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Le XXIème siècle étant le siècle du passage au tout numérique, les médias digitaux jouent maintenant un rôle de plus en plus important dans la vie de tous les jours. De la même manière, les logiciels sophistiqués de retouche d’images se sont démocratisés et permettent aujourd’hui de diffuser facilement des images falsifiées. Ceci pose un problème sociétal puisqu’il s’agit de savoir si ce que l’on voit a été manipulé. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la criminalistique des images numériques. Deux problèmes importants sont abordés : l'identification de l'origine d'une image et la détection d'informations cachées dans une image. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre de la théorie de la décision statistique et proposent la construction de détecteurs permettant de respecter une contrainte sur la probabilité de fausse alarme. Afin d'atteindre une performance de détection élevée, il est proposé d'exploiter les propriétés des images naturelles en modélisant les principales étapes de la chaîne d'acquisition d'un appareil photographique. La méthodologie, tout au long de ce manuscrit, consiste à étudier le détecteur optimal donné par le test du rapport de vraisemblance dans le contexte idéal où tous les paramètres du modèle sont connus. Lorsque des paramètres du modèle sont inconnus, ces derniers sont estimés afin de construire le test du rapport de vraisemblance généralisé dont les performances statistiques sont analytiquement établies. De nombreuses expérimentations sur des images simulées et réelles permettent de souligner la pertinence de l'approche proposée The twenty-first century witnesses the digital revolution that allows digital media to become ubiquitous. They play a more and more important role in our everyday life. Similarly, sophisticated image editing software has been more accessible, resulting in the fact that falsified images are appearing with a growing frequency and sophistication. The credibility and trustworthiness of digital images have been eroded. To restore the trust to digital images, the field of digital image forensics was born. This thesis is part of the field of digital image forensics. Two important problems are addressed: image origin identification and hidden data detection. These problems are cast into the framework of hypothesis testing theory. The approach proposes to design a statistical test that allows us to guarantee a prescribed false alarm probability. In order to achieve a high detection performance, it is proposed to exploit statistical properties of natural images by modeling the main steps of image processing pipeline of a digital camera. The methodology throughout this manuscript consists of studying an optimal test given by the Likelihood Ratio Test in the ideal context where all model parameters are known in advance. When the model parameters are unknown, a method is proposed for parameter estimation in order to design a Generalized Likelihood Ratio Test whose statistical performances are analytically established. Numerical experiments on simulated and real images…