Digital watermarking techniques for printed images

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>During the last few decades, digital watermarking techniques have gained a lot of interest. Such techniques enable hiding imperceptible information to images; information which can be extracted later from those images. As a result, digital watermarking techniques have many interesting applications for example in Internet distribution. Contents such as images are today manipulated mainly in digital form; thus, traditionally, the focus of watermarking research has been the digital domain. However, a vast amount of images will still appear in some physical format such as in books, posters or labels, and there are a number of possible applications of hidden information also in image printouts. In this case, an additional level of challenge is introduced, as the watermarking technique should be robust to extraction from printed output.</p><p>In this thesis, methods are developed, where a watermarked image appears in a printout and the invisible information can be later extracted using a scanner or mobile phone camera and watermark extraction software. In these cases, the watermarking method has to be carefully designed because both the printing and capturing process cause distortions that make watermark extraction challenging. The focus of the study is on developing blind, multibit watermarking techniques, where the robustness of the algorithms is tested in an office environment, using standard office equipment. The possible effect of the background of the printed images, as well as compound attacks, are both paid particular attention to, since these are considered important in practical applications. </p><p>The main objective is thus to provide technical means to achieve high robustness and to develop watermarking methods robust to printing and scanning process. A secondary objective is to develop methods where the extraction is possible with the aid of a mobile phone camera.</p><p>The main contributions of the thesis are: (1) Methods to increase watermark extraction robustness with perceptual weighting; (2) Methods to robustly synchronize the extraction of a multibit message from a printout; (3) A method to encode a multibit message, utilizing directed periodic patterns and a method to decode the message after attacks; (4) A demonstrator of an interactive poster application and a key based robust and secure identification method from a printout.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Digitaalinen vesileimaus on parin viime vuosikymmenen aikana runsaasti huomiota saanut tekniikka, jonka avulla kuviin voidaan piilottaa aistein havaitsematonta tietoa. Tämä tieto voidaan myöhemmin poimia esiin, minkä vuoksi sovelluskohteita esimerkiksi Internetin kautta tapahtuvassa jakelussa on useita. Perinteisesti vesileimaustekniikat keskittyvät pelkästään digitaalisessa muodossa pysyvään tietoon. Kuitenkin iso osa kuvainformaatiosta saa yhä vielä myös fyysisen muodon esimerkiksi kirjoissa, julisteissa ja etiketeissä. Myös vesileimauksella on useita sovelluskohteita painettujen kuvienkin osalta. Vesileimausta ajatellen painatus tuo kumminkin omat erityishaasteensa vesileimaustekniikoille.</p><p>Tässä väitöskirjassa kehitetään menetelmiä, jotka mahdollistavat piilotetun tiedon säilymisen painetussa kuvassa. Piilotettu tieto voidaan lukea käyttämällä skanneria tai matkapuhelimen kameraa tiedon digitalisointiin. Digitalisoinnin jälkeen vesileimausohjelma osaa lukea piilotetun tiedon. Vesileimauksen osalta haasteellisuus tulee vääristymistä, joita sekä kuvien tulostus sekä digitalisointi aiheuttavat. Väitöstyössä keskitytään monibittisiin vesileimaustekniikoihin, joissa alkuperäistä kuvaa ei tarvita vesileimaa poimittaessa. Väitöstyössä kehitetyt menetelmät on testattu toimistoympäristössä standardi toimistolaitteita käyttäen. Käytännön sovelluksia ajatellen, testeissä on kiinnitetty huomiota myös yhdistelmähyökkäysten sekä painetun kuvan taustan vaikutukseen algoritmin robustisuudelle.</p><p>Ensisijainen tavoite on kehittää menetelmiä, jotka kestävät printtaus ja skannaus operaation. Toinen tavoite on tiedon kestävyys luettaessa tietoa matkapuhelimen kameran avulla.</p><p>Väitöskirjassa tarkastellaan ja kehitellään ratkaisuja neljälle eri osa-alueelle: (1) Ihmisaisteja mallintavien menetelmien käyttö vesileimauksen kestävyyden lisäämiseksi; (2) Robusti synkronointi luettaessa monibittistä tietoa painotuotteesta; (3) Suunnattuja jaksollisia kuvioita käyttävä menetelmä, joka mahdollistaa monibittisen tiedon koodaamisen ja dekoodaamisen hyökkäysten jälkeen; (4) Sovellustasolla tarkastellaan kahta pääsovellusta: interaktiivinen juliste sekä kestävä ja turvattu avaimen avulla tapahtuva painotuotteen identifiointi.</p></div>