Multimedia forensics: analisi dei dati multimediali per autenticità e integrità

Multimedia Forensics: Lezione 1

Lezione 1 07/10/2024

Digital forensics è un ramo della scienza forense che comprende il recupero, l'indagine e l'analisi di materiale digitale.

• Computer forensics > si concentra sul recupero e l'analisi dei dati da supporti di memorizzazione digitale (recuperare dati protetti da password, o recuperare un file cancellato)
• Network forensics > si occupa del monitoraggio dell'analisi del traffico di rete, ai fini della raccolta di informazioni ed elementi di prova.
• Multimedia forensics > si occupa dell'analisi di dati multimediali al fine di stabilirne l'autenticità e l'integrità.

↓ Per dato multimediale intendiamo: audio, immagini, video. A sua volta si divide in:

• Source identification Si occupa di analizzare l'autenticità del dato ponendosi la domanda "qual è l'origine del dato multimediale?" L'identificazione di sorgente può essere molto utile per molteplici finalità nell'ambito di un'indagine, per esempio può essere usata per:
  • Risolvere casi di violazione del copyright;
  • Risalire a chi ha scattato /registrato foto/video ricattatorie;
  • Identificare un telefono rubato;
  • Cercare l'autenticità di una foto/video usato come prova.
  L'identificazione di sorgente può essere affrontata a diverse granularità Ívne Brand Mode Device -LANG JOUOL Pore THỊ Image Source Identification Granularity Increases
• Integry detection Si occupa di analizzare l'integrità (se una foto è stata alterata) del dato ponendosi la domanda "il dato multimediale è stato manipolato?" (real/fake)
  • Un malintenzionato può alterare un dato multimediale per commettere frodi assicurative, ricattare persone o alterare prove.
  • Le manipolazioni ben realizzate non sono rilevabili con una semplice ispezione del contenuto del dato multimediale. Per questo è importante l'utilizzo di strumenti software appositi
  • Immagini, audio e video sono spesso usate per avvalorare notizie. Ovviamente, contenuti multimediali modificati possono servire a manipolare le opinioni, ma anche ad attaccare la credibilità di determinate persone. (le fake news che troviamo sui giornali)

Detection vs Localization

• Forgery detection > se il dato multimediale è stato modificato oppure no;
• Forgery localization > punta a localizzare la manipolazione.

Intelligenza artificiale per manipolare

In passato, realizzare una manipolazione realistica richiedeva tempo, l'intelligenza artificiale ha permesso di fare manipolazione molto veloci. Con gli strumenti basati sull'intelligenza artificiale si possono anche generare immagini da zero fornendo solo una breve descrizione testuale. Si tratta di immagini generate dal nulla, non è stata apportata nessuna modifica.Local synthetic manipulation > Sempre con gli strumenti basati sull'Intelligenza Artificiale si può anche generale solo una zona dell'immagine. Questa funzionalità è anche integrata in Adobe Photoshop. Sempre con gli strumenti basati sull'Intelligenza Artificiale si può anche generale solo una zona dell'immagine. Con gli strumenti basati sull'Intelligenza Artificiale, si possono realizzare modifiche video realistiche delle facce:

• Face-swapping: il volto del video sorgente è scambiato nel video di destinazione;
• Facial reenactment: l'espressione del video sorgente viene trasferita al video di destinazione.

Differenze tra ANALOGICO e DIGITALE

• Analogico: la parola deriva da analogia, una cosa nata da un'altra, in tutti i dispositivi analogici c'è qualcosa che cambia in base a qualcos'altro (indica che qualcosa cambia analogamente ad un'altra);
• Digitale: caratterizzato da un display con delle cifre;

Esempi analogico:

• In una bilancia analogica, la posizione dell'indicatore cambia analogamente alla quantità di massa che si pone sulla bilancia.
• In un termometro analogico, il livello di mercurio cambia analogamente alla temperatura della stanza.
• I solchi del vinile hanno un andamento irregolare che seguono analogamente l'andamento del suono che si è registrato.
• Quando la pellicola viene sottoposta ad un'esposizione controllata di luce attraverso l'obiettivo di una fotocamera, si imprime su di essa un'immagine analoga alla scena ripresa.

In un telefono analogico: il segnale elettrico fornito da un microfono ha un andamento analogo alla pressione sonora su di esso. Il segnale elettrico viene trasmesso da un telefono all'altro telefono tramite un sistema di comunicazione elettrica (cavi e interconnessioni). L'altoparlante riproduce un'onda sonora analoga al segnale elettrico fornito.

suono suono

Ps

cavo elettrico

cavo elettrico

Ps

Ps

VA

Comunicazione Elettrica

Ps A

t

t

t

t

Il segnale analogico è un segnale continuo. Il segnale è una qualsiasi grandezza fisica che varia nel tempo o nello spazio.DIGITALE Il digitale non è continuo, l'etimologia proviene da digit che significa cifra. Possiamo tradurre Digitale con Numerico. Il segnale digitale è una sequenza di numeri interi che codificano in maniera approssimata il segnale naturale.

suono suono

Ps

H

Convertitore analogico-digitale

45,68,51,32,25

Trasmissione Numerica

,45,68,51,32,25

Convertitore digitale-analogico

Ps

Un segnale analogico viene convertito in digitale solitamente attraverso due passi denominati:

1. Il campionamento è il processo mediante il quale un segnale continuo viene convertito in un segnale discreto nel tempo. Ciò significa che invece di considerare il valore del segnale in tutti gli instanti temporali vengono considerati solo alcuni di essi, presi solitamente ad intervalli regolari. I valori del segnale in quegli istanti sono detti campioni. (Prendere il valore della tensione ogni tot di tempo, non considerando tutto il resto).
2. La quantizzazione è il processo mediante il quale il valore del segnale viene approssimato al valore più vicino in un insieme finito di valori (per esempio, all'intero più vicino). Questo processo introduce inevitabilmente un errore, noto come "errore di quantizzazione".

> Disturbi audio: il digitale introduce disturbi all'inizio, però poi è immune.

I vantaggi del digitale

I segnali digitali sono meno suscettibili di quelli analogici al rumore e alle interferenze. Questo ci permette di archiviare e trasmettere i segnali digitali senza distorsioni, mentre quelli analogici sono sempre soggetti a disturbi. I segnali digitali sono facilmente elaborabili (basta un dispositivo capace di fare operazioni numeriche come un computer) mentre i segnali analogici necessitano di appositi dispositivi per l'elaborazione e non tutte le elaborazioni sono possibili. L'unico vantaggio dell'analogico è di replicare il segnale naturale senza errori, mentre i segnali digitali sono inevitabilmente affetti dall'errore di quantizzazione. Tuttavia, un sistema digitale può essere progettato in modo che questo errore sia così piccolo da non essere percepibile dall'uomo.

Rappresentazione Binaria dei Numeri

I segnali digitali sono elaborabili da computer capaci di fare più di un miliardo di operazioni numeriche elementari (addizioni e moltiplicazioni) al secondo. Mentre noi rappresentiamo i numeri in decimale (usando dieci simboli), i computer utilizzano la rappresentazione binaria (con solo due simboli 0 e 1).

Decimale Romano Binario 0 000 1 - 001 2 = 010 3 011 4 IV 100 5 V 101 6 VI 110 7 VII 111

BIT & BYTE

Il termine "BIT" è un'abbreviazione di "binary digit", cioè, cifra binaria. Quindi con numero di bit intendiamo il numero di cifre binarie a disposizione.

bit 00110101

byte (8-bits)

Con un solo bit (una solo cifra binaria) a disposizione possiamo rappresentare solo due differenti numeri (0 o 1). Con 3 bit possiamo rappresentare 8 differenti numeri. Con 6 bit possiamo rappresentare 64 differenti numeri. Con N bit possiamo rappresentare 2N numeri. Per convenzione un Byte (B) sono 8 bit (otto cifre binarie), quindi con un byte possiamo rappresentare 256 differenti numeri.

IMMAGINE NATURALE

La Vista è la principale fonte di informazione sul mondo esterno, di fatto buona parte della corteccia cerebrale vi è dedicata. Le radiazioni visibili per l'occhio umano sono comprese tra le lunghezze d'onda di circa 380 nm e di circa 780 nm.

IMMAGINE DIGITALE

Le nostre immagini devo essere memorizzate ed elaborate da un computer:

• Il computer archivia ed elabora solo stringhe di bit
• Le immagini devono diventare sequenze di numeri (o di stringhe di bit)
• Digitalizzazione (Da analogico a digitale): Campionamento Quantizzazione Immagine Analogica Immagine Digitale

La digitalizzazione viene fatta dalla macchina fotografica digitale durante l'acquisizione dell'immagine (scatto).

Un'immagine digitale è composta da pixel (picture element) disposti su una griglia quadrata regolare (il pixel è generalmente quadrato). Come abbiamo già detto in precedenza ogni pixel è un numero.

Immagine digitale x(m,n)

x(m,n)

n

m

Pixel

21 1 2

19 21 2

21 21

C

16 13 19

17

• 156 227 112 255 141
• 128 188 255 244 215 208 158 m 1 2 3 and 4 3 1 and 2 4

Se io ho un singolo numero questo è detto scalare se invece ho una sequenza di numeri questo si chiama vettore. Per matrice o griglia di numeri si hanno due dimensioni > abbiamo il numero di righe e di colonne.

RISOLUZIONE SPAZIALE

La risoluzione spaziale indica il numero di pixel in un'immagine e influisce sulla qualità visiva. Immagini ad alta risoluzione hanno più dettagli, mentre immagini a bassa risoluzione risultano più sfocate. La risoluzione su livelli di grigio (profondità di bit), influenza il numero di livelli di grigio e la qualità dell'immagine.

• 8 bit per pixel: Ogni pixel può rappresentare 2^8 = 256 livelli di grigio, dalla tonalità più scura (nero) a quella più chiara (bianco). L'immagine risulta molto dettagliata.
• 4 bit per pixel: Ogni pixel può rappresentare 2^4 = 16 livelli di grigio. La qualità diminuisce rispetto agli 8 bit/pixel, ma l'immagine è ancora riconoscibile.
• 2 bit per pixel: Ogni pixel può rappresentare 2^2 = 4 livelli di grigio. Qui l'immagine è più stilizzata e i dettagli sono molto ridotti.

1024x1024 512x512 256x256 128x128 64x64

1024x1024 256×256 64x64

La riduzione della profondità di bit comporta una perdita di informazioni e una maggiore quantizzazione, con meno variazioni di tonalità disponibili.

↓ 8 bit/pixel 4 bit/pixel 2 bit/pixel

256 livelli di grigio 16 livelli di grigio 4 livelli di grigio

Bit plane slicing

Bit plane slicing > è utile per analizzare l'importanza dei singoli bit e può essere usato, ad esempio, per comprimere o elaborare immagini.

Immagine con 8 bit per pixel

bit 7 bit 6 bit 5 bit 4

8 immagini con 1 bit per pixel

bit 3 bit 2 bit 1 bit 0

n = by . 27 + bg . 26 + by - 2 by - 23 + b2 - 2 + b1 - 22 + bp - 2"

↓ Ogni piano corrisponde a uno dei bit (da bit 7 a bit 0).

• Bit 7: Contiene le informazioni più significative (MSB, most significant bit), che influenzano maggiormente l'immagine. Mostra le aree principali dell'immagine.
• Bit 0: Contiene le informazioni meno significative (LSB, least significant bit), che contribuiscono ai dettagli fini e meno visibili. Ogni piano rappresenta un'immagine binaria, in cui i pixel sono bianchi (1) o neri (0) a seconda del valore del bit corrispondente.