[논문]효과적인 가역 정보은닉을 위한 픽셀의 차이 값을 이용한 개선된 보간법

김평한; 정기현; 윤은준; 유관우

doi:10.9717/kmms.2021.24.6.768

Abstract ▼ AI-Helper

The reversible data hiding technique safely transmits secret data to the recipient from malicious attacks by third parties. In addition, this technique can completely restore the image used as a transmission medium for secret data. The reversible data hiding schemes have been proposed in various for...

The reversible data hiding technique safely transmits secret data to the recipient from malicious attacks by third parties. In addition, this technique can completely restore the image used as a transmission medium for secret data. The reversible data hiding schemes have been proposed in various forms, and recently, the reversible data hiding schemes based on interpolation are actively researching. The reversible data hiding scheme based on the interpolation method expands the original image into the cover image and embed secret data. However, the existing interpolation-based reversible data hiding schemes did not embed secret data during the interpolation process. To improve this problem, this paper proposes embedding the first secret data during the image interpolation process and embedding the second secret data into the interpolated cover image. In the embedding process, the original image is divided into blocks without duplicates, and the maximum and minimum values are determined within each block. Three way searching based on the maximum value and two way searching based on the minimum value are performed. And, image interpolation is performed while embedding the first secret data using the PVD scheme. A stego image is created by embedding the second secret data using the maximum difference value and log function in the interpolated cover image. As a result, the proposed scheme embeds secret data twice. In particular, it is possible to embed secret data even during the interpolation process of an image that did not previously embed secret data. Experimental results show that the proposed scheme can transmit more secret data to the receiver while maintaining the image quality similar to other interpolation-based reversible data hiding schemes.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. Embedding example of NMI scheme.
그림 Fig. 2. Embedding example of INP scheme.
그림 Fig. 3. Embedding example of Jana scheme. (a) Original Image, (b) Cover Image, (c) Stego Image, and (d) Weighted Matrix.
그림 Fig. 4. Embedding example of Lu scheme. (a) Cover Image, (b) Weighted Matrix, (c) Stego Image.
그림 Fig. 5. Re-encoding process of the example.
그림 Fig. 6. Three-way searching.
그림 Fig. 7. Two-way searching.
그림 Fig. 8. Embedding process.
그림 Fig. 9. Embedding example.
그림 Fig. 10. Extraction process.
그림 Fig. 11. Extraction example.
그림 Fig. 12. Original images.
그림 Fig. 13. Cover images.
그림 Fig. 14. Stego images.
그림 Fig. 15. The pixel value of Original Image, Middle Image, Cover Image and Stego Image : CameraMan.
그림 Fig. 16. The pixel value of Original Image, Middle Image, Cover Image and Stego Image : Toy.
표 Table 1. Comparison of PSNR of the proposed scheme and other schemes.
표 Table 2. Comparison of embedding capacity of the proposed scheme and other schemes.
그림 Fig. 17. Histogram result of the Jana et al.'s scheme.
그림 Fig. 18. Histogram result of the Lu's scheme.
그림 Fig. 19. Histogram result of the proposed scheme.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 최댓값, 최솟값 그리고 최대 차이 값을 이용하는 개선된 보간법 기반의 가역 정보은닉기법을 제안한다. 보간법 기반의 가역 정보은닉 기법이 제안된 이후로 다양한 보간법 기반의 가역 정보은닉 기법들이 제안되었지만 기존의 보간법 기반의 가역 정보은닉 기법들은 이미지를 확장하는 이미지 의보 간 과정 중에는 비밀자료를 삽입할 수 없었다.
하지만 기존의 보간법 기반의 가역 정보은닉 기법들은 커버 이미지를 생성하기 위한 보간 과정 중에는 비밀자료를 삽입하지 않았다. 이러한 점을 개선하기 위해 본 논문에서는 이미지의 보간 과정 중에도 비밀자료를 삽입하는 기법에 대해서 제안하고자 한다. 본 논문에서는 보간 과정 중에 첫 번째 비밀자료를 삽입해서 커버 이미지를 생성하고, 생성된 커버 이미지에 두 번째 비밀자료를 삽입하여 스테고 이미지를 생성한다.

제안 방법

이러한 점을 개선하기 위해 본 논문에서는 이미지의 보간 과정 중에도 비밀자료를 삽입하는 기법에 대해서 제안하고자 한다. 본 논문에서는 보간 과정 중에 첫 번째 비밀자료를 삽입해서 커버 이미지를 생성하고, 생성된 커버 이미지에 두 번째 비밀자료를 삽입하여 스테고 이미지를 생성한다. 첫 번째 비밀자료의 삽입 과정에서 원본 이미지는 중복이 없는 2×2사이즈의 블록들로 분할되고 각 블록들 내에서 최솟값과 최댓값을 결정한다.
본 절에서는 제안하는 기법과 관련 연구의 기법들에 대한 PSNR을 측정하여 각 기법들에 대한 이미지 품질을 측정하였다. PSNR측정 결과는 Table1에 보여 진다.
그리고 비밀자료가 삽입된 픽셀들을 일정한 규칙에 의해서 배치를 수행해서 커버 이미지에 두 번째 비밀자료를 삽입하면 스테고이미지가 생성된다. 비밀자료의 추출과정에서는 Kim 등이 제안한 기법의 추출 알고리듬을 수정한 수식 (7), 수식(8), 수식 (9)를 이용해서 두 번째 비밀자료를 먼저 추출한다. Kim등이 제안한 기법은 각 블록의 모든 픽셀들에 대해서 비밀자료를 추출하지만 제안하는 기법은 i,j위치의 픽셀과 (i,j+1)위치의 픽셀에 대해서만 두 번째 비밀자료를 추출한다.
두 번째 비밀자료는 Kim등이 제안한 기법을 수정한 알고리듬과 최대 차이 값, log함수 등을 이용해서 삽입되고 두 번째 비밀자료의 삽입이 완료되면 최종 스테고 이미지를 생성하게 된다. 비밀자료의 추출과정에서는 평균값을 이용해서 원본 이미지 픽셀 값을 복원하고 최대 차이 값, log함수 그리고 스테고 픽셀과 원본 픽셀 사이의 차이 값을 이용해서 두 번째 비밀자료를 추출한다. 그리고 PVD 기법의 추출 알고리듬을 이용해서 첫 번째 비밀자료를 추출하면 전체 비밀자료를 추출할 수 있게 된다.
12의 256×256크기의 그레이스케일(Grayscale) 이미지들을 원본 이미지로 사용한다. 제안하는 정보은닉 기법은 기존의 보간법 기반의 정보은닉 기법들과는 다르게 보간 과정 중에 첫번째 비밀자료를 삽입하여 커버 이미지 C를 생성한다. 그리고 생성된 커버 이미지에 두 번째 비밀자료를 삽입하여 최종 스테고 이미지 S를 생성하게 된다.
커버 이미지가 생성되면 두 번째 비밀자료를 삽입하게 되는데 Kim등이 제안한 기법의 삽입 알고리듬에서는 각 블록의 모든 픽셀들에 대해서 최대 차이 값, log함수, 올림함수, 내림함수 등을 이용해서 비밀자료를 삽입하지만 제안하는 기법에서는 원본 이미지를 중복이 없는 2×2크기의 블록들로 분할하고 Kim등이 제안한 기법의 삽입 알고리듬을 수정한 수식(2), 수식(3), 수식(4), 수식(5)를 이용해서 각 블록내의 i,j 위치의 픽셀과 i,j+1 위치의 픽셀에 대해서 비밀자료를 삽입한다

대상 데이터

본 논문에서는 Fig.12의 256×256크기의 그레이스케일(Grayscale) 이미지들을 원본 이미지로 사용한다

데이터처리

커버 이미지와 스테고 이미지 사이의 픽셀 값 변화를 확인하기 위해서 히스토그램 분석을 수행한다. Airplane1, Lena, Cat이미지를 사용하였으며 Jana 등의 기법, Lu의 기법 그리고 제안하는 기법에 대해서 히스토그램을 생성하였다.

이론/모형

커버 이미지와 스테고 이미지 사이의 픽셀 값 변화를 확인하기 위해서 히스토그램 분석을 수행한다. Airplane1, Lena, Cat이미지를 사용하였으며 Jana 등의 기법, Lu의 기법 그리고 제안하는 기법에 대해서 히스토그램을 생성하였다. 생성된 히스토그램은 Fig.
첫 번째 비밀자료의 삽입 과정에서 원본 이미지는 중복이 없는 2×2사이즈의 블록들로 분할되고 각 블록들 내에서 최솟값과 최댓값을 결정한다. 그리고 최솟값 기준으로 세 방향(Three-way)탐색과 PVD기법을 적용하면서 세 개의 쌍을 생성하고 최댓값 기준으로 두 방향(Two-way) 탐색과 PVD기법을 적용해서 두 개의 쌍을 생성한다. 생성된 다섯 개의 쌍을 보간 과정에 적용해서 첫 번째 비밀자료가 삽입된 커버 이미지를 생성한다.

성능/효과

Jana등의 기법과 Lu의 기법과 비교해 보았을 때, 제안하는 기법은 Jana등의 기법보다는 평균적으로 약 84, 000비트를 더 숨길 수 있고 Lu의 기법보다는 평균적으로 약 148, 000비트를 더 숨길 수 있다. 따라서 제안하는 기법은 다른 기법들과 유사하거나 다소 높은 PSNR수치를 가지면서 비밀자료의 평균 삽입용량은 다른 기법들에 비해서 더 높게 나타난다는 것을 알 수 있다.
본 논문에서는 최댓값, 최솟값 그리고 최대 차이 값을 이용하는 개선된 보간법 기반의 가역 정보은닉기법을 제안한다. 보간법 기반의 가역 정보은닉 기법이 제안된 이후로 다양한 보간법 기반의 가역 정보은닉 기법들이 제안되었지만 기존의 보간법 기반의 가역 정보은닉 기법들은 이미지를 확장하는 이미지 의보 간 과정 중에는 비밀자료를 삽입할 수 없었다. 하지만 이미지의 보간 과정 중에 비밀자료를 삽입할 수 있다면 더 많은 비밀자료를 삽입할 수 있을 것이고, 이러한 목적을 달성하기 위해서 이미지의 보 간 과정 중에도 비밀자료를 삽입할 수 있는 새로운 기법을 제안한다.
위와 같이 본 논문에서는 기존에 비밀자료를 삽입하지 않았던 이미지의 보간 과정 중에도 비밀자료를 삽입하기 때문에 비밀자료를 두 번 삽입할 수 있고 결과적으로 기존의 보간법 기반의 가역 정보은닉 기법들보다 더 많은 비밀자료를 이미지에 삽입할 수 있다. 실험 결과에서는 제안하는 기법이 보간법 기반의 다른 기법들과 비슷한 PSNR수치를 평균적으로 가지면서, 비밀자료의 삽입용량은 더 높게 나타남을 알 수 있다. 향후 연구로는 비밀자료의 삽입용량을 증가시키기 위해서 컬러 이미지 기반의 개선된 PVD 기법이 적용된 가역 정보은닉 기법을 연구할 계획이다.
그리고 PVD 기법의 추출 알고리듬을 이용해서 첫 번째 비밀자료를 추출하면 전체 비밀자료를 추출할 수 있게 된다. 위와 같이 본 논문에서는 기존에 비밀자료를 삽입하지 않았던 이미지의 보간 과정 중에도 비밀자료를 삽입하기 때문에 비밀자료를 두 번 삽입할 수 있고 결과적으로 기존의 보간법 기반의 가역 정보은닉 기법들보다 더 많은 비밀자료를 이미지에 삽입할 수 있다. 실험 결과에서는 제안하는 기법이 보간법 기반의 다른 기법들과 비슷한 PSNR수치를 평균적으로 가지면서, 비밀자료의 삽입용량은 더 높게 나타남을 알 수 있다.

후속연구

실험 결과에서는 제안하는 기법이 보간법 기반의 다른 기법들과 비슷한 PSNR수치를 평균적으로 가지면서, 비밀자료의 삽입용량은 더 높게 나타남을 알 수 있다. 향후 연구로는 비밀자료의 삽입용량을 증가시키기 위해서 컬러 이미지 기반의 개선된 PVD 기법이 적용된 가역 정보은닉 기법을 연구할 계획이다.

참고문헌 (16)

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상세보기
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상세보기
C.F. Lee and Y.L. Huang, "An Efficient Image Interpolation Increasing Payload in Reversible Data Hiding," Expert Systems with Applications, Vol. 39, pp. 6712-6719, 2012.

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J. Hu and T. Li, "Reversible Steganography Using Extended Image Interpolation Technique," Computers and Electrical Engineering, Vol. 46, pp. 447-455, 2015.

상세보기
B. Jana, D. Giri, and S.K. Mondal, "Weighted Matrix Based Reversible Data Hiding Scheme Using Image Interpolation," Computer Intelligence in Data Mining, Vol. 2, pp. 239-248, 2016.
J.H. Lee, P.H. Kim, K.H. Jung, and K.Y. Yoo, "Information Hiding Method Based on Interpolation Using Max Difference of RGB Pixel for Color Images," Journal of Korea Multimedia Society, Vol. 20, No. 4, pp. 629-639, 2017.

원문보기 상세보기
T.C. Lu, "Interpolation-based Hiding Scheme Using the Modulus Function and Re-encoding Strategy," Signal Processing, Vol. 142, pp. 244-259, 2018.

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