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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 finally presented  (Sect.~\ref{sub:extract}) and a running example ends this section (Sect.~\ref{sub:xpl}). 
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8
9 The flowcharts given in Fig.~\ref{fig:sch}
10 summarize our steganography scheme denoted by
11 STABYLO, which stands for STeganography with cAnny, Bbs, binarY embedding at LOw cost.
12 What follows are successively details of the inner steps and flows inside 
13 both the embedding stage (Fig.~\ref{fig:sch:emb}) 
14 and the extraction one (Fig.~\ref{fig:sch:ext}).
15 Let us first focus on the data embedding. 
16
17 \begin{figure*}[t]
18   \begin{center}
19     \subfloat[Data Embedding.]{
20       \begin{minipage}{0.49\textwidth}
21         \begin{center}
22           %\includegraphics[width=5cm]{emb.pdf}
23           \includegraphics[scale=0.45]{emb.ps}
24         \end{center}
25       \end{minipage}
26       \label{fig:sch:emb}
27     }%\hfill
28     \subfloat[Data Extraction.]{
29       \begin{minipage}{0.49\textwidth}
30         \begin{center}
31           %\includegraphics[width=5cm]{rec.pdf}
32           \includegraphics[scale=0.45]{rec.ps}
33         \end{center}
34       \end{minipage}
35       \label{fig:sch:ext}
36     }%\hfill
37   \end{center}
38   \caption{The STABYLO scheme}
39   \label{fig:sch}
40 \end{figure*}
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49 \subsection{Security considerations}\label{sub:bbs}
50 Among methods of message encryption/decryption 
51 (see~\cite{DBLP:journals/ejisec/FontaineG07} for a survey)
52 we implement the Blum-Goldwasser cryptosystem~\cite{Blum:1985:EPP:19478.19501}
53 that is based on the Blum Blum Shub~\cite{DBLP:conf/crypto/ShubBB82} 
54 pseudorandom number generator (PRNG) and the 
55 XOR binary function.
56 It has been indeed proven~\cite{DBLP:conf/crypto/ShubBB82} that this PRNG 
57 has the property of cryptographical security, \textit{i.e.}, 
58 for any sequence of $L$ output bits $x_i$, $x_{i+1}$, \ldots, $x_{i+L-1}$,
59 there is no algorithm, whose time complexity is polynomial  in $L$, and 
60 which allows to find $x_{i-1}$ or $x_{i+L}$ with a probability greater
61 than $1/2$.
62 Equivalent formulations of such a property can
63 be found. They all lead to the fact that,
64 even if the encrypted message is extracted, 
65 it is impossible to retrieve the original one in 
66 polynomial time.   
67
68 Starting thus with a key $k$ and the message \textit{mess} to hide, 
69 this step computes a message $m$, which is the encrypted version  of \textit{mess}.
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72 \subsection{Edge-based image steganography}\label{sub:edge}
73
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75 The edge-based image
76 steganography schemes 
77 already presented \cite{Luo:2010:EAI:1824719.1824720,DBLP:journals/eswa/ChenCL10} differ 
78 in how carefully they select edge pixels, and  
79 how they modify them.
80
81 %Image Quality: Edge Image Steganography
82 %\JFC{Raphael, les fuzzy edge detection sont souvent utilisés. 
83 %  il faudrait comparer les approches en terme de nombre de bits retournés,
84 %  en terme de complexité. } \cite{KF11}
85 %\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 :-)}
86
87 Many techniques have been proposed in the literature to  detect 
88 edges in  images (whose noise has been initially reduced). 
89 They can be separated in two categories: first and second order detection
90 methods on the one hand, and fuzzy detectors on the other  hand~\cite{KF11}.
91 In first order methods like Sobel, Canny~\cite{Canny:1986:CAE:11274.11275}, \ldots, 
92 a first-order derivative (gradient magnitude, etc.) is computed 
93 to search for local maxima, whereas in second order ones, zero crossings in a second-order derivative, like the Laplacian computed from the image,
94 are searched in order to find edges.
95 As far as fuzzy edge methods are concerned, they are obviously based on fuzzy logic to highlight edges.
96
97 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.
98 As the Canny algorithm is well known and studied, fast, and implementable
99 on many  kinds of architectures like FPGAs, smartphones,  desktop machines, and
100 GPUs, we have chosen this edge detector for illustrative purpose.
101
102 %\JFC{il faudrait comparer les complexites des algo fuzy and canny}
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105 This edge detection is applied on a filtered version of the image given 
106 as input.
107 More precisely, only $b$ most 
108 significant bits are concerned by this step, where 
109 the parameter $b$ is practically set with $6$ or $7$. 
110 If set with the same value $b$, the edge detection returns thus the same 
111 set of pixels for both the cover and the stego image.   
112 In our flowcharts, this is represented by ``edgeDetection(b bits)''.
113 Then only the 2 LSBs of pixels in the set of edges are returned if $b$ is 6, 
114 and the LSB of pixels if $b$ is 7.
115
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120 Let $x$ be the sequence of these bits. 
121 The next  section presents how our scheme 
122 adapts  when the size of $x$  is not sufficient for the message $m$ to embed.
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130 \subsection{Adaptive embedding rate}\label{sub:adaptive}
131 Two strategies have been developed in our scheme, 
132 depending on the embedding rate that is either \emph{adaptive} or \emph{fixed}.
133 In the former the embedding rate depends on the number of edge pixels.
134 The higher it is, the larger the message length that can be inserted is.
135 Practically, a set of edge pixels is computed according to the 
136 Canny algorithm with a high threshold.
137 The message length is thus defined to be less than 
138 half of this set cardinality.
139 If $x$ is then too short for $m$, the message is split into sufficient parts
140 and a new cover image should be used for the remaining part of the message. 
141
142  
143 In the latter, the embedding rate is defined as a percentage between the 
144 number of modified pixels and the length of the bit message.
145 This is the classical approach adopted in steganography.
146 Practically, the Canny algorithm generates  
147 a set of edge pixels related to a threshold that is decreasing 
148 until its cardinality
149 is sufficient. 
150
151
152
153 Two methods may further be applied to select bits that 
154 will be modified. 
155 The first one randomly chooses the subset of pixels to modify by 
156 applying the BBS PRNG again. This method is further denoted  as to \emph{sample}.
157 Once this set is selected, a classical LSB replacement is applied to embed the 
158 stego content.
159 The second method is a direct application of the 
160 STC algorithm~\cite{DBLP:journals/tifs/FillerJF11}. 
161 It  is further referred to as \emph{STC} and is detailed in the next section.
162
163
164
165
166
167 % First of all, let us discuss about compexity of edge detetction methods.
168 % Let then $M$ and $N$ be the dimension of the original image. 
169 % According to~\cite{Hu:2007:HPE:1282866.1282944},
170 % even if the fuzzy logic based edge detection methods~\cite{Tyan1993} 
171 % have promising results, its complexity is in $C_3 \times O(M \times N)$
172 % whereas the complexity on the Canny method~\cite{Canny:1986:CAE:11274.11275} 
173 % is in $C_1 \times O(M \times N)$ where  $C_1 < C_3$.
174 % \JFC{Verifier ceci...}
175 % In experiments detailled in this article, the Canny method has been retained 
176 % but the whole approach can be updated to consider 
177 % the fuzzy logic edge detector.   
178
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185 \subsection{Minimizing distortion with syndrome-trellis codes}\label{sub:stc}
186 \input{stc}
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190 % Edge Based Image Steganography schemes 
191 % already studied~\cite{Luo:2010:EAI:1824719.1824720,DBLP:journals/eswa/ChenCL10,DBLP:conf/ih/PevnyFB10} differ 
192 % how they select edge pixels, and  
193 % how they modify these ones.
194
195 % First of all, let us discuss about compexity of edge detetction methods.
196 % Let then $M$ and $N$ be the dimension of the original image. 
197 % According to~\cite{Hu:2007:HPE:1282866.1282944},
198 % even if the fuzzy logic based edge detection methods~\cite{Tyan1993} 
199 % have promising results, its complexity is in $C_3 \times O(M \times N)$
200 % whereas the complexity on the Canny method~\cite{Canny:1986:CAE:11274.11275} 
201 % is in $C_1 \times O(M \times N)$ where  $C_1 < C_3$.
202 % \JFC{Verifier ceci...}
203 % In experiments detailled in this article, the Canny method has been retained 
204 % but the whole approach can be updated to consider 
205 % the fuzzy logic edge detector.   
206
207 % Next, following~\cite{Luo:2010:EAI:1824719.1824720}, our scheme automatically
208 % modifies Canny parameters to get a sufficiently large set of edge bits: this 
209 % one is practically enlarged untill its size is at least twice as many larger 
210 % than the size of embedded message.
211
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213
214 %%RAPH: paragraphe en double :-)
215
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218
219 \subsection{Data extraction}\label{sub:extract}
220 The message extraction summarized in Fig.~\ref{fig:sch:ext} 
221 follows the data embedding approach 
222 since there exists a reverse function for all its steps.
223
224 More precisely, the same edge detection is applied on the $b$ first bits  to 
225 produce the sequence $y$ of LSBs. 
226 If the STC approach has been selected in embedding, the STC reverse
227 algorithm is directly executed to retrieve the encrypted message. 
228 This inverse function takes the $H$ matrix as a parameter.
229 Otherwise, \textit{i.e.}, if the \emph{sample} strategy is retained,
230 the same random bit selection than in the embedding step 
231 is executed with the same seed, given as a key.
232 Finally, the Blum-Goldwasser decryption function is executed and the original
233 message is extracted.
234
235
236 \subsection{Running example}\label{sub:xpl}
237 In this example, the cover image is  Lena, 
238 which is a $512\times512$  image with 256 grayscale levels.
239 The message is the poem Ulalume (E. A. Poe), which is constituted by 104 lines, 667
240 words, and 3754 characters, \textit{i.e.},  30032 bits.
241 Lena and the first verses are given in Fig.~\ref{fig:lena}.
242
243 \begin{figure}
244 \begin{center}
245 \begin{minipage}{0.4\linewidth}
246 \includegraphics[width=3cm]{Lena.eps}
247 \end{minipage}
248 \begin{minipage}{0.59\linewidth}
249 \begin{flushleft}
250 \begin{scriptsize}
251 The skies they were ashen and sober;\linebreak
252 $~$ The leaves they were crisped and sere—\linebreak
253 $~$ The leaves they were withering and sere;\linebreak
254 It was night in the lonesome October\linebreak
255 $~$ Of my most immemorial year;\linebreak
256 It was hard by the dim lake of Auber,\linebreak
257 $~$ In the misty mid region of Weir—\linebreak
258 It was down by the dank tarn of Auber,\linebreak
259 $~$ In the ghoul-haunted woodland of Weir.
260 \end{scriptsize}
261 \end{flushleft}
262 \end{minipage}
263 \end{center}
264 \caption{Cover and message examples} \label{fig:lena}
265 \end{figure}
266
267 The edge detection returns 18641 and 18455 pixels when $b$ is
268 respectively 7 and 6. These edges are represented in Figure~\ref{fig:edge}.
269
270
271 \begin{figure}[t]
272   \begin{center}
273     \subfloat[$b$ is 7.]{
274       \begin{minipage}{0.49\linewidth}
275         \begin{center}
276           %\includegraphics[width=5cm]{emb.pdf}
277           \includegraphics[scale=0.15]{edge7.eps}
278         \end{center}
279       \end{minipage}
280       %\label{fig:sch:emb}
281     }%\hfill
282     \subfloat[$b$ is 6.]{
283       \begin{minipage}{0.49\linewidth}
284         \begin{center}
285           %\includegraphics[width=5cm]{rec.pdf}
286           \includegraphics[scale=0.15]{edge6.eps}
287         \end{center}
288       \end{minipage}
289       %\label{fig:sch:ext}
290     }%\hfill
291   \end{center}
292   \caption{Edge detection wrt $b$}
293   \label{fig:edge}
294 \end{figure}
295
296
297
298 Only 9320 bits (resp. 9227 bits) are available for embedding 
299 in the former configuration where $b$ is 7 (resp. where $b$ is 6).
300 In both cases, about the third part of the poem is hidden into the cover.
301 Results with \emph{adaptive+STC} strategy are presented in 
302 Fig.~\ref{fig:lenastego}.
303
304 \begin{figure}[t]
305   \begin{center}
306     \subfloat[$b$ is 7.]{
307       \begin{minipage}{0.49\linewidth}
308         \begin{center}
309           %\includegraphics[width=5cm]{emb.pdf}
310           \includegraphics[scale=0.15]{lena7.eps}
311         \end{center}
312       \end{minipage}
313       %\label{fig:sch:emb}
314     }%\hfill
315     \subfloat[$b$ is 6.]{
316       \begin{minipage}{0.49\linewidth}
317         \begin{center}
318           %\includegraphics[width=5cm]{rec.pdf}
319           \includegraphics[scale=0.15]{lena6.eps}
320         \end{center}
321       \end{minipage}
322       %\label{fig:sch:ext}
323     }%\hfill
324   \end{center}
325   \caption{Stego images wrt $b$}
326   \label{fig:lenastego}
327 \end{figure}
328
329
330 Finally, differences between the original cover and the stego images  
331 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), 
332 the pixel value $V_{ij}$ of the difference is defined with the following map
333 $$
334 V_{ij}= \left\{
335 \begin{array}{rcl}
336 0 & \textrm{if} &  X_{ij} = Y_{ij} \\
337 75 & \textrm{if} &  \abs{ X_{ij} - Y_{ij}} = 1 \\
338 150 & \textrm{if} &  \abs{ X_{ij} - Y_{ij}} = 2 \\
339 225 & \textrm{if} &  \abs{ X_{ij} - Y_{ij}} = 3 
340 \end{array}
341 \right..
342 $$
343 This function allows to emphasize differences between contents.
344
345 \begin{figure}[t]
346   \begin{center}
347     \subfloat[$b$ is 7.]{
348       \begin{minipage}{0.49\linewidth}
349         \begin{center}
350           %\includegraphics[width=5cm]{emb.pdf}
351           \includegraphics[scale=0.15]{diff7.eps}
352         \end{center}
353       \end{minipage}
354       %\label{fig:sch:emb}
355     }%\hfill
356     \subfloat[$b$ is 6.]{
357       \begin{minipage}{0.49\linewidth}
358         \begin{center}
359           %\includegraphics[width=5cm]{rec.pdf}
360           \includegraphics[scale=0.15]{diff6.eps}
361         \end{center}
362       \end{minipage}
363       %\label{fig:sch:ext}
364     }%\hfill
365   \end{center}
366   \caption{Differences  with Lena's cover  wrt $b$}
367   \label{fig:lenadiff}
368 \end{figure}