Стеганография и ML. Или что нам подарили генеративно-состязательные сети (GAN)?

Далее в меню:

1. Традиционная стеганография для чайников 
2. Что такое GAN и с чем их едят?
3. Так как же применяются GAN?
4. Будущее GAN: что нас ждет в стеганографии?

С древних времен классическая стеганография используется людьми в качестве средства секретного общения: невидимые чернила, тибетская поэзия и многое другое. Современная стеганография для сокрытия сообщения использует электронные коммуникации и цифровые технологии. Каждая современная стегосистема состоит из двух основных компонентов: алгоритмов внедрения и извлечения. Так, алгоритм внедрения принимает на вход секретное сообщение, секретный ключ и контейнер, которые будут использоваться для передачи сообщения. Результатом его работы является стегосообщение.

Сообщением, в общем случае, может быть что угодно: текст, изображение, аудиоданные и так далее. К каждому типу данных разрабатываются свои подходы для сокрытия. Так в текстовой стеганографии используются допущения при расположении и количестве символов в тексте, не учитываемые при прочтении человеком. Например, одним из методов является форматирование. Его суть состоит в раздвижке строки путем увеличения пробелов между словами, когда один пробел соответствует, например, биту 0, а два пробела — биту 1. Или в сетевой стеганографии скрытая информация передается через компьютерные сети с использованием особенностей работы протоколов передачи данных. Типичные методы сетевой стеганографии включают изменение свойств одного из сетевых протоколов.  Мы в дальнейшем будем рассматривать только стеганографию в изображениях, соответственно будем называть передаваемые стегосообщения стегоизображениями.

В стеганографии изображений выделяются три различные фундаментальные архитектуры в соответствии с различными способами получения стегоизображения.

1) Модификация изображения

В основном существует два типа подходов к стеганографии путем модификации. Первый тип связан с поддрежкой статистической модели, а второй  – реализует встраивание в результате минимизации конкретной функции искажения.

2) Селекция изображения

Селекция изображения - это выбор подходящего контейнера и он связана с двумя основными подходами. Первый - выбрать изображение-кандидат для модификации. В этом методе нужно найти подходящий контейнер для модификации в базе данных. Хотя эти методы называются выбором изображения, они по сути представляют собой модификацию с некоторым дополнительным этапом. Но мы в дальнейшем не будем этот метод рассматривать как самостоятельный. Другой подход выбор контейнера в качестве стегоизображения без модификации. При этом подходе важно установить правила сопоставления между сообщением и стегоизображением.

3) Синтезирование изображения

Третья стратегия основана на синтезе изображений. И здесь наша Алиса (стеганограф) пытается создать новое изображение, которое содержит необходимую информацию. Поскольку синтез реалистичного изображения представляет собой сложную проблему, традиционный метод решает задачи стеганографии с помощью создания «неестественных» изображений, таких как текстуры или изображения отпечатка пальца. Генеративно-состязательная сеть (Generative adversarial network, сокращенно GAN) — алгоритм машинного обучения без учителя, построенный на комбинации из двух нейронных сетей. В 2014 году ее впервые представили Google. В системе GAN одна из сетей генерирует образцы, а другая старается отличить «подлинные» образцы от неправильных. 

Генеративная сеть, используя набор переменных латентного пространства, всегда пытается слепить новый образец, смешав несколько исходных образцов. Дискриминативная сеть D обучается различать подлинные и поддельные образцы. При этом ее результаты подаются на вход генеративной сети G так, чтобы она смогла подобрать лучший набор латентных параметров, и дискриминативная сеть уже не смогла бы отличить подлинные образцы от поддельных. Как видим, целью сети G является повысить процент ошибок сети D, а целью сети D является, наоборот, улучшение точности распознавания.

GAN нашли прекрасное применение в компьютерном зрении и в обработке естественного языка (в генерации изображений и текстов). Но при этом и стеганографию не обошли стороной.

Возможности GAN можно рассматривать с разных сторон: состязательная игра, генератор или функция отображения. Они согласуются с классификацией основных стратегий в стеганографии, то есть модификации, синтеза и селекции.

1) Модификация изображения

Модификация изображения основанная на GAN фокусируется на состязательной игре между стеганографом и стеганализатором. Данный метод использует генератор, обученный для построения различных «ключевых» элементов. Выделяют три основныее стратегии.

Создать стегоизображние

Денис Волхонский, Иван Назаров и Евгений Бурнаев предложили сконструировать генератор для создания стегоизображения. Этот подход позволяет создавать более защищенное от стеганализа стегосообщение, которое может передавать сообщения с использованием стандартных алгоритмов стеганографии. По сути, они представили генеративно-состязательную сеть, состоящую из трех сетей: генератор G, дискриминатор D и классификатор S стеганализа.

Классификатор S определяет, скрывает ли реалистичное изображение секретную информацию.

Создать матрицу вероятности модификации

Примером служит ASDL-GAN для автоматического изучения функции искажения. Эта схема действует в традициях современной стеганографии и минимизирует функцию аддитивного искажения. Сама матрица вероятностей изменения получается путем минимизации математического ожидания функции искажения. Генератор G в их схеме обучается узнавать вероятности изменения P входного изображения.

Состязательная игра

Третья стратегия предполагает прямое использование состязательной игры между тремя ее участниками (Алиса, Боб, Венди) для изучения алгоритма модификации. Метод ADV-EMB, который пытается изменить изображение для скрытия сообщения, обманывая классификатор стеганализа.

В этом подходе пиксели «изображения-кандидата» делятся на две группы, одна группа пикселей используется для модификации, а вторая группа пикселей — для создания возмущений с целью противостоять анализатору.

2) Селекция изображения

Стеганография на основе GAN селекции направлена ??на установление взаимосвязи между сообщением и стегоизображением. По этой тема, однако, не так много источников, хотя в некоторых работах предпринимаются отдельные попытки в этом направлении.

Одна из идей состоит в том, что отправитель устанавливает вид отображения, используя генератор между сообщением и выбранным изображением. Для получателя сообщение создается непосредственно из выбранного изображения. Суть этого метода состоит в установлении взаимосвязи между изображением и секретным сообщением, чтобы контейнер естественным образом превратился в стегоизображение. Статистический стеганографический анализ не работает, потому что непосредственно сама операция модификации не осуществляется.

3) Синтезирование изображения

Изображение обычно создается с помощью передобученного генератора и здесь предлагаются несколько стратегий

Обучение с учителем

Здесь авторы используют нейронную сеть, чтобы изучить алгоритм с состязательным обучением, в рамках которого три игрока (Алиса, Боб и Ева) представляют собой нейронные сети.

Алиса использует контейнер и секретное сообщение для создания стегоизображения, а Боб пытается восстановить сообщение. Ева извлекает вероятность P наличия секретного сообщения на изображении. При этом Алиса пытается добиться баланса, при котором вероятность для Евы получить изображение с секретным сообщением оказывается 1/2. (то есть Ева уже просто произвольно пытается угадать исход). В этом алгоритме вводится три функции потерь, за которые отвечают Алисе, Бобу и Еве соответственно.

Обучение без учителя

Стеганография без модификации

В данном методе секретные сообщения преобразуются в вектор шума, отправляемый генератору в качестве входных данных для создания стегоизображения.

Сначала генератор G обучается с некоторым набором данных. После этого получается генератор, который может создавать реалистичные изображения. Во время второй фазы экстрактор E обучается с помощью функции потерь при извлечении сообщения. Цель этого этапа — восстановить сообщение из созданного стегоизображения.

На последнем этапе отправитель устанавливает связь между шумом и сообщением, а секретное сообщение и векторы шума сегментируются для создания отображения. Получатель может использовать экстрактор для восстановления вектора шума, и затем секретное сообщение получается с помощью полученного отображения.

Стеганография WGAN-GP

В данном подходе экстрактор сообщений и генератор стегоизображений обучаются одновременно. WGAN-GP адаптирован для генерации стегоизображения с более высоким качеством. Согласно предложенному методу, Генератор G обучается входе минимакс игры (правило принятия решений для минимизации возможных потерь из тех, которые лицу, принимающему решение, нельзя предотвратить при развитии событий по наихудшему для него сценарию), чтобы соревноваться с Дискриминатором (D) и Экстрактором (E).

Обучение с частичным привлечением учителя

Стеганография ACGAN

Чтобы осуществить частичное обучение, надо добавить вспомогательную сеть для конкретной задачи в исходную GAN. Этот метод устанавливает взаимосвязь между метками классов сгенерированных изображений и секретной информацией, причем метки классов и шум напрямую вводятся в генератор для создания стегоизображения. На этапе извлечения сообщения стегоизображение подается в дискриминатор для получения фрагментов секретной информации.

Стеганография с ограниченным семплированием

 В этом случае операция встраивания сообщения становится проблемой выбора изображения. В статье создание стегоизображения рассматривается как проблема минимизации расстояния между исходным изображением и стегоизображением.

Стеганография с помощью цикла Гана

Некоторые исследователи рассматривают синтез стегоизображения как проблему «image-to-image» перевода. Очень известной моделью для перевода изображений является CycleGAN. Эта модель учиться преобразовать изображение из класса X в класс Y, путем минимизации состязательной функции потерь и функции потерь согласованности цикла. В статье утверждается, что CycleGAN можно рассматривать как процесс кодирования для сокрытия информации.

Методы, основанные на GAN крайне интересны и перспективны для стенографии. В настоящее у этого подхода есть три основных направления развития. Будущее GAN: что же нас ждет в стеганографии?

Вместимость

В методах таких как GAN-CSY нестабильность генерируемых пикселей приводит к низкой точности извлечения сообщений. В других методах сообщение не существует в своем привычном виде, а является атрибутом категории или вектором шума. Недостаток состоит в том, что сообщения в существующих методах включают в себя не очень много информации. Таким образом, одно из направлений, требующих внимания, это повышение стабильности и увеличение объёма передаваемых данных.

Оценка качества изображения

Трудно количественно оценить качество синтетических изображений. В области синтеза изображений критерии оценки сгенерированных изображений недостаточно надежны.

Некоторые методы, использующие ручную оценку, являются субъективными и не имеют объективных критериев оценки. Текущие критерии оценки это в основномIS (Inseption Score) и FID (Frechet Inception Distence). Эти оценки учитывают только подлинность и качество изображения. Так что, поиск подходящих оценок все еще остаются важной и неразработанным направлением   исследований.

Стеганализ

Задача стеганализа разделена на два этапа. Первый этап – это экспертиза изображений, которая покажет, является ли изображение поддельным. Второй этап – это стеганализ изображения, который определяет, содержит ли сгенерированное изображение секретное сообщение. В настоящее время изображения, генерируемые GAN, неразличимы для
человеческого глаза. В традиционной стеганографии существует множество методов для экспертизы изображений для того, чтобы различать естественные изображения и сгенерированные. Но в будущем с развитием описанных подходов станет сложно определить, является ли изображение сгенерированным или нет. Соответственно повышение эффективности стеганализа следует признать наиболее перспективным направлением.

Материал подготовлен на основе данной статьи.