Thèse présentée devant INSA
Thesis submitted to INSA

Gaëtan Le Guelvouit - 24 novembre 2003
Tatouage robuste par étalement de spectre avec prise en compte de
l'information adjacente
http://www.irisa.fr/bibli/publi/theses/2003/leguelvouit/leguelvouit.html

Résumé
La technologie numérique rend la transmission, le stockage et la
modification de documents multimedia beaucoup plus aisés qu'auparavant.
Mais du fait de cette facilité, l'authentification et la gestion des
droits d'auteur deviennent difficiles. Le tatouage robuste est une
solution qui s'est beaucoup développée depuis une dizaine d'années. Il
permet d'insérer au sein d'un document multimedia (document hôte) un
message (identifiant d'auteur, signature numérique, ...). Cette
modification est peu perceptible afin de ne pas gêner l'exploitation
normale du document marqué. De plus, l'algorithme d'extraction doit
pouvoir retrouver le message malgré d'éventuelles modifications de
l'hôte (attaques). Alors que les premières études sur ce domaine étaient
empiriques, il est apparu rapidement que le tatouage était assimilable à
un problème de communication. Nous faisons le choix d'utiliser une
technique de transmission particulièrement adaptée aux canaux fortement
bruités, appelée étalement de spectre, et nous considérons des attaques
SAWGN (scaling and additive white Gaussian noise). L'interaction entre
tatouage et attaques est modélisée par un jeu entre un attaquant et un
défenseur. Une optimisation de type max-min donne la forme de l'attaque
optimale, qui va le plus réduire la performance de la transmission, et
de la stratégie qui permet de s'en protéger au mieux. L'application de
ces résultats sur des signaux issus de la transformée en ondelettes
d'images confirme le bien-fondé de notre approche : l'attaque obtenue
est la plus efficace, et la stratégie d'insertion est bien plus
performante que les techniques testées issues de l'état de l'art. Le
canal de tatouage est un canal avec information adjacente : une partie
du bruit (le signal hôte) est connue au moment de l'insertion de la
marque. Les travaux sur ces canaux promettent des performances
théoriques bien supérieures aux canaux gaussiens classiques. Dans la
troisième partie de ce manuscrit, nous reprenons l'optimisation par
théorie des jeux en incluant une mesure de performance prenant en compte
l'information adjacente. Nous détaillons ensuite la construction d'un
dictionnaire structuré adapté à ces canaux. Les expérimentations nous
indiquent de forts gains de performance. Enfin, le dernier chapitre
améliore le jeu : l'étude de l'influence de désynchronisations
géométriques sur les performances, et la définition d'une attaque
informée prenant en compte la réalisation du signal reçu.

Mots clefs: Tatouage aveugle robuste, étalement de spectre, attaques
SAWGN, théorie du jeu, optimisation max-min, canaux avec information
adjacente, dictionnaire structuré, codes poinçonnés, interférence
inter-symboles (ISI), désynchronisation géométrique, transformée en
ondelettes

Abstract
Numerical technologies increase the ease of transmission, storage and
modification of multimedia content, but also makes authentication and
copyright management difficult. Robust watermarking is a solution that
appeared about ten years ago. It embeds a message (author name,
numerical signature, ...) within a host multimedia document. This
process must not be perceptible in order not to spoil the regular use of
the watermarked documents. Moreover, one must be able to correctly
extract the message despite modifications of the host (i.e. attacks).
Although the first approaches were empirical, watermarking was quickly
considered as a communication problem. This work deals with a novel
watermarking scheme based on a wide spread spectrum (a communication
technique that fits to very noisy channels) and considering SAWGN
attacks (scaling and additive white Gaussian noise). The relationship
between watermarking and attacks is modeled by a game between an
attacker and a defender. A max-min optimization leads to the optimal
attack and the corresponding embedding strategy (counter-attack).
Experiments using signals from wavelet transformed images confirm the
relevance of our approach: the attack is very efficient and the
embedding strategy leads to better results than previous literature's
approaches. The watermarking channel is a channel with side information
: a part of the noise (the host signal) is perfectly known during the
embedding process. Previous works on this kind of channel showed better
theoretical performances than on a classical Gaussian channels. In the
third part of this work, we introduce a new performance measure in our
watermarking game, taking into account the side information. We then
develop a structured dictionary for this kind of channel. The
experiments show great improvements in terms of performance. Finally,
the last chapter deals with some game improvements : we study the
influence of geometrical desynchronizations on the performance of our
watermarking scheme, and we define an informed attack.

Keywords: Blind and robust watermarking, wide spread spectrum, SAWGN
attacks, game theory, max-min optimization, channels with side
information, structured dictionary, punctured codes, inter-symbols
interference (ISI), geometrical desynchronization, wavelet transform.