Influence of digital images preliminary noising on statistical stegdetectors performance

Abstract

EN: Context. The problem of sensitive information protection during data transmission in communication systems was considered. The case of reliable detection of stego images formed according to advanced embedding methods was investigated. The object of research is digital images steganalysis of adaptive steganographic methods. Objective. The goal of the work is performance analysis of statistical stegdetectors for adaptive embedding methods in case of preliminary noising of analyzed image with thermal and shot noises. Method. The image pre-processing (calibration) method was proposed for improving stego-to-cover ratio for state-of-the-art adaptive embedding methods HUGO, MG and MiPOD. The method is aimed at amplifying negligible changes of cover image caused by message hiding with usage of Gaussian and Poisson noises. The former one is related to influence the thermal noise of charge-coupled device (CCD) based image sensor during data acquisition. The latter one is related to shot noise that originates from stochastic process of electron emission by photons hitting of CCD elements. During the research, parameters of thermal noise were estimated with two-dimensional Wiener filter, while sliding window of size 5∙5 pixels was used for parameters evaluation for shot noise. Results. The dependencies of detection error on cover image payload for advance HUGO, MG and MiPOD embedding methods were obtained. The results were presented for the case of image pre-noising with both Gaussian and Poisson noises, and varying of feature pre-processing methods. Conclusions. The conducted experiments confirmed effectiveness of proposed approach for image calibration with Poisson noise. Obtained results allow us to recommend linearly transformed features to be used for improving stegdetector performance by natural image processing. The prospects for further research may include investigation usage of special noises, such as fractal noises, for improving stego-to-cover ratio for advanced embedding methods. UK: Актуальність. Розглянуто проблему захисту конфіденційної інформації під час передачі даних у системах зв’язку. Досліджено випадок виявлення стеганограм, сформованих згідно новітніх методів приховання повідомлень. Об’єктом дослідження є методи виявлення стеганограм з даними, вбудованими згідно адаптивними стеганографічними методами. Метод. Запропоновано метод попередньої обробки зображень (калібрування) для підвищення співвідношення стего-контейнер для сучасних адаптивних методів вбудовування HUGO, MG та MiPOD. Метод спрямований на посилення незначних змін зображення-контейнеру, обумовлених прихованням повідомлень. Підвищення досягається шляхом внесення до зображення додаткових шумів, що мають гаусовий або пуасоновий розподіл. Перший тип шуму пов'язаний з тепловим шумом, який впливає на матрицю фотоелементів під час формування зображення. Другий тип шуму пов'язаний зі стохастичною природою процесу випромінювання електронів фотонами, що потрапляють на елементи матриці фотоелементів. Дисперсія теплових шумів оцінювалася з використанням двовимірного фільтра Вінера при варіації розміру ковзного вікна. Параметри розподілу Пуассона було визначено з використанням ковзного вікна розміром 5∙5 пікселів. Результати. Побудовано залежності помилки виявлення від ступеня заповнення зображення-контейнеру стегоданими для методів вбудовування HUGO, MG та MiPOD. Результати представлені для випадку внесення до зображень шуму з гаусовим та пуасоновим розподілами, а також застосуванні різних методів попередньої обробки характеристик. Висновки. Проведені експерименти підтвердили ефективність запропонованого підходу до калібрування зображень з використанням пуасонівських шумів. Отримані результати дозволяють рекомендувати використання декартових і лінійно трансформованих ознак стеганограм для підвищення точності роботи стегодетектору. Перспективи подальших досліджень можуть включати вивчення ефективності застосування спеціальних типів шумів, зокрема фрактальних шумів, з метою підвищення співвідношення стегодані-контейнер для сучасних стеганографічних методів.