Chaotic Maps and Sliding Window Segmentation based Coverless Image Steganography Framework with Enhanced Embedding Capacity

في العصر الرقمي، تُعد المعلومات السلعة الأكثر قيمة التي نمتلكها، ومع ذلك فإن الأساليب التي نستخدمها لحمايتها غالبًا ما تفضح وجودها. فالتشفير التقليدي يخلط الرسالة بدقة شديدة لدرجة أنها تبدو كضجيج عشوائي، مما ينبه أي مراقب إلى أن شيئًا ذا قيمة يتم إخفاؤه. وهذا الفعل نفسه المتمثل في الخلط يمكن أن يجذب انتباهاً غير مرغوب فيه، تماماً مثل قفل باب في منزل يترك فيه الجميع أبوابهم مفتوحة. يقدم علم إخفاء المعلومات (Steganography) مساراً مختلفاً: فن استغلال إخفاء رسالة داخل شيء عادي بحيث يظل وجود الرسالة غير مرئي. لعقود من الزمن، حاول الباحثون دمج بيانات سرية في الصور الرقمية من خلال تغيير لون البكسلات الفردية بشكل طفيف. ورغم فعالية هذه الطرق، إلا أنها تترك خلفها بصمات إحصائية ضئيلة يمكن للأدوات المتطورة اكتشافها، وغالباً ما تفشل إذا تعرضت الصورة للضغط أو التشويه أثناء النقل. كان التحدي يكمن في إيجاد طريقة لإخفاء المعلومات دون تغيير الصورة على الإطلاق، وإنشاء نظام يكون غير مرئي للمكتشفين وقوياً بما يكفي للصمود أمام التعامل الخشن عبر الإنترنت.

اقترح فريق من الباحثين في جامعة غورو نانك ديف نهجاً جديداً يحل هذه المعضلة من خلال التعامل مع الصورة ليس كلوحة للرسم عليها، بل كخريطة للقراءة منها. تعتمد طريقتهم، المعروفة باسم "إخفاء المعلومات بدون غطاء" (coverless steganography)، على عدم تعديل صورة الحامل بأي شكل من الأشكال. بدلاً من ذلك، تعتمد على الميزات الطبيعية الموجودة بالفعل داخل الصورة لحمل السر. طور الباحثون نظاماً يقطع الصورة الرقمية إلى آلاف المربعات الصغيرة والمتداخلة، تماماً مثل النظر إلى لوحة فسيفساء من خلال إطار صغير يتحرك عبر السطح. ولكل مربع صغير من هذه المربعات، يحسب النظام متوسط سطوع البكسلات بداخله. ثم يبحث عن "البت الأكثر أهمية" (most significant bit) لقيمة السطوع تلك—وهو رقم ثنائي واحد يمثل الكثافة الجوهرية لتلك المنطقة المحددة. هذه البتات لا يتم تغييرها؛ بل يتم فقط ملاحظتها وتسجيلها، مما يخلق بصمة فريدة لبنية الصورة الطبيعية.

لإخفاء رسالة، يجب على المرسل والمستقبل أولاً الاتفاق على مفتاح سري يعمل كدليل عشوائي. استخدم الباحثون أداة رياضية تسمى "الخريطة الفوضوية" (chaotic map)، والتي تولد تسلسلاً من الأرقام التي تبدو عشوائية ولكنها في الواقع محددة بنقطة بداية معينة. هذا التسلسل يخبر النظام بالضبط أي من أجزاء الصورة الآلاف يجب النظر إليها وبأي ترتيب. يتم تحويل الرسالة السرية إلى سلسلة من الأرقام الثنائية، ويقوم النظام بمقارنة هذه الأرقام بالبتات الطبيعية المستخرجة من أجزاء الصورة. إذا تطابق البت الطبيعي مع البت السري، يسجل النظام الرقم "واحد"؛ وإذا لم يتطابقا، يسجل الرقم "صفر". تشكل هذه المجموعة من الواحدات والأصفار رمزاً يتم مشاركته بين المرسل والمستقبل. الصورة نفسها لا تُلمس أبداً، ولا تُعدل، ولا تتغير؛ بل تُنقل تماماً كما وُجدت، حاملةً معها أي علامات مرئية للبيانات المخفية.

تكمن قوة هذه الطريقة في قدرتها على الصمود أمام التشوهات الشائعة التي تحدث عند إرسال الصور عبر الإنترنت. فالصور الرقمية غالباً ما تواجه الضجيج، أو الضبابية، أو الضغط، مما قد يدمر البيانات المخفية في الأنظمة التقليدية. ولأن هذه الطة الجديدة تعتمد على متوسط السطوع للأقسام المتداخلة بدلاً من البكسلات الفردية، فهي صامدة بشكل ملحوظ. اختبر الباحثون نظامهم عبر إخفاء رسالة سرية مكونة من 180 حرفاً داخل صورة فوتوغرافية قياسية باللونين الأبيض والأسود. فقد أخضعوا الصورة لهجمات متنوعة، بما في ذلك إضافة ضجيج عشوائي، وتطبيق ضجيج "الملح والفلفل"، والضبابية باستخدام المرشحات، وضغطها بشدة. وفي معظم الحالات، تمكن النظام من استعادة الرسالة الأصلية بدقة تقارب الكمال. وحتى عندما كانت الصورة مضغوطة بشدة أو مغطاة بالضجيج، سمحت الطبيعة المتداخلة للأجزاء للنظام بتجميع المعلومات الصحيحة، مما أثبت أن البيانات المخفية يمكن أن تنجو في ظروف قد تدمر الطرق الأخرى.

أحد أهم النتائج التي توصلت إليها هذه الدراسة هو القدرة الهائلة للنظام على استيعاب البيانات. فمن خلال استخدام أجزاء صغيرة وتداخلها بشكل كبير، تمكن الباحثون من دمج كمية هائلة من المعلومات في صورة واحدة. في اختباراتهم، استطاعت صورة قياسية بحجم 256 في 256 بكسل أن تحمل أكثر من 63,000 بت من البيانات، وهي سعة تتجاوز بكثير العديد من التقنيات الحالية. ويتحقق هذه السعة العالية دون التضحية بالأمن؛ إذ يعتمد أمن النظام كلياً على المفتاح السري المستخدم لتوليد التسلسل العشوائي. فبدون المفتاح الصحيح، لا يمكن للمهاجم معرفة أي الأجزاء ينبغي النظر إليها أو بترتيبها، مما يجعل من المستحيل حسابياً تخمين الرسالة المخفية. وقد قدر الباحثون أنه حتى مع أقوى الحواسيب، فإن محاولة التخمين بالقوة الغاشمة (brute-force) للتسلسل الصحيح ستستغرق وقتاً أطول من عمر الكون.

تتجاوز تداعيات هذا العمل مجرد السرية البسيطة. فمن خلال ضمان بقاء صورة الحامل غير معدلة تماماً، يلغي هذا الأسلوب خطر الكشف بواسطة أدوات تحليل إخفاء المعلومات (steganalysis)، المصممة لرصد التغييرات الطفيفة التي تتركها تقنيات الإخفاء التقليدية. تبدو الصورة مطابقة تماماً للعين البشرية وللمسوحات الآلية. وهذا يجعل الطريقة مفيدة بشكل خاص في السيناريوهات التي يجب أن يظل فيها وجود الرسالة غير مكتشف، مثل الاتصالات الآمنة أو نقل البيانات الحساسة. كما لاحظ الباحثون أن النظام مرن وقابل للتوسع، وقادر على التكيف مع أحجام الصور المختلفة وأطوال البيانات دون تغيير نهجه الأساسي. وبينما ركزت الدراسة الحالية على الصور باللونين الأبيض والأسود، يقترح المؤلفون أن العمل المستقبلي يمكن أن يوسع الطريقة لتشمل الصور الملونة ودمج الذكاء الاصطناعي لتحسين عملية التجزئة بشكل أكبر.

في النهاية، يثبت هذا البحث أنه من الممكن إخفاء كمية هائلة من المعلومات في وضح النهار دون ترك أي أثر. فمن خلال تحويل التركيز من تعديل الصورة إلى قراءة ميزاتها الطبيعية، خلق الباحثون نظاماً يتسم بالأمن العالي والمتانة الفائقة. وتثبت الطريقة أن الطريقة الأكثر فعالية لإخفاء السر ليست في تمويهه، بل في جعله يمتطي التعقيد الطبيعي للعالم من حولنا، غير مرئي للجميع باستثناء أولئك الذين يعرفون بالضبط أين ينظرون. وتشير النتائج إلى اتجاه جديد للاتصالات الآمنة، حيث لا تكون الرسالة محمية فحسب، بل غير مرئية حقاً.