Perfectly Secure Steganography Using Minimum Entropy Coupling

要約

ステガノグラフィーは、敵対する第三者が隠された意味に気づかないような方法で、無害なコンテンツに秘密情報を符号化する実践である。この問題は古典的にセキュリティの文献で研究されてきたが、最近の生成モデルの進歩により、セキュリティと機械学習の研究者の間で、スケーラブルなステガノグラフィ技術の開発に共通の関心を持つようになった。本研究では、ステガノグラフィの手順が、カップリングによって誘導される場合に限り、⾰の情報理論的モデルの下で完全に安全であることを示す。さらに、完全に安全な手順の中で、最小エントロピーのカップリングによって誘導される場合に限り、手順が最大に効率的であることを示す。これらの洞察により、我々の知る限り、自明でない効率で完全なセキュリティ保証を達成する最初のステガノグラフィアルゴリズムが得られた。さらに、これらのアルゴリズムは非常にスケーラブルである。実証的な検証を行うために、GPT-2とWaveRNNを通信チャネルとして用い、最小エントロピー結合に基づくアプローチを3つの最新のベースライン（算術符号化、Meteor、適応的動的グループ化）と比較した。その結果、最小エントロピー結合ベースのアプローチは、より強いセキュリティ制約にもかかわらず、優れたエンコーディング効率をもたらすことがわかった。これらの結果は、情報理論的なステガノグラフィーを最小エントロピー結合のレンズを通して見ることが自然であることを示唆している。

要約(オリジナル)

Steganography is the practice of encoding secret information into innocuous content in such a manner that an adversarial third party would not realize that there is hidden meaning. While this problem has classically been studied in security literature, recent advances in generative models have led to a shared interest among security and machine learning researchers in developing scalable steganography techniques. In this work, we show that a steganography procedure is perfectly secure under \citet{cachin_perfect}’s information theoretic-model of steganography if and only if it is induced by a coupling. Furthermore, we show that, among perfectly secure procedures, a procedure is maximally efficient if and only if it is induced by a minimum entropy coupling. These insights yield what are, to the best of our knowledge, the first steganography algorithms to achieve perfect security guarantees with non-trivial efficiency; additionally, these algorithms are highly scalable. To provide empirical validation, we compare a minimum entropy coupling-based approach to three modern baselines — arithmetic coding, Meteor, and adaptive dynamic grouping — using GPT-2 and WaveRNN as communication channels. We find that the minimum entropy coupling-based approach yields superior encoding efficiency, despite its stronger security constraints. In aggregate, these results suggest that it may be natural to view information-theoretic steganography through the lens of minimum entropy coupling.

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