[논문 리뷰] Coverless Video Steganography based on Maximum DC Coefficients

Laijin Meng, Xinghao Jiang외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 12.

Advanced Steganography and Watermarking Techniques참고 문헌 27인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 DCT 변환된 비디오 블록 내 최대 DC 계수를 사용하여 안정적인 해시 시퀀스를 생성하는 새로운 커버리스 비디오 스테가노그래피 기법을 제안한다. 비디오 압축 하에서 DC 계수 분포를 모델링하고 이러한 해시를 통해 비디오를 인덱싱함으로써, 압축 및 프레임 삭제에 저항하는 보안성과 고용량 데이터 숨김을 가능하게 하며, 기존 최고 수준의 방법들보다 용량, 내성, 보안성 면에서 뛰어나다.

ABSTRACT

Coverless steganography has been a great interest in recent years, since it is a technology that can absolutely resist the detection of steganalysis by not modifying the carriers. However, most existing coverless steganography algorithms select images as carriers, and few studies are reported on coverless video steganography. In fact, video is a securer and more informative carrier. In this paper, a novel coverless video steganography algorithm based on maximum Direct Current (DC) coefficients is proposed. Firstly, a Gaussian distribution model of DC coefficients considering video coding process is built, which indicates that the distribution of changes for maximum DC coefficients in a block is more stable than the adjacent DC coefficients. Then, a novel hash sequence generation method based on the maximum DC coefficients is proposed. After that, the video index structure is established to speed up the efficiency of searching videos. In the process of information hiding, the secret information is converted into binary segments, and the video whose hash sequence equals to secret information segment is selected as the carrier according to the video index structure. Finally, all of the selected videos and auxiliary information are sent to the receiver. Especially, the subjective security of video carriers, the cost of auxiliary information and the robustness to video compression are considered for the first time in this paper. Experimental results and analysis show that the proposed algorithm performs better in terms of capacity, robustness, and security, compared with the state-of-the-art coverless steganography algorithms.

연구 동기 및 목표

• 이미지에 비해 용량과 재현성 면에서 우수한 비디오의 장점을 고려할 때, 강력하고 보안적인 커버리스 비디오 스테가노그래피 기법의 부족을 해결하기 위해.
• 스테가노그래픽 전송에서 비디오가 이미지보다 더 안전한 수단임을 입증함으로써 주관적 보안성을 향상시키기 위해.
• 비디오 압축 및 기타 일반적인 공격에 대해 안정적인 해시 생성을 보장하는 최대 DC 계수 기반의 해시 생성 방법을 개발하기 위해.
• 보조 정보 비용을 고려한 스테가노그래픽 성능 평가를 위한 새로운 지표인 상대적 유효 용량을 도입하기 위해.
• 영상의 특수한 공격, 예를 들어 압축 및 프레임 삭제에 대한 내성을 향상시키기 위해 구조적 영상 인덱싱 및 탐지 메커니즘을 통해 강화하기 위해.

제안 방법

• 압축 하에서 최대 DC 계수의 변화를 분석하기 위해 DC 계수의 가우시안 분포 모델을 구축하여, 압축 하에서 인접 계수보다 최대 DC 계수가 더 안정적임을 입증한다.
• 각 블록의 최대 DC 계수를 활용한 새로운 해시 시퀀스 생성 방법을 제안하여, 압축된 비디오 시퀀스 간 일관성을 확보한다.
• 사전 계산된 해시 시퀀스와 비밀 비트 세그먼트를 매칭함으로써 캐리어 선택을 가속화하기 위해 비디오 인덱스 구조를 수립한다.
• 비밀 정보와 해시 시퀀스가 일치하는 비디오를 선택함으로써 원본 비디오를 수정하지 않음(커버리스 성질)을 보장한다.
• MSSIM 값의 몫과 체비세프 부등식을 사용하여 삭제된 프레임을 탐지하는 메커니즘을 구현함으로써 데이터 무결성을 유지한다.
• 전송 보안을 위해 보조 정보를 AES로 암호화하고, 삭제 후 순서 복구를 위해 비디오 인덱스에 프레임 수를 포함시켜 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비디오 블록 내 최대 DC 계수는 커버리스 스테가노그래피에서 해시 시퀀스 생성에 있어 안정적이고 신뢰할 수 있는 기초가 될 수 있는가?
• RQ2 최대 DC 계수의 분포는 일반적인 비디오 압축 하에서 어떻게 행동하는가? 이를 모델링하여 내성을 확보할 수 있는가?
• RQ3 비디오 전용 공격, 예를 들어 압축 및 프레임 삭제가 커버리스 스테가노그래픽 성능에 미치는 영향은 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ4 스테가노그래픽 커뮤니케이션에서 비디오 캐리어의 주관적 보안성은 이미지 캐리어와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 보조 정보 오버헤드를 고려한 공정하고 실용적인 스테가노그래픽 용량 평가 지표는 무엇인가?

주요 결과

• 삭제된 프레임이 포함된 공격 상황에서 본 알고리즘은 약 90%의 추출 정확도를 확보하였으며, Class B 시퀀스에서는 30개의 프레임 삭제 시 89.0%의 정확도를 기록하고, Class E 시퀀스에서는 94.0%의 정확도를 기록하였다.
• 최대 DC 계수의 가우시안 분포 모델은 인접 계수보다 더 높은 안정성을 보이며, 이는 압축된 비디오 간 신뢰할 수 있는 해시 생성을 가능하게 한다.
• 상대적 유효 용량 지표가 도입되었으며, 보조 정보 비용을 고려함으로써 스테가노그래픽 성능 평가에 더 공정한 기준을 제공함을 입증하였다.
• 주관적 보안 테스트 결과, 비디오 캐리어가 큰 이미지 컬렉션보다 더 안전하게 인식됨을 확인하여 전송 안전성을 향상시켰다.
• 최대 DC 계수의 사용과 구조적 비디오 인덱싱 덕분에 기존 커버리스 스테가노그래피 알고리즘보다 비디오 압축 및 프레임 삭제에 더 뛰어난 내성을 보였다.
• HEVC 테스트 시퀀스에 대한 종합 평가에서 본 알고리즘은 용량과 보안성 면에서 높은 성능을 유지하며, 기존 최고 수준의 방법들을 능가하였다.