Digital watermarking for image content authentication [Elektronische Ressource] / von Huajian Liu

Huajian Liu

Description

DIGITAL WATERMARKING FOR IMAGE CONTENT AUTHENTICATION Vom Fachbereich Informatik der Technischen Universität Darmstadt genehmigte Dissertation Zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) Von Huajian Liu (Master of Engineering) geboren in Shandong, China Referent: Prof. Dr. habil. Claudia Eckert Koreferent: Prof. Dr. Stefan Katzenbeisser Tag der Einreichung: 11.08.2008 Tag der mündlichen Prüfung: 24.09.2008 Darmstadt 2008 D17 Darmstädter Dissertation To Mom Abstract Image content authentication is to verify the integrity of the images, i.e. to check if the image has undergone any tampering since it was created. Digital watermarking has become a promising technique for image content authentication because of its outstanding performance and capability of tampering detection. However, many challenges for watermarking techniques for image authentication still remain unsolved or need to be improved, such as tamper localization accuracy, image quality, security, synthetic image protection, and so on. In this thesis, we propose different solutions for the content authentication of natural image and synthetic images respectively, improving the tamper localization accuracy and the watermarked image quality. In addition, we develop new watermarking schemes with region of interest masking to tackle the problem of high image fidelity requirement in special applications.

Sujets

• Informatik

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• Publié par: technischen_universitat_darmstadt
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 63
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

DIGITAL WATERMARKING FOR IMAGE

CONTENT AUTHENTICATION

Vom Fachbereich Informatik der Technischen Universität Darmstadt genehmigte

Dissertation

ischen Gradesemng des akadZur Erlangu eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)

Von

Huajian Liu

(Master of Engineering)

andong, China hgeboren in S

Referent: Prof. Dr. habil. Claudia Eckert

Stefan Katzenbeisser Koreferent: Prof. Dr.

Tag der Einreichung: 11.08.2008

üfung: 24.09.2008 rndlichen PüTag der m

stadt 2008 Darm

D17

städter DissertationDarm

To Mom

Abstract

Image content authentication is to verify the integrity of the images, i.e. to check if the

image has undergone any tampering since it was created. Digital watermarking has

become a promising technique for image content authentication because of its

outstanding performance and capability of tampering detection. However, many

challenges for watermarking techniques for image authentication still remain unsolved

or need to be improved, such as tamper localization accuracy, image quality, security,

thesis, we propose different solutions forage protection, and so on. In this synthetic im

the content authentication of natural image and synthetic images respectively,

improving the tamper localization accuracy and the watermarked image quality. In

addition, we develop new watermarking schemes with region of interest masking to

tackle the problem of high image fidelity requirement in special applications.

First, we propose a watermarking technique for natural image authentication. By

introducing the random permutation strategy in the wavelet domain, the proposed

watermarking technique significantly improves the resolution of tampering detection

with lower watermark payload. Due to less watermarks being embedded, the image

proved. Furthermquality is therefore im wavelet coefficient thanks to the randomore,

Also, scalable sensitivity of ly secure to local attacks. is intrinsicalegrouping, the schem

i

Abstract

thentication process by presetting the noise tion is enabled in the auering detecptam ilter size.f

ages and develop a novel of synthetic imSecond, we study the unique characteristics watermarking scheme for synthetic image authentication. The proposed watermarking
algorithm is fully compatible with the characteristics of synthetic images. With less
pixels modified, the authentication system can still achieve pixel-wise tamper
Moreover, we propose a new embedding strategy, which localization resolution. enables the capability of recovering the altered image content of the authentication
system. Hence, not only can the authenticator localize the tampered area but also it is
able to recover the removed content and identify the forged parts.

In addition, in order to tackle the high image fidelity requirement in some special
applications, we propose a framework for ROI-supporting watermarking systems,
which can be applied to different watermark embedding schemes. Based on the
framework, we present the non-ubiquitous watermarking schemes with ROI masking
for natural images and synthetic images respectively. Unlike the common holistic
watermarking schemes, the ROI-based schemes do not embed the watermark
ng modifying the content of the specified age but avoidiubiquitously over the whole imimportant regions. Although there is no watermark embedded inside these regions, their
integrity is still well protected as well as other image parts. The same tamper detection
resolution is achieved both inside and outside the specified ROI regions.

ii

Zusammenfassung

esziert die Integrität von Bildern, in demDie Authentifizierung von Bildinhalten verifi

beispielsweise überprüft, ob an einem Bild nach seiner Erstellung Verfälschungen

durchgeführt wurden. Digitale Wasserzeichen sind inzwischen eine vielversprechende

Bildinhalten geworden. Sie bieten eine ausreichende Technik zur Authentifizierung von

Es hat sich aber herausgestellt, dass Effizienz, um Veränderungen nachzuweisen.

einzelne Herausforderungen hinsichtlich der Bildauthentifizierung anhand von

nd oder verbessert werden müssen. Dazu gehören eineWasserzeichen noch ungelöst si

Bildqualität, die Sicherheit, sowie der präzisere Lokalisierung der Veränderungen, die

verschiedene Lösungen fürn. In dieser Arbeit werden Schutz von synthetischen Bilder

nthetischen Bildern präsentiert, wobei den Schutz des Inhaltes von natürlichen und sy

die Lokalisierung der Veränderungen und auch die Qualität der Wasserzeichen

verbessert werden. Zusätzlich entwickeln wir neue Wasserzeichenansätze mit der

m in speziellen Anwendungen das ProbleumMaskierung von ROI (Region of Interest),

e Bildqualität zu lösen. der hohen Anforderungen an di

ng von natürlichen Bildern zeichen zur AuthentifizieruAls erstes wird ein Wasser

entechnik verbessert die Erkennung von sserzeichavorgestellt. Die angewandte W

Veränderungen im Bild durch eine zufällige Auswahl von Wavelet-Koeffizienten

sserzeichenkapazität benötigt, wodurch dieane geringe Wsignifikant. Dabei wird nur ei

iii

Zusammenfassung

velet-arund der zufälligen Auswahl der WBildqualität verbessert werden kann. Aufg

Koeffizienten ist das Schemffen. Das Erkennen von genüber lokalen Angri sicherer geaBildmanipulationen ist durch Einstellungen der Filtergröße im Authentifizierungs-
sätzlich skalierbar.prozess zu

arakteristiken von synthetischen Bildern Weiterhin identifizieren wir einheitliche Ch

eser Art vor. Das ren für Bilder disserzeichenverfahaund stellen ein neues Wvorgestellte Wasserzeichenmodel ist komplett anwendbar für die Authentifizierung

synthetischer Bilder. Selbst nach der Modifikation weniger Bildpixeln lokalisiert das

Authentifizierungssystem die Modifikation pixelgenau. Wir präsentieren eine neue

Einbettungsmethode, die eine Wiederherstellung des verfälschten Bildinhaltes
Inhalt, stellt den lisiert den veränderten lokaöglicht. Das Authentifizierungssystemermfiziert die verfälschten Bildkomponenten. ursprünglichen Inhalt wieder her und identi

der hohen Bildqualität zu bewältigen, in einigen Anwendungen die Anforderung Umstellen wir ein Framework für ROI unterstützende Wasserzeichensysteme vor, dass
von diversen Wasserzeichenalgorithmen benutzt werden kann. Wir präsentieren ein

Wasserzeichenschema mit ROI Maskierung, dass sowohl für natürliche als auch

Vor der Einbettung wird eine Vorauswahl synthetische Bilder angewandt werden kann. t das ROI-basierte r Wasserzeichen bettevon ROIs durchgeführt. Entgegen üblicheSchema das Wasserzeichen nicht gleichmäßig in das komplette Bild ein. Es vermeidet
Regionen im Bild. Auch wenn kein eine Veränderung der vorausgewählten

rd, so ist doch deren Integrität genau so en in diese Regionen eingebettet wiWasserzeich

s Bildes. Es wurden die gleichedgut geschützt wie die der übrigen Teile

außerhalb der ROIs erreicht. Detektionsergebnisse innerhalb und

iv

en

Acknowledgements

to my supervisor, Prof. Dr. Claudia Eckert, I would like to express my sincere gratitude

ent of this work. I would also like to for her guidance and support during the developm

thank my second advisor Prof. Dr. Stefan Katzenbeisser for his valuable comments and

suggestions on this thesis. My thanks also go to the other members of my doctoral

ination commexamStryk (the chair), Prof. Dr. Johannes ittee: Prof. Dr. Oskar von

addition, I would also like to thank Prof. nn and Prof. Dr. Karsten Weihe. In aBuchm

ann for their guidance and Dr. Erich J. Neuhold and Prof. Dr. Thomas Hofm

stage of my Ph.D work. ent in the early encouragem

tant support since ther his mentoring and cons grateful to Dr. Martin Steinebach foI am

ent on my ents and encouragemhoughtful comms tvery beginning of my Ph.D work. Hi

research and thesis are highly appreciated. I would also like to thank all other members

of MERIT and TAD divisions of Fraunhofer IPSI and SIT institutes for their help and

collaborations. Special thanks to Lucilla Croce Ferri, Sascha Zmudzinski, Enrico

Hauer, Stefan Thiemert and Patrick Wolf for plenty of enlightening discussions and

valuable help during my research work. ng, Enrico aDr. Zhou WIn addition, I thank

Hauer and Sascha Zmudzinski for their great help in all kinds of aspects of my life in

Germany.

v

nts eAcknowledgem

This work was accomplished with the financial and technical support of Fraunhofer

IPSI and SIT institutes. During my work at IPSI and SIT, I have also got lots of help

sides MERIT and TAD. All these kind help the colleagues of other divisions befrom

to express my like particular, I would rations are deeply appreciated. Inand collabo

appreciation to Barbara Lutes for her constant kind help during my work at IPSI.

Finally, my greatest thanks go to my Mom without whose love, nurturing and support I

could never accomplish this thes