Η προστασία των πνευματικών δικαιωμάτων και η απόδειξη γνησιότητας του κατόχου, επομένως και η πιστοποίηση της αυθεντικότητας των ψηφιακών αντικειμένων είναι ένα πολύ καυτό ζήτημα και για την επίλυσή του επιστρατεύονται μέθοδοι απόκρυψης πληροφορίας και τεχνικές υδατογράφησης. Εκτός από τη φιλοσοφική αντιμετώπιση του θέματος, προτείνονται μια μέθοδος απόκρυψης πληροφορίας και δύο τεχνικές υδατογράφησης, με σκοπό την προστασία των πνευματικών δικαιωμάτων και την πιστοποίηση της αυθεντικότητας των ψηφιακών αντικειμένων. Η μέθοδος απόκρυψης πληροφορίας δανείζεται έννοιες από την κρυπτογραφία εισάγοντας σε μεγάλες εικόνες ένα δύσκολο στιγμιότυπο, δηλαδή έναν τρία χρωματίσιμο γράφο. Ο γράφος μαζί με το χρωματισμό του αποτελεί το κλειδί. Για να μην αποκαλυφθεί όλος ο χρωματισμός του γράφου σε μια πιθανή διαμάχη, εφαρμόζεται το πρωτόκολλο των διαντιδραστικών αποδείξεων μηδενικής γνώσης (ZKIP) για δύσκολα υπολογιστικά προβλήματα. Η διαδικασία της ένθεσης γίνεται με χρήση του μετασχηματισμού wavelets, παρέχοντας καλή ποιότητα των παραγόμενων εικόνων και ανθεκτικότητα σε περιπτώσεις επιθέσεων. Οι δύο τεχνικές υδατογράφησης εφαρμόζονται στο χωρικό πεδίο και στο πεδίο συχνοτήτων, αντίστοιχα. Η τεχνική που εφαρμόστηκε στο χωρικό πεδίο εκμεταλλεύεται τυχόν ομοιότητες του υδατογραφήματος με τις αρχικές εικόνες για να επιλεγούν οι θέσεις ένθεσης. Αντίθετα στην τεχνική υδατογράφησης που εφαρμόστηκε στο πεδίο συχνοτήτων γίνεται χρήση του μετασχηματισμού wavelet. Σε όλες τις τεχνικές παρατηρήθηκαν ικανοποιητικά αποτελέσματα μετά την ένθεση της εισαγόμενης πληροφορίας έτσι ώστε να μη είναι οπτικά αντιληπτή. Επίσης εξετάστηκε και η ανθεκτικότητα της εισαγόμενης πληροφορίας στις εικόνες ύστερα από πιθανές επιθέσεις και επιβεβαιώθηκε ότι επιζεί ένα αρκετά μεγάλο ποσοστό της εισαγόμενης πληροφορίας, γεγονός που καταξιώνει τις προτεινόμενες μεθόδους. / The copyright protection and the authentication is a very hot topic and for its solution are called up data hiding methods and watermarking techniques. Αpart from the philosophical confrontation of the subject, there are proposed a data hiding method and two watermarking techniques that aim to copyright protect and the authenticate digital objects. The data hiding technique combines concepts from cryptography and it can be applied to large images by inserting a hard instance, i.e. a 3-colorable graph. The graph itself with its coloring compose the key. In order not to reveal all its coloring in a possible conflict, the Zero Knowledge Interactive Proof Protocol (ZKIP) is applied. The insertion process has been done using wavelets transformation, offering good quality of the produced images and robustness against possible attacks. The two watermarking techniques are applied in spatial domain and in frequency domain, respectively. The technique that was applied in spatial domain is exploiting any similarity between the watermark and the initial images so that to select at best the insertion positions. On the contrary, in the watermarking technique that is applied in the frequency domain, wavelets transformation has been used and the watermark was inserted in the differential coefficients of the image, in order to be imperceptible. To all the above techniques, it has been observed sufficient results after the insertion of the redundant information, so that it turned to be visible imperceptibly. Moreover, the robustness of the redundant information was each time after possible attacks examined, and it was confirmed that a rather big percentage of the redundant information is survived, making more reliable the proposed techniques.

Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η παρουσίαση των σημαντικότερων τεχνικών υδατογράφησης (watermarking techniques) ψηφιακών εικόνων με ανθεκτικότητα σε γεωμετρικούς μετασχηματισμούς και η περιγραφή και υλοποίηση ενός τέτοιου συστήματος. Οι γεωμετρικοί μετασχηματισμοί, στους οποίους δόθηκε περισσότερη έμφαση κατά την υλοποίηση του συστήματος υδατογράφησης ψηφιακών εικόνων που θα παρουσιαστεί παρακάτω, έχουν να κάνουν με την κλιμάκωση (scaling), την περιστροφή (rotation) και τον μετασχηματισμό συντεταγμένων (translation) μιας εικόνας καθώς επίσης και με συνδυασμούς αυτών. Παρόλα αυτά όμως το σύστημα που περιγράφεται αντιμετωπίζει σε ικανοποιητικό βαθμό και άλλες γεωμετρικές επιθέσεις (όπως shearing,aspect ratio change, projective, template remove κ.α.).Η ανθεκτικότητα ενός συστήματος υδατογράφησης σε αυτούς τους μετασχηματισμούς έχει να κάνει με την διατήρηση του υδατογραφήματος και την ικανοποιητική ανίχνευση του σε εικόνες που έχουν υποστεί τέτοιου είδους μετασχηματισμούς. Στην εργασία, αρχικά γίνεται μια εκτενής αναφορά στην τεχνική της υδατογράφησης και τις εφαρμογές της και έπειτα τονίζονται τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά των συστημάτων υδατογράφησης ψηφιακού υλικού. Στη συνέχεια, ορίζονται οι γεωμετρικές επιθέσεις σε εικόνες και παρουσιάζονται οι σημαντικότερες μέθοδοι υδατογράφησης ψηφιακών εικόνων, που υπάρχουν στην βιβλιογραφία, με ανθεκτικότητα στις επιθέσεις αυτές. Στην εργασία αυτή υλοποιήθηκε μία από αυτές τις μεθόδους και έγινε προσπάθεια για επέκταση και βελτίωση της σε ορισμένα σημεία που υστερούσε. Η αρχική και βελτιωμένη μέθοδος περιγράφονται αναλυτικά. Στο τέλος ένας αριθμός πειραματικών αποτελεσμάτων αποδεικνύουν την ανθεκτικότητα του νέου βελτιωμένου συστήματος που υλοποιήθηκε σε ένα μεγάλο πλήθος γεωμετρικών επιθέσεων. / The aim of this work is the presentation of the most important watermarking techniques for digital images with robustness to geometric transformations and the description and implementation of such a system. The geometric transformations, to which was given more emphasis at the implementation of the digital images watermarking system, that will be presented below, are the scaling, the rotation and the transformation of coordinates (translation) of an image as well as the combinations of these. Nevertheless, the system that is described faces in satisfactory degree and the other geometric attacks (as the shearing, the aspect ratio change, the projective, the template remove etc.). The robustness of a watermarking system to these transformations it is simply translated as the maintenance of the watermark and its satisfactory detection in images that have existed such type of transformations. In this work, it initially becomes a extensive report to the watermark technique and to its applications and then the more important characteristics of digital material watermarking systems are highlighted. Afterwards, the geometric attacks of digit images are determined and the most important watermarking methods of digital images with robustness to these attacks, that exist in the bibliography, are presented. In this work, one of these methods was implemented and it became some effort for its extension and its improvement in certain points that disadvantages. The initial and improved methods are analytically described. At the end, a number of experimental results are presented, that they prove the robustness of the new improved system to a large number of geometric attacks.

Καθώς η Κοινωνία της Πληροφορίας αναπτύσσεται με ταχύτατους ρυθμούς, οι τεχνολογικές κατακτήσεις από το χώρο της επιστήμης των υπολογιστών και τηλεπικοινωνιών, αποτελούν σημαντικό κεφάλαιο σε αρκετούς επιμέρους τομείς του κοινωνικού βίου, ανάμεσα στους οποίους είναι και ο Πολιτισμός. Η πολιτισμική ποικιλομορφία του υπάρχοντος υλικού και η διάθεση για αξιοποίηση της επιπρόσθετης εκπαιδευτικής του αξίας, σε συνδυασμό με την απαίτηση για διάσωση των πρωτότυπων έργων, συνθέτει ένα πολύπλοκο τεχνολογικό πρόβλημα με νομικές και κοινωνικές προεκτάσεις. Η διαδικασία της ψηφιοποίησης και η δημιουργία μιας νέας άυλης ηλεκτρονικής υπόστασης για τα έργα πολιτισμού, γεννά νέες δυνατότητες αλλά παράλληλα θέτει νέους περιορισμούς. Η έμπνευση και η δημιουργικότητα των καλλιτεχνών εκφράζεται με τα πνευματικά δικαιώματα, η προστασία και η διαχείριση των οποίων αποτελεί το αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας. Το σύνολο των πνευματικών δικαιωμάτων και ο τρόπος που αυτά ορίζονται, δεσμεύονται, εγείρονται και μεταβιβάζονται, μεταβάλλεται ριζικά καθώς περνάμε από την πραγματική αναλογική μορφή στην άυλη ψηφιακή απεικόνιση. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, ορίζονται οι διάφοροι τύποι δικαιωμάτων πνευματικής ιδιοκτησίας και αποσαφηνίζονται οι δεσμεύσεις και οι περιορισμοί που προκύπτουν από αυτά συναρτήσει της Διεθνούς,της Ευρωπαϊκής και της Ελληνικής Νομοθεσίας. Επίσης, καθορίζεται η ενδεικτική διαδικασία που πρέπει να ακολουθηθεί από μια οντότητα (πολύ συχνά από έναν πολιτιστικό οργανισμό) για την εκκαθάριση των δικαιωμάτων των έργων που κατέχει, κατά τη διαδικασία της Ψηφιοποίησης με σκοπό την προβολή τους στο Διαδίκτυο. Σε δεύτερη φάση, μελετάται το ευρύ φάσμα των τεχνολογικών μέσων, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προστασία των πνευματικών δικαιωμάτων που δεσμεύουν τους ψηφιακούς πόρους, παράλληλα με κάποιο κατάλληλα επιλεγμένο σύνολο μεταδεδομένων. Ιδιαίτερο τμήμα της εργασίας, αποτελούν τα συστήματα ψηφιακής διαχείρισης των πνευματικών δικαιωμάτων (DRMs). Πραγματοποιείται αναλυτική παρουσίαση των προτεινόμενων προτύπων που πρέπει να ακολουθούν τα συστήματα αυτά, όσον αφορά την αναπαράσταση και μοναδική αναγνώριση των δεδομένων, αλλά και την αναπαράσταση των δικαιωμάτων μέσων των γλωσσών περιγραφής πνευματικών δικαιωμάτων. Τέλος, παρουσιάζονται, η αρχιτεκτονική, οι βασικές λειτουργίες και η υλοποίηση ενός πρότυπου συστήματος διαχείρισης πνευματικών δικαιωμάτων για ψηφιακές εικόνες. / As Information Society is rapidly developing, technological conquests in computer science and telecommunications are becoming a very important part in many areas of social life, including Culture. The diversity of the cultural material and the intention of utilizing the added educational value, combined with the demand for preservation of the original works, compose a complex technological problem with legal and social extensions. The inspiration and creativity of the artists are expressed by Intellectual Property Rights – IPR, the protection and management of which is the subject of this thesis. The set of rights as well as the way they are specified, rised, binded and assigned changes while we pass from the analog to the materialess digital display. In this thesis we define the several types of Intellectual Property Rights and clarify the engagements and restrictions that result from them in connection with the International, European and National legislation. We also define the process that an entity (usually a cultural organization) must follow in order to clear the rights of the works it owns, during a digitization process which will lead to publication on the Internet. In the second part we study the technological solutions that can be used for the protection of IPR in parallel with a suitable metadata set. A special part of the thesis is the study of Digital Rights Management Systems – DRMs. We analytically present the standards on which modern DRMs must be based on in terms of identification and declaration of digital resources, as well as the representation of rights through rights expression languages. Finally we present the architecture, basic functionality and realization of a new Digital Rights Management System for digital images.

Η αντιστοίχιση εικόνων έχει σαν σκοπό την εύρεση γεωμετρικών και άλλων διαφορών ανάμεσα σε δύο ή περισσότερες εικόνες. Η ψηφιακή υδατογράφηση εικόνων προσφέρει κατοχύρωση των πνευματικών δικαιωμάτων, εισάγοντας στις εικόνες ένα αδιόρατο σήμα, ένα υδατογράφημα, με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι δύσκολο να αφαιρεθεί. Η αντιστοίχιση μπορεί να αποτελέσει τμήμα της ψηφιακής υδατογράφησης, στη φάση της ανίχνευσης του υδατογραφήματος. Επιπλέον, για την ανίχνευση του υδατογραφήματος χρησιμοποιούνται παρόμοιες ή και ίδιες μετρικές ομοιότητας με αυτές που χρησιμοποιούνται στην αντιστοίχιση. Έτσι, οποιαδήποτε βελτίωση αφορά την αντιστοίχιση ή τις μετρικές ομοιότητας μπορεί να έχει θετικές επιδράσεις και στην ψηφιακή υδατογράφηση. Η έρευνα που έγινε στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής σε σχέση με το πρόβλημα της αντιστοίχισης αφορά τη συσχέτιση των εικόνων στο χωρικό πεδίο, η οποία έχει το εξής μειονέκτημα: η περιοχή γύρω από τη μέγιστη τιμή της μπορεί να έχει μεγάλο εύρος και να επηρεάζει την ακρίβεια της αντιστοίχισης. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, προτείνεται μια διαδικασία προ-λεύκανσης των εικόνων, βασισμένη στο φίλτρο σφάλματος πρόβλεψης. Επίσης, αναπτύσσεται ένας επαναληπτικός αλγόριθμος αντιστοίχισης για μετατοπίσεις και περιστροφές, ο οποίος εφαρμόζεται σε ακολουθίες ιατρικών εικόνων με σκοπό τη διάγνωση δυσπλασιών και κακοηθειών. Ένα δεύτερο μειονέκτημα της χωρικής συσχέτισης είναι το μεγάλο υπολογιστικό της κόστος. Στη διδακτορική διατριβή προτείνεται ένα γρήγορο σχήμα υπολογισμού της, το οποίο βασίζεται σε κατάλληλη τμηματοποίηση της εικόνας και στη χρήση του μετασχηματισμού Fourier. Επίσης, το πιο απαιτητικό κομμάτι της διαδικασίας αντιστοίχισης είναι ο υπολογισμός της χρησιμοποιούμενης μετρικής σαν συνάρτηση της σχετικής θέσης των εικόνων. Έτσι, αναπτύσσεται ένας αποδοτικός επαναληπτικός αλγόριθμος, ο οποίος μειώνει σημαντικά τις αναζητήσεις που απαιτούνται για την εύρεση του μεγίστου του συντελεστή συσχέτισης και παρέχει ακρίβεια εικονοστοιχείου. Τέλος, προτείνεται μια τεχνική η οποία παρέχει ακρίβεια υποδιαίρεσης εικονοστοιχείου και βασίζεται στη μεγιστοποίηση του συντελεστή συσχέτισης. Η τεχνική αυτή δεν απαιτεί ανακατασκευή των τιμών της έντασης και παρέχει μια λύση κλειστού τύπου για την εκτίμηση της μετατόπισης. Όσο αφορά το πρόβλημα της υδατογράφησης, η έρευνα που έγινε στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής στοχεύει στην ένθεση ισχυρών υδατογραφημάτων στο χωρικό πεδίο και στη βελτίωση της ανίχνευσής τους. Καταρχήν, προτείνεται μια χωρική αντιληπτική μάσκα, η οποία βασίζεται στην τοπική διασπορά του σφάλματος πρόβλεψης της αρχικής εικόνας. Παράλληλα, αναπτύσσεται ένα «τυφλό» σύστημα ανίχνευσης και η βελτιωμένη απόδοσή του σε σχέση με υπάρχοντες ανιχνευτές αποδεικνύεται θεωρητικά για τη γενική περίπτωση επίθεσης με γραμμικό φίλτρο και θόρυβο. Στη συνέχεια, παράγεται μια νέα χωρική μάσκα η οποία επιτρέπει την ένθεση υδατογραφημάτων με εξαιρετικά μεγάλη ενέργεια, διατηρώντας ταυτόχρονα την ποιότητα της εικόνας σε πολύ καλό επίπεδο. Η απόδοσή της συγκρίνεται με πολύ γνωστές και ευρέως χρησιμοποιούμενες μάσκες και αποδεικνύεται σημαντικά καλύτερη. Επίσης, αναπτύσσεται ένα βελτιωμένο σχήμα ανίχνευσης, το οποίο σε συνδυασμό με την προτεινόμενη μάσκα έχει πολύ καλή απόδοση. Τέλος, προτείνεται μια μέθοδος εισαγωγής υδατογραφήματος στην εικόνα με πολλαπλασιαστικό τρόπο, χρησιμοποιώντας χωρο-χρονική κωδικοποίηση μπλοκ και ειδικότερα μια 4x4 πραγματική, ορθογώνια διάταξη συμβόλων. Το σχήμα αυτό αποδεικνύεται να έχει πολύ καλύτερη απόδοση σε σχέση με την επαναληπτική υδατογράφηση. / Image registration aims at finding geometrical or other differences between two or more images. Image watermarking offers copyright protection by embedding in the images an invisible signal, a watermark, in such a way that it is difficult to be removed. Image registration can be part of a watermark detector. Moreover, similar (or the same) similarity measures are used for both image registration and watermark detection. Thus, any improvement concerning the image registration or the similarity measures can have positive effects on image watermarking, too. Our research concerning the image registration problem deals with the spatial cross-correlation, which has the following drawback: the region around its maximum value can be rather wide, affecting the registration accuracy. This problem can be solved, by properly pre-whitening the images with the prediction error filter. Furthermore, an iterative algorithm is proposed for registering images with translation and rotation differences, which is then applied in sequences of medical images for cancer diagnosis. A second disadvantage of the spatial correlation is its computational cost. A fast computation scheme is proposed, based on a proper partitioning of the images and the Fourier transform. Also, the most computationally intensive part of a registration process is the evaluation of the involved measure for different relative image positions. Thus, an efficient iterative algorithm is developed that considerably reduces the number of searches required for finding the correlation coefficient maximum value and provides pixel accuracy. Finally, an image registration technique with subpixel accuracy is proposed, which is based on the correlation coefficient maximization. This technique does not require the reconstruction of the intensity values and provides a closed form solution to the subpixel translation estimation problem. As far as the problem of image watermarking is concerned, our research aims at embedding robust watermarks in spatial domain and improving their detection. First, a spatial perceptual mask is proposed, based on the local variance of the initial image prediction error. A blind detector is also developed, which performs better than the existing ones. This is theoretically proved for the general attack case with linear filter and noise. Furthermore, a new spatial perceptual mask is proposed that allows for a significantly increased strength of the watermark, while at the same time the image quality remains very good. Its performance is compared to known and widely used masks and is proved to be much better. Moreover, an improved detector is developed, which, combined with the new mask, performs very well. Finally, a new multiplicative watermark embedding is proposed, which uses space-time block coding (specifically a 4x4 real orthogonal design). This scheme is proved to perform much better than the repetitive watermarking.