English: Contributions to digital watermaring of still images in the wavelet transform
Corina Naforniţă
Scientific advisors: Prof.Dr.Eng. Monica Borda (UTC-N),
Prof.Dr.Eng. Alexandru Isar (UPT)
The thesis make an analysis of copyright protection schemes design for still images using watermarking in the wavelet domain, having 226 pages, 6 chapters, bibliography and a list of my own publications. The first three chapters define the watermarking techniques, review the main results already reported in literature. The chapters 4 and 5 present my original contributions being proposed several architectures of watermarking systems. All the results have already been published in the Proceedings of prestigious national or international conferences. Some af them have been cited by others authors working in the same field. The chapter 6 contains the conclusions and personal contributions. These are refering to: the classification and critical appreciation of the watermarking methods and attacks, the conclusion being that the digital watermaring in the wavelet transform domain is the most promising; where should the watermark be inserted (in the spatial or transform domain) and to to obtain a robust watermark in what resolution levels of DWT (all, low or high resolution) and in what subbands; what detector architecture ensure the best estimete of watermark; how to make perceptual watermarks; how to evaluate robustness of perceptual watermarks. These contributions are:
1. The informed watermarking [NI03] in the diagonal detail subband of the first resolution level selecting the coefficients to be watermarked using experimental tresholds. 2. The informed watermarking [NBK04] in the all resolution levels, using the same method to select the wavelet coefficients. Detection is made from all resolution levels, or from the last resolution level, less affected by common signal processing. 3. A comparison of our method [NBK04] with a quantization based watermarking method – Kundur and Hatzinakos – in the wavelet domain, or the method in the DCT domain – Cox et al. [CKLS97]. In the next proposed method, [NB05], the images watermarked have a lower watermark strength, hence the quality of the images are comparable, our method being superior to the method proposed by Cox et al. 4. For detecting the watermark, we analyze three types of detectors; the third detector, max-correlation, extracts every estimate of the watermark, [Naf05b], and the watermark with highest correlation with the original one is the response of the detector. 5. The third watermarking method with non-blind detector, selects the wavelet coefficients on the basis of a statistical analysis, [NIB05]. As such, fewer coefficients are affected and the watermark is more robust. 6. A new type of perceptual mask is proposed [NIB06a], using a perceptual mask: data can be embedded in all detail wavelet coefficients, with variable watermark energy. The method is more robust while the quality of the watermarked image is superior. 7. An extension of this method is proposed, [NIB06b], which hides the watermark in lower frequency subbands. This makes the watermark more attack resilient. 8. The evaluation of robustness for perceptual watermarks only when invisibility criteria are satisfied, [Naf07a]. 9. The most important contribution is the method [Naf07b], the watermark is inserted in all resolution levels; the robustness of this method is superior to the one presented by Barni et al. and the attack is resilient to the possible erasure of the first level detail subbands. The third method uses three types of detection i) from all resolution levels, ii) separately from each level, max-level, considering the maximum detector response from each level and iii) separately from each subband, max-subband, considering the maximum detector response from each subband. The method is the most attack resilient comparing with [BBP01], given the fact that the insertion is made on all subbands and on all resolution levels and we use the diversity of the wavelet transform in the detection process. The three detectors can be combined to optimize the watermark extracting, being the final result of the thesis.
Romanian: Contribuţii la marcarea transparentă a imaginilor în domeniul transformatei wavelet
Corina Naforniţă
Conducători şt.: Prof.Dr.Ing. Monica Borda (UTC-N), Prof.Dr.Ing. Alexandru Isar (UPT)
Lucrarea analizează construcţia sistemelor de protecţie a drepturilor de autor, la imagini, prin marcare transparentă (watermarking) în domeniul transformatei wavelet, are 226 de pagini, 6 capitole, lista bibliografică, lista publicaţiilor personale. În primele capitole e analizată literatura şi se definesc tehnicile de marcare. Capitolele 4 şi 5 prezintă contribuţiile originale, fiind propuse mai multe arhitecturi de sisteme de marcare transparentă, rezultatele fiind publicate în volumele unor conferinţe internationale prestigioase, din ţară sau străinătate. Unele dintre aceste articole au fost citate de alţi cercetători din domeniu. În capitolul 6 sunt prezentate concluziile şi contribuţiile personale. Ele se referă la: clasificarea şi aprecierea critică a metodelor de marcare transparentă şi a atacurilor, subliniind că marcarea în domeniul transformatei wavelet, mai ales cea adaptivă, este promiţătoare; la modul de plasare al marcajului pentru creşterea robusteţii lui: în domeniul spaţial sau al unei transformate, în care nivel de descompunere al DWT (toate, cele de rezoluţie inferioară sau superioară), în care din subbenzile DWT; la arhitectura de detector ce asigură extragerea optimă a marcajului; la cum să se facă marcarea perceptuală; la cum se evaluează robusteţea marcajelor perceptuale. Contribuţiile originale (cap. 4 şi 5) sunt:
1. Marcare informată [NI03] în subbanda de detalii diagonale, primul nivel de rezoluţie, sau în toate subbenzile primului nivel, folosind praguri experimentale pentru selectarea coeficienţilor care se marchează. 2. Marcare informată în cele trei nivele de rezoluţie, cu aceeaşi selecţie a coeficienţilor wavelet. Detecţia se face din toate nivelele, sau din ultimul nivel de rezoluţie, mai puţin afectat de prelucrări de semnal. 3. Comparaţie a metodei propuse [NBK04], cu cea prezentată de Kundur şi Hatzinakos de tip cuantizare în domeniul wavelet, respectiv faţă de cea din domeniul DCT de tip spread-spectrum prezentată de Cox et al. Apoi [NB05], intensitatea de marcare este redusă faţă de [CKLS97], imaginile nu sunt vizibil afectate de procesul de marcare, calitatea imaginilor este comparabilă, metoda fiind superioară. 4. Pentru detecţia marcajului la a doua metodă am analizat trei tipuri de detectoare; al treilea detector, max-correlation, estimând marcajul cu corelaţie maximă cu cel original [Naf05b]. 5. Am propus [NIB05] o abordare statistică pentru a selecta mai puţini coeficienţi wavelet în care se înserează marcajul, dar răspunsul detectorului este mai bun, coeficienţii mari fiind mai robuşti. Selecţia pragurilor e bazată pe proprietăţile statistice ale coeficienţilor wavelet. 6. Am propus un nou tip de mascare perceptuală [NIB06a] ce ascunde datele în toţi coeficienţii wavelet de detaliu, cu intensitate de marcare variabilă, cu o mască perceptuală; metoda este mai robustă iar calitatea imaginilor marcate este superioară faţă de [BBP01].7. O extensie a metodei [NIB06b] ascunde imperceptibil marcajul şi în subbenzile de joasă frecvenţă, ce creşte robusteţea. 8. Evaluarea robusteţii marcajelor perceptuale doar când criteriile de invizibilitate sunt satisfăcute [Naf07a]. 9. Cea mai importantă contribuţie este metoda [Naf07b], cu marcaj în toate nivelele, util în cazul ştergerii subbenzilor de frecvenţă înaltă care conţin marcajul la [BBP01]. Am propus şi evaluat trei detectoare: i) din toate nivelele de rezoluţie, ii) separat din fiecare nivel, max-level, şi iii) separat din fiecare subbandă, max-subband. Metoda este mai bună la diverse atacuri decât cea din [BBP01], fapt explicat prin estimatul mai bun al măştii perceptuale şi diversitatea transformării wavelet. Rezultatele celor trei detectoare pot fi fuzionate, ameliorându-se în continuare extragerea marcajului, fiind rezultatul final al tezei de doctorat.