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Digital Watermarking for Image Content Authentication

Liu, Huajian :
Digital Watermarking for Image Content Authentication.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Digital Watermarking for Image Content Authentication
Language: English
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. 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 quality is therefore improved. Furthermore, thanks to the random wavelet coefficient grouping, the scheme is intrinsically secure to local attacks. Also, scalable sensitivity of tampering detection is enabled in the authentication process by presetting the noise filter size. Second, we study the unique characteristics of synthetic images and develop a novel 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 localization resolution. Moreover, we propose a new embedding strategy, which 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 ubiquitously over the whole image but avoiding modifying the content of the specified important 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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Authentifizierung von Bildinhalten verifiziert die Integrität von Bildern, in dem es beispielsweise überprüft, ob an einem Bild nach seiner Erstellung Verfälschungen durchgeführt wurden. Digitale Wasserzeichen sind inzwischen eine vielversprechende Technik zur Authentifizierung von Bildinhalten geworden. Sie bieten eine ausreichende Effizienz, um Veränderungen nachzuweisen. Es hat sich aber herausgestellt, dass einzelne Herausforderungen hinsichtlich der Bildauthentifizierung anhand von Wasserzeichen noch ungelöst sind oder verbessert werden müssen. Dazu gehören eine präzisere Lokalisierung der Veränderungen, die Bildqualität, die Sicherheit, sowie der Schutz von synthetischen Bildern. In dieser Arbeit werden verschiedene Lösungen für den Schutz des Inhaltes von natürlichen und synthetischen Bildern präsentiert, wobei die Lokalisierung der Veränderungen und auch die Qualität der Wasserzeichen verbessert werden. Zusätzlich entwickeln wir neue Wasserzeichenansätze mit der Maskierung von ROI (Region of Interest), um in speziellen Anwendungen das Problem der hohen Anforderungen an die Bildqualität zu lösen. Als erstes wird ein Wasserzeichen zur Authentifizierung von natürlichen Bildern vorgestellt. Die angewandte Wasserzeichentechnik verbessert die Erkennung von Veränderungen im Bild durch eine zufällige Auswahl von Wavelet-Koeffizienten signifikant. Dabei wird nur eine geringe Wasserzeichenkapazität benötigt, wodurch die Bildqualität verbessert werden kann. Aufgrund der zufälligen Auswahl der Wavelet-Koeffizienten ist das Schema sicherer gegenüber lokalen Angriffen. Das Erkennen von Bildmanipulationen ist durch Einstellungen der Filtergröße im Authentifizierungs-prozess zusätzlich skalierbar. Weiterhin identifizieren wir einheitliche Charakteristiken von synthetischen Bildern und stellen ein neues Wasserzeichenverfahren für Bilder dieser Art vor. Das vorgestellte 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 ermöglicht. Das Authentifizierungssystem lokalisiert den veränderten Inhalt, stellt den ursprünglichen Inhalt wieder her und identifiziert die verfälschten Bildkomponenten. Um in einigen Anwendungen die Anforderung der hohen Bildqualität zu bewältigen, stellen 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 synthetische Bilder angewandt werden kann. Vor der Einbettung wird eine Vorauswahl von ROIs durchgeführt. Entgegen üblicher Wasserzeichen bettet das ROI-basierte Schema das Wasserzeichen nicht gleichmäßig in das komplette Bild ein. Es vermeidet eine Veränderung der vorausgewählten Regionen im Bild. Auch wenn kein Wasserzeichen in diese Regionen eingebettet wird, so ist doch deren Integrität genau so gut geschützt wie die der übrigen Teile des Bildes. Es wurden die gleichen Detektionsergebnisse innerhalb und außerhalb der ROIs erreicht.German
Uncontrolled Keywords: Digital watermarking, Image authentication, Integrity verification, Synthetic images, Region of interest
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Digital watermarking, Image authentication, Integrity verification, Synthetic images, Region of interestEnglish
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: Fachbereich Informatik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:23
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-11347
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Eckert, Prof. Dr. Claudia and Katzenbeisser, Prof. Dr. Stefan
Refereed: 24 September 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1134
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