Stéganographie statistique fondée sur un modèle de bruit utilisant la chaine de développement d'image

Statistical Steganography based on a Sensor Noise Model using the Processing Pipeline

• Auteur / Autrice : Quentin Giboulot
• Direction : Patrick Bas, Rémi Cogranne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optimisation et Sûreté des Systèmes
• Date : Soutenance le 14/03/2022
• Etablissement(s) : Troyes
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube)
• Partenaire(s) de recherche : : l’Agence de l’innovation de défense (AID)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Informatique et Société Numérique / LIST3N
• Jury : Président / Présidente : Caroline Fontaine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Bas, Rémi Cogranne, Caroline Fontaine, Teddy Furon, William Puech, Tomas Pevny
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Teddy Furon, William Puech

Mots clés

Mots clés contrôlés

Estimation de paramètres

Traitement du signal

Tests d'hypothèses (statistique)

Cryptographie

Mots clés libres

Cryptographie

Tests d'hypothèses (statistique)

Traitement du signal

Estimation de paramètres

Cryptography

Statistical hypothesis testing

Signal processing

Parameter estimation

Résumé

La stéganographie est la discipline traitant des techniques visant à dissimuler de l'information dans un média de couverture jugé inoffensif. Dans le cadre de ce manuscrit, les médias de couvertures choisis sont des images JPEG. Les schémas stéganographiques basés sur un modèle statistique d'images naturelles présentent un avantage certain par rapport aux schémas basés sur des heuristiques. En effet, ils fournissent un lien direct entre détectabilité théorique et performances empiriques. Cependant, cet avantage dépend de la précision des modèles sous-jacents. Cette précision était insuffisante dans les travaux précédants ce manuscrit. Nous proposons deux contributions principales pour résoudre ce problème. Premièrement, nous dérivons un modèle de bruit prenant en compte le capteur, le réglage ISO et la chaîne de traitement. Cela conduit à un modèle gaussien multivarié du bruit modélisant les dépendances intra et inter-blocs dans les images JPEG. Ensuite, nous concevons une série de schémas stéganographiques exploitant ce modèle de bruit. Ils minimisent ou bornent la puissance du détecteur le plus puissant pour fournir des garanties de sécurité lorque les hypothèses du modèle sont respectées. En particulier, nous montrons que la covariance optimale du signal stégo est proportionnelle à la covariance du bruit de l'image cover. Enfin, nous montrons que ces algorithmes atteignent des performances à l'état de l'art, dépassant largement les algorithmes standard de la stéganographie JPEG.

Steganography is the discipline concerned with techniques designed to embed hidden data into an innocuous cover media. In the case of this manuscript, the cover media of choice are JPEG images. Steganography schemes based on a statistical model of natural images possess a clear advantage against schemes based on heuristics. Indeed, they provide a direct link between theoretical detectability and empirical performance. However, this advantage is dependent on the accuracy of the underlying cover and the stego model. Until the work presented in this manuscript, the available models were not accurate enough for statistical steganography schemes to attain competitive performances in the JPEG domain or to provide security guarantees for natural images. In this manuscript, we propose two main contributions to solve this problem. First, we derive a model of noise in the developed domain which takes into account the camera sensor, ISO setting and the full processing pipeline. This leads to a multivariate Gaussian model of the noise which models intra and inter-block dependencies in JPEG images. Secondly, we design a series of steganographic algorithms leveraging this noise model. They minimize or bound the power of the most powerful detector to provide security guarantees when meeting the model assumptions. In particular, we show that the optimal covariance of the stego signal is proportional to the covariance of the cover noise. Finally, these algorithms are shown to attain state-of-the-art performance, greatly outperforming the standard algorithms in side-informed JPEG steganography.