Advanced techniques in digital watermarking and data hiding for still images

Abstract

This thesis is titled “Advanced Techniques in Digital Watermarking and Data Hiding for Still Images”. Two close but distinct research areas are related to this thesis. In both areas the main goal is to embed information in a digital image. The main difference between them is the scope of the application. In data hiding the image-carrier is of no importance, while in digital watermarking the image is of crucial importance as well as the message hidden within it. Therefore research in these areas sometimes overlaps and certain characteristics and embedding techniques are found in both fields. A reversible, blind, watermarking scheme which is based on histogram modification was first introduced. The embedded watermark is robust against geometrical attacks but susceptible to compression and filtering attacks. To cope with this kind of attacks our research turned to frequency domain and chaos. This led to a watermarking scheme which is based on a periodic chaotic function for embedding and a correlation method for detection. This novel scheme shows increased robustness against JPEG compression and filtering attacks. The goal was to develop a watermarking scheme robust to all major attacks (i.e. geometrical, filtering and compression attacks) and to cope with the attack of the new compression protocol JPEG2000 which is anticipated to replace the standard JPEG protocol. The combination of virtues of the two former watermarking algorithms led to a hybrid scheme which embeds a watermark both in histogram and frequency domain. The proposed hybrid scheme proved to be robust against geometrical, filtering and compression attacks while it shows increased robustness against JPEG2000 compression protocol. Research in reversible embedding schemes and especially in Difference Expansion (DE) techniques led to a data hiding scheme which uses a novel DE transform. This reversible DE transform embeds two bits of information in each triplet of coefficients and can be applied in spatial or frequency domain. The proposed scheme outperforms all similar DE methods using triplets in terms of computational cost, bitrate and visual quality. Another implementation in image data hiding domain was a DE algorithm that uses consecutive, overlapping pairs, instead of the non-overlapping pairs (used by traditional DE techniques). This implementation outperforms all existing DE schemes, both in terms of capacity and PSNR

Η διατριβή έχει τίτλο «Εξελιγμένες τεχνικές ψηφιακής υδατογραφίας και απόκρυψης πληροφορίας σε ψηφιακές εικόνες» και ασχολείται με δυο συγγενή αλλά διακριτά πεδία έρευνας. Ενώ και στα δύο πεδία έρευνας κύριος στόχος είναι η εισαγωγή πληροφορίας σε ψηφιακές εικόνες, ειδοποιό διαφορά αποτελεί το αντικείμενο της εφαρμογής. Συγκεκριμένα στο πεδίο της απόκρυψης πληροφορίας, η ψηφιακή εικόνα δεν έχει ιδιαίτερη σημασία και είναι απλά φορέας ενός μηνύματος, ενώ κύριο στόχο αποτελεί η μετάδοση του μηνύματος χωρίς να γίνει αντιληπτή η παρουσία του. Αντίθετα στο πεδίο της ψηφιακής υδατογραφίας τόσο η εικόνα όσο και το μήνυμα το οποίο έχει ενσωματωθεί σε αυτήν είναι εξίσου σημαντικά και τα χαρακτηριστικά της μεθόδου υδατογράφησης διαφέρουν πολύ, ανάλογα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής. Τα παραπάνω πεδία έχουν αρκετά κοινά χαρακτηριστικά με αποτέλεσμα η έρευνα σε αυτά πολλές φορές να αλληλεπικαλύπτεται αφού συχνά χρησιμοποιούνται κοινά εργαλεία και τεχνικές. Αρχικά αναπτύχθηκε ένα πλήρως αντιστρεπτό και τυφλό σχήμα υδατογραφίας βασισμένο στην τροποποίηση του ιστογράμματος φωτεινότητας της εικόνας. Το ενσωματωμένο στην εικόνα υδατογράφημα είναι ανθεκτικό σε γεωμετρικές επιθέσεις αλλά αποδεικνύεται ευάλωτο απέναντι σε επιθέσεις συμπίεσης και επιθέσεις φίλτρων. Για την αντιμετώπιση των παραπάνω επιθέσεων η έρευνά μας στράφηκε στο πεδίο συχνοτήτων και το χάος. Αποτέλεσμα ήταν η ανάπτυξη ενός σχήματος υδατογραφίας που βασίζεται σε μια περιοδική χαοτική συνάρτηση για την εισαγωγή του υδατογραφήματος στην εικόνα και σε μια μέθοδο συσχετισμού για την ανίχνευση του υδατογραφήματος. Η προτεινόμενη μέθοδος αποδεικνύεται ιδιαίτερα ανθεκτική απέναντι σε επιθέσεις συμπίεσης και επιθέσεις φίλτρων, αλλά παρουσιάζεται μη ανθεκτική σε γεωμετρικές επιθέσεις. Ο σκοπός της έρευνας ήταν η ανάπτυξη ενός συστήματος υδατογράφησης με χαρακτηριστικά ανθεκτικότητας σε όλες τις κύριες επιθέσεις (γεωμετρικές, συμπίεσης και επιθέσεις φίλτρων) καθώς και η αντιμετώπιση του νέου πρωτοκόλλου συμπίεσης JPEG2000 το οποίο αναμένεται να αντικαταστήσει το ευρέως διαδεδομένο JPEG. Ο συνδυασμός των δύο προαναφερθέντων σχημάτων υδατογράφησης οδήγησε στην ανάπτυξη ενός υβριδικού σχήματος υδατογράφησης που συνδυάζει τις αρετές των δυο μεθόδων και εισάγει ένα υδατογράφημα στο πεδίο συχνοτήτων και ένα υδατογράφημα στο ιστόγραμμα φωτεινότητας της εικόνας. Το προτεινόμενο σχήμα υδατογράφησης αποδείχτηκε ανθεκτικό απέναντι σε επιθέσεις φίλτρων, συμπίεσης και γεωμετρικές επιθέσεις καθώς και σε επιθέσεις συμπίεσης με το νέο πρωτόκολλο συμπίεσης JPEG2000. Η έρευνα σε αντιστρεπτά συστήματα υδατογράφησης και συγκεκριμένα σε τεχνικές επέκτασης διαφοράς (Difference Expansion) οδήγησε σε ένα σχήμα απόκρυψης πληροφορίας το οποίο χρησιμοποιεί μια νέα μέθοδο επέκτασης διαφοράς που εισάγει δύο bit πληροφορίας σε κάθε τριάδα συντελεστών και μπορεί να εφαρμοστεί τόσο στο χωρικό πεδίο όσο και στο πεδίο συχνοτήτων. Το προτεινόμενο αντιστρεπτό σχήμα απόκρυψης πληροφορίας υπερτερεί σε υπολογιστικό κόστος, απόδοση συμπίεσης (bitrate) και ποιότητα εικόνας απέναντι στις άλλες μεθόδους επέκτασης διαφοράς σε τριάδες. Περαιτέρω έρευνα στο πεδίο απόκρυψης πληροφορίας οδήγησε σε έναν αλγόριθμο επέκτασης διαφοράς ο οποίος χρησιμοποιεί επικαλυπτόμενα ζεύγη συντελεστών (σε αντίθεση με τα μη επικαλυπτόμενα ζεύγη που χρησιμοποιούνταν μέχρι τώρα από τις παραδοσιακές τεχνικές επέκτασης διαφοράς) ο οποίος υπερτερεί των υπαρχόντων τεχνικών τόσο σε χωρητικότητα (capacity) όσο και σε ποιότητα εικόνας (PSNR).