UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI MESSINA
Dipartimento di Matematica
IDS srl – Informatica distribuita e software - Messina
Un algoritmo di watermarking digitale
per la protezione di immagini
di Beni Culturali
Santa Agreste, Guido Andaloro, Nuccio Castorina,
Salvatore Giovinazzo, Daniela Prestipino, Luigia Puccio
CNR Roma
15 /11/2006
Watermarking è
uno dei metodi per la protezione del copyright, che
nell’ultimo decennio sta riscontrando molto interesse
Basically, invisible watermarking for digital image consists
of singing an image with a signature or copyright message
such that the message is secretly embedded in the image
Il watermark è invisibile per il sistema visivo umano
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S. Agreste, G. Andaloro, N. Castorina, S. Giovinazzo, D. Prestipino, L. Puccio
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Classificazione degli algoritmi di watermarking
A) Metodi basati sul dominio sapaziale
che modificano direttamente alcuni bit dell’immagine
R.C. van Schyndel, A.Z. Tirkel, C.F. Oborne (1994)
Least Significant Bit (LSB)
Caronni (1995)
W. Bender, D. Grul, N. Morimoto (1995)
Texture block coding
T. Kascalis, I. Pitas (1996)
…
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Classificazione degli algoritmi di watermarking
B) Metodi basati sul dominio delle frequenze
che modificano alcuni coefficienti della trasformata
dell’immagine
FT, DCT, DWT, MDWT, …
E.Koch, J. Zhao (1996)
I.J. Cox, J. Kiliam, T.Lighton, T. Shamoon (1997) …
A. Piva, M. Barni, F. Bartolini, V. Cappellini (1998) (2001)
J. Ohnishi, K. Matsui (1996)
D. Kundur, D. Hatzinakos (1997)
DWT
M. Corvi, G. Nicchiotti (1997)
S. Giovinazzo, L. Puccio (2001) …
S. Agreste, L.Puccio, A. Vocaturo (2006)
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MDWT
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Un algoritmo di watermarking ha2 fasi:
Inserimento
I (immagine originale) + W (watermark) = Iw(immagine watermarkata)
Immagine originale
Immagine watermarkata
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Rilevamento
W’(watermark rilrvato) = IW – I ;
Simil(W, W’) < W’ = W
Simil = funzione di verosimiglianza
Metodi Pubblici o Ciechi:
D(IW)=W’
Metodi Privati o non Ciechi:
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D(IW ,I)=W’
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Watermark deve essere robusto agli attacchi
An attack is any signal modification, intentional or
otherwise, which is applied to marked signal and
which effects the reliability of the extracted
watermark
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• Filtering
• Compression: JPEG, wavelet, …
• Geometrical distortions: rotation, size reduction,
cropping, …
• Data format modification
• StirMark
•…
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Benchmark of robustness of
principal commercial algorithms
http://www.petitcolas.net/fabien/watermarking/stirmark/
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L'attività di Ricerca sul Watermarking digitale
è stata sviluppata nell'ambito del Contratto di ricerca industriale
tra UNIME e IDS:
“Algoritmi per la sicurezza informatica: con campi di applicazione
al software, alle banche dati multimediali e alle reti”
L'algoritmo di watermarking è stato usato su un insieme di immagini
digitali costituenti la galleria on-line di immagini del servizio BEWEB
(http://www.chiesacattolica.it/beweb), pubblicate da IDS per la
Conferenza Episcopale Italiana (CEI).
BEWEB è la vetrina sul Web degli Inventari dei beni storico-artistici,
realizzati a partire dal 1997 nelle 225 Diocesi italiane.
Le immagini watermarkate su BEWEB, alla data odierna, sono piu’ di
250.000
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Risultati
- Pubblicazioni scientifiche
- Utilizzo su BEWEB
(www.chiesacattolica.it/beweb)
per il watermarking delle immagini
dei beni culturali ecclesiastici
pubblicati su Internet
- Utilizzo nell’ambito del progetto
Ecumene, in particolare per il
watermaking delle immagini del
prototipo del Portale Ecumene
(http://prototipo.ecumene.it)
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Il progetto Ecumene©
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http:/prototipo.ecumene.it
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Il portale Ecumene per la fruizione
integrata di beni culturali eterogenei
• Profilazione utenti
• Ricerca (semplice, guidata, avanzata)
 Gestore
 Opere d’arte
 Operatore
 Archivi
 Fruitore
 Architetture
 Esperto
 Beni Librari
 Visitatore
 Enti, Persone, Famiglie
• Accessibilità
 Aree Amministrative
• Multicanalità
 Luoghi e Cronologie
• Community
• Percorsi Tematici
 Forum
• Modelli 3D
 Chat
• Immagini con watermark
 Domande agli esperti
• e-commerce
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LE IMMAGINI
Le immagini storico-artistiche considerate, che sono un
sottoinsieme di quelle appartenenti alle 225 Diocesi
italiane, sono state prodotte da differenti autori, sparsi su
tutto il territorio nazionale.
Esse si differenziano sia nella metodologia dei diversi
processi di produzione, sia per le condizioni di luce e
soggetto che per dimensione. Tali differenze hanno
fornito una casistica complessa e variegata.
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Per cui si è potuto testare l’algoritmo su un campione
ricco ed eterogeneo
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I algoritmo di watermarking digitale
WM 1.0
Matrice delle differenze
Dopo memorizzazione in JPEG
Chiave d’inserimento
caratterizzata da:
• Spazio di colore RGB
• Funzione base Wavelet
• Spazio trattato per
l’inserimento del marchio:
Verde
• Riga della matrice dei
coefficienti wavelet
• Livelli di decomposizione
>=5
• Livello di decomposizione
Funzioni wavelet utilizzate:
• Daubechies 2, 3
• Marchio d’inserimento
interferenza numerica
statica
• Symlet 3
• Biorthogonal 1.3
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Differenza tra le immagini
DWT
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Symlet
Biorthogonal
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Image B
http://www.chiesacattolica.it/BeWeb
Wavelet: Daubechies 3
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Prima JPEG
Dopo JPEG
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Image C
http://www.chiesacattolica.it/BeWeb
Wavelet: Biorthogonal 1.3
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Prima JPEG
Dopo JPEG
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Image D
http://www.chiesacattolica.it/BeWeb
Wavelet: Symlet 3
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Prima JPEG
Dopo JPEG
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Set of 29 test images
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Immagine originale
L'immagine deve avere
dimensioni opportune per
l'applicazione della DWT
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Size file.jpg 884 Kb
RGB dimension
1775x932x3
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Buona distribuzione del watermark:
Algoritmo a Blocchi
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WM 2.0
Chiave d’inserimento caratterizzata
da:
• Livello di decomposizione
• watermark dipende dalle
caratteristiche dell’immagine
Funzioni wavelet utilizzate:
• Daubechies 4
• Fase di pre-processing
valutazione dinamica area ove
inserire il watermark
• Spazio di colore HSV, V
• Livelli di decomposizione <4
• Fase di sincronizzazione nel
rilevamento
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WM 2.0
Algoritmo di watermarking per le immagini digitali a
colori :
• invisibile,
• non cieco
• basato su wavelet.
Nel rispetto dei requisisti fondamentali di un processo di
watermark esso risulta:
• Robusto 88%
• non invertibile,
• impercettibile,
• con bassa percentuale di falsi positivi
• con assenza di falsi negativi
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