Perfectly Secure Steganography Using Minimum Entropy Coupling

要約

タイトル：最小エントロピ結合を用いた完全に安全なステガノグラフィ

要約：
– ステガノグラフィとは、秘密情報を目立たないコンテンツにエンコードする技術であり、攻撃者に悟られないように行われます。
– この問題は、セキュリティの文献で古くから研究されていましたが、機械学習の研究者も共同でスケーラブルなステガノグラフィ技術を開発することに関心を持っています。
– この研究では、Cachin（1998年）の情報理論的ステガノグラフィモデルに従うステガノグラフィ手順は、結合によって誘導される場合に限り、完全に安全であることを示します。さらに、完全に安全な手順の中で、最小エントロピ結合を用いて誘導された手順が最大限効率的であることも示します。
– これらの洞察により、最初のステガノグラフィアルゴリズムが非自明な効率性を持ち、完全なセキュリティ保証を達成することができるようになりました。また、これらのアルゴリズムは高度にスケーラブルです。
– 経験的な検証のために、GPT-2、WaveRNN、Image Transformerを通信チャネルとして使用し、最小エントロピ結合ベースのアプローチを算術符号、Meteor、適応動的グループ化の3つの現代的なベースラインと比較します。強いセキュリティ制約にもかかわらず、最小エントロピ結合ベースのアプローチが優れたエンコーディング効率を達成していることがわかります。
– これらの結果から、情報理論的ステガノグラフィを最小エントロピ結合の観点から見ることが自然であると考えられます。

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 Cachin (1998)’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, WaveRNN, and Image Transformer as communication channels. We find that the minimum entropy coupling-based approach achieves 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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