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영상 스테가노그래피의 개념과 판별
Image Steganography and Its Discrimination 원문보기

방송공학회논문지 = Journal of broadcast engineering, v.23 no.4, 2018년, pp.462 - 473  

이재훈 (한양대학교 컴퓨터소프트웨어학과) ,  김찬란 (한양대학교 컴퓨터소프트웨어학과) ,  이상화 (서울대학교 뉴미디어통신공동연구소) ,  박종일 (한양대학교 컴퓨터소프트웨어학과)

초록
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스테가노그래피란 숨기려는 정보를 미디어 데이터에 교묘하게 삽입하여 정보의 존재를 전혀 눈치 채지 못하도록 하는 데이터 은닉 기술의 하나이다. 데이터 암호화의 경우에는 정보 데이터에 직접 복호하기 어렵게 복잡한 부호화 기법을 이용하여 변형하는 것으로, 정보의 존재를 쉽게 인지할 수 있지만 복호를 어렵게 하는데 초점이 맞춰져 있다. 그러나 스테가노그래피는 다른 미디어에 정보를 자연스럽게 숨겨서 정보의 존재를 눈치 채지 못하게 함으로써, 더욱 강력하게 정보를 보호할 수 있다. 이 논문에서는 영상에 다른 영상 정보를 숨기는 영상 스테가노그래피의 개념을 소개하고, 스테가노그래피 부호화 여부를 판별하는 기법을 제안한다. 주로 영상 픽셀의 LSB (Least Significant Bit)를 조작하는 공간영역의 기법과, JPEG 압축시 DCT 계수를 조작하는 주파수 영역의 영상 스테가노그래피를 소개하고, 이들의 스테가노그래피 부호화 여부와 복호결과를 판별하는 새로운 방법을 제안한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Steganography is to hide information in a media data so naturally that the other users can not notice the existence of hidden information. Data encryption focuses on the complex encoding methods of information data in order to make it difficult to decode the information even though the other users n...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이를 극복하기 위하여 본 논문에서는 부호화 라이브러리에서 임의로 선택한 방법으로 숨겨진 영상 정보를 복원해보고, 그 복원 결과가 올바르게 복원된 영상 정보인지를 판별함으로써, 복호화 방법과 정보 복원을 동시에 판별하는 기법을 제안한다. 따라서 본 논문에서는 공간영역으로 부호화된 스테고 영상으로부터 영상 스테가노그래피 부호화 여부를 판별하고 숨겨진 영상 정보를 동시에 복원할 수 있는 기법을 다룬다. JPEG DCT 계수를 조작하는 주파수 영역에 대해서는 DCT 계수의 분포와 영상 특성을 분석하여 직접 부호화 여부를 판별하는 기법을 제안한다.
  • 따라서 본 논문에서는 잘 복호된 영상과 잘못 복호된 영상 간에 복잡도 특성이 다름을 이용하여 기계 학습 방법으로 판별 기법을 제시하였다. YCbCr 색 공간에서 영상을 16X16 블록으로 나누어 엔트로피를 계산하고 그 평균과 분산을 구한 6차원의 데이터를 학습 모델로 설정하고 SVM(Support Vector Machine)을 활용한 기계 학습 방법으로 학습하여 판별 알고리즘을 구성하여 실험을 수행하였다.
  • 따라서 이 차이를 극명하게 나타내기 위해 16X16 블록에 대해 지역적 복잡도 특성에 해당하는 영상의 국소 엔트로피 값을 조사하였다. 그림 8은 잘 복호된 정상적인 영상과 그렇지 못한 비정상적인 영상의 16X16 블록에 해당하는 국소 엔트로피 값의 평균과 분산에 대한 분포 그래프다.
  • 영상 스테가노그래피의 부호화 방법은 매우 많고, 간단한 LSB 조작만으로도 데이터를 완벽하게 은닉할 수 있으므로, 그 부호화 방법을 찾는 것은 거의 불가능하다. 본 논문에서는 스테가노그래피로 부호화가 되었는지를 직접 판별하는 것이 아니라, 일단 임의의 한 방법으로 영상을 복호해보고 그 결과가 올바른 영상으로 복원되었는지를 자동으로 판별하는 기법을 제안하였다. 이를 통하여 무한한 경우를 갖는 영상 스테가노그래피로 부호화된 숨겨진 데이터를 자동으로 검출할 수 있다.
  • 스테고 영상의 하위비트 특성을 분석하여 스테가노그래피 부호화 여부를 직접 판단하는 기법에 대한 연구가 지금까지 진행되어 온 주요 방향이었으나, 영상의 특성과 숨겨진 데이터의 양에 따라서 판별 성능이 크게 달라지고 정확도도 70% 수준이라는 한계를 갖고 있다[14]. 본 논문에서는 스테고 영상을 직접 분석하여 부호화여부를 판별하는 기존의 기법과는 전혀 다르게 스테가노그래피로 복호시킨 결과 영상을 분석함으로써, 올바르게 복호된 영상과 잘못 복호된 영상이 갖는 다른 특성을 이용하여 부호화가 올바르게 이루어졌는지를 판별하는 방법을 제안한다. 이를 통하여 스테가노그래피 부호화 방법과 올바르게 복호된 정보를 동시에 얻을 수 있으며, 일단 복호를 통하여 스테가노그래피 부호화 여부를 확실하게 판별할 수 있다.
  • 이 논문에서는 스테가노그래피의 개념과 공간 방법과 주파수 방법에 대한 영상 스테가노그래피 기술을 소개하였다. 공간 영역에서의 스태가노그래피는 커버 영상 각 픽셀 값의 하위비트 (LSB) 1~3개에 숨기려는 영상의 픽셀 값 8비트를 나누어 숨기는 방법으로서 다양한 조작이 결합되어 복화하기 어렵도록 한다.
  • 특히, 픽셀 값을 조작하는 공간 영역 기법은 간단하면서도 판별하기 어려운 부호화 기법이 매우 많기 때문에, 실질적으로 부호화 여부를 직접 확인하거나 정확한 부호화 기법을 찾아내는 것은 거의 불가능하다. 이를 극복하기 위하여 본 논문에서는 부호화 라이브러리에서 임의로 선택한 방법으로 숨겨진 영상 정보를 복원해보고, 그 복원 결과가 올바르게 복원된 영상 정보인지를 판별함으로써, 복호화 방법과 정보 복원을 동시에 판별하는 기법을 제안한다. 따라서 본 논문에서는 공간영역으로 부호화된 스테고 영상으로부터 영상 스테가노그래피 부호화 여부를 판별하고 숨겨진 영상 정보를 동시에 복원할 수 있는 기법을 다룬다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
스테가노그래피란 무엇인가? 스테가노그래피란 숨기려는 정보를 미디어 데이터에 교묘하게 삽입하여 정보의 존재를 전혀 눈치 채지 못하도록 하는 데이터 은닉 기술의 하나이다. 데이터 암호화의 경우에는 정보 데이터에 직접 복호하기 어렵게 복잡한 부호화 기법을 이용하여 변형하는 것으로, 정보의 존재를 쉽게 인지할 수 있지만 복호를 어렵게 하는데 초점이 맞춰져 있다.
기존의 암호화 방법과 다른 스테가노그래피의 특징은 무엇인가? 기존의 암호화 방법(cryptography)은 비밀키를 이용하여 다른 사람은 풀 수 없는 형태로 데이터를 변형하는 기술로서, 변형된 정보가 전송되는 과정에서 외부에 쉽게 노출이 되지만 해독할 수 없도록 데이터를 변형하는데 중점을 둔다. 반면에 스테가노그래피는 처음부터 비밀 메시지의 존재 유무를 완벽하게 숨기려고 하는 것이 스테가노그래피 기술의 핵심 특징이다. 스테가노그래피에서 정보를 숨겨 전달하는 매체는 다양하지만 그 중에서 많은 정보를 숨기면서도 자연스러움을 유지하기 때문에 영상에 정보를 숨기는 영상 스테가노그래피가 널리 사용된다[1-3].
커버 영상의 각 픽셀의 LSB를 이용하여 정보 영상의 픽셀 값을 나누어 숨기는 방법의 장점은 무엇인가? 공간 영역에서의 영상 스테가노그래피는 데이터를 숨기기 위해 영상의 픽셀값에 직접 데이터를 숨기는 방법으로서, 대표적으로는 커버 영상의 각 픽셀의 LSB를 이용하여 정보 영상의 픽셀 값을 나누어 숨긴다. 이 방법은 많은 양의 데이터를 빠르고 간단하게 숨길 수 있고, 스테고 영상이 시각적으로 차이가 없도록 하는 강력한 방법이다. 또한 숨기려는 픽셀의 위치를 무작위로 변경하거나 순지는 값의 크기를 간단하게 조작하기만 하더라도 원래의 정보를 거의 찾을 수 없다. 다만, 공간 영역의 기법은 픽셀 값을 직접 조작하므로, 영상 압축과 같은 후처리가 수반될 경우 원본 정보영상을 복원할 수 없다.
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참고문헌 (14)

  1. Niels Provos and Peter Honeyman, "Hide and seek: An introduction to steganography," IEEE Security & Privacy, Vol.9, No.3, pp.32-44, May-June 2003. 

  2. Abbas Cheddad, Joan Condell, Kevin Curran, and Paul Mc Kevitt, "Digital image steganography: Survey and analysis of current methods," Signal processing, Vol.90, No.3, pp.727-752, March 2010, https://doi.org/10.1016/j.sigpro.2009.08.010. 

  3. Mansi S. Subhedar and Vijay H. Mankar, "Current status and key issues in image steganography: A survey," Computer Science Review, Vol.13-14, pp.95-113, November 2014, https://doi.org/10.1016/j.cosrev.2014.09.001. 

  4. Chi-Kwang Chan and L. M. Cheng, "Hiding data in images by simple LSB substitution," Pattern Recognition, Vol.37, No.3, pp.469-474, March 2004, https://doi.org/10.1016/j.patcog.2003.08.007. 

  5. Ran-Zan Wang, Chi-Fang Lin, and Ja-Chen Lin, "Image hiding by optimal LSB substitution and genetic algorithm," Pattern Recognition, Vol.34, No.3, pp.671-683, March 2001, https://doi.org/10.1016/S0031-3203(00)00015-7. 

  6. H. C. Wu, N. I. Wu, C. S. Tsai, and M. S. Hwang, "Image steganographic scheme based on pixel value differencing and LSB replacement methods," IEEE Proc. Of Vision, Image and Signal Processing, Vol.152, No.5, pp.611-615, October 2005, http://dx.doi.org/10.1049/ip-vis:20059022. 

  7. Gandharba Swain, "A steganographic method combining LSB substitution and PVD in a block," Procedia Computer Science, Vol.85, pp. 39-44, 2016, https://doi.org/10.1016/j.procs.2016.05.174. 

  8. Chanran Kim, et al., "Image Steganography Using Random Permutation and Image Difference," Journal of Broadcast Engineering, 231-234, 2016, June. 

  9. Westfeld, Andreas, "F5-a steganographic algorithm", International workshop on information hiding," International workshop on information hiding, pp. 289-302, April 2001. 

  10. Upham, D. "Steganographic algorithm JSteg," Software available at http://zooid.org/-paul/crypto/jsteg, 1993. 

  11. Kim, C. R., Lee, S. H., Lee, J. H., & Park, J. I., "Blind Decoding of Image Steganography Using Entropy Model," Electronics Letters, 2018, doi: 10.1049/el.2017.4276. 

  12. Chanran Kim, et al., "Image Steganography Discrimination based on Local Entropy Distribution," 29th Workshop on Image Processing and Image Understanding, 370-375, 2017, February. 

  13. Jaehoon Lee, et al., "Study on the Correlation between Image Complexity and DCT Coefficients Distribution in Image Steganography," Conference of Institute of Electronics and Information Engineers, 810-813, 2017, June. 

  14. J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du, "Detecting LSB steganography in color and gray-scale images," IEEE Multimedia, Oct.-Dec. pp. 22-28, 2001. 

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