[논문 리뷰] A novel method of speech information hiding based on 3D-Magic Matrix

Zhongliang Yang, Xueshun Peng외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 09.

Advanced Data Compression Techniques인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 ITU-T G.723.1과 같은 저비트레이트 음성 코덱에서 은닉 용량을 크게 향상시키기 위해 3D-마법 행렬을 사용하는 새로운 음성 스테가노그래피 방법을 제안한다. 선형 스펙트럼 쌍(LSP) 파arameter의 다중 벡터 양자화 및 순환 이동 3D-마법 행렬을 활용하여, 인지적 품질 저하(Perceptual Evaluation of Speech Quality(PESQ) 점수 감소 ≤4%)를 최소화하면서도 최대 200 bps의 은닉 용량을 달성하며, 스테가노그래피 분석 도구에 대한 강력한 저항성을 확보한다.

ABSTRACT

Redundant information of low-bit-rate speech is extremely small, thus it's very difficult to implement large capacity steganography on the low-bit-rate speech. Based on multiple vector quantization characteristics of the Line Spectrum Pair (LSP) of the speech codec, this paper proposes a steganography scheme using a 3D-Magic matrix to enlarge capacity and improve quality of speech. A cyclically moving algorithm to construct a 3D-Magic matrix for steganography is proposed in this paper, as well as an embedding and an extracting algorithm of steganography based on the 3D-Magic matrix in low-bit-rate speech codec. Theoretical analysis is provided to demonstrate that the concealment and the hidden capacity are greatly improved with the proposed scheme. Experimental results show the hidden capacity is raised to 200bps in ITU-T G.723.1 codec. Moreover, the quality of steganography speech in Perceptual Evaluation of Speech Quality (PESQ) reduces no more than 4%, indicating a little impact on the quality of speech. In addition, the proposed hidden scheme could prevent being detected by some steganalysis tools effectively.

연구 동기 및 목표

• 저비트레이트 음성 코덱에서의 제한된 부족함으로 인해 정보 은닉 용량이 제한되는 문제를 해결한다.
• 음성 품질을 떨어뜨리지 않고도 대량의 데이터를 저비트레이트 음성에 삽입하는 데 어려움을 극복한다.
• 은닉 용량과 인지적 품질을 동시에 향상시키는 스테가노그래피 체계를 개발한다.
• 은닉된 데이터가 탐지되지 않도록 스테가노그래피 분석 도구에 대한 저항성을 향상시킨다.
• Line Spectrum Pair(LSP) 파arameter의 고유한 다중 벡터 양자화 특성을 활용하여 효율적인 데이터 은닉을 실현한다.

제안 방법

• 순환 이동 알고리즘을 사용하여 3D-마법 행렬을 구성함으로써, 음성 데이터를 위한 구조화되고 고용량의 은닉 공간을 생성한다.
• ITU-T G.723.1 코덱에서 LSP 파arameter의 다중 벡터 양자화(MVQ) 특성을 활용하여 적절한 은닉 위치를 식별한다.
• 3D-마법 행렬을 사용하여 비밀 데이터를 LSP 도메인에 매핑하는 은닉 알고리즘을 설계하여 용량을 극대화하면서도 음성 품질을 유지한다.
• 동일한 3D-마법 행렬 구조를 사용하여 스테고-음성 신호에서 은닉된 데이터를 복원할 수 있는 복원 알고리즘을 개발한다.
• PESQ를 통한 검증을 통해 LSP 도메인에서의 왜곡을 최소화함으로써 은닉 과정이 인지적 품질을 유지하도록 보장한다.
• 실시간 통신 시스템에서의 실용적 구현을 가능하게 하기 위해 ITU-T G.723.1 음성 코덱 프레임워크 내에 이 방법을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비트레이트 음성 코덱에서 3D-마법 행렬을 효과적으로 활용하여 데이터 은닉 용량을 증가시킬 수 있는가?
• RQ2 기존 기법들과 비교해 볼 때, 제안된 방법은 높은 은닉 비율에서도 음성 품질을 어떻게 유지하는가?
• RQ3 기본적인 스테가노그래피 분석 도구에 대해 이 방법은 어느 정도의 저항성을 보이는가?
• RQ4 LSP 파arameter의 다중 벡터 양자화 특성을 활용하여 고용량, 저왜곡 스테가노그래피를 실현할 수 있는가?
• RQ5 ITU-T G.723.1에서 허용 가능한 인지적 품질을 유지하면서 도달 가능한 최대 은닉 용량은 얼마인가?

주요 결과

• 제안된 방법은 ITU-T G.723.1 음성 코덱에서 최대 200 bps의 은닉 용량을 달성하여, 일반적으로 저비트레이트 시스템에서의 한계를 크게 초월한다.
• 인지 평가 기반 음성 품질(PESQ) 점수는 스테가노그래피 후 최대 4% 이내로 감소하여 인지적 영향이 최소화됨을 시사한다.
• 일반적인 스테가노그래피 분석 도구로도 음성 스테고그래피 신호를 탐지하지 못하며, 탐지에 대한 강력한 내성 확보됨을 입증한다.
• 이론적 분석을 통해 3D-마법 행렬이 은닉 용량과 은폐 효과를 모두 향상시킨다는 것이 확인되었다.
• 3D-마법 행렬을 구성하기 위한 순환 이동 알고리즘은 LSP 파arameter 세트 전반에 걸쳐 효율적이고 확장 가능한 데이터 은닉을 가능하게 한다.
• LSP 파arameter의 다중 벡터 양자화 구조를 효과적으로 활용하여 음성 품질을 훼손하지 않으면서도 최대한의 데이터 은닉 효율성을 확보한다.