[论文解读] Optimum Perfect Universal Steganography of Finite Memoryless Sources.

Félix Balado, David Haughton|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2014

Advanced Steganography and Watermarking Techniques被引用 3

一句话总结

本文提出分块排列编码作为有限无记忆信源下完美通用隐写术的最优解，可在失真约束下实现最大嵌入速率。通过证明隐写术与无损信源编码之间的对偶性，表明自适应算术编码可实现最优排列编码，从而逼近速率-失真权衡的理论上限。

ABSTRACT

Abstract—A theoretical analysis and a practical solution to the fundamental problem of optimum perfect universal steganog-raphy of finite memoryless sources with a passive warden are provided. The theoretical analysis rests on the fact that Slepian’s Variant I permutation coding implements first-order perfect universal steganography with maximum embedding rate. The practical solution underlines the duality between perfect steganography with optimum embedding rate and lossless source coding with optimum compression rate, since it is shown that permutation coding can be implemented by means of adaptive arithmetic coding. A distance constraint between host signal and information-carrying signal must be observed in universal steganography, and thus an optimum tradeoff between embed-ding rate and embedding distortion must be achieved. Partitioned permutation coding is shown to be the solution to this problem. A practical implementation of partitioned permutation coding is given that performs close to an unattainable upper bound on the rate-distortion function of the problem. Index Terms—Steganography, source coding, permutation cod-ing, arithmetic coding, rate-distortion. I.

研究动机与目标

• 解决在被动监视者下的有限无记忆信源最优完美通用隐写术的根本问题。
• 建立基于Slepian的Variant I排列编码的隐写术最大嵌入速率的理论基础。
• 通过证明最优嵌入速率与最优压缩速率之间的对偶性，弥合隐写术与无损信源编码之间的鸿沟。
• 设计一种在失真约束下实现近似最优性能的实用实现方案。
• 推导并分析通用隐写术中的速率-失真权衡，特别是信宿信号与伪信号之间距离约束下的情况。

提出的方法

• 以Slepian的Variant I排列编码作为一阶完美通用隐写术中最大嵌入速率的理论基础。
• 建立最优完美隐写术与最优无损信源编码之间的对偶性，即最优嵌入速率与最优压缩速率之间的对偶关系。
• 采用自适应算术编码作为排列编码的实用实现机制，实现高效且通用的隐写编码。
• 引入分块排列编码，以在距离约束下管理嵌入速率与嵌入失真之间的权衡。
• 分析隐写系统的速率-失真函数，并推导出性能的上界。
• 证明所提出的分块排列编码实用实现方案在速率-失真函数上极为接近不可达的理论上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在失真约束下，有限无记忆信源的完美通用隐写术中，可实现的最大嵌入速率是多少？
• RQ2 如何形式化建立并利用隐写术与无损信源编码之间的对偶性以实现最优设计？
• RQ3 能否使用自适应算术编码对排列编码进行实用化实现，同时保持最优性？
• RQ4 何种编码策略能在通用隐写术中实现嵌入速率与嵌入失真之间的最优权衡？
• RQ5 实用隐写系统在速率-失真函数上能多接近理论上限？

主要发现

• Slepian的Variant I排列编码实现了最大可能嵌入速率的一阶完美通用隐写术。
• 最优完美隐写术与最优无损信源编码之间存在对偶性，使得自适应算术编码可被用于实用实现。
• 分块排列编码被证明是在距离约束下平衡嵌入速率与嵌入失真的最优解。
• 所提出的分块排列编码实用实现方案在速率-失真函数上极为接近理论上限。
• 隐写系统的速率-失真函数是有界的，所提方法渐近逼近该边界。
• 自适应算术编码有效实现了排列编码的理论性能，且具有通用性和高效性。