Zagreb, svibanj 2004.

1

Sveučilište u ZagrebuFakultet elektrotehnike i računarstvaZavod za elektroničke sustave i obradbu informacija

Digitalni vodeni žig

Goran Horak,

Ivan Murat, Milan Domazet

Zagreb, svibanj 2004. 2

Uvod

Digitalni vodeni žig (Digital watermark) Informacija koja se dodaje na neki signal

(sliku, zvuk, video) Dodana informacija je “skrivena” – izvorni

signal nije značajnije promjenjen Može se detektirati i nakon što signal s

vodenim žigom pretrpi razne modifikacije

Zagreb, svibanj 2004. 3

Opis problema

Problem Dodavanje digitalnog vodenog žiga na

sliku (B/W, Color) i njegova detekcija Primjena

Dodatne informacije (npr. autor, godina...) Zaštita autorskih prava Provjera autentičnosti

Zagreb, svibanj 2004. 4

Opis problema (2)

Zahtjevi Transparentnost za čovjekov vizualni

sustav Robusnost Sigurnost

Zagreb, svibanj 2004. 5

Model procesa

x – osnovni signal (slika) m – digitalni vodeni žig s – signal s vodenim žigom y – signal s vodenim žigom nakon modifikacija – estimirani vodeni žig

s(x, m) Kanal Detektorx

m

s y m̂

m̂

Zagreb, svibanj 2004. 6

Pregled postojećih metoda

Podjela prema domeni Prostorna domena Transformacijska domena

Frekvencijska (DCT, DFT) Wavelet (DWT) Razne “egzotične” (fraktalna, kompleksna

wavelet, Fresnel, Fourier-Mellin...)

Zagreb, svibanj 2004. 7

Pregled postojećih metoda (2)

Podjela prema načinu dodavanja vodenog žiga Linearne aditivne metode

Spread spectrum Manipulacija bitovima male važnosti Nelinearna kvantizacija

Podjela prema dostupnosti originala Dostupan Nije dostupan

Zagreb, svibanj 2004. 8

Spread Spectrum

Linearna aditivna metoda u prostornoj domeni Vodeni žig se raspoređuje po svim

frekvencijama Postupak dodavanja

Moduliranje informacije bijelim šumom Dodavanje moduliranog signala izvornom

signalu (slici)

Zagreb, svibanj 2004. 9

Dodavanje vodenog žiga

vodeni žig – binarni niz: transformacija tog niza:

slika x se dijeli u blokove xi, u svaki blok se sprema jedan bit vodenog žiga

mi’ se modulira bijelim šumom w veličine bloka slike, modulirani signal se dodaje bloku slike xi

, 0,1im m

', ' 2 1, ' 1,1i i im m m m m

xi

w

'i i is x pwm

Zagreb, svibanj 2004. 10

Detekcija vodenog žiga

Kroskorelacija bloka slike s realizacijom bijelog šuma s kojom je vodeni žig stvoren

Ako je vrijednost korelacije veća od eksperimentalno određedog praga, tj. vodeni žig je prisutan:

,( , ) ( , )1 1

1 N M

i i k l k lk l

s wNM

i

ˆ ' sgn( )i im

Zagreb, svibanj 2004. 11

Detekcija vodenog žiga (2)

p – snaga vodenog žiga mora biti dovoljno velika da se vodeni žig može detektirati

i nakon modifikacije slike ne smije biti prevelika da se šum ne bi vidio na slici u našoj implementaciji se mijenja, ovisi o korelaciji šuma i

bloka slike

120 140 160 180 200 220 240 260 280

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Pozicija na slici

Kro

skore

lacija

Prag (tau)

Zagreb, svibanj 2004. 12

Modifikacije osnovne metode

Ispis slike Visoke frekvencije se ne mogu dobro rekonstruirati Vodeni žig treba modelirati s obojenim šumom koji

sadrži samo niske frekvencije Stvaranje manjeg bloka bijelog šuma i iterpolacija

dodavanjem nula u frekvencijsku karakteristiku

wdct2

dodane nule

idct2

w’

Zagreb, svibanj 2004. 13

Modifikacije osnovne metode (2)

JPEG kompresija Spread spectrum nije pogodan za JPEG

kompresiju Kompresijom se gube sve informacije male snage

(većina šuma koji smo dodali) Trik – bijeli šum komprimirati JPEG-om i takvog ga

dodavati na sliku Nije savršeno, ali radi

jpeg

Zagreb, svibanj 2004. 14

Eksperimentalni rezultati

Modifikacije boje Testna slika: dimenzije 512 x 512 pixela, boja 24 bitna, RGB Vodeni žig, veličina bloka 32 x 32 pixela, snaga 5

original: sa vodenim žigom: razlika:

Zagreb, svibanj 2004. 15

Rezultati – modifikacije boje

Dodavanje šuma:• 100% do suma

amplitude 100• Postotak detekcije

opada daljnjim porastom suma

Color balance:• 98% za prikazanu

sliku

Plastic:• 100%

Gaussovo Zamućenje:

• 100% za r=0.3px• 95% za r=0.4px• 70% za r=0.5px• za r>0.7px ne

može se detektirati

Zagreb, svibanj 2004. 16

Eksperimentalni rezultati

Modifikacija geometrije Testna slika: dimenzije 512 x 512 pixsela, boja 24 bitna, RGB Vodeni žig: veličina bloka 24 x 24, interpolirano na 32 x 32, snaga 5

original: sa vodenim žigom: razlika:

Zagreb, svibanj 2004. 17

Rezultati - modifikacije geometrije

Ova metoda ne podnosi promjenu geometrije Moguće su samo vrlo male modifikacije Može se implementirati skaliranje i rotacija šuma

Program bi bio vrlo spor (već sa pomakom blokova radi sporo)

Povećanje na 516 x 516: 85%

Smanjenje na 508 x 508: 84%

Rotacija 0.5°:

72%

Zagreb, svibanj 2004. 18

Rezultati - JPEG

vodeni žig 32 x 32 komprimiran JPEG-om

Kvaliteta 10/100:

ne može se detektirati

Kvaliteta 20/100:

ne može se detektirati

Kvaliteta 30/100:

100% za sve kavlitete veće od 30/100

Zagreb, svibanj 2004. 19

Rezultati - ispis

Slika 1280 x 960, Grayscale Vodeni žig 16 x 16 interpoliran na 64 x 64, snaga 8

Original

Pretvorena u Grayscale i dodan vodeni žig

Ispisana na laserskom pisaču i skenirana:

Točno pročitan, osim na mjestima gdje je nestalo tonera ;)

Ispisana, zgužvana i skenirana:

65% (uključujući i mjesta bez tonera)

Zagreb, svibanj 2004. 20

Ocjena metode i usporedba s ostalim metodama

Spread spectrum Jedna od najstarijih metoda Ne pretjerano dobra

Vodeni žig mora biti dosta snažan - vidi se “slijepa” metoda – ne koristi karakteristike slike

na koju se primjenjuje Uz manje modifikacije može se primjeniti u

raznim situacijama (bolje metode su usko specijalizirane)

Zagreb, svibanj 2004. 21

Zaključak

Rezultati Implementiranom metodom ne može se na sliku

dodati puno podataka Detekcija dobra, osim nakon modifikacija

geometrije slike Moguća poboljšanja

Mogućnost skaliranja i rotacije šuma prilikom detekcije

Optimiziranje koda i ubrzavanje izvođenja

Zagreb, svibanj 2004. 22

I za kraj...

Lena Sjööblom Playmate of the Month,

studeni 1972. Skenirana na USC, SIPI

za jedan članak Najčešće korištena slika

za testiranje algoritama koji se bave obradom slike