Tatouage haute capacit´ e dans des images chiffr´ ees
Pauline PUTEAUX
LIRMM - ´Equipe ICAR Stage encadr´e par William PUECH
19 juillet 2016
Traitement des images dans le domaine chiffr´ e
Probl` eme de la s´ ecurit´ e des donn´ ees num´ eriques
Beaucoup sont transf´ er´ ees ou archiv´ ees sous forme chiffr´ ee
N´ ecessit´ e de les analyser et de les traiter sans la clef
Applications vis´ ees
Partage d’images secr` etes entre plusieurs personnes (VSS)
Insertion de donn´ ees cach´ ees dans des images chiffr´ ees
Indexation et recherche d’images ou des vid´ eos dans des BDD chiffr´ ees
Recompression d’images ou de vid´ eos
crypto-compress´ ees
Insertion de donn´ ees r´ eversible dans des images chiffr´ ees
D´ efinition
M´ ethode efficace pour dissimuler des donn´ ees dans le domaine chiffr´ e sans connaˆıtre le contenu original de l’image.
Apr` es l’extraction du message, il doit ˆ etre possible de reconstruire l’image originale sans alt´ eration.
N´ ecessaire de trouver le meilleur compromis entre capacit´ e de
dissimulation et qualit´ e de l’image reconstruite.
Insertion de donn´ ees r´ eversible dans des images chiffr´ ees
Deux types d’approches [1] :
1 VRAELib´erer l’espace n´ecessaire pour dissimuler l’information apr`es le chiffrement de l’image
2 RRBER´eserver de la place avant le chiffrement
Ces m´ ethodes peuvent ˆ etre [2] :
1 JointesL’extraction des donn´ees et la reconstruction de l’image se font simultan´ement
2 S´eparativesLa reconstruction de l’image se fait apr`es l’extraction des donn´ees
[1] K. Ma, W. Zhang, X. Zhao, N. Yu et F. Li
Reversible data hiding in encrypted images by reserving room before encryption IEEE Transactions Inf. Forensics Security, vol. 8.3, p.553-562, 2013
[2] W. Zhang, K. Ma et N. Yu
Reversibility improved data hiding in encrypted images Signal Processing, vol. 94, p.118-127, 2014
Etat de l’art
M´ ethode propos´ ee en 2008 [1]
Analyse de l’´ecart type pour reconstruire l’image originale sans erreurs Dissimulation d’un bit par bloc 4×4 (payload = 0.0625 bpp)
Analyse de la pr´ ediction
Technique la plus utilis´ee dans les m´ethodes r´ecentes Exploiter la corr´elation entre un pixel et ses voisins
G´en´eralement, remplacement du ou des bit(s) les moins significatifs (LSB)
[1] W. Puech, M. Chaumont et O. Strauss
A Reversible Data Hiding Method for Encrypted Images
Proc. SPIE, Electronic Imaging, Security, Forensics, Steganography, and Watermarking of Multimedia Contents X, vol. 6819, p : 68191E-1-68191E-9, 2008
Etat de l’art
Remarques
Aucune des m´ ethodes propos´ ees ne permet de combiner haute qualit´ e visuelle et grande capacit´ e de dissimulation
M´ ethodes consid´ er´ ees comme r´ eversibles alors que PSNR 6= ∞ Dans [1], haute capacit´ e de dissimulation mais alt´ eration de l’image originale (PSNR ≈ 40 dB)
Dans [2], Wu et Sun proposent une “haute” capacit´ e de
dissimulation alors qu’on ne peut cacher que 0.1563 bit par pixel
[1] K. Ma, W. Zhang, X. Zhao, N. Yu et F. Li
Reversible data hiding in encrypted images by reserving room before encryption IEEE Transactions Inf. Forensics Security, vol. 8.3, p.553-562, 2013 [2] X. Wu et W. Sun
High-capacity Reversible Data Hiding in Encrypted Images by Prediction Error Signal Processing, vol. 104, p.387-400, 2014
Notre approche
Pr´ ediction des bits les plus significatifs (MSB)
Pr´ edire les MSB plus simple que les LSB et tatouer les MSB ne pose pas de probl` eme dans le domaine chiffr´ e
Analyse de l’image originale pour d´ etecter les erreurs de pr´ ediction Deux approches :
1
Pr´ e-traitement de l’image originale pour ´ eviter toutes les erreurs de pr´ ediction, chiffrement de l’image et tatouage de tous les pixels
2
Construction d’une carte de localisation des erreurs de pr´ ediction,
chiffrement de l’image et adaptation du message ` a ins´ erer
Approche tr` es haute capacit´ e - Sch´ ema g´ en´ eral (1)
Pr´e-traitement
Image pr´e-trait´ee
I0 Chiffrement
Image chiffr´ee
I0 e
Tatouage Image
originale I
Image chiffr´ee tatou´ee
Iew0 Cl´e secr`ete
Ke= (p,xo) Cl´e secr`eteKw Message
Figure–
Chiffrement et tatouage
Approche tr` es haute capacit´ e - Pr´ e-traitement
begin
foreachpixel p(i,j)do inv(i,j)←(p(i,j) + 128)%256 ifpremi`ere ligne ou premi`ere colonnethen
traitement sp´ecial end
else
pred(i,j)←p(i−1,j)+p(i,j−1) 2
end
if|pred(i,j)−p(i,j)| ≥ |pred(i,j)−inv(i,j)|then ifp(i,j)<128then
p0(i,j) =pred(i,j)−63 end
else
p0(i,j) =pred(i,j) + 63 end
end else
p0(i,j) =p(i,j) end
end end
Algorithme 1 :Algorithme de pr´e-traitement
Approche tr` es haute capacit´ e - Chiffrement et tatouage
Chiffrement
Pour chaque pixel
G´en´erateur
chaotique S´equence binaire
Image chiffr´ee Image pr´e-trait´ee
Cl´e secr`ete Ke = (p,xo)
Figure–
Sch´ ema g´ en´ eral du chiffrement
Tatouage
p
0ew(i, j) = b
l× 128 + (p
e0(i, j ) mod 128)
Approche tr` es haute capacit´ e - Sch´ ema g´ en´ eral (2)
Image chiffr´ee tatou´ee
Iew0
Pr´ediction des MSB et D´echiffrement
Image pr´e-trait´ee reconstruite
I0
Extraction
des donn´ees Message
Cl´e secr`eteKw
Cl´e secr`ete Ke= (p,xo)
Figure–
Extraction et reconstruction
Approche tr` es haute capacit´ e - R´ esultats
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Figure–Illustration de notre m´ethode, payload = 1 bpp. a) Image originaleI, b) Emplacement des erreurs, nombre d’erreurs = 448 (0.2%), c) Histogramme des erreurs de pr´ediction estim´ees, d) Image pr´e-trait´eeI0, PSNR = 48.67 dB, e) Image chiffr´ee tatou´eeIew, f) Image reconstruiteI0, PSNR = 48.67 dB, SSIM = 0.9998
Approche tr` es haute capacit´ e - R´ esultats
Meilleur cas Pire cas Moyenne (9.2%)
Nombre d’erreurs de pr´ediction des MSB dans l’image originale
0% 3.2% 0.3%
PSNR (dB) +∞ 36.06 54.84
SSIM 1 0.9966 0.9998
Table–
Mesures de la qualit´ e des images sur une base de 500 images
Figure–
Comparaison de la qualit´ e des images reconstruites entre notre
m´ ethode et d’autres avec la mˆ eme capacit´ e (1 bpp)
Approche totalement r´ eversible - Sch´ ema g´ en´ eral (1)
Image originaleI
D´etection des erreurs de pr´ediction
Chiffrement
Cl´e secr`ete Ke= (p,xo)
Image chiffr´eeIe
Carte de localisation des erreurs Dissimulation de la
carte des erreurs
Image chiffr´eeI0 eavec les erreurs de pr´ediction mises en ´evidence
Tatouage
Cl´e secr`ete Kw Message
Image chiffr´ee tatou´eeIew
Figure–
Chiffrement et tatouage
Localisation des erreurs de pr´ ediction
Figure–
Construction de la carte de localisation des erreurs
Approche totalement r´ eversible - Sch´ ema g´ en´ eral (2)
Image chiffr´ee tatou´eeIew
Pr´ediction des MSB et D´echiffrement
Image reconstruiteI
Extraction
des donn´ees Message
Cl´e secr`ete Kw
Cl´e secr`ete Ke= (p,xo)
Figure–
Extraction et reconstruction
Approche totalement r´ eversible - R´ esultats
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Figure–Illustration de notre m´ethode. a) Image originaleI, b) Emplacement des pixels non tatou´es (erreurs et drapeaux), nombre d’erreurs = 202 (0.1%), c) Image chiffr´eeIe, d) Image chiffr´eeIe0avec les erreurs de pr´edictions mises en ´evidence, e) Image chiffr´ee tatou´eeIew, payload = 0.9839 bpp, f) Image reconstruiteI, PSNR =∞, SSIM = 1
Approche totalement r´ eversible - R´ esultats
Meilleur cas Pire cas Moyenne Nombre d’erreurs de pr´ediction des
MSB dans l’image originale
0% 5.3% 0.2%
Payload (bpp) 1 0.3805 0.9681
Table–
Mesures de la capacit´ e de dissimulation sur une base de 10.000 images
Figure–
Mesures sur un ´ echantillon de 500 images
Comparaison des deux m´ ethodes avec la litt´ erature
Images M´ethodes Payload (bpp) PSNR (dB)
Lena M´ethode 1 1 48.67
0.5 52.08
0.1667 57.58
M´ethode 2 0.96 +∞
Zhang 0.1563 44.65
Wu et Sun 0.1563 +∞
Baboon M´ethode 1 1 39.41
0.5 44.00
0.1667 48.82
M´ethode 2 0.75 +∞
Zhang 0.1563 38.79
Wu et Sun 0.1563 40.57
Airplane M´ethode 1 1 57.24
0.5 60.88
0.1667 64.55
M´ethode 2 0.99 +∞
Zhang 0.1563 42.08
Wu et Sun 0.1563 60.17
Table–
Comparaison des performances entre la m´ ethode de Zhang [1], celle de Wu et Sun [2] et les m´ ethodes propos´ ees
[1] X. Zhang
Separable reversible data hiding in encrypted images
IEEE Transactions on Information Forensics and Security, vol. 7(2), p.826-832, 2012 [2] X. Wu et W. Sun
High-capacity Reversible Data Hiding in Encrypted Images by Prediction Error Signal Processing, vol. 104, p.387-400, 2014
Conclusion
Bilan des m´ ethodes propos´ ees
Approche 1: Tatouage tr`es haute capacit´e (payload≥1 bpp) et bonne qualit´e de l’image reconstruite (haut PSNR)
Approche 2: Image parfaitement reconstruite (PSNR =∞) et haute capacit´e de dissimulation (payload≈1 bpp)
Dans les deux cas: Meilleurs r´esultats que dans la litt´erature
Perspectives
Approche 1: Optimiser le choix du pr´edicteur utilis´e pour avoir moins d’erreurs et/ou devoir effectuer de plus faibles modifications des valeurs des pixels Approche 2: R´esoudre le probl`eme de mauvaise d´etection des drapeaux But final: Trouver une m´ethode totalement r´eversible, avec un taux de dissimulation sup´erieur `a 1 bpp
