Метод адаптивного LSB-вбудовування на основі аналізу локальної ентропії цифрового зображення
The article proposes an adaptive LSB steganography method for audio containers based on block Shannon entropy. The method allows selecting for embedding only those frames of the audio signal that are characterized by high local entropy, i.e., areas with maximum statistical uncertainty and textural c...
Збережено в:
| Дата: | 2026 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Kamianets-Podilskyi National Ivan Ohiienko University
2026
|
| Онлайн доступ: | https://mcm-tech.kpnu.edu.ua/article/view/356387 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Mathematical and computer modelling. Series: Technical sciences |
Репозитарії
Mathematical and computer modelling. Series: Technical sciences| _version_ | 1867026064046292992 |
|---|---|
| author | Слободянюк, Олександр |
| author_facet | Слободянюк, Олександр |
| author_sort | Слободянюк, Олександр |
| baseUrl_str | http://mcm-tech.kpnu.edu.ua/index.php/2308-5916/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-06-03T08:09:01Z |
| description | The article proposes an adaptive LSB steganography method for audio containers based on block Shannon entropy. The method allows selecting for embedding only those frames of the audio signal that are characterized by high local entropy, i.e., areas with maximum statistical uncertainty and textural complexity. The algorithm involves dividing the audio into frames of 256-1024 samples, quantizing the samples to 256 levels, calculating the Shannon entropy for each block, and selecting frames whose entropy exceeds a predefined threshold. Secret data is embedded by replacing the least significant bit (LSB) of samples exclusively in the selected frames. To enhance security, the order of frames can be permuted using a secret key. Information extraction is performed deterministically by repeating the frame selection procedure on the receiver side. Experimental comparison with classical LSB, chaotic LSB (based on chaotic maps), and amplitude-adaptive LSB showed significant advantages of the proposed method. It provides the highest stego-audio quality values: SNR – 52,3 dB and PESQ – 4,7. The probability of detection by steganalysis decreased to 38% compared to 92% for the classical method. Although the hiding capacity is 0.5 bit per sample, the overall trade-off between imperceptibility, robustness, and quality is significantly better than in the compared methods.
The theoretical basis of the work lies in the application of an information-theoretic criterion for adaptive data hiding. It is shown that Shannon entropy is a more effective criterion for selecting embedding positions than signal amplitude or pseudorandom sequences, since it better reflects the real statistical complexity of the audio signal and allows natural masking of LSB changes. The proposed method is suitable for covert transmission of confidential information in VoIP systems, audio messengers, podcasts, and streaming services, as well as for hidden watermarking of audio content.
The research results confirm the prospects of using block entropy as an adaptivity criterion in audio steganography and fill a gap in the existing literature, where similar methods are widely used for images but are almost not studied for audio containers. |
| doi_str_mv | 10.32626/2308-5916.2026-29.122-130 |
| first_indexed | 2026-05-27T01:05:59Z |
| format | Article |
| id | mcmtechkpnueduua-article-356387 |
| institution | Mathematical and computer modelling. Series: Technical sciences |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-04T01:00:05Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | Kamianets-Podilskyi National Ivan Ohiienko University |
| record_format | ojs |
| spelling | mcmtechkpnueduua-article-3563872026-06-03T08:09:01Z An Adaptive LSB Embedding Method Based on the Analysis of Local Entropy in Digital Images Метод адаптивного LSB-вбудовування на основі аналізу локальної ентропії цифрового зображення Слободянюк, Олександр The article proposes an adaptive LSB steganography method for audio containers based on block Shannon entropy. The method allows selecting for embedding only those frames of the audio signal that are characterized by high local entropy, i.e., areas with maximum statistical uncertainty and textural complexity. The algorithm involves dividing the audio into frames of 256-1024 samples, quantizing the samples to 256 levels, calculating the Shannon entropy for each block, and selecting frames whose entropy exceeds a predefined threshold. Secret data is embedded by replacing the least significant bit (LSB) of samples exclusively in the selected frames. To enhance security, the order of frames can be permuted using a secret key. Information extraction is performed deterministically by repeating the frame selection procedure on the receiver side. Experimental comparison with classical LSB, chaotic LSB (based on chaotic maps), and amplitude-adaptive LSB showed significant advantages of the proposed method. It provides the highest stego-audio quality values: SNR – 52,3 dB and PESQ – 4,7. The probability of detection by steganalysis decreased to 38% compared to 92% for the classical method. Although the hiding capacity is 0.5 bit per sample, the overall trade-off between imperceptibility, robustness, and quality is significantly better than in the compared methods. The theoretical basis of the work lies in the application of an information-theoretic criterion for adaptive data hiding. It is shown that Shannon entropy is a more effective criterion for selecting embedding positions than signal amplitude or pseudorandom sequences, since it better reflects the real statistical complexity of the audio signal and allows natural masking of LSB changes. The proposed method is suitable for covert transmission of confidential information in VoIP systems, audio messengers, podcasts, and streaming services, as well as for hidden watermarking of audio content. The research results confirm the prospects of using block entropy as an adaptivity criterion in audio steganography and fill a gap in the existing literature, where similar methods are widely used for images but are almost not studied for audio containers. У статті запропоновано адаптивний метод LSB-стеганографії в аудіо-контейнерах на основі блочної ентропії Шеннона. Метод дозволяє вибирати для вбудовування лише ті фрейми аудіосигналу, які характеризуються високою локальною ентропією, тобто ділянки з максимальною статистичною невизначеністю та текстурністю. Алгоритм передбачає розбиття аудіо на фрейми розміром 256-1024 семпли, квантування семплів до 256 рівнів, обчислення ентропії Шеннона для кожного блоку та відбір фреймів, ентропія яких перевищує встановлений поріг. Секретні дані вбудовуються шляхом заміни найменш значущого біту (LSB) семплів виключно у відібраних фреймах. Для підвищення секретності порядок фреймів може перемішуватися за секретним ключем. Витягування інформації виконується детерміновано шляхом повторення процедури вибору фреймів. Експериментальне порівняння з класичним LSB, хаотичним LSB (на основі хаотичних карт) та амплітудно-адаптивним LSB показало суттєві переваги запропонованого методу. Він забезпечує найвищі значення якості стего-аудіо: SNR – 52,3 дБ та PESQ – 4,7. Ймовірність виявлення стегоаналізом знизилася до 38 % проти 92 % у класичного методу. Хоча ємність приховування становить 0,5 біт/семпл, загальний компроміс між непомітністю, стійкістю та якістю є значно кращим, ніж у порівнюваних методах. Теоретична основа роботи полягає в застосуванні інформаційно-теоретичного критерію для адаптивного приховування даних і включає математичне моделювання процесу вбудовування. Показано, що ентропія Шеннона є ефективнішим критерієм вибору позицій вбудовування, ніж амплітуда сигналу чи псевдовипадкові послідовності, оскільки краще відображає реальну статистичну складність аудіосигналу і дозволяє природно маскувати зміни LSB у межах формальної математичної моделі. Запропонований метод придатний для прихованої передачі конфіденційної інформації в системах VoIP, аудіо-месенджерах, подкастах та стрімінгових аудіосервісах, а також для прихованого водяного маркування аудіоконтенту. Результати дослідження підтверджують перспективність використання блочної ентропії як критерію адаптивності в аудіо-стеганографії та заповнюють прогалину в існуючій літературі, де подібні методи широко застосовуються для зображень, але майже не досліджені для аудіо-контейнерів. Kamianets-Podilskyi National Ivan Ohiienko University 2026-05-15 Article Article Рецензована Стаття application/pdf https://mcm-tech.kpnu.edu.ua/article/view/356387 10.32626/2308-5916.2026-29.122-130 Mathematical and computer modelling. Series: Technical sciences; 2026: Mathematical and computer modelling. Series: Technical sciences. Issue 29; 122-130 Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки ; 2026: Математичне та комп'ютерне моделювання. Серія: Технічні науки. Випуск 29; 122-130 2308-5916 10.32626/2308-5916.2026-29 uk https://mcm-tech.kpnu.edu.ua/article/view/356387/346607 Авторське право (c) 2026 Олександр Слободянюк https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | Слободянюк, Олександр Метод адаптивного LSB-вбудовування на основі аналізу локальної ентропії цифрового зображення |
| title | Метод адаптивного LSB-вбудовування на основі аналізу локальної ентропії цифрового зображення |
| title_alt | An Adaptive LSB Embedding Method Based on the Analysis of Local Entropy in Digital Images |
| title_full | Метод адаптивного LSB-вбудовування на основі аналізу локальної ентропії цифрового зображення |
| title_fullStr | Метод адаптивного LSB-вбудовування на основі аналізу локальної ентропії цифрового зображення |
| title_full_unstemmed | Метод адаптивного LSB-вбудовування на основі аналізу локальної ентропії цифрового зображення |
| title_short | Метод адаптивного LSB-вбудовування на основі аналізу локальної ентропії цифрового зображення |
| title_sort | метод адаптивного lsb-вбудовування на основі аналізу локальної ентропії цифрового зображення |
| url | https://mcm-tech.kpnu.edu.ua/article/view/356387 |
| work_keys_str_mv | AT slobodânûkoleksandr anadaptivelsbembeddingmethodbasedontheanalysisoflocalentropyindigitalimages AT slobodânûkoleksandr metodadaptivnogolsbvbudovuvannânaosnovíanalízulokalʹnoíentropíícifrovogozobražennâ AT slobodânûkoleksandr adaptivelsbembeddingmethodbasedontheanalysisoflocalentropyindigitalimages |