an lise forense de documentos digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · •...

84
Prof. Dr. Anderson Rocha [email protected] http://www.ic.unicamp.br/~rocha Reasoning for Complex Data (RECOD) Lab. Institute of Computing, Unicamp Av. Albert Einstein, 1251 - Cidade Universitária CEP 13083-970 • Campinas/SP - Brasil Análise Forense de Documentos Digitais

Upload: doandieu

Post on 19-Jun-2018

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

Prof. Dr. Anderson [email protected]

http://www.ic.unicamp.br/~rocha

Reasoning for Complex Data (RECOD) Lab.Institute of Computing, Unicamp

Av. Albert Einstein, 1251 - Cidade UniversitáriaCEP 13083-970 • Campinas/SP - Brasil

Análise Forense deDocumentos Digitais

Page 2: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

Organização

Page 3: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Avisos

‣ Aulas

• Slides em Inglês

• Apresentados previamente no IEEE CVPR Workshop on Vision of the Unseen (WVU), 2008, Anchorage, Alaska

3

Page 4: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Organização

‣ Mascaramento de Informações (Information Hiding)

‣ Esteganografia & Esteganálise (Steganography & Steganalysis)

4

Page 5: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Steganography and Steganalysis: past, present, and future

Institute of ComputingUniversity of Campinas (Unicamp)

CEP 13084-851, Campinas, SP - Brazil

Anderson [email protected]

5

Page 6: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Summary

‣ Steganography

• LSB insertion/modification

• FFTs and DCTs

‣ How to improve security

6

Page 7: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Summary

‣ Steganalysis

• Aural

• Structural

• Statistical

7

Page 8: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Summary

‣ Freely available tools and software

‣ Open research topics

‣ Conclusions and remarks

8

Page 9: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Steganography

9

Page 10: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Hiding scenario

+ =

10

Page 11: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Steganography

‣ Computer Vision and Image Processing techniques

‣ Mostly based on replacing a noise component

11

Page 12: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Steganography

‣ What are the problems of noise embedding?

• Compression

• Filtering

• Conversions

‣ MSB-based techniques

12

Page 13: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

LSB insertion/modificationSteganography techniques

13

Page 14: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

LSB insertion/modificationSteganography techniques

14

Page 15: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

FFTs and DCTs based

1. Least significant coefficients

• JSteg and Outguess

2. Block tweaking

3. Coefficient selection

4. Wavelets

Steganography techniques

15

Page 16: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

FFTs and DCTs based

DCT and FFT general algorithm

Steganography techniques

1. Splitting. Split up the image into 8x8 blocks.

2. Transformation. Transform each block via a DCT/FFT.

3. Compression stage 1. Use a quantizer to round the coefficients.

4. Compression stage 2. Use a Huffman encoding scheme or similar to further compress the streamlined coefficients.

5. Decompressing. Use inverse DCT/FFT to decompress.

16

Page 17: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

FFTs and DCTs

‣ JSteg

• Sequentially replaces LSB of DCT/FFT coefficients

• Does not use shared key

• What is its main problem?

Steganography techniques

17

Page 18: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

FFTs and DCTsSteganography techniques

Require: message M, cover image I; 1: JSteg(M,I) 2: while M != NULL do 3: get next DCT coefficient from I 4: if DCT != 0 and DCT != 1 then 5: b = next bit from M 6: replace DCT LSB with message bit b 7: M = M - b 8: end if 9: Insert DCT into stego image S10: end while11: return S12: end procedure

JSteg general algorithm

18

Page 19: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

FFTs and DCTs

‣ Outguess

• Improvement over JSteg

• PRNG

• Statistical profiling

Steganography techniques

19

Page 20: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Require: message M, cover image I, shared key k; 1: Outguess(M,I, k) 2: Initialize PRNG with the shared key k 3: while M != NULL do 4: get pseudo-random DCT coefficient from I 5: if DCT != 0 and DCT != 1 then 6: b = next bit from M 7: replace DCT LSB with message bit b 8: M = M - b 9: end if10: Insert DCT into stego image S11: end while12: return S13: end procedure

FFTs and DCTsSteganography techniques

Outguess general algorithm

20

Page 21: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

FFTs and DCTs

2. Block tweaking

• DCT/FFT’s quantizer stage

• Keeps down distortions

• Vulnerable to noise

• Low-capacity embedding

Steganography techniques

21

Page 22: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

FFTs and DCTs

‣ Coefficient selection

• Selects k largest DCT/FFT coefficients

• Use a function f that considers the required strength of the embedding process

Steganography techniques

is the bit you want to embed in the coefficient !i

required strength

22

Page 23: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

FFTs and DCTs

‣ Wavelets

• DCT/FFT transformations are not effective at higher-compression levels

• Possibility to embed in the high-frequency

• Embedding in the quantization stage

Steganography techniques

23

Page 24: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

How to improve security

‣ Kerckhoff’s Principle

‣ Destruction of the original

‣ Statistical profiling

Steganography techniques

24

Page 25: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

How to improve security

‣ Structural profiling

‣ Split the information

‣ Compaction

Steganography techniques

25

Page 26: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Steganalysis

26

Page 27: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Steganalysis

‣ Detection of hidden messages

‣ Early approaches focused on detection

‣ Next step: recovery

27

Page 28: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Steganalysis

‣ Steganalysis attacks

1. Aural

2. Structural

3. Statistical

28

Page 29: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Analysis

‣ An L-bit color channel represent 2L possible values

‣ Split in 2L-1 pairs differing in the LSBs only

‣ All possible patterns of neighboring bits for the LSBs

Statistical Steganalysis

A. Westfeld and A. Pfitzmann. Attacks on Steganographic Systems. IHW 1999. 29

Page 30: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

‣ What if we use all available LSBs?

‣ Expected frequency vs observed one

‣ Expected frequency is not available

‣ In the original the EF is the arithmetical mean in each PoV

AnalysisStatistical Steganalysis

30

Page 31: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

‣ The embedding affects only the LSBs

‣ Arithmetical mean remains the same in each PoV

‣ to detect hidden messages

AnalysisStatistical Steganalysis

31

Page 32: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

‣ Probability of hiding

AnalysisStatistical Steganalysis

32

Page 33: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

‣ Only detects sequential messages

‣ The threshold value for detection may be quite distinct for different images

‣ Low-order statistics

AnalysisStatistical Steganalysis

33

Page 34: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

RS Analysis (RS)

‣ Analysis of the LSB loss-less embedding capacity

‣ The LSB plane is correlated with other bit planes

‣ Simulates artificial new embeddings

Statistical Steganalysis

J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography in Color and Grayscale Images. IEEE Multimedia, vol. 8, n. 4, pp. 22-28, 2001. 34

Page 35: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

‣ Let I be the image with WxH pixels

‣ Pixel values in P = {1...255}

‣ Divide I in G disjoint groups of n adjacent pixels (e.g., n = 4)

RS Analysis (RS)Statistical Steganalysis

35

Page 36: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

‣ Define a discriminant function to classify the G groups

RS Analysis (RS)Statistical Steganalysis

36

Page 37: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

‣ Flipping invertible function

‣ Shifting invertible function

‣ Identity function

RS Analysis (RS)Statistical Steganalysis

37

Page 38: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

RS Analysis (RS)

‣ Define a mask M = {-1,0,1}

‣ The mask defines which function to apply

‣ The mask’s compliment is -M

Statistical Steganalysis

38

Page 39: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

‣ Apply the functions over the groups for M and -M masks. Classify them as

• Regular.

• Singular.

• Unusable.

RS Analysis (RS)Statistical Steganalysis

39

Page 40: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

‣ It holds that

‣ Statistical hypothesis

RS Analysis (RS)Statistical Steganalysis

40

Page 41: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Gradient Energy Flipping Rate (GEFR)

‣ Gradient of an unidimensional signal

‣ The I(n)’s GE is

Statistical Steganalysis

L. Zhi, S. Fen, and Y. Xian. An LSB Steganography detection algorithm. Intl. Symposium on Personal, Indoor, Mobile Radio Communication, 2003 41

Page 42: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

‣ After hiding a signal S(n) in the original signal, I(n) becomes I’(n) and the gradient becomes

Gradient Energy Flipping Rate (GEFR)Statistical Steganalysis

r(n) = I(n) ! I(n ! 1)= (I(n) + S(n)) ! (I(n ! 1) + S(n ! 1))= r(n) + S(n) ! S(n ! 1)

42

Page 43: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

‣ After any kind of embedding GE’ becomes

Gradient Energy Flipping Rate (GEFR)Statistical Steganalysis

43

Page 44: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Gradient Energy Flipping Rate (GEFR)

‣ To perform the detection, define a function to simulate new embeddings

Statistical Steganalysis

44

Page 45: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

1. Find the test image’s

2. Apply F over the test image and calculate

3. Find

4. GE(0) is based on

5. Find the message’s estimated size

Gradient Energy Flipping Rate (GEFR)Statistical Steganalysis

GEFR general algorithm

45

Page 46: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

High-order Statistical analysis

‣ Natural images have regularities

‣ They can be detected with high-order statistics

‣ Use QMF decomposition for multi-scale analysis

Statistical Steganalysis

S. Lyu and H. Farid. Detecting Hidden Messages Using Higher-order Statistics and Support Vector Machines. IHW 2002. 46

Page 47: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

High-order Statistical analysisStatistical Steganalysis

QMF decomposition

47

Page 48: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

High-order Statistical analysis

‣ Let Vi(x,y), Hi(x,y), and Di(x,y) be the vertical, horizontal, and diagonal sub-bands for a given scale i = {1,...n}

‣ Statistical model composed by Mean, Variance, Skewness, and Kurtosis

‣ Basic coefficients distribution

Statistical Steganalysis

48

Page 49: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

High-order Statistical analysis

‣ Second set of statistics

• Errors on an optimal linear predictor of coefficient magnitude

• Spatial, orientation, and scale neighborhood

Statistical Steganalysis

49

Page 50: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

‣ For instance: errors for all neighbors in the vertical sub-band at scale i

‣ wk denotes scalar weighting values

High-order Statistical analysisStatistical Steganalysis

w4Vi(x, y + 1) + w5Vi+1(x

2,y

2) + w6Di(x, y) + w7Di+1(

x

2,y

2)

Vi(x, y) = w1Vi(x ! 1, y) + w2Vi(x + 1, y) + w3Vi(x, y ! 1)+

50

Page 51: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

High-order Statistical analysis

‣ Quadratic minimization of the error function

‣ V is a column vector of magnitude coefficients

‣ Q is the magnitude neighbors’ coefficients

Statistical Steganalysis

51

Page 52: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

‣ Minimization through differentiation wrt w

‣ Calculate wk using the linear predictor log error

High-order Statistical analysisStatistical Steganalysis

52

Page 53: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

High-order Statistical analysis

‣ 12(n-1) basic statistics

‣ 12(n-1) error statistics

‣ 24(n-1) feature vector

Statistical Steganalysis

53

Page 54: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

High-order Statistical analysis

‣ Supervised learning

‣ Training set of stego and clean images

‣ LDA and SVMs

Statistical Steganalysis

54

Page 55: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Image Quality Metrics (IQMs)

‣ Often used for

• Coding artifact evaluation

• Performance prediction of vision algorithms

• Quality loss due to sensor inadequacy

Statistical Steganalysis

I. Avcibas, N. Memon, B. Sankur. Steganalysis using image quality metrics. TIP vol. 12, n. 2, pp. 221-229, 2003. 55

Page 56: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Image Quality Metrics (IQMs)

‣ IQMs

‣ Multivariate regression analysis (ANOVA)

‣ Exploits Steganographic schemes artifacts

Statistical Steganalysis

56

Page 57: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Image Quality Metrics (IQMs)

‣ IQMs

1. Mean absolute error

2. Czekznowski correlation

3. Image fidelity

4. HVS error

5. etc

Statistical Steganalysis

57

Page 58: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Image Quality Metrics (IQMs)Statistical Steganalysis

!

"

"

"

#

"

"

"

$

y1 = !1x11 + !2x12 + . . . + !qx1q + "1y2 = !2x21 + !2x22 + . . . + !qx2q + "2

.

.

.

yN = !nxn1 + !2x12 + . . . + !qxnq + "n,

‣ Training set of stego and clean images

‣ ANOVA

58

Page 59: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Progressive Randomization (PR)

‣ It captures the differences between image classes

‣ Statistical artifacts inserted during the hiding process

Statistical Steganalysis

A. Rocha and S. Goldenstein. Progressive Randomization for Steganalysis. IEEE MMSP, 2006. 59

Page 60: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Progressive Randomization (PR)

‣ Four stages

1. Randomization process

2. Feature regions selection

3. Statistical descriptors analysis

4. Invariance

Statistical Steganalysis

60

Page 61: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Progressive Randomization (PR)

‣ The idea behind PR

‣ Let X be a Bernoulli RV

‣ Transformation T(I,p)

Statistical Steganalysis

L(pxi) = pixel’s LSBbi = bit to be hiddenS = Random set of pixelsp = percentage of S

61

Page 62: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Progressive Randomization (PR)Statistical Steganalysis

Require: Input image I; Percentage P = {Pi, ... ,Pn}; 1: Randomization: perform n LSB pixel disturbances on I

2: Region selection: select r feature regions of each image

3: Statistical descriptors: calculate m descriptors for each region

4: Invariance: normalize the descriptors based on I

i ! {Oi}i=0...n

{Oij} i = 0 . . . n,

j = 1 . . . r.

= {O01, . . . , Onr}.

{dijk} = {dk(Oij)} i = 0 . . . n,j = 1 . . . r,k = 1 . . . m.

F = {fe}e=1...n!r!m =

!

dijk

d0jk

"

i = 0 . . . n,j = 1 . . . r,k = 1 . . . m.

{Oi}i=0...n. = {I, T (I, P1), . . . , T (I, Pn)}

Progressive Randomization algorithm

62

Page 63: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Progressive Randomization (PR)

‣ Randomization stage

• It simulates new embeddings

• n = 6

• P = {1%,5%,10%,25%,50%,75%} of the LSBs

Statistical Steganalysis

63

Page 64: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Progressive Randomization (PR)

‣ Statistical descriptors stage

• Ueli Maurer that measures randomness

Statistical Steganalysis

64

Page 65: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Progressive Randomization (PR)Statistical Steganalysis

65

Page 66: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Progressive Randomization (PR)

‣ Invariance stage

• The variation rate is more interesting

• Normalize all transformation’s result (T1...Tn) wrt. T0

Statistical Steganalysis

66

Page 67: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Progressive Randomization (PR)

‣ Classification stage

• Training set of stego and clean images

• Supervised learning

• |M| = 25% (~13% changed LSBs) > 90% accuracy (SVMs)

Statistical Steganalysis

67

Page 68: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Progressive Randomization (PR)Statistical Steganalysis

68

Page 69: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Software and tools

69

Page 70: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Software and tools

‣ EzStego

‣ Stego Online

‣ Mandelsteg

‣ Stealth

70

Page 71: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Software and tools

‣ White Noise

‣ S-Tools

‣ Hide and Seek

‣ JSteg

‣ Outguess

71

Page 72: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

CamaleãoSoftware and Tools

www.ic.unicamp.br/~rocha/sci/stego

72

Page 73: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Interesting research topics

73

Page 74: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Open research topics

‣ Images are subjected to many operations

• Translation, rotation, shear

• Blurring, filtering, lossy compression

• Printing, rescanning, conversion

Steganography

74

Page 75: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Open research topics

‣ Designing of robust IH techniques

• Robustness to geometrical attacks

• Embeddings in regions with richness of details

Steganography

75

Page 76: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Open research topics

‣ Good IQMs

‣ Public key systems

‣ Multiple embeddings with no interference

Steganography

76

Page 77: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Open research topics

‣ Blind detection

‣ Very small embedding detection

‣ Adaptive techniques

‣ Hidden content recovery

Steganalysis

77

Page 78: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Conclusions

78

Page 79: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Conclusions

‣ Steganography and Steganalysis overview

‣ IH embedding and detection techniques

‣ Open research topics

79

Page 80: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Conclusions

‣ Data hiding has passed its period of hype

‣ Public fear created by mainstream press reports

‣ Laws against IH techniques dissemination

80

Page 81: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais

Conclusions

‣ Nowadays...

• Steganography and Steganalysis are mature disciplines

• Applications

• Research opportunities

81

Page 82: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais 82

Conclusions

...

Page 83: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

A. Rocha, 2010 – Análise Forense de Documentos Digitais 83

Steg in real world

Page 84: An lise Forense de Documentos Digitaisrocha/teaching/2010s2/mo815/aulas/aula-18-steg... · • Slides em Inglês ... J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du. Detecting LSB Steganography

Obrigado!