讀取到`1111111111111110`這個結尾符號，則將二進位訊息轉為string輸出，並結束程式
* 否
跟使用者說明圖檔模式不支援
* **main()**

   def main():
        parser = optparse.OptionParser('python lsbsteg.py ' + '-e/-d <target file>')
        parser.add_option('-e', dest = 'hide', type='string', help='target pic path to hide text')
        parser.add_option('-d', dest = 'retr', type='string', help='target pic path to retrieve text')
        (options, args) = parser.parse_args()
        if options.hid != None:
            text = input("Enter a message to hide: ")
            print(hide(options.hide, text))
        elif options.retr != None:
            print(retr(options.retr))
        else:
            print(parser.usage)
            quit()

1. 新增parser，這個parser會幫你處裡使用者輸入
2.

#### 完整程式碼

from PIL import Image
import optparse

def str2bin(message):
    message_bytes = bytes(message, 'ascii')
    return "".join(["{:08b}".format(x) for x in message_bytes])

def bin2str(binary):
    binary_split = []
    count = 0
    temp = ""
    for i in range(len(binary)):
        count += 1
        temp += binary[i]
        if count == 8:
            binary_split.append(temp)
            count = 0
            temp = ""
    return "".join([chr(int(b, 2)) for b in binary_split])
    
def encode(num, digit):
    '''
    1. change num to binary.
    2. add digit to last digit of num binary.
    3. change num binary back to decimal, and return it.
    '''
    bin_num = bin(num)
    bin_num = bin_num[:-1] + digit
    return int(bin_num, 2)

def decode(num):
    return bin(num)[-1]

def hide(filename, message):
    img = Image.open(filename)
    binary = str2bin(message) + "1111111111111110"
    if img.mode == 'RGBA':
        datas = img.getdata()
        newData = []
        count = 0
        message_end = False
        for data in datas:
            if not message_end:
                newpix = []
                for num in data :
                    if count < len(binary):
                        newpix.append(encode(num, binary[count]))
                        count += 1
                    else:
                        newpix.append(num)
                        message_end = True
                newData.append(tuple(newpix))
            else:
                break
        img.putdata(newData)
        img.save(filename, "PNG")
        return "Completed!"
    else:
        return "Incorrect Image Mode, couldn't hide :("

def retr(filename):
    img = Image.open(filename)
    binary = ""
    
    if img.mode == 'RGBA':
        datas = img.getdata()
        for data in datas:
            for num in data:
                binary += decode(num)
                if binary[-16:] == "1111111111111110":
                    print("Seccuss!")
                    return bin2str(binary[:-16])
        return bin2str(binary)
    return "Incorrect Image Mode, couldn't retrieve :("

def main():
    parser = optparse.OptionParser('python lsbsteg.py ' + '-e/-d <target file>')
    parser.add_option('-e', dest = 'hide', type='string', help='target pic path to hide text')
    parser.add_option('-d', dest = 'retr', type='string', help='target pic path to retrieve text')
    (options, args) = parser.parse_args()
    if options.hide != None:
        text = input("Enter a message to hide: ")
        print(hide(options.hide, text))
    elif options.retr != None:
        print(retr(options.retr))
    else:
        print(parser.usage)
        quit()

if __name__ == '__main__':
    main()          

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### Shorter Version

from PIL import Image
from stegano import lsb
import optparse

parser = optparse.OptionParser('usage %prog ' + '-e/-d <target file>')
parser.add_option('-e', dest = 'hide', type='string', help='target pic path to hide text')
parser.add_option('-d', dest = 'retr', type='string', help='target pic path to retrieve text')
(options, args) = parser.parse_args()

if options.hide != None:
    text = input("Enter a message to hide: ")
    image = Image.open(options.hide)
    image_stego = lsb.hide(image, text)
    image_stego.save(options.hide)
    print("Success")
elif options.retr != None:
    message = lsb.reveal(options.retr)
    print("Complete")
    print(message)
else:
    print(parser.usage)
    quit()