Mesure de l'intégrité d'une image : des modèles physiques aux modèles d'apprentissage profond

Image Integrity Measuring : From Physical Models to Deep Learning Models

• Auteur / Autrice : Boubacar Diallo
• Direction : Christine Fernandez-Maloigne, Pascal Bourdon, Thierry Urruty
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et des images
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM - XLIM / XLIM
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : William Puech
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Fernandez-Maloigne, Pascal Bourdon, Thierry Urruty
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean Martinet, Nicholas Journet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images -- Techniques numériques

Truquage (photographie)

Détection du signal

Réseaux neuronaux (informatique)

Apprentissage profond

Mots clés libres

Identification de modèles de caméra

Détection de falsification d’images

Apprentissage profond

Réseaux de neurones convolutifs

Camera model identification

Image tampering detection

Deep learning

Convolutional neural networks

Image forensic

Résumé

Les images numériques sont devenues un outil de communication visuel puissant et efficace pour transmettre des messages, diffuser des idées et prouver des faits. L’apparition du smartphone avec une grande diversité de marques et de modèles facilite la création de nouveaux contenus visuels et leur diffusion dans les réseaux sociaux et les plateformes de partage d’images. Liés à ce phénomène de création et publication d'images et aidés par la disponibilité et la facilité d’utilisation des logiciels de manipulation d’images, de nombreux problèmes sont apparus allant de la diffusion de contenu illégal à la violation du droit d’auteur. La fiabilité des images numériques est remise en cause que ce soit pour de simples utilisateurs ou pour des professionnels experts tels que les tribunaux et les enquêteurs de police. Le phénomène des « fake news » est un exemple bien connu et répandu d’utilisation malveillante d’images numériques sur les réseaux.De nombreux chercheurs du domaine de la cybersécurité des images ont relevé les défis scientifiques liés aux manipulations des images. De nombreuses méthodes aux performances intéressantes ont été développées basées sur le traitement automatique des images et plus récemment l'adoption de l'apprentissage profond. Malgré la diversité des techniques proposées, certaines ne fonctionnent que pour certaines conditions spécifiques et restent vulnérables à des attaques malveillantes relativement simples. En effet, les images collectées sur Internet imposent de nombreuses contraintes aux algorithmes remettant en question de nombreuses techniques de vérification d’intégrité existantes. Il existe deux particularités principales à prendre en compte pour la détection d'une falsification : l’une est le manque d'informations sur l'acquisition de l'image d'origine, l'autre est la forte probabilité de transformations automatiques liées au partage de l'image telles que la compression avec pertes ou le redimensionnement.Dans cette thèse, nous sommes confrontés à plusieurs de ces défis liés à la cybersécurité des images notamment l’identification de modèles de caméra et la détection de falsification d’images. Après avoir passé en revue l'état de l'art du domaine, nous proposons une première méthode basée sur les données pour l’identification de modèles de caméra. Nous utilisons les techniques d’apprentissage profond basées sur les réseaux de neurones convolutifs (CNN) et développons une stratégie d’apprentissage prenant en compte la qualité des données d’entrée par rapport à la transformation appliquée. Une famille de réseaux CNN a été conçue pour apprendre les caractéristiques du modèle de caméra directement à partir d’une collection d’images subissant les mêmes transformations que celles couramment utilisées sur Internet. Notre intérêt s'est porté sur la compression avec pertes pour nos expérimentations, car c’est le type de post-traitement le plus utilisé sur Internet. L’approche proposée fournit donc une solution robuste face à la compression pour l’identification de modèles de caméra. Les performances obtenues par notre approche de détection de modèles de caméra sont également utilisées et adaptées pour la détection et la localisation de falsification d’images. Les performances obtenues soulignent la robustesse de nos propositions pour la classification de modèles de caméra et la détection de falsification d'images.

Digital images have become a powerful and effective visual communication tool for delivering messages, diffusing ideas, and proving facts. The smartphone emergence with a wide variety of brands and models facilitates the creation of new visual content and its dissemination in social networks and image sharing platforms. Related to this phenomenon and helped by the availability and ease of use of image manipulation softwares, many issues have arisen ranging from the distribution of illegal content to copyright infringement. The reliability of digital images is questioned for common or expert users such as court or police investigators. A well known phenomenon and widespread examples are the "fake news" which oftenly include malicious use of digital images.Many researchers in the field of image forensic have taken up the scientific challenges associated with image manipulation. Many methods with interesting performances have been developed based on automatic image processing and more recently the adoption of deep learning. Despite the variety of techniques offered, performance are bound to specific conditions and remains vulnerable to relatively simple malicious attacks. Indeed, the images collected on the Internet impose many constraints on algorithms questioning many existing integrity verification techniques. There are two main peculiarities to be taken into account for the detection of a falsification: one is the lack of information on pristine image acquisition, the other is the high probability of automatic transformations linked to the image-sharing platforms such as lossy compression or resizing.In this thesis, we focus on several of these image forensic challenges including camera model identification and image tampering detection. After reviewing the state of the art in the field, we propose a first data-driven method for identifying camera models. We use deep learning techniques based on convolutional neural networks (CNNs) and develop a learning strategy considering the quality of the input data versus the applied transformation. A family of CNN networks has been designed to learn the characteristics of the camera model directly from a collection of images undergoing the same transformations as those commonly used on the Internet. Our interest focused on lossy compression for our experiments, because it is the most used type of post-processing on the Internet. The proposed approach, therefore, provides a robust solution to compression for camera model identification. The performance achieved by our camera model detection approach is also used and adapted for image tampering detection and localization. The performances obtained underline the robustness of our proposals for camera model identification and image forgery detection.