Steganography methods based on sensor noise
Méthodes de stéganographie fondées sur la prise en compte du bruit de capteur
Résumé
The Greek etymology of the term « steganography » is the concatenation of the words « stego »: to keep secret and « graphia »: writing.
Steganography is therefore a term for the science of secret (or discreet) communication. The fundamental characteristic of steganography is by essence that it must be impossible for a detection system to distinguish innocuous objects from those containing a secret message.
Similar to cryptography, whose dual discipline is cryptanalysis to decrypt the encrypted message, steganography also has its dual discipline: steganalysis. The objective of steganalysis is, basically, to detect the presence of a hidden message.
In the context of digital images, the disturbance induced by the embedding of a secret message on its cover image can be defined as the addition of a specific signal. The undetectability of this message will thus be based on the fact that the added signal will not disturb the statistical properties of the initial image (the cover image). It is from this principle that the paradigm of Natural Steganography was born, this one is attached to use a noise inherent to the photographic sensors (the photonic noise) which can be modelled by a normal law distributed independently on each photo-site. The message is thus embedded by imitating this natural noise when capturing a digital image.
Thus the image thus generated (the stego image) has the statistical properties of an anodyne image, which guarantees an important practical security. Work in this field has so far only shown results in the spatial domain.
This manuscript partly presents contributions that extend this method into the JPEG domain by exploiting a very precise image development process. Based on considerations of the independence of some of the DCT coefficients of the image, we have also been able to contribute to the security of classical insertion schemes.
In order to present our work in this manuscript, the basic concepts (steganography, steganalysis, the image development process) are presented through the first two chapters. The first one provides a state of the art in steganography and steganalysis, the next one introduces some concepts on image development.
The three following chapters report on our contributions. Chapter 3 studies the origins of the dependencies between DCT coefficients, introducing a method to model these dependencies using a covariance matrix from which we have obtained an analytical expression.
Chapter 4 exploits the results of chapter 3 to derive an embedding scheme which use this covariance matrix, allowing an embedding which preserves the statistical distribution of sensor noise in the DCT domain, and thus preserving the dependencies between the coefficients of an image.
Finally, based on chapters 3 and 4, the exploitation of the development chain allowed us to develop an approach to secure classical insertion schemes using synchronized modifications.
Our two approaches have shown superior results to the state of the art, allowing in the first case to elaborate a methodology to preserve sensor noise during embedding in the JPEG domain, and opening in the second case possibilities to improve existing schemes so that they generate images less detectable than before.
L’étymologie grecque du terme « stéganographie » est la concaténation des mots « stego »: garder secret et « graphia »: l’écriture.
La stéganographie est donc un terme pour désigner l’art de réaliser une communication secrète (ou discrète). La caractéristique fondamentale de la stéganographie est par essence qu’il doit être impossible pour un système de détection de distinguer les objets anodins de ceux qui contiennent un message secret.
De manière analogue à la cryptographie, dont la discipline duale est la crypt- analyse visant à décrypter le message chiffré, la stéganographie a également sa discipline duale : la stéganalyse. L’objectif de la stéganalyse étant par essence, à minima, de détecter la présence d’un message caché.
Dans le cadre des images digitales on peut définir la perturbation induite par l’insertion d’un message secret sur son image de couverture comme l’ajout d’un signal spécifique, l’indétectabilité de ce message va ainsi reposer sur le fait que le signal ajouté ne va pas perturber les propriétés statistiques de l’image initiale (l’image cover). C’est en partant de ce principe que le paradigme de la Stéganographie Naturelle est née, celle-ci s’attache à utiliser un bruit inhérent aux capteurs photographiques (le bruit photonique) qui peut être modélisé par une loi normale distribuée indépendamment sur chaque photo-site. Le message est ainsi inséré par l’imitation de ce bruit naturel lors de la capture d’une image digitale. De ce fait l’image ainsi générée (l’image stego) dispose des propriétés statistiques d’une image anodine, ce qui garantit une importante sécurité pratique. Les travaux dans ce domaine n’avaient montré jusqu’à présent que des résultats dans le domaine spatial.
Ce manuscrit présente en partie des contributions qui prolongent cette méthode dans le domaine JPEG en exploitant un processus de développement des images très précis. À partir de considérations sur l’indépendance de certains coefficients DCT de l’image, nous avons également pû contribuer à sécuriser des schémas d’insertions classiques.
Pour présenter nos travaux dans ce manuscrit, la présentation des concepts de base (la stéganographie, la stéganalyse, le processus de formation d’une image) est effectuée à travers les deux premiers chapitres. Le premier fournit un état de l’art en stégnographie et en stéganalyse, le suivant introduit des notions sur le de développement des images.
Les trois chapitres qui les suivent font état de nos contributions. Le chapitre 3 étudie l’origines des dépendances entre coefficients DCT, proposant une méthode pour modéliser celles-ci à l’aide d’une matrice de covariance dont nous avons obtenus une expression analytique.
Le chapitre 4 emploit les résultats du chapitre 3 pour dériver un schéma d’insertion utilisant cette matrice de covariance, permettant une insertion préservant la distribution statistique du bruit de capteur dans le domaine DCT, et préservant de ce fait les dépendances entre les coefficients d’une image.
Enfin à la lumière des chapitres 3 et 4, l’exploitation de la chaîne de développe- ment nous a permis d’élaborer une approche de sécurisation de schémas d’insertion classiques en utilisant des modifications synchronisées.
Nos deux approches ont montré des résultats supérieurs à l’état de l’art, permettant dans le premier cas d’expliciter une méthodologie pour préserver le bruit de capteur lors d’une insertion dans le domaine JPEG, et ouvrant dans le deuxième des possibilités d’amélioration de schémas déjà existants afin qu’ils produisent des images moins détectables qu’auparavant.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)