Digital image watermarking for copyright protection

Abstract

Robust Watermarking is proposed as an alternative solution to the protection of digital multimedia data copyrights. The main purpose of technology is to discourage the adversaries from reproduction and distribution of copyright data. A compromise among the three conflicting parameters, i.e. robustness, imperceptibility, and capacity of any watermarking system, is achieved by embedding the watermark preferably to the frequency domain. Three novel watermarking systems for the protection of digital images are presented in this thesis. Each one of them can be considered as an improved version of its predecessor. Conventional transforms e.g., Discrete Cosine Transform and Discrete Fourier Transform with better energy compaction with reference to compression technology are not an optimal choice for watermarking. The reason is the availability of little space to embed watermark which is in direct conflict with the basic requirement of watermarking i.e., capacity. Obviously, comparatively lower energy compaction transforms like Discrete Laguerre Transform (DLT) and Discrete Hadamard Transform (DHT) are potential candidates for watermarking. The first presented scheme is based on DLT. The watermark itself is drawn from the Gaussian distribution with zero mean and unit variance. An independent and identically distributed random numbers sequence can be generated with a private key to serve as a watermark. The key is an index to a database records containing copyright information. The watermark is embedded to the near low frequency DLT coefficients. During cross-correlation detection the original unwatermarked image is employed. Original image inclusion in the detection increases the robustness of scheme against most of the attacks including the most devastating geometrical attacks but at the same time making the scheme less practical. Second watermarking scheme have the ability to detect the watermark without consulting the original image. Subband-DLT/DHT is introduced and lower to middle coefficients are selected for embedding. Linear correlation is used in the detection giving a value that is later on compared with a threshold value. A binary decision is made for the detection where in case of detection value is greater than the threshold value declares the watermark presence otherwise not. The scheme is robust against most of the attacks including Stirmark benchmark, provided the distortion parameters are not very high. There are some problems in case of geometrical distortions where the synchronization needs to be retrieved before detection. Finally, a third scheme for color images is presented. It is based on multiple transform embedding, where the color transform and then subband-DHT is applied to find the most suitable space for the color image watermarking. The scheme is adaptive in nature and this adaptivity is achieved by tuning the watermark strength to some suitable PSNR range of values. Watermark is made adaptive to each channel of the color image and thus also considered to be an independent channel watermarking. Moreover, range of color transforms suitable for watermarking are searched; YUV is found to be the best choice, which is a linear and uncorrelated transform. An improved correlation detector is used for detection and unlike previous scheme the detector output is compared against constant threshold value thus an improvement is made by not consulting the watermark strength. The scheme is found to be highly robust in a sense that now we have three watermarks in detector that gives an augmented robustness. In future however, it is possible to couple our techniques with authentication in order to provide complete, secure and robust owner.

Η ανθεκτική υδατογράφηση προτάθηκε σαν μια εναλλακτική λύση για την προστασία των πνευματικών δικαιωμάτων σε ψηφιακά πολυμέσα. Ο βασικός στόχος αυτής της τεχνολογίας είναι η αποτροπή αυτών που επιθυμούν την παράνομη αναπαραγωγή και διάθεση των προστατευμένων δεδομένων. Ο συμβιβασμός ανάμεσα στην ανθεκτικότητα, την μη αντιληπτότητα και την χωρητικότητα ενός συστήματος υδατογράφησης, επιτυγχάνεται με την ενσωμάτωση του κατά προτίμηση στο χώρο των συχνοτήτων. Σε αυτή τη θέση, προτείνονται τρία νέα συστήματα για την προστασία ψηφιακών εικόνων. Κάθε ένα μπορεί να θεωρηθεί σαν βελτιωμένη έκδοση του προηγουμένου. Οι συμβατικοί μετασχηματισμοί σαν το Διακριτό Μετασχηματισμό Συνημίτονου και το Διακριτό Μετασχηματισμό Fourier έχουν πολύ καλή συμπύκνωση ενέργειας για συμπίεση αλλά δεν είναι ιδανικοί για υδατογράφηση. Ο λόγος είναι ο μικρός χώρος που διατίθεται για ενσωμάτωση του υδατογραφήματος, γεγονός που έρχεται σε ευθεία ρήξη με την απαίτηση για μεγάλη χωρητικότητα. Είναι προφανές λοιπόν ότι και άλλοι μετασχηματισμοί με μικρότερη συγκέντρωση ενέργειας σαν το Διακριτό Μετασχηματισμό Laguerre (DLT) και το Διακριτό Μετασχηματισμό Hadamard (DHT) είναι πιθανοί υποψήφιοι για υδατογράφηση. Το πρώτο σχήμα που παρουσιάζουμε βασίζεται στον DLT. Το υδατογράφημα επιλέγεται από μια κατανομή Gauss με μέσο όρο 0 και διασπορά 1. Μια ανεξάρτητη και ιδανικά κατανεμημένη ακολουθία τυχαίων αριθμών που παράγεται από έναν αριθμό «ιδιωτικό κλειδί» λειτουργεί σαν υδατογράφημα. Το κλειδί αποτελεί δείκτη σε μια βάση δεδομένων που περιέχει πληροφορίες πνευματικών δικαιωμάτων. Το υδατογράφημα ενσωματώνεται κοντά στους χαμηλής συχνότητας συντελεστές του DLT. Κατά την ανίχνευση του υδατογραφήματος χρησιμοποιείται και η αυθεντική, μη υδατογραφημένη εικόνα. Η χρήση της αρχικής εικόνας αυξάνει την ανθεκτικότητα του σχήματος ακόμα και στις ιδιαίτερα καταστροφικές γεωμετρικές επιθέσεις αλλά ταυτόχρονα κάνει το σχήμα και μη πρακτικό. Η δεύτερη τεχνική, μπορεί και ανιχνεύει το υδατογράφημα χωρίς τη χρήση της αρχικής εικόνας. Για την ενσωμάτωση χρησιμοποιείται το σχήμα Subband-DLT/DHT και ειδικότερα οι χαμηλής-μέσης συχνότητας συντελεστές. Η γραμμική συσχέτιση χρησιμοποιείται στην ανίχνευση για να δώσει μια τιμή που στη συνέχεια συγκρίνεται με μια τιμή κατωφλιού. Η ανίχνευση επιτυγχάνεται με μια δυαδική απόφαση: αν η τιμή της συσχέτισης είναι μεγαλύτερη της τιμής κατωφλιού, το υδατογράφημα υπάρχει αλλιώς όχι. Η μέθοδος είναι αρκετά ανθεκτική σε πολλές επιθέσεις συμπεριλαμβανομένου και του Stirmark με την προϋπόθεση ότι οι παράμετροι παραμόρφωσης δεν είναι πολύ μεγάλες. Υπάρχουν κάποια προβλήματα με τις γεωμετρικές παραμορφώσεις όπου επιβάλλεται να προηγηθεί συγχρονισμός πριν την ανίχνευση. Τέλος, παρουσιάζεται το τρίτο σχήμα για έγχρωμες εικόνες. Βασίζεται σε πολλαπλή ενσωμάτωση όπου πρώτα γίνεται ένας χρωματικός μετασχηματισμός, ακολουθούμενος από τον Subband DHT, με σκοπό να βρεθεί η καλύτερη περιοχή ενσωμάτωσης. Το σχήμα είναι εκ φύσεως προσαρμοστικό και αυτό επιτυγχάνεται ρυθμίζοντας το σθένος της υδατογράφησης ώστε να επιτυγχάνεται μια επιθυμητή περιοχή PSNR. Το υδατογράφημα προσαρμόζεται σε κάθε κανάλι της έγχρωμης εικόνας και έτσι το σχήμα είναι μέθοδος υδατογράφησης ανεξαρτήτων καναλιών. Επιπλέον, εξετάζονται διάφοροι χρωματικοί μετασχηματισμοί ως προς την καταλληλότητα για υδατογράφηση. Ο YUV φαντάζει ως η καλύτερη επιλογή καθώς είναι γραμμικός και ασυσχέτιστος. Ένας βελτιωμένος ανιχνευτής συσχέτισης χρησιμοποιείται και αντίθετα με τις άλλες φορές, η έξοδος του συγκρίνεται με μια σταθερή τιμή κατωφλιού και δεν χρειάζεται η τιμή σθένους της υδατογράφησης. Το σχήμα είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό καθώς γίνεται ανίχνευση τριών υδατογραφημάτων. Στο μέλλον πάντως, είναι δυνατόν να συνδυάσουμε τις τεχνικές μας με απόδειξη αυθεντικότητας έτσι ώστε να παρέχουμε πλήρη, ασφαλή και ανθεκτική αναγνώριση κατόχου.