Information-Theoretic Analysis of Security in Side-Informed Data Hiding

In this paper a novel theoretical security analysis will be presented for data hiding methods with side-information, based on Costa's dirty paper scheme. We quantify the information about the secret key that leaks from the observation of watermarked signals, using the mutual information as analytic tool for providing a fair comparison between the original Costa's scheme, Distortion Compensated - Dither Modulation and Spread Spectrum

The role of side information in steganography

Das Ziel digitaler Steganographie ist es, eine geheime Kommunikation in digitalen Medien zu verstecken. Der übliche Ansatz ist es, die Nachricht in einem empirischen Trägermedium zu verstecken. In dieser Arbeit definieren wir den Begriff der Steganographischen Seiteninformation (SSI). Diese Definition umfasst alle wichtigen Eigenschaften von SSI. Wir begründen die Definition informationstheoretisch und erklären den Einsatz von SSI. Alle neueren steganographischen Algorithmen nutzen SSI um die Nachricht einzubetten. Wir entwickeln einen Angriff auf adaptive Steganographie und zeigen anhand von weit verbreiteten SSI-Varianten, dass unser Angriff funktioniert. Wir folgern, dass adaptive Steganographie spieltheoretisch beschrieben werden muss. Wir entwickeln ein spieltheoretisches Modell für solch ein System und berechnen die spieltheoretisch optimalen Strategien. Wir schlussfolgern, dass ein Steganograph diesen Strategien folgen sollte. Zudem entwickeln wir eine neue spieltheoretisch optimale Strategie zur Einbettung, die sogenannten Ausgleichseinbettungsstrategien.The  goal of digital steganography is to hide a secret communication in digital media. The common approach in steganography is to hide the secret messages in empirical cover objects. We are the first to define Steganographic Side Information (SSI). Our definition of SSI captures all relevant properties of SSI. We explain the common usage of SSI. All recent steganographic schemes use SSI to identify suitable areas fot the embedding change. We develop a targeted attack on four widely used variants of SSI, and show that our attack detects them almost perfectly. We argue that the steganographic competition must be framed with means of game theory. We present a game-theoretical framework that captures all relevant properties of such a steganographic system. We instantiate the framework with five different models and solve each of these models for game-theoretically optimal strategies. Inspired by our solutions, we give a new paradigm for secure adaptive steganography, the so-called equalizer embedding strategies

Contribution des filtres LPTV et des techniques d'interpolation au tatouage numérique

Les Changements d'Horloge Périodiques (PCC) et les filtres Linéaires Variant Périodiquement dans le Temps (LPTV) sont utilisés dans le domaine des télécommunications multi-utilisateurs. Dans cette thèse, nous montrons que, dans l'ensemble des techniques de tatouage par étalement de spectre, ils peuvent se substituer à la modulation par code pseudo-aléatoire. Les modules de décodage optimal, de resynchronisation, de pré-annulation des interférences et de quantification de la transformée d'étalement s'appliquent également aux PCC et aux filtres LPTV. Pour le modèle de signaux stationnaires blancs gaussiens, ces techniques présentent des performances identiques à l'étalement à Séquence Directe (DS) classique. Cependant, nous montrons que, dans le cas d'un signal corrélé localement, la luminance d'une image naturelle notamment, la périodicité des PCC et des filtres LPTV associée à un parcours d'image de type Peano-Hilbert conduit à de meilleures performances. Les filtres LPTV sont en outre un outil plus puissant qu'une simple modulation DS. Nous les utilisons pour effectuer un masquage spectral simultanément à l'étalement, ainsi qu'un rejet des interférences de l'image dans le domaine spectral. Cette dernière technique possède de très bonnes performances au décodage. Le second axe de cette thèse est l'étude des liens entre interpolation et tatouage numérique. Nous soulignons d'abord le rôle de l'interpolation dans les attaques sur la robustesse du tatouage. Nous construisons ensuite des techniques de tatouage bénéficiant des propriétés perceptuelles de l'interpolation. La première consiste en des masques perceptuels utilisant le bruit d'interpolation. Dans la seconde, un schéma de tatouage informé est construit autour de l'interpolation. Cet algorithme, qu'on peut relier aux techniques de catégorisation aléatoire, utilise des règles d'insertion et de décodage originales, incluant un masquage perceptuel intrinsèque. Outre ces bonnes propriétés perceptuelles, il présente un rejet des interférences de l'hôte et une robustesse à diverses attaques telles que les transformations valumétriques. Son niveau de sécurité est évalué à l'aide d'algorithmes d'attaque pratiques. ABSTRACT : Periodic Clock Changes (PCC) and Linear Periodically Time Varying (LPTV) filters have previously been applied to multi-user telecommunications in the Signal and Communications group of IRIT laboratory. In this thesis, we show that in each digital watermarking scheme involving spread-spectrum, they can be substituted to modulation by a pseudo-noise. The additional steps of optimal decoding, resynchronization, pre-cancellation of interference and quantization of a spread transform apply also to PCCs and LPTV filters. For white Gaussian stationary signals, these techniques offer similar performance as classical Direct Sequence (DS) spreading. However we show that, in the case of locally correlated signals such as image luminance, the periodicity of PCCs and LPTV filters associated to a Peano-Hilbert scan leads to better performance. Moreover, LPTV filters are a more powerful tool than simple DS modulation. We use LPTV filters to conduct spectrum masking simultaneous to spreading, as well as image interference cancellation in the spectral domain. The latter technique offers good decoding performance. The second axis of this thesis is the study of the links between interpolation and digital watermarking.We stress the role of interpolation in attacks on the watermark.We propose then watermarking techniques that benefit from interpolation perceptual properties. The first technique consists in constructing perceptualmasks proportional to an interpolation error. In the second technique, an informed watermarking scheme derives form interpolation. This scheme exhibits good perceptual properties, host-interference rejection and robustness to various attacks such as valumetric transforms. Its security level is assessed by ad hoc practical attack algorithms