Cette thèse traite de la question de l’authenticité des photographies d’identité, partie intégrante des documents nécessaires lors d’un contrôle d’accès. Alors que les moyens de reproduction sophistiqués sont accessibles au grand public, de nouvelles méthodes / techniques doivent empêcher toute falsification / reproduction non autorisée de la photographie d’identité. Cette thèse propose une méthode de hachage pour l’authentification de photographies d’identité, robuste à l’impression-lecture. Ce travail met ainsi l’accent sur les effets de la numérisation au niveau de hachage. L’algorithme mis au point procède à une réduction de dimension, basée sur l’analyse en composantes indépendantes (ICA). Dans la phase d’apprentissage, le sous-espace de projection est obtenu en appliquant l’ICA puis réduit selon une stratégie de sélection entropique originale. Dans l’étape d’extraction, les coefficients obtenus après projection de l’image d’identité sur le sous-espace sont quantifiés et binarisés pour obtenir la valeur de hachage. L’étude révèle les effets du bruit de balayage intervenant lors de la numérisation des photographies d’identité sur les valeurs de hachage et montre que la méthode proposée est robuste à l’attaque d’impression-lecture. L’approche suivie en se focalisant sur le hachage robuste d’une classe restreinte d’images (d’identité) se distingue des approches classiques qui adressent une image quelconque / This thesis addresses the question of the authenticity of identity photographs, part of the documents required in controlled access. Since sophisticated means of reproduction are publicly available, new methods / techniques should prevent tampering and unauthorized reproduction of the photograph. This thesis proposes a hashing method for the authentication of the identity photographs, robust to print-and-scan. This study focuses also on the effects of digitization at hash level. The developed algorithm performs a dimension reduction, based on independent component analysis (ICA). In the learning stage, the subspace projection is obtained by applying ICA and then reduced according to an original entropic selection strategy. In the extraction stage, the coefficients obtained after projecting the identity image on the subspace are quantified and binarized to obtain the hash value. The study reveals the effects of the scanning noise on the hash values of the identity photographs and shows that the proposed method is robust to the print-and-scan attack. The approach focusing on robust hashing of a restricted class of images (identity) differs from classical approaches that address any image

Abstract 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. 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. 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. 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. / Tiivistelmä 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. 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. Ensisijainen tavoite on kehittää menetelmiä, jotka kestävät printtaus ja skannaus operaation. Toinen tavoite on tiedon kestävyys luettaessa tietoa matkapuhelimen kameran avulla. 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.

L'objectif est de développer un guillochage de photographie inspiré de l'holographie numérique en ligne, capable d'encoder la signature issue d'un hachage robuste de l'image (méthode de Mihçak et Venkatesan). Une telle combinaison peut permettre l'authentification de l'image guillochée dans le domaine numérique, le cas échéant après impression. Cette approche contraint le hachage à être robuste au guillochage. La signature est codée en un nuage de formes que l'on fait virtuellement diffracter pour former la marque à insérer (guilloches dites de Fresnel) dans l'image originale. Image dense, cette marque est insérée de façon peu, voire non visible afin de ne pas gêner la perception du contenu de la photographie mais de façon à pouvoir ultérieurement lire la signature encodée en vue de la comparer à la signature de la photographie à vérifier. L'impression-lecture rend la tâche plus difficile. Le guillochage de Fresnel et l'authentification associée sont testés sur une banque (réduite) d'images / This work aims to develop a new type of guilloché pattern to be inserted in a photograph (guillochage), inspired from in-line digital holography and able to encode an image robust hash value (méthode de Mihçak et Venkatesan). Such a combination can allow the authentication of the image including the guilloché pattern in the digital domain and possibly in the print domain. This approach constraints image hashing to be robust to guillochage. The hash value is encoded as a cloud of shapes that virtually produces a diffraction”pattern to be inserted as a mark (named “guilloches de Fresnel“) in the original image. The image insertion results from a trade off : the high-density mark should be quite or even not visible in order to avoid any disturbance in the perception of the image content but detectable in order to be able to compare the decoded hash to the hash of the current photograph. Print and scan makes the task harder. Both the Fresnel guillochage and the associated authentication are tested on a (reduced) image database

Le tatouage invisible d’images d’identité imprimées sur un support en plastique est un problème difficile qui intéresse le monde industriel. Dans cette étude, nous avons développé un algorithme de tatouage robuste aux diverses attaques présentes dans ce cas. Ces attaques sont liées aux processus d’impression/numérisation sur le support plastique ainsi qu’aux dégradations qu’une carte plastique peut rencontrer le long de sa durée de vie. La méthode de tatouage opère dans le domaine de Fourier car cette transformée présente des propriétés d’invariances aux attaques géométriques globales. Une méthode préventive consiste en un prétraitement de l’image originale avant le processus d’insertion qui réduit la variance du vecteur support de la marque. Une méthode corrective comporte deux contre-attaques corrigeant le flou et les variations colorimétriques. Pour une probabilité de fausse alarme de 10⁻⁴, nous avons obtenu une amélioration moyenne de 22% par rapport à la méthode de référence lorsque seule la méthode préventive est utilisée. La combinaison de la méthode préventive avec la méthode corrective correspond à un taux de détection supérieur à 99%. L’algorithme de détection prends moins de 1 seconde pour à une image de 512×512 pixels avec un ordinateur classique ce qui est compatible avec l’application industrielle visée. / Invisible watermarking for ID images printed on plastic card support is a challenging problem that interests the industrial world. In this study, we developed a watermarking algorithm robust to various attacks present in this case. These attacks are mainly related to the print/scan process on the plastic support and the degradations that an ID card can encounter along its lifetime. The watermarking scheme operates in the Fourier domain as this transform has invariance properties against global geometrical transformations. A preventive method consists of pre-processing the host image before the embedding process that reduces the variance of the embeddable vector. A curative method comprises two counterattacks dealing with blurring and color variations. For a false alarm probability of 10⁻⁴, we obtained an average improvement of 22% over the reference method when only preventative method is used. The combination of the preventive and curative methods leads to a detection rate greater than 99%. The detection algorithm takes less than 1 second for a 512×512 image with a conventional computer, which is compatible with the industrial application in question.

Abstract There are many reasons for sharing a photo of a printout. The intention might be to copy the image for personal use or experience an interesting ad with friends. With watermarking, the images can also carry side information and with specialized watermarking methods the information can be read with a mobile device camera. In digital image watermarking, information is hidden on an image in such a way that a computer can read the hidden information but a human cannot discern it. The aim of this thesis is to research the process in which the watermarked image is printed and then read with a digital camera or a camera phone from the printed image. In order to survive the process, the watermark must survive multiple attacks. Some of the attacks occur during printing as the image is halftoned, others when the image is recaptured with a camera, in which case the camera might be rotated around multiple axis. These attacks may cause a loss of synchronization of the watermark and make the extraction impossible. The main objective of the thesis is thus to develop methods that are robust to the printing and capturing process, especially for the situations when the capturing angle is large. This problem contains the circumstances in which the synchronization is lost and the camera lens is not focused properly. In this work, research on digital image watermarking, computational photography and mobile phones are combined. The contributions of this thesis lie in two main parts: First, two print-cam robust methods are proposed, one based on a frame and the other on autocorrelation for synchronization. These two are then used as a basis for an algorithm that recovers the watermark even after camera rotation and image blurring caused by the narrow depth of focus of the lens. The algorithm is later refined and implemented for a mobile phone. The results show that the method is highly robust to capturing the watermark without errors in angles up to 60° with processing times acceptable for real-life applications. / Tiivistelmä On olemassa useita syitä tulosteesta otetun valokuvan jakamiseen. Aikomuksena voi olla kopioida kuva omaan käyttöön tai jakaa mielenkiintoinen ilmoitus ystävien kanssa. Vesileimauksessa kuvaan voidaan sijoittaa lisätietoa ja erityisillä menetelmillä tieto voidaan myöhemmin lukea mobiililaitteen kameralla. Digitaalisten kuvien vesileimauksen tavoite on piilottaa tietoa kuvaan siten, että tietokone pystyy lukemaan piilotetun informaation, siinä missä ihminen ei pysty sitä havaitsemaan. Tämän väitöskirjan tavoitteena on tutkia prosessia, missä vesileimattu kuva tulostetaan ja vesileima luetaan digitaalisella kameralla tai kamerapuhelimella tulosteesta. Selviytyäkseen tästä prosessista, vesileiman on kestettävä useita hyökkäyksiä. Osa hyökkäyksistä esiintyy tulostuksen aikana, kun kuva rasteroidaan, ja osa valokuvatessa, jolloin kamera voi olla kiertynyt. Näiden hyökkäysten seurauksena vesileiman synkronointi voi kadota, jolloin vesileiman lukeminen ei enää onnistu. Väitöskirjan päätavoitteena on siis kehittää tulostuksen ja valokuvauksen kestäviä vesileimausmenetelmiä erityisesti niitä tilanteita varten, jolloin kuvauskulma on suuri. Tämä ongelma sisältää olosuhteet, joissa synkronointi menetetään, ja kun kameran linssi ei ole kohdistunut oikein. Työssä yhdistetään digitaalinen kuvien vesileimaus, laskennallinen valokuvaus ja matkapuhelimet. Tutkimus voidaan jakaa kahteen osa-alueeseen: Ensimmäisessä kehitetään kaksi tulostuksen ja valokuvauksen kestävää menetelmää, joista toinen perustuu kehykseen ja toinen autokorrelaatioon synkronoinnin säilyttämiseksi. Toisessa osassa näitä menetelmiä hyödynnetään algoritmissa, joka kykenee vesileiman lukemiseen myös silloin kun kameran kiertyminen on voimakasta ja objektiivin kapea tarkennussyvyys aiheuttaa sumeita alueita kuvassa. Tutkimustyön lopussa tätä algoritmia viedään eteenpäin ja testataan matkapuhelinalustalla. Tulokset osoittavat menetelmän kestävän kameran kiertymistä 60°:seen saakka suoritusajoilla, jotka ovat hyväksyttäviä sovelluskäyttöön.