[논문 리뷰] Reversible Data Hiding in Encrypted Images Based on Bit-plane Compression of Prediction Error

Youqing Wu, Wenjing Ma외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 08.

Advanced Steganography and Watermarking Techniques참고 문헌 32인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 예측 오차의 공동 비트플레인 압축을 활용하여 임베딩 용량을 극대화하는 암호화된 이미지 내 고용량 역가역 데이터 숨기기(RDHEI) 방법을 제안한다. 예측 오차의 비트플레인을 암호화 이전에 재정렬하고 공동으로 인코딩하여, 더 많은 데이터 임베딩 공간을 확보함으로써 표준 데이터베이스에서 평균 3.763 bpp의 임베딩 속도를 달성하며, 최신 기술을 능가한다.

ABSTRACT

As a technology that can prevent the information from being disclosed, the reversible data hiding in encrypted images (RDHEI) acts as an important role in privacy protection and information security. To make use of the image redundancy and further improve the embedding performance, a high-capacity RDHEI method based on bit-plane compression of prediction error is proposed in this paper. Firstly, the whole prediction error is calculated and divided into blocks of the same size. Then, the content owner rearranges the bit-plane of prediction error by block and compresses the bitstream with the joint encoding algorithm to reserve room. Finally, the image is encrypted and the information can be embedded into the reserved room. On the receiver side, the information extraction and the image recovery are performed separably. Experimental results show that the proposed method brings higher embedding capacity than state-of-the-art RDHEI works.

연구 동기 및 목표

• 기존의 암호화된 이미지 내 역가역 데이터 숨기기(RDHEI) 기법에서 제한된 임베딩 용량 문제를 해결하기 위해.
• 암호화된 이미지 내 데이터가 임베딩되어도 원본 이미지가 기밀로 유지되도록 이미지 기밀성을 보장하기 위해.
• 다른 키를 사용하여 정보 추출과 이미지 복원을 분리 가능하게 하여 실용적 적용성을 향상시키기 위해.
• 예측 오차의 비트플레인 압축을 통해 이미지의 재현성을 더 효과적으로 활용하기 위해.
• 효율적인 공동 인코딩을 통해 암호화 도메인 내 더 많은 공간을 확보하여 임베딩 용량을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 예측자( predictor )를 사용하여 원본 이미지의 각 픽셀에 대한 예측 오차를 계산한다.
• 예측 오차를 블록으로 나누고, 각 블록의 비트플레인을 재정렬하여 압축 효율을 향상시킨다.
• 허프만 인코딩과 런-레ング스 인코딩을 조합한 공동 인코딩 알고리즘을 적용하여 비트스트림 크기를 최소화한다.
• 압축된 비트스트림을 사용해 암호화 이전에 이미지 내 공간을 확보하여 데이터 임베딩을 위한 공간을 마련한다.
• 대칭 암호화 기법을 사용해 이미지를 암호화하며, 확보된 공간을 유지하여 임베딩을 수행한다.
• 수신자 측에서는 먼저 임bed된 데이터를 추출한 후, 동일한 키와 압축 해제 과정을 사용해 이미지를 복원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 예측 오차의 공동 비트플레인 압축이 RDHEI에서 임베딩 용량을 크게 증가시키는가?
• RQ2 제안된 방법은 임베딩 속도와 복원 가능성 측면에서 최신 기술과 비교해 어떻게 성능을 내는가?
• RQ3 공동 인코딩 알고리즘이 개별 인코딩 대비 압축 효율을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 보안이나 용량을 훼손하지 않고도 분리된 데이터 추출과 이미지 복원을 달성할 수 있는가?
• RQ5 임베딩 및 복호화 후에도 높은 이미지 품질과 완벽한 복원성을 유지하는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 BOSSBase 데이터베이스에서 평균 3.763 bpp의 임베딩 속도를 달성하여, 기존 최고 기술보다 0.081 bpp 높다.
• BOWS-2 데이터베이스에서는 평균 3.642 bpp의 임베딩 속도를 기록하며, 최신 기술 대비 0.147 bpp 향상되었다.
• Lena 및 Baboon 테스트 이미지의 경우 각각 3.15 bpp와 1.526 bpp의 임베딩 속도를 달성하여 고용량을 입증했다.
• 메서드는 완벽한 복원성을 보장하며, MSE = 0과 SSIM = 1을 확보하여 정확한 이미지 복원을 확인했다.
• 공동 인코딩 알고리즘은 짧고 긴 비트 스트링 패턴을 모두 활용하여 비트플레인 압축을 효과적으로 수행하며, 개별 인코딩 전략보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 복잡한 무늬 영역에서도 높은 성능을 유지하며, 잘못된 픽셀(예: 기준 픽셀 및 오버플로우 픽셀)의 영향을 최소화했다.