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Private GIT Repository
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[canny.git] / intro.tex
1 This research work takes place in the field of information hiding, considerably developed these last two decades. The proposed method for 
2 steganography considers digital images as covers.
3 It belongs to the well-known large category
4 of spatial least significant bits (LSBs) replacement schemes.
5 Let us recall that, in this LSB replacement category, a subset of all the LSBs of the cover image is modified 
6 with a secret bit stream depending on: a secret key, the cover, and the message to embed.
7 In this well-studied steganographic approach,
8 if we consider that a LSB is the last bit of each pixel value,  
9 pixels with an even value (resp. an odd value) 
10 are never decreased (resp. increased), 
11 thus such schemes may break the 
12 structural symmetry of the host images.
13 And these structural alterations can be detected by 
14 well-designed statistical investigations, leading to well-known 
15 steganalysis methods~\cite{DBLP:journals/tsp/DumitrescuWW03,DBLP:conf/mmsec/FridrichGD01,Dumitrescu:2005:LSB:1073170.1073176}.
16
17 Let us recall too that this drawback 
18 can be fixed by considering the LSB matching (LSBM) subcategory, in which
19 the $+1$ or $-1$ is randomly added to the cover pixel's LSB value 
20 only if this one does not correspond to the secret bit.
21 %TODO : modifier ceci
22 By considering well-encrypted hidden messages, the probabilities of increasing or decreasing the value of pixels  are equal. Then usual statistical approaches 
23 cannot be applied here to discover stego-contents in LSBM.
24 The most accurate detectors for this matching are universal steganalysers such as~\cite{LHS08,DBLP:conf/ih/Ker05,FK12},
25 which classify images according to extracted features from neighboring elements of residual noise.  
26
27
28 Finally, LSB matching revisited (LSBMR) has recently been introduced in~\cite{Mielikainen06}. 
29 It works as follows: for a given pair of pixels, the LSB
30 of the first pixel carries a first bit of the secret message, while the parity relationship
31 (odd/even combination) of the two pixel values carries
32 a second bit of the message. 
33 By doing so, the modification
34 rate of pixels can decrease from 0.5 to 0.375 bits/pixel
35 (bpp) in the case of a maximum embedding rate, meaning fewer
36 changes in the cover image at the same payload compared to both
37 LSBR and LSBM. It is also shown in~\cite{Mielikainen06} that such a new
38 scheme can avoid the LSB replacement style asymmetry, and
39 thus it should make the detection slightly more difficult than in the
40 LSBM approach. % based on our experiments
41
42
43
44
45
46 Additionally to (efficiently) modifying LSBs, there is also a need to select pixels whose value 
47 modification minimizes a distortion function.
48 This distortion may be computed thanks to feature vectors that
49  are embedded for instance in the steganalysers
50 referenced above. 
51 The Highly Undetectable steGO (HUGO) method~\cite{DBLP:conf/ih/PevnyFB10},
52 WOW~\cite{conf/wifs/HolubF12}, and UNIWARD~\cite{HFD14}
53 are some of the  most efficient instances of such a scheme.
54
55 HUGO takes into account so-called SPAM features.
56 Thus a distortion measure for each
57 pixel is individually determined as the sum of the differences between
58 the features of the SPAM computed from the cover and from the stego images.
59 The features embedded in WOW and UNIWARD are based on Wavelet-based 
60 directional filter. Thus, similarly, the distortion function is 
61 the sum  of the differences between these wavelet coefficients  
62 computed from the cover and from the stego images.
63
64
65 Due to this distortion measures, HUGO, WOW and UNIWARD allow
66 to embed messages that are $7$ times longer than the former
67 ones with the same level of 
68 indetectability as LSB matching. 
69 However, this improvement has a larger computation cost, mainly due to
70  the distortion function
71 calculus. 
72
73
74 There remains a large place between random selection of LSB and feature based modification of pixel values.
75 We argue that modifying edge pixels is an acceptable compromise. 
76 Edges form the outline of an object: they are the boundaries between overlapping objects or between an object
77 and its background. When producing the stego-image, a small modification of some pixel values in such edges should not impact the image quality, which is a requirement when
78 attempting to be undetectable. Indeed,
79 in a cover image, edges already break the  continuity of pixels' intensity map and thus already present large variations with their neighboring 
80 pixels. In other words, minor changes in regular areas are more dramatic than larger modifications in edge ones. 
81 Our first proposal is thus to embed message bits into edge shapes while preserving other smooth regions. 
82
83 Edge based steganographic schemes have already been  studied, 
84 the most interesting 
85 approaches being detailed in~\cite{Luo:2010:EAI:1824719.1824720} and 
86 in~\cite{DBLP:journals/eswa/ChenCL10}.
87 In the former, the authors present the Edge Adaptive
88 Image Steganography based on LSB matching revisited further denoted as  
89 EAISLSBMR. This approach selects sharper edge
90  regions with respect 
91 to a given embedding rate: the larger the number of bits to be embedded is, the coarser
92 the edge regions are.
93 Then the data hiding algorithm is achie\-ved by applying LSBMR on some of the pixels of these regions. 
94 The authors show that their proposed method is more efficient than all the LSB, LSBM, and LSBMR approaches 
95 through extensive experiments.
96 However, it has been shown that the distinguishing error with LSB embedding is lower than 
97 the one with some binary embedding~\cite{DBLP:journals/tifs/FillerJF11}.
98 We thus propose to take advantage of this optimized embedding, provided they are not too time consuming.
99 In the latter, an hybrid edge detector is presented followed by an ad hoc
100 embedding. 
101 The Edge detection is computed by combining fuzzy logic~\cite{Tyan1993} 
102 and Canny~\cite{Canny:1986:CAE:11274.11275} approaches. 
103 The goal of this combination 
104 is to enlarge the set of modified bits to increase the payload of the data hiding scheme. 
105
106
107 One can notice that all the previously referenced 
108 sche\-mes~\cite{Luo:2010:EAI:1824719.1824720,DBLP:journals/eswa/ChenCL10,DBLP:conf/ih/PevnyFB10}
109 produce stego contents 
110 by only considering the payload, not the type of image signal: the higher the payload is, 
111 the better the approach is said to be.
112 For instance, studied payloads range from 0.04 to 0.4 modified bits per pixel.
113 Contrarily, we argue that some images should not be taken 
114 as a cover because of the nature of their signals.
115 Consider for instance a uniformly black image: a very tiny modification of its 
116 pixels can be easily detectable.
117 Practically speaking, if Alice would send
118 a hidden message to Bob, she would never consider
119 such kind of image and a high embedding rate.   
120 The approach we propose here is thus to provide a small complexity 
121 self adaptive algorithm
122 with an acceptable payload, which 
123 depends on the  cover signal. 
124 The payload is further said to  
125  be acceptable if it  allows to embed a sufficiently 
126 long message in the cover signal. 
127 Practically speaking, our approach is efficient enough for
128 payloads close to 0.06 bit per pixel which allows to embed 
129 messages of length larger than 16000 bits in an 
130 image of size $512\times 512$ pixels. 
131
132 % Message extraction is achieved by computing the same
133 % edge detection pixels set for the cover and the stego image. 
134 % The edge detection algorithm is thus not applied  on all the bits of the image,
135 % but to exclude the LSBs which are modified. 
136
137 Finally, even if the steganalysis discipline
138  has known  great innovations these last years, it is currently impossible to prove rigorously
139 that a given hidden message cannot be recovered by an attacker.
140 This is why we add to our scheme a reasonable
141 message encryption stage, to be certain that,
142 even in the worst case scenario, the attacker
143 will not be able to obtain the original message content.
144 Doing so makes our steganographic protocol, to a certain extend, an asymmetric one.
145
146 To sum up, in this research work, well-studied and experimented
147 techniques of signal processing (adaptive edges detection), 
148 coding theory (syndrome-trellis codes), and cryptography 
149 (Blum-Goldwasser encryption protocol) are combined 
150 to compute an efficient steganographic
151 scheme, whose principal characteristic is to take into 
152 consideration the cover image and to be compatible with small computation resources.  
153
154 The remainder of this document is organized as follows. 
155 Section~\ref{sec:ourapproach} presents the details of the proposed steganographic scheme and applies it on a running example. Among its technical description, 
156 its adaptive aspect is emphasized.
157 Section~\ref{sub:complexity} presents the overall complexity of our approach
158 and compares it to HUGO, WOW, and UNIWARD.
159 Section~\ref{sec:experiments} shows experiments on image quality, steganalysis evaluation, and compares them to the state of the art steganographic schemes.
160 Finally, concluding notes and future work are given in Section~\ref{sec:concl}.
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