Cette thèse traite de ce verrou théorique pour des vidéos naturelles. Les contributions scientifiques développées ont permis : 1. De réfuter mathématiquement le modèle gaussien en général adopté dans la littérature pour représenter le bruit de canal ; 2. D'établir pour la première fois, le caractère stationnaire des processus aléatoires représentant le bruit de canal, la méthode développée étant indépendante du type de données, de leur traitement et de la procédure d'estimation ; 3. De proposer une méthodologie de modélisation du bruit de canal à partir d'un mélange de gaussiennes pour une transformée aussi bien en cosinus discrète qu'en ondelette discrète et pour un large ensemble d'attaques (filtrage, rotation, compression, StirMark, ...). L'intérêt de cette approche est entre autres de permettre le calcul exact de la capacité du canal alors que la littérature ne fournissait que des bornes supérieure et inférieure. 4. Les contributions technologique concernent l'intégration et l'implémentions de ces modèles dans la méthode du tatouage IProtect brevetée Institut Télécom/ARTEMIS et SFR avec un gain en temps d'exécution d'un facteur 100 par rapport à l'état de l'art.

Cette thèse porte sur la conception d'une technique de tatouage sûr et robuste dans le contexte du traçage de documents multimédia, et propose un système complet du traçage de traîtres. Ces travaux s'appuient sur la technique de tatouage zéro-bit robuste 'Broken Arrows', dont nous proposons des améliorations afin de la rendre plus robuste, notamment à l'attaque de débruitage de A. Westfeld, et plus sûre. Sa sécurité est renforcée au regard des attaques connues et publiées, telles que l'attaque de regroupement de A. Westfeld et l'attaque d'estimation de sous-espace de P. Bas. Par ailleurs, nous étendons sa sécurité en considérant des attaques non publiées. Nous proposons ainsi une nouvelle technique de tatouage sûr, basé sur un test de décision 'a contrario' et une insertion avec maximisation sous contraintes d'imperceptibilité et de sécurité. Nous proposons dans le dernier chapitre un schéma complet de traçage de documents multimédia, basé sur les codes de Tardos en version q-aire symétrique et les techniques du tatouage améliorées mentionnées plus haut. Comme les techniques du tatouage sont très robustes, nous pouvons détecter plusieurs symboles en un seul bloc attaqué, ce qui nous permet de proposer deux méthodes d'accusation étendues pour le code de Tardos. Les études expérimentales montrent les bonnes performances de notre schéma de traçage, y compris face à des attaques jusqu'alors mal gérées comme la fusion de documents.

Dans cette thèse, nous étudions dans une première partie l'impact de la contrainte de sécurité en tatouage. Dans le contexte WOA (Watermarked contents Only Attack), un adversaire possède plusieurs contenus tatoués et cherche à estimer la clé secrète d'insertion afin d'accéder aux messages cachés. Une nouvelle manière de tatouer en étalement de spectre est présentée ici. Celle-ci est basée sur la construction de distributions circulaires dans le sous-espace secret de tatouage. Cette technique permet de minimiser la distorsion en moyenne provoquée par l'ajout de la marque dans le contexte WOA en utilisant l'algorithme d'optimisation des Hongrois et la théorie du transport. Nous vérifions ensuite qu'un tatouage sûr est utilisable en pratique en prenant comme exemple le tatouage d'images naturelles. Dans une seconde partie, nous nous intéressons au cadre de l'estampillage d'oe uvres numériques permettant de tracer les redistributeurs de copies illégales. Les codes traçants utilisés sont ceux proposés par Gabor Tardos et sont résistants aux attaques de coalition, c'est-à-dire au groupement d'adversaires mettant en commun leurs contenus numériques afin de forger une version pirate. Puisque les techniques de tatouage permettent l'insertion de codes traçants dans un contenu numérique, nous avons conçu une attaque "au pire cas" qui dépend du niveau de sécurité et qui permet, pour les adversaires, de baisser leur accusation. Nous montrons que pour le cas particulier de l'estampillage un tatouage sûr sera plus efficace qu'un tatouage non-sûr (à robustesse équivalente). Finalement, une implantation des codes traçants dans un contenu vidéo utilisant des méthodes sûres par étalement de spectre est proposée. Nous montrons alors l'efficacité de l'accusation des adversaires dans ce cadre pratique.

Cette thèse traite de ce verrou théorique pour des vidéos naturelles. Les contributions scientifiques développées ont permis : 1. De réfuter mathématiquement le modèle gaussien en général adopté dans la littérature pour représenter le bruit de canal ; 2. D’établir pour la première fois, le caractère stationnaire des processus aléatoires représentant le bruit de canal, la méthode développée étant indépendante du type de données, de leur traitement et de la procédure d’estimation ; 3. De proposer une méthodologie de modélisation du bruit de canal à partir d’un mélange de gaussiennes pour une transformée aussi bien en cosinus discrète qu’en ondelette discrète et pour un large ensemble d’attaques (filtrage, rotation, compression, StirMark, …). L’intérêt de cette approche est entre autres de permettre le calcul exact de la capacité du canal alors que la littérature ne fournissait que des bornes supérieure et inférieure. 4. Les contributions technologique concernent l’intégration et l’implémentions de ces modèles dans la méthode du tatouage IProtect brevetée Institut Télécom/ARTEMIS et SFR avec un gain en temps d’exécution d’un facteur 100 par rapport à l’état de l’art. / The thesis is focus on natural video and attack modelling for uncompressed video watermarking purposes. By reconsidering a statistical investigation combining four types of statistical tests, the thesis starts by identifying with accuracy the drawbacks and limitations of the popular Gaussian model in watermarking applications. Further on, an advanced statistical approach is developed in order to establish with mathematical rigour: 1. That a mathematical model for the original video content and/or attacks exists; 2. The model parameters. From the theoretical point of view, this means to prove for the first time the stationarity of the random processes representing the natural video and/or the watermarking attacks. These general results have been already validated under applicative and theoretical frameworks. On the one hand, when integrating the attack models into the IProtect watermarking method patented by Institut Télécom/ARTEMIS and SFR, a speed-up by a factor of 100 of the insertion procedure has been obtained. On the other hand, accurate models for natural video and attacks allowed the increasing of the precision in the computation of some basic information theory entities (entropies and capacity).

Depuis l'extraordinaire révolution technique de l'analogique vers le numérique à la fin du 20ième siècle, les documents numériques sont devenus de plus en plus utilisés à cause de leur diffusion peu coûteuse et extrêmement rapide. Cependant ce passage de l'analogique vers le numérique ne s'est pas fait sans engendrer des inquiétudes en terme des droits d'auteurs. Des personnes non autorisées peuvent s'approprier des documents numériques pour faire des profits au dépends des propriétaires légitimes ayant les droits initiaux, puisque son contenu peut être facilement copié, modifié et distribué sans risque d'être détérioré. Dans cette optique, au début des années 1990, une nouvelle technique a été introduite qui s'inspire principalement de la cryptographie et la stéganographie : elle consiste à inscrire une marque dans un document numérique. Cette technique est nommée le tatouage numérique, en anglais digital watermarking. Cette thèse présente cinq différentes contributions relatives au domaine du tatouage numérique et du traitement d'image. La première contribution est la proposition de deux solutions au problème de la détection positive fausse de la marque constatée dans certains algorithmes de tatouage numérique basés sur la décomposition en valeurs singulières. L'une des solutions est basée sur les fonctions de hachage et l'autre sur le cryptage d'image. La deuxième contribution est la proposition d'un algorithme de cryptage d'image basé sur le principe du cube Rubik. La troisième contribution est la conception d'un algorithme de tatouage numérique basé sur la transformée en ondelettes à base du schéma de lifting (LWT) et la décomposition en valeurs singulières (SVD). Un facteur scalaire unique est utilisé pour contrôler l'intensité de l'insertion de la marque, et permet ainsi de trouver le meilleur compromis entre la robustesse et l'imperceptibilité du tatouage numérique. Cependant, l'utilisation des facteurs scalaires multiples au lieu d'un facteur scalaire unique est plus intéressante [CKLS97]. Toutefois, la détermination des valeurs optimales des facteurs scalaires multiples est un problème très difficile et complexe. Afin de trouver ces valeurs optimales, on a utilisé séparément l'optimisation multi-objective par algorithme génétique (MOGAO) et l'optimisation multi-objective par l'algorithme de colonie de fourmis (MOACO) qui sont considérés comme la quatrième et la cinquième contributions de cette thèse.

En traçage de traîtres, plusieurs copies d'un même contenu sont personnalisées avant distribution pour identifier d'éventuelles fuites d'informations. Dans le contexte de la distribution de contenus multimédia, cette personnalisation repose sur une construction jointe d'un code composé d'identifiants uniques et d'un algorithme de dissimulation d'informations. Une des problématiques majeure de cette construction est de conserver des propriétés d'identification même en cas d'attaques par collusion d'une coalition de traîtres, c'est-à-dire lorsque plusieurs copies d'utilisateurs (les traîtres) sont utilisées pour créer une copie pirate inconnue du système. Ces attaques doivent être contrées d'une part, au niveau du code traçant et d'autre part au niveau de l'algorithme d'insertion. Pour une distribution de contenus à grande échelle, il est nécessaire d'aborder le problème de la génération des identifiants de manière probabiliste. Le code de Gabor Tardos est alors l'approche la plus performante pour un alphabet binaire. Cependant, pour des identifiants à valeurs réelles respectant une contrainte de distorsion à l'insertion, ces identifiants binaires ne sont plus optimaux en terme d'erreur de décodage. Dans cette thèse, nous avons proposé un décodeur MAP non informé pour améliorer le décodage du code de Tardos. Nous nous sommes aussi intéressés à combiner les approches de codes à valeurs binaires et réelles afin d'améliorer les performances de traçage. Enfin, nous avons abordé le problème de la complexité de décodage avec une approche hiérarchique de codes à deux niveaux. / In Traitor Tracing, preventing leaks of a digital content comes with the personalization of each delivered copy. For multimedia content distribution, such as video on demand applications, the personalization depends on a joint construction between a code of unique sequences and a data hiding tool. The major issue is to keep tracing properties even in case of collusion attacks proceed by a coalition of traitors. Collusion attacks have to be counteract both on the code layer with anti-collusion construction and on the data hiding layer with robust watermarking. For large scale multimedia content distribution, it is necessary to tackle the problem of the code generation in a probabilistic manner. The binary code of Gabor Tardos is actually the best approach of probabilistic traitor tracing codes. However, for real valued signals prone to distortion constraint, which is the context in multimedia digital watermarking, Tardos binary fingerprints are no longer optimal in term of decoding error. Our work concerns several aspects of probabilistic codes construction. Firstly, we gives new accusation functions in the Tardos tracing framework with a non informed MAP (Maximum A Posteriori) decoder leading to decrease errors probabilities. Secondly, we proposed a joint construction of binary and real values codes so as to improve collusion robustness. Finally we focus on a hierarchical two layers codes construction which reduces the Tardos decoding complexity.

Le tatouage d’images (ou watermarking) consiste à insérer de l’information de copyright, ou d’autres messages de vérification, invisible à l’oeil humain. Parmi toutes les approches possibles, le tatouage psychovisuel est le plus performant. Il consiste à utiliser les connaissances du Système Visuel Humain (SVH) pour en déduire la force du tatouage de manière optimale. Dans cette étude, nous avons proposé une nouvelle méthode de tatouage d'image psychovisuel qui combine les avantages des ondelettes à celle du domaine spatial par l’utilisation d'une représentation en ondelettes à échelle mixée (JNDEM). En considérant la densité des coefficients d'ondelettes dominants, notre système est capable de différencier les zones uniformes, celles incluant des contours, et enfin celles texturées. Nous avons sélectionné les méthodes efficaces de tatouage psychovisuel adaptée à chaque zone, à savoir celle de Chou pour les zones uniformes, de nouveau celle de Chou pour les contours, et finalement celle de Qi pour les textures. Nous avons aussi pris en compte la sensibilité du SVH qui varie avec l’orientation locale de l’image. Nous avons comparé notre JNDEM à quatre autres méthodes de tatouage de la littérature en termes de qualité visuelle et de robustesse. La méthode JNDEM conduit à une grande qualité visuelle mesurée par des tests objectifs et subjectifs. De plus elle est robuste aux attaques. Ce dernier point est d'une grande importance pour les applications réelles. En conclusion, la méthode proposée est le meilleur compromis entre la qualité visuelle et la résistance aux attaques comparée aux quatre autres méthodes testées. / Watermarking consists in inserting copyright information, or other verification messages, invisible to the human eye. Among all the possible approaches, perceptual watermarking is the most efficient. Perceptual image watermarking consists in using knowledge of the Human Visual System (HVS) to choose the strength of the watermark. In this study, we propose a new perceptual image watermarking method (JNDEM ) that combines the advantages of both the wavelet domain and the spatial domain since a mixed-scale wavelet representation is applied. By considering the density of the dominant wavelet coefficients, our scheme is able to differentiate uniform, edge and texture areas. We selected effective Just Noticeable Difference (JND) models from the literature, i.e. luminance and edge masking developed by Chou, and texture masking developed by Qi. We also took into account the HVS sensitivity which varies with the orientation of the image activity. We have compared our JNDEM to four other JND models from the literature in terms of visual quality and of robustness to attacks. Results show that the proposed method yields a high visual quality and is very robust against attacks. This last point is of great importance for real applications. In conclusion, the proposed method is the best trade-off between visual quality and resistance to attacks among the four other tested methods.

De nos jours la protection des données numériques est un problème très important. Que ce soit pour des applications de confidentialité, de communication, de traçabilité ou d'identification par exemple, il est nécessaire de développer des techniques adaptées. Dans le cadre de cette thèse en collaboration avec la société STRATEGIES S.A., la méthode choisie pour la protection de maillages 3D est l'insertion de données cachées, également appelée tatouage numérique. Pour des données 3D, un des problèmes les plus importants est la phase de synchronisation qui intervient dans les algorithmes d'insertion et d'extraction des données. Cette phase permet de repérer, de sélectionner et d'ordonner les « zones » qui sont privilégiées pour la dissimulation d'information. Nous avons choisi d'orienter le manuscrit sur cette phase. Ainsi, nous proposons une classification des méthodes de tatouages en fonction de leur méthode de synchronisation. Puis en se basant sur des techniques de synchronisation par des structures de données, telle que les arbres couvrants de poids minimum, nous proposons une analyse théorique de cette structure. Dans un premier temps nous expliquons les raisons de la sensibilité des arbres à la mobilité des points. Puis connaissant ses faiblesses, nous proposons une autre technique de synchronisation toujours basée sur les arbres couvrants de poids minimum. / Data security is one of the main issue in computer science. We need to develop solutions for confidentiality, communication, fingerprinting or identification applications for exemple. In this thesis made with STRATEGIES S.A., the chosen method to protect 3D meshes is watermarking.Watermarking is divided in two steps, the embedding and the extraction. In both of them a synchronization phase is needed. It is one of the most important step for 3D mesh because it permits to look for areas available to embed information, and order them. All the thesis is devoted to the synchronization step. First of all, we propose a classification of watermarking techniques based on the type of synchronization method instead of evaluation criterions such as robustness or capacity.Then, from methods based on Euclidean minimum spanning tree, we propose a theoritical analysis of the mobility of the vertices in that kind of structure. First, we explain the reasons of the sensibility of the structure. Secondly, we propose another scheme based on the Euclidean minimum spanning tree knowing its fragility.

Dans cette thèse, nous étudions dans une première partie l'impact de la contrainte de sécurité en tatouage. Dans le contexte WOA (Watermarked contents Only Attack), un adversaire possède plusieurs contenus tatoués et cherche à estimer la clé secrète d'insertion afin d'accéder aux messages cachés. Une nouvelle manière de tatouer en étalement de spectre est présentée ici. Celle-ci est basée sur la construction de distributions circulaires dans le sous-espace secret de tatouage. Cette technique permet de minimiser la distorsion en moyenne provoquée par l'ajout de la marque dans le contexte WOA en utilisant l'algorithme d'optimisation des Hongrois et la théorie du transport. Nous vérifions ensuite qu'un tatouage sûr est utilisable en pratique en prenant comme exemple le tatouage d'images naturelles. Dans une seconde partie, nous nous intéressons au cadre de l'estampillage d'oe uvres numériques permettant de tracer les redistributeurs de copies illégales. Les codes traçants utilisés sont ceux proposés par Gabor Tardos et sont résistants aux attaques de coalition, c'est-à-dire au groupement d'adversaires mettant en commun leurs contenus numériques afin de forger une version pirate. Puisque les techniques de tatouage permettent l'insertion de codes traçants dans un contenu numérique, nous avons conçu une attaque "au pire cas" qui dépend du niveau de sécurité et qui permet, pour les adversaires, de baisser leur accusation. Nous montrons que pour le cas particulier de l'estampillage un tatouage sûr sera plus efficace qu'un tatouage non-sûr (à robustesse équivalente). Finalement, une implantation des codes traçants dans un contenu vidéo utilisant des méthodes sûres par étalement de spectre est proposée. Nous montrons alors l'efficacité de l'accusation des adversaires dans ce cadre pratique. / In this thesis, we first study the constraint of security in watermarking. In the WOA (Watermarked contents Only Attack) framework, an adversary owns several marked contents and try to estimate the secret key used for embedding in order to have access to the hidden messages. We present a new mean for spread-spectrum watermarking based on circular distributions in the private watermarking subspace. Thanks to this technique, we are able to minimise the distortion (on expectation) caused by the watermark in the WOA framework using the Hungarian optimisation method and the transportation theory. Then, we show that secure watermarking can be used in practical works with the example of still image watermarking. In the second part, we are interested about the problem of active fingerprinting which allows to trace re-distributors of illegal copies of a numerical content. The codes we use here are the ones proposed by Gabor Tardos. These codes are resistant against collusion attacks e.g. a group of malicious users who forges a new content by mixing their copies. Since watermarking techniques allow the embedding of these codes in numerical contents, a new worst case attack taking into account the security level of the watermarking system is proposed to reduce the accusation rate of the coalition. We show that secure watermarking is more efficient that insecure one (with similar robustness) for fingerprinting application. Finally, traitor tracing codes are implemented on video sequences by using spread-spectrum techniques in order to demonstrate that the accusation of adversaries is practically possible.

Cette thèse a pour ambition d’explorer d’un point de vue théorique et applicatif le paradigme de l’in-band enrichment. Emergence de la société des connaissances, le concept de média enrichi renvoie à toute association de métadonnée (textuelle, audiovisuelle, code exécutable) avec un média d’origine. Un tel principe peut être déployé dans une large variété d’applications comme la TVNi - Télévision Numérique interactive, les jeux ou la fouille des données. Le concept de l’inband enrichement conçu et développé par M. Mitrea et son équipe au Département ARTEMIS de Télécom SudParis, suppose que les données d’enrichissement sont insérées dans le contenu même à enrichir. Ainsi, un tel concept peut-il tirer parti de techniques de tatouage, dès lors que celles-ci démontrent qu’elles ont la capacité d’insérer la quantité d’information requise par ce nouveau type d’application : i.e. 10 à 1000 fois plus grande que celle nécessaire pour les enjeux d’authentification ou de protection de droit d’auteur. Si par tradition la marque est insérée dans le domaine non compressé, les contraintes relatives aux nombreuses applications émergentes (comme la VoD – Vidéo à la Demande ou la TVNi) font du tatouage en temps réel dans le domaine compressé un important défi théorique et applicatif. Cependant, le tatouage dans le domaine compressé est une alliance de mots contradictoires puisque la compression (élimination de la redondance) rend l’hôte plus sensible aux modifications et l’association hôte/marque, plus fragile / The present thesis, developed at Institut Télécom Télécom SudParis under the “Futur et Rupture” framework, takes the challenge of exploring from both theoretical and applicative points of views the in band enrichment paradigm. Emerged with the knowledge society, the enriched media refers to any type of association which may be established between some metadata (textual, audio, video, exe codes...) and a given original media. Such a concept is currently deployed in a large variety of applications like the iDTV (interactive Digital TV), games, data mining... The incremental notion of in band enrichment advanced at the ARTEMIS Department assumes that the enrichment data are directly inserted into the very original media to be enriched. In real life, in band enrichment can be supported by the watermarking technologies, assuming they afford a very large data payload, i.e. 10 to 1000 larger than the traditional copyright applications. The nowadays advent of the ubiquous media computing and storage applications imposes an additional constraint on the watermarking techniques: the enrichment data should be inserted into some compressed original media. A priori, such a requirement is a contradiction in terms, as compression eliminates the visual redundancy while the watermarking exploits the visual redundancy in order to imperceptibly insert the mark