Contributions to Audio Steganography : Algorithms and Robustness Analysis

par Fatiha Djebbar

Thèse de doctorat en Traitement du signal et des images

Sous la direction de Habib Hamam et de Karim Abed Meraim.

Soutenue le 23-01-2012

à Brest , dans le cadre de École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère) , en partenariat avec Emirats arabes unis. Université (établissement d'accueil) et de Télécom ParisTech (établissement d'accueil) .

  • Titre traduit

    Contributions à la stéganographie audio : algorithmes et analyse de robustesse


  • Résumé

    La stéganographie numérique est une technique récente qui a émergé comme une source importante pour la sécurité des données. Elle consiste à envoyer secrètement et de manière fiable des informations dissimulées et non pas seulement à masquer leur présence. Elle exploite les caractéristiques des fichiers médias numériques anodins, tels que l’image, le son et la vidéo,et les utilise comme support pour véhiculer des informations secrète d’une façon inaperçue. Les techniques de cryptage et de tatouage sont déjà utilisées pour résoudre les problèmes liés à la sécurité des données. Toutefois,l’évolution des tentatives d’interception et de déchiffrement des données numériques nécessitent de nouvelles techniques pour enrayer les tentatives malveillantes et d’élargir le champ des applications y associées. L’objectif principal des systèmes stéganographiques consiste à fournir de nouveaux moyens sécurisés, indétectables et imperceptibles pour dissimuler des données.La stéganographie est utilisée sous l’hypothèse qu’elle ne sera pas détectée si personne n’essaye de la découvrir. Les techniques récentes destéganographie ont déjà été employées dans diverses applications. La majorité de ces applications ont pour objectif d’assurer la confidentialité des données.D’autres par contre sont utilisées malicieusement. L’utilisation de la stéganographie à des fins criminelles, de terrorisme, d’espionnage ou de piraterie constitue une menace réelle. Ces tentatives malveillantes de communiquer secrètement ont récemment conduit les chercheurs à inclure une nouvelle branche de recherche: la stéganalyse, pour contrer les techniques stéganographique. L’objectif principal de la stéganalyse est de détecter la résence potentielle d’un message dissimulé dans un support numérique et ne considère pas nécessairement son extraction. La parole numérique constitue un terrain de prédilection pour dissimuler des données numériques. En effet, elle est présente en abondance grâce aux technologies de télécommunications fixes ou mobiles et aussi à travers divers moyens de stockage de l’audio numérique. Cette thèse étudie la stéganographie et la stéganalyse utilisant la voix numérisée comme support et vise à (1) présenter un algorithme qui répond aux exigences des systèmes stéganographiques reliées à la capacité élevée, l’indétectabilité et l’imperceptibilité des données dissimulées, (2) le contrôle de la distorsion induite par le processus de dissimulation des données (3) définir un nouveau concept de zones spectrales dans le domaine de Fourier utilisant et l’amplitude et la phase (4) introduire un nouveau algorithme de stéganalyse basé sur les techniques de compression sans pertes d’information à la fois simple et efficace. La performance de l’algorithme stéganographique est mesurée par des méthodes d’évaluation perceptuelles et statistiques. D’autre part, la performance de l’algorithme de stéganalyse est mesurée par la capacité du système à distinguer entre un signal audio pur et un signal audio stéganographié. Les résultats sont très prometteurs et montrent des compromis de performance intéressants par rapport aux méthodes connexes. Les travaux futurs incluent essentiellement le renforcement de l’algorithme de stéganalyse pour qu’il soit en mesure de détecter une faible quantité de données dissimulées. Nous planifions également l’intégration de notre algorithme de stéganographie dans certaines plateformes émergentes telles que l’iPhone. D’autres perspectives consistent à améliorer l’algorithme stéganographique pour que les données dissimulées soit résistantes au codage de la parole, au bruit et à la distorsion induits parles canaux de transmission.


  • Résumé

    Digital steganography is a young flourishing science emerged as a prominent source of data security. The primary goal of steganography is to reliably send hidden information secretly, not merely to obscure its presence. It exploits the characteristics of digital media files such as: image, audio, video, text by utilizing them as carriers to secretly communicate data. Encryption and watermarking techniques are already used to address concerns related to datasecurity. However, constantly-changing attacks on the integrity of digital data require new techniques to break the cycle of malicious attempts and expand the scope of involved applications. The main objective of steganographic systems is to provide secure, undetectable and imperceptible ways to conceal high-rate of data into digital medium. Steganography is used under the assumption that it will not be detected if no one is attempting to uncover it. Steganography techniques have found their way into various and versatile applications. Some of these applications are used for the benefit of people others are used maliciously. The threat posed by criminals, hackers, terrorists and spies using steganography is indeed real. To defeat malicious attempts when communicating secretly, researchers’ work has been lately extended toinclude a new and parallel research branch to countermeasure steganagraphy techniques called steganalysis. The main purpose of steganalysis technique is to detect the presence or not of hidden message and does not consider necessarily its successful extraction. Digital speech, in particular, constitutes a prominent source of data-hiding across novel telecommunication technologies such as covered voice-over-IP, audio conferencing, etc. This thesis investigatesdigital speech steganography and steganalysis and aims at: (1) presenting an algorithm that meets high data capacity, undetectability and imperceptibility requirements of steganographic systems, (2) controlling the distortion induced by the embedding process (3) presenting new concepts of spectral embedding areas in the Fourier domain which is applicable to magnitude and phase spectrums and (4) introducing a simple yet effective speech steganalysis algorithm based on lossless data compression techniques. The steganographic algorithm’s performance is measured by perceptual and statistical evaluation methods. On the other hand, the steganalysis algorithm’s performance is measured by how well the system can distinguish between stego- and cover-audio signals. The results are very promising and show interesting performance tradeoffs compared to related methods. Future work is based mainly on strengthening the proposed steganalysis algorithm to be able to detect small hiding capacity. As for our steganographic algorithm, we aim at integrating our steganographic in some emerging devices such as iPhone and further enhancing the capabilities of our steganographic algorithm to ensure hidden-data integrity under severe compression, noise and channel distortion.

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