Lci micc seminario autenticazione immagini biomediche

Seminario Marchiatura Digitale Autenticazione Immagini Biomediche: “ Autenticazione di immagini biomediche mediante l’utilizzo di tecniche evolute di marchiatura elettronica nel dominio trasformato”. Francesco Filippini Firenze 05.01.2009

Outline Marchiatura Elettronica (contesto di riferimento) Autenticazione Marchiatura Reversibile Algoritmo di Zou[6] Miglioramenti all’algoritmo di Zou[6] Obiettivi

MARCHIATURA ELETTRONICA La M.E. è una tecnica recente (fine anni 90) utilizzata per: protezione di dati digitali autenticazione di sorgente verifica integrità di dati digitali Marchio (watermark) segnale inserito in modo permanente nei dati digitali (immagine) estratto o rilevato in decodifica (rivendicazione dato) nascosto nell’immagine in modo inseparabile immagine marchiata accessibile in qualsiasi momento

Scopo principale: modifica dei dati di un’immagine, in modo da permettere l’inserimento di codice binario che identifica una particolare informazione (watermark). Il marchio all’interno dell’immagine risulta impercettibile (non visibile) Tali modifiche possono avvenire in 2 domini Dominio spaziale (modifica dei pixel dell’immagine) Dominio trasformato (DCT, DWT, DFT, ecc.) Lo schema di marchiatura è composto da: Codificatore Decodificatore

Codificatore Inserimento del marchio, ( embedding ). L’immagine marchiata può essere distribuita in ambiente aperto e non protetto; la marchiatura garantisce l’autenticità del dato stesso. Decodificatore La decodifica ( detection ) è il processo inverso alla codifica che permette di recuperare il marchio contenuto nell’immagine. Se il processo è reversibile si recupera anche l’immagine originale.

Campi applicativi La M. E. viene applicata nei casi in cui risulta necessario associare informazioni addizionali (marchio) all’interno di un dato multimediale (immagine). Copyright protection Fingerprinting Indicizzazione Notazioni nascoste Data hiding Data Authentication

AUTENTICAZIONE Usata per immagini “sensibili” Ambito medico, militare, giuridico, ecc. Vengono utilizzati marchi fragili (non resistono alle manipolazioni). Può fornire informazioni sulla localizzazione di dati alterati. Marchiatura REVERSIBILE per garantire l’estrazione del marchio e la perfetta ricostruzione, in decodifica, dell’immagine originale, requisito indispensabile quando tali immagini vengono utilizzate per eseguire delle diagnosi. DECODER DECODER Marchiatura IRREVERSIBILE Marchiatura REVERSIBILE I w I w Key W I orig W Key

Immagine marchiata con marchio distribuito su tutta l’immagine Controllo del marchio, rilevazione e identificazione delle zone modificate Immagine modificata (attacco)

Tecniche di marchiatura Reversibile In letteratura diversi lavori trattano tecniche di marchiatura reversibile. Tian [1], Shi [2] , Alattar [3-4], Lee [5] e Zou [6]. ZOU “ A semi-fragile lossless digital watermarking scheme based on integer wavelet transform ” - Algoritmo reversibile. - opera nel dominio delle wavelet intere (dominio trasformato). - IWT integrata nello standard JPEG2000 - B anchi di filtri di LeGalle 5/3; garantiscono la perfetta ricostruzione delle immagini compresse (lossless). - Soluzione problema di overflow underflow mediante uso di ECC (codici a correzione di errore, ridondanza ciclica); soluzione alternativa alla tecnica modulo-256 usata comunemente (salt-pepper).

ZOU “ A semi-fragile lossless digital watermarking scheme based on integer wavelet transform ” Istogramma dei coefficienti IWT in alta frequenza Distribuzione Laplaciana a media nulla dei coeff. delle sottobande in alta frequenza (HL, LH, HH)

ZOU “ A semi-fragile lossless digital watermarking scheme based on integer wavelet transform ” Suddivisione della sottobanda in blocchi nxn (non sovrapponibili) Calcolo della media di ogni singolo blocco (distr. Laplaciana a media nulla) Calcolo di µmax, massimo valore assoluto delle medie dei coeff. dei blocchi Definizione di T, intero più piccolo superiore a µmax, e di S (S≥T) Inserimento di un bit 1: si sposta la media del blocco di S (positivo o negativo) Inserimento di un bit 0: si il blocco inalterato In detection se la media di un blocco è superiore a T si estrae 1 altrimenti 0. Ripristino dell’immagine avviene sottraendo S dalla media dei blocchi con marchio 1 Classificazione dei blocchi. Prevenzione overflow e underflow

Immagine Originale IWT Coef.Wavelet Caso A : Inserisco il marchio diminuendo o aumnentando la media dei coeff. del blocco di un valore T Caso B : Inserisco il marchio aumentando la media dei coeff. del blocco di un valore T Caso C : Inserisco il marchio diminuendo la media dei coeff. del blocco, di un valore T Caso D : Problema over-underflow. Non si può variare la media. No marchio Uso di ECC. EMBEDDING ECC SIDE INFORMATION STEGO IMAGE Parametri Block Classification MARCHIO IWT -1

Miglioramenti all’algoritmo di Zou Utilizzo della soglia doppia S 1 e S 2 Blocco Media dei coefficienti 22 -25 14 44 -4 -19 7 -21 25 -9 Singola Soglia S=44 Doppia Soglia S 1 =44 S 2 =25 –> PSNR e payload maggiori

Miglioramenti all’algoritmo di Zou Utilizzo della classificazione dei blocchi anche in detection. Vengono identificati gli errori evitando l’uso di codici a correzione d’errore, ECC BCH(14,11) Introduzione banda di guardia nei blocchi da marchiare (corona interna). Tale banda è costituita da 1 colonna e 2 righe Autenticazione senza marchio originale. Utilizzo di MD5 su una stringa in ingresso a 128 bit inserita come marchio nell’immagine. Finestra spaziale 16x16 corrispondente al blocco 8x8 modificato in HL.

Risultati sperimentali Immagine originale Immagine marchiata con alg. Zou n=8, S=4 1024 blocchi marchiabili PSNR=46.7 dB Immagine marchiata con Zou mod. n=8, S 1 =4, S 2 =3 1024 blocchi marchiabili PSNR=53.646 dB

OBIETTIVI Dopo l’implementazione e miglioramento dell’algoritmo di Zou, è necessario approfondire lo studio delle tecnologie di marchiatura elettronica nel dominio trasformato delle wavelet. Un interessante spunto deriva dallo studio eseguito da importanti autori, quali Lee, Kalker, Yoo, e proposto nel lavoro "Reversible Image Watermarking Based on Integer-to-Integer Wavelet Transform". Prossimo obiettivo sarà quindi lo studio approfondito l’implementazione e le eventuali modifiche di miglioramento dell’algoritmo di Lee[5].

RIFERIMENTI [1] J. Tian, “Reversible data embedding using a difference expansion,” IEEE Trans. Circuits, Syst., Video Technol., vol. 13, no. 8, pp. 890–896, Aug. 2003. [2] A. M. Alattar, “Reversible watermark using difference expansion of triplets,” in Proc. IEEE ICIP, Barcelona, Spain, Sep. 2003, vol. 1, pp. 501–504. [3] A. M. Alattar, “Reversible watermark using difference expansion of quads,” in Proc. ICASSP, 2004, vol. 3, pp. 377–380. [4] Zhicheng Ni; Yun-Qing Shi; Ansari, N.; Wei Su; “Reversible data hiding”, Circuits and Systems for Video Technology, IEEE Transactions on Volume 16, Issue 3, March 2006 Page(s):354 - 362 [5] S. Lee; C. D. Yoo; T. Kalker; "Reversible Image Watermarking Based on Integer-to-Integer Wavelet Transform", TIFS, September 2007, pp 321-330. [6] Dekun Zou; Shi, Y.Q.; Zhicheng Ni; “A semi-fragile lossless digital watermarking scheme based on integer wavelet transform”, Multimedia Signal Processing, 2004 IEEE 6th Workshop on 29 Sept.-1 Oct. 2004 Page(s):195 - 198

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