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Private GIT Repository
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[canny.git] / ourapproach.tex
1 This section first presents the embedding scheme through its 
2 four main steps: the data encryption (Sect.~\ref{sub:bbs}),
3 the cover pixel selection (Sect.~\ref{sub:edge}),
4 the adaptive payload considerations (Sect.~\ref{sub:adaptive}),
5 and how the distortion has been minimized (Sect.~\ref{sub:stc}).
6 The message extraction is then presented  (Sect.~\ref{sub:extract}) while a running example ends this section (Sect.~\ref{sub:xpl}). 
7
8
9 The flowcharts given in Fig.~\ref{fig:sch}
10 summarize our steganography scheme denoted by
11 STABYLO, which stands for STe\-ga\-no\-gra\-phy with 
12 Adaptive, Bbs, binarY embedding at LOw cost.
13 What follows are successively some details of the inner steps and the flows both inside 
14  the embedding stage (Fig.~\ref{fig:sch:emb}) 
15 and inside the extraction one (Fig.~\ref{fig:sch:ext}).
16 Let us first focus on the data embedding. 
17
18 \begin{figure*}%[t]
19   \begin{center}
20     \subfloat[Data Embedding]{
21       \begin{minipage}{0.4\textwidth}
22         \begin{center}
23             %\includegraphics[scale=0.45]{emb}
24             \includegraphics[scale=0.4]{emb}
25         \end{center}
26       \end{minipage}
27       \label{fig:sch:emb}
28     } 
29 \hfill
30     \subfloat[Data Extraction]{
31       \begin{minipage}{0.49\textwidth}
32         \begin{center}
33             \includegraphics[scale=0.4]{dec}
34         \end{center}
35       \end{minipage}
36       \label{fig:sch:ext}
37     }%\hfill
38   \end{center}
39   \caption{The STABYLO scheme}
40   \label{fig:sch}
41 \end{figure*}
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50 \subsection{Security considerations}\label{sub:bbs}
51 Among the methods of  message encryption/decryption 
52 (see~\cite{DBLP:journals/ejisec/FontaineG07} for a survey)
53 we implement the asymmetric 
54 Blum-Goldwasser cryptosystem~\cite{Blum:1985:EPP:19478.19501}
55 that is based on the Blum Blum Shub~\cite{DBLP:conf/crypto/ShubBB82} 
56 pseudorandom number generator (PRNG) and the 
57 XOR binary function.
58 The main justification of this choice 
59 is that it has been proven~\cite{DBLP:conf/crypto/ShubBB82} that this PRNG 
60 has the property of cryptographical security, \textit{i.e.}, 
61 for any sequence of $L$ output bits $x_i$, $x_{i+1}$, \ldots, $x_{i+L-1}$,
62 there is no algorithm, whose time complexity is polynomial  in $L$, and 
63 which allows to find $x_{i-1}$ or $x_{i+L}$ with a probability greater
64 than $1/2$.
65 Equivalent formulations of such a property can
66 be found. They all lead to the fact that,
67 even if the encrypted message is extracted, 
68 it is impossible to retrieve the original one in 
69 polynomial time.   
70
71 Starting thus with a key $k$ and the message \textit{mess} to hide, 
72 this step computes a message $m$, which is the encrypted version  of \textit{mess}.
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75 \subsection{Edge-based image steganography}\label{sub:edge}
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78 The edge-based image
79 steganography schemes 
80 already presented \cite{Luo:2010:EAI:1824719.1824720,DBLP:journals/eswa/ChenCL10} differ 
81 in how carefully they select edge pixels, and  
82 how they modify them.
83
84 %Image Quality: Edge Image Steganography
85 %\JFC{Raphael, les fuzzy edge detection sont souvent utilisés. 
86 %  il faudrait comparer les approches en terme de nombre de bits retournés,
87 %  en terme de complexité. } \cite{KF11}
88 %\RC{Ben, à voir car on peut choisir le nombre de pixel avec Canny. Supposons que les fuzzy edge soient retourne un peu plus de points, on sera probablement plus détectable...  Finalement on devrait surement vendre notre truc en : on a choisi cet algo car il est performant en vitesse/qualité. Mais on peut aussi en utilisé d'autres :-)}
89
90 Many techniques have been proposed in the literature to  detect 
91 edges in  images (whose noise has been initially reduced). 
92 They can be separated in two categories: first and second order detection
93 methods on the one hand, and fuzzy detectors on the other  hand~\cite{KF11}.
94 In first order methods like Sobel, Canny~\cite{Canny:1986:CAE:11274.11275}, and so on, 
95 a first-order derivative (gradient magnitude, etc.) is computed 
96 to search for local maxima, whereas in second order ones, zero crossings in a second-order derivative, like the Laplacian computed from the image,
97 are searched in order to find edges.
98 As far as fuzzy edge methods are concerned, they are obviously based on fuzzy logic to highlight edges.
99
100 Canny filters, on their parts, are an old family of algorithms still remaining a state of the art edge detector. They can be well-approximated by first-order derivatives of Gaussians.
101 As the Canny algorithm is fast, well known, has been studied in depth, and is implementable
102 on many  kinds of architectures like FPGAs, smart phones,  desktop machines, and
103 GPUs, we have chosen this edge detector for illustrative purpose.
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108 This edge detection is applied on a filtered version of the image given 
109 as input.
110 More precisely, only $b$ most significant bits are concerned by this step, 
111 where the parameter $b$ is practically set with $6$ or $7$. 
112 Notice that only the 2 LSBs of pixels in the set of edges
113 are returned if $b$ is 6, and the LSB of pixels if $b$ is 7.
114 If set with the same value $b$, the edge detection returns thus the same 
115 set of pixels for both the cover and the stego image.   
116 Moreover, to provide edge gradient value, 
117 the Canny algorithm computes derivatives  
118 in the two directions with respect to a mask of size $T$. 
119 The higher $T$ is, the coarse the approach is. Practically, 
120 $T$ is set with $3$, $5$, or $7$.
121 In our flowcharts, this step is represented by ``Edge Detection(b, T, X)''.
122
123
124 Let $x$ be the sequence of these bits. 
125 The next  section presents how to adapt our scheme 
126 with respect to the size
127 of the message $m$ to embed and the size of the cover $x$.
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131  
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136 \subsection{Adaptive embedding rate}\label{sub:adaptive}
137 Two strategies have been developed in our approach, 
138 depending on the embedding rate that is either \emph{Adaptive} or \emph{Fixed}.
139 In the former the embedding rate depends on the number of edge pixels.
140 The higher it is, the larger the message length that can be inserted is.
141 Practically, a set of edge pixels is computed according to the 
142 Canny algorithm with parameters $b=7$ and $T=3$.
143 The message length is thus defined to be less than 
144 half of this set cardinality.
145 If $x$ is too short for $m$, the message is split into sufficient parts
146 and a new cover image should be used for the remaining part of the message. 
147
148 In the latter, the embedding rate is defined as a percentage between the 
149 number of modified pixels and the length of the bit message.
150 This is the classical approach adopted in steganography.
151 Practically, the Canny algorithm generates  
152 a set of edge pixels related to increasing values of $T$ and 
153 until its cardinality
154 is sufficient. Even in this situation, our scheme is adapting 
155 its algorithm to meet all the user's requirements. 
156
157
158 Once the map of possibly modified pixels is computed, 
159 two methods may further be applied to extract bits that 
160 are really modified. 
161 The first one randomly chooses the subset of pixels to modify by 
162 applying the BBS PRNG again. This method is further denoted  as a \emph{sample}.
163 Once this set is selected, a classical LSB replacement is applied to embed the 
164 stego content.
165 The second method considers the last significant bits of all the pixels 
166 inside the previous map. It next directly applies the STC 
167 algorithm~\cite{DBLP:journals/tifs/FillerJF11}. 
168 It  is further referred to as \emph{STC} and is detailed in the next section.
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177 \subsection{Minimizing distortion with Syndrome-Trellis Codes}\label{sub:stc}
178 \input{stc}
179
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182 % Edge Based Image Steganography schemes 
183 % already studied~\cite{Luo:2010:EAI:1824719.1824720,DBLP:journals/eswa/ChenCL10,DBLP:conf/ih/PevnyFB10} differ 
184 % how they select edge pixels, and  
185 % how they modify these ones.
186
187 % First of all, let us discuss about compexity of edge detetction methods.
188 % Let then $M$ and $N$ be the dimension of the original image. 
189 % According to~\cite{Hu:2007:HPE:1282866.1282944},
190 % even if the fuzzy logic based edge detection methods~\cite{Tyan1993} 
191 % have promising results, its complexity is in $C_3 \times O(M \times N)$
192 % whereas the complexity on the Canny method~\cite{Canny:1986:CAE:11274.11275} 
193 % is in $C_1 \times O(M \times N)$ where  $C_1 < C_3$.
194 % \JFC{Verifier ceci...}
195 % In experiments detailled in this article, the Canny method has been retained 
196 % but the whole approach can be updated to consider 
197 % the fuzzy logic edge detector.   
198
199 % Next, following~\cite{Luo:2010:EAI:1824719.1824720}, our scheme automatically
200 % modifies Canny parameters to get a sufficiently large set of edge bits: this 
201 % one is practically enlarged untill its size is at least twice as many larger 
202 % than the size of embedded message.
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206 %%RAPH: paragraphe en double :-)
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211 \subsection{Data extraction}\label{sub:extract}
212 The message extraction summarized in Fig.~\ref{fig:sch:ext} 
213 follows the data embedding approach 
214 since there exists a reverse function for all its steps.
215
216 More precisely,  let $b$ be the most significant bits and 
217 $T$ be the size of the canny mask, both be given as a key.
218 Thus, the same edge detection is applied on a stego content $Y$ to 
219 produce the sequence $y$ of LSBs. 
220 If the STC approach has been selected in embedding, the STC reverse
221 algorithm is directly executed to retrieve the encrypted message. 
222 This inverse function takes the $\hat{H}$ matrix as a parameter.
223 Otherwise, \textit{i.e.}, if the \emph{sample} strategy is retained,
224 the same random bit selection than in the embedding step 
225 is executed with the same seed, given as a key.
226 Finally, the Blum-Goldwasser decryption function is executed and the original
227 message is extracted.
228
229
230 \subsection{Running example}\label{sub:xpl}
231 In this example, the cover image is  Lena, 
232 which is a $512\times512$  image with 256 grayscale levels.
233 The message is the poem Ulalume (E. A. Poe), which is constituted by 104 lines, 667
234 words, and 3,754 characters, \textit{i.e.},  30,032 bits.
235 Lena and the first verses are given in Fig.~\ref{fig:lena}.
236
237 \begin{figure}
238 \begin{center}
239 \begin{minipage}{0.49\linewidth}
240 \begin{center}
241 \includegraphics[scale=0.20]{lena512}
242 \end{center}
243 \end{minipage}
244 \begin{minipage}{0.49\linewidth}
245 \begin{flushleft}
246 \begin{scriptsize}
247 The skies they were ashen and sober;\linebreak
248 $\qquad$ The leaves they were crisped and sere—\linebreak
249 $\qquad$ The leaves they were withering and sere;\linebreak
250 It was night in the lonesome October\linebreak
251 $\qquad$ Of my most immemorial year;\linebreak
252 It was hard by the dim lake of Auber,\linebreak
253 $\qquad$ In the misty mid region of Weir—\linebreak
254 It was down by the dank tarn of Auber,\linebreak
255 $\qquad$ In the ghoul-haunted woodland of Weir.
256 \end{scriptsize}
257 \end{flushleft}
258 \end{minipage}
259 \end{center}
260 \caption{Cover and message examples} \label{fig:lena}
261 \end{figure}
262
263 The edge detection returns 18,641 and 18,455 pixels when $b$ is
264 respectively 7 and 6 and $T=3$.
265 These edges are represented in Figure~\ref{fig:edge}.
266 When $b$ is 7, it remains one bit per pixel to build the cover vector.
267 This configuration leads to a cover vector of size  18,641 if b is 7 
268 and 36,910 if $b$ is 6.  
269
270 \begin{figure}[t]
271   \begin{center}
272     \subfloat[$b$ is 7.]{
273       \begin{minipage}{0.49\linewidth}
274         \begin{center}
275           %\includegraphics[width=5cm]{emb.pdf}
276           \includegraphics[scale=0.20]{edge7}
277         \end{center}
278       \end{minipage}
279       %\label{fig:sch:emb}
280     }%\hfill
281     \subfloat[$b$ is 6.]{
282       \begin{minipage}{0.49\linewidth}
283         \begin{center}
284           %\includegraphics[width=5cm]{rec.pdf}
285           \includegraphics[scale=0.20]{edge6}
286         \end{center}
287       \end{minipage}
288       %\label{fig:sch:ext}
289     }%\hfill
290   \end{center}
291   \caption{Edge detection wrt $b$ with $T=3$}
292   \label{fig:edge}
293 \end{figure}
294
295
296
297 The STC algorithm is optimized when the rate between message length and 
298 cover vector length is lower than 1/2. 
299 So, only 9,320 bits  are available for embedding 
300 in the  configuration where $b$ is 7.
301
302 When $b$ is 6, we could have considered 18,455 bits for the message.
303 However, first experiments have shown that modifying this number of bits is too 
304 easily detectable. 
305 So, we choose to modify the same amount of bits (9,320) and keep STC optimizing
306 which bits to change among  the 36,910 ones.
307
308 In the two cases, about the third part of the poem is hidden into the cover. 
309 Results with {Adaptive} and {STC} strategies are presented in 
310 Fig.~\ref{fig:lenastego}.
311
312 \begin{figure}[t]
313   \begin{center}
314     \subfloat[$b$ is 7.]{
315       \begin{minipage}{0.49\linewidth}
316         \begin{center}
317           %\includegraphics[width=5cm]{emb.pdf}
318           \includegraphics[scale=0.20]{lena7}
319         \end{center}
320       \end{minipage}
321       %\label{fig:sch:emb}
322     }%\hfill
323     \subfloat[$b$ is 6.]{
324       \begin{minipage}{0.49\linewidth}
325         \begin{center}
326           %\includegraphics[width=5cm]{rec.pdf}
327           \includegraphics[scale=0.20]{lena6}
328         \end{center}
329       \end{minipage}
330       %\label{fig:sch:ext}
331     }%\hfill
332   \end{center}
333   \caption{Stego images wrt $b$}
334   \label{fig:lenastego}
335 \end{figure}
336
337
338 Finally, differences between the original cover and the stego images  
339 are presented in Fig.~\ref{fig:lenadiff}. For each pair of pixel $X_{ij}$ and  $Y_{ij}$ ($X$ and $Y$ being the cover and the stego content respectively), 
340 the pixel value $V_{ij}$ of the difference is defined with the following map
341 $$
342 V_{ij}= \left\{
343 \begin{array}{rcl}
344 0 & \textrm{if} &  X_{ij} = Y_{ij} \\
345 75 & \textrm{if} &  \vert X_{ij} - Y_{ij} \vert = 1 \\
346 150 & \textrm{if} &  \vert X_{ij} - Y_{ij} \vert = 2 \\
347 225 & \textrm{if} &  \vert X_{ij} - Y_{ij} \vert = 3 
348 \end{array}
349 \right..
350 $$
351 This function allows to emphasize differences between contents.
352 Notice that since $b$ is 7 in Fig.~\ref{fig:diff7}, the embedding is binary 
353 and this image only contains 0 and 75 values.
354 Similarly, if $b$ is 6 as in Fig.~\ref{fig:diff6}, the embedding is ternary 
355 and the image contains all the values in $\{0,75,150,225\}$.
356
357
358
359 \begin{figure}[t]
360   \begin{center}
361     \subfloat[$b$ is 7.]{
362       \begin{minipage}{0.49\linewidth}
363         \begin{center}
364           %\includegraphics[width=5cm]{emb.pdf}
365           \includegraphics[scale=0.20]{diff7}
366         \end{center}
367       \end{minipage}
368       \label{fig:diff7}
369     }%\hfill
370     \subfloat[$b$ is 6.]{
371       \begin{minipage}{0.49\linewidth}
372         \begin{center}
373           %\includegraphics[width=5cm]{rec.pdf}
374           \includegraphics[scale=0.20]{diff6}
375         \end{center}
376       \end{minipage}
377       \label{fig:diff6}
378     }%\hfill
379   \end{center}
380   \caption{Differences  with Lena's cover  wrt $b$}
381   \label{fig:lenadiff}
382 \end{figure}
383
384
385