Abstract Developments in information technology have had a big impact in healthcare, producing vast amounts of data and increasing demands associated with their secure transfer, storage and analysis. To serve them, biomedical data need to carry patient information and records or even extra biomedical images or signals required for multimodal applications. The proposed solution is to host this information in data using data hiding algorithms through the introduction of imperceptible modifications achieving two main purposes: increasing data management efficiency and enhancing the security aspects of confidentiality, reliability and availability. Data hiding achieve this by embedding the payload in objects, including components such as authentication tags, without requirements in extra space or modifications in repositories. The proposed methods satisfy two research problems. The first is the hospital-centric problem of providing efficient and secure management of data in hospital networks. This includes combinations of multimodal data in single objects. The host data were biomedical images and sequences intended for diagnoses meaning that even non-visible modifications can cause errors. Thus, a determining restriction was reversibility. Reversible data hiding methods remove the introduced modifications upon extraction of the payload. Embedding capacity was another priority that determined the proposed algorithms. To meet those demands, the algorithms were based on the Least Significant Bit Substitution and Histogram Shifting approaches. The second was the patient-centric problem, including user authentication and issues of secure and efficient data transfer in eHealth systems. Two novel solutions were proposed. The first method uses data hiding to increase the robustness of face biometrics in photos, where due to the high robustness requirements, a periodic pattern embedding approach was used. The second method protects sensitive user data collected by smartphones. In this case, to meet the low computational cost requirements, the method was based on Least Significant Bit Substitution. Concluding, the proposed algorithms introduced novel data hiding applications and demonstrated competitive embedding properties in existing applications. / Tiivistelmä Modernit terveydenhuoltojärjestelmät tuottavat suuria määriä tietoa, mikä korostaa tiedon turvalliseen siirtämiseen, tallentamiseen ja analysointiin liittyviä vaatimuksia. Täyttääkseen nämä vaatimukset, biolääketieteellisen tiedon täytyy sisältää potilastietoja ja -kertomusta, jopa biolääketieteellisiä lisäkuvia ja -signaaleja, joita tarvitaan multimodaalisissa sovelluksissa. Esitetty ratkaisu on upottaa tämä informaatio tietoon käyttäen tiedonpiilotusmenetelmiä, joissa näkymättömiä muutoksia tehden saavutetaan kaksi päämäärää: tiedonhallinnan tehokkuuden nostaminen ja luottamuksellisuuteen, luotettavuuteen ja saatavuuteen liittyvien turvallisuusnäkökulmien parantaminen. Tiedonpiilotus saavuttaa tämän upottamalla hyötykuorman, sisältäen komponentteja, kuten todentamismerkinnät, ilman lisätilavaatimuksia tai muutoksia tietokantoihin. Esitetyt menetelmät ratkaisevat kaksi tutkimusongelmaa. Ensimmäinen on sairaalakeskeinen ongelma tehokkaan ja turvallisen tiedonhallinnan tarjoamiseen sairaaloiden verkoissa. Tämä sisältää multimodaalisen tiedon yhdistämisen yhdeksi kokonaisuudeksi. Tiedon kantajana olivat biolääketieteelliset kuvat ja sekvenssit, jotka on tarkoitettu diagnosointiin, missä jopa näkymättömät muutokset voivat aiheuttaa virheitä. Siispä määrittävin rajoite oli palautettavuus. Palauttavat tiedonpiilotus-menetelmät poistavat lisätyt muutokset, kun hyötykuorma irrotetaan. Upotuskapasiteetti oli toinen tavoite, joka määritteli esitettyjä algoritmeja. Saavuttaakseen nämä vaatimukset, algoritmit perustuivat vähiten merkitsevän bitin korvaamiseen ja histogrammin siirtämiseen. Toisena oli potilaskeskeinen ongelma, joka sisältää käyttäjän henkilöllisyyden todentamisen sekä turvalliseen ja tehokkaaseen tiedonsiirtoon liittyvät haasteet eHealth-järjestelmissä. Työssä ehdotettiin kahta uutta ratkaisua. Ensimmäinen niistä käyttää tiedonpiilotusta parantamaan kasvojen biometriikan kestävyyttä valokuvissa. Korkeasta kestävyysvaatimuksesta johtuen käytettiin periodisen kuvion upottamismenetelmää. Toinen menetelmä suojelee älypuhelimien keräämää arkaluontoista käyttäjätietoa. Tässä tapauksessa, jotta matala laskennallinen kustannus saavutetaan, menetelmä perustui vähiten merkitsevän bitin korvaamiseen. Yhteenvetona ehdotetut algoritmit esittelivät uusia tiedonpiilotussovelluksia ja osoittivat kilpailukykyisiä upotusominaisuuksia olemassa olevissa sovelluksissa.

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.

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.

Abstract The worldwide success of wireless communications was originally fueled by the possibility to replace existing cables with wireless solutions. This phenomenon imposed the development of security engineering as a multidisciplinary field. Although wireless solutions can reduce installation costs and allow introducing new services, the end–users expect it to have the same level of security as they would normally have with wired solutions. Secure communications is an important part of the overall security of industrial wireless communications systems (IWCS). The aim of this thesis is to develop new security engineering methodologies for IWCS. The author develops countermeasures against confidentiality and integrity attacks and carries out a security analysis covering the protocol, electromagnetic and physical layer. In the first part of the thesis, Host Identity Protocol (HIP) is utilized to secure communication in an intra–vehicular network. Simulations and measurement campaigns are also conducted to evaluate the impact of the overhead on security in a tunnel, considering line–of–sight (LOS) and non–LOS (NLOS) scenarios. Electromagnetic analysis (EMA) is an important step in the development of safety–related systems. Today, the increasing usage of smaller integrated circuit also increases the susceptibility to electromagnetic (EM) interference. From near–field (NF) to far–field (FF) transformation, a method for the evaluation of the emissions leakage is investigated. The virtual EM (VEM) interface of the device–under–test (DUT) is studied, and it is described how an adversary can exploit it for denial of service (DoS) attacks. An effective jamming attack model is studied, and the theoretical calculations are validated with experiment–based results. Finally, focusing attention on physical layer security, two algorithms are developed. Active radio frequency fingerprinting (RFF) implements the exchange of a public key during the setup of secure communication. Afterwards, utilizing a jamming receiver in conjunction with the spread spectrum (SS) watermarking technique, the watermark–based blind physical layer security (WBPLSec) protocol is presented. The analysis and results indicate how the WBPLSec seems to be a valuable technique for deploying physical layer security by creating a secure region around the receiver. / Tiivistelmä Langattoman tietoliikenteen maailmanlaajuista suosiota kiihdytti alun perin mahdollisuus korvata tietoliikennejärjestelmissä käytetyt kaapelit langattomilla ratkaisuilla. Ilmiö lisäsi myös tarvetta kehittää alan turvatekniikkaa monialaisen tutkimuksen pohjalta. Vaikka langattomat ratkaisut merkitsevät pienempiä asennuskustannuksia ja tarjoavat mahdollisuuksia luoda uudenlaisia palveluja, järjestelmien loppukäyttäjät edellyttävät kuitenkin niiden turvallisuuden olevan vastaavalla tasolla kuin langallisissa verkoissa. Myös teollisuuden langattomien tietoliikennejärjestelmen turvallisuus riippuu pitkälti viestintäkanavien turvallisuudesta. Väitöksen tavoitteena on kehittää uusia menetelmiä, joilla teollisuuden langattomat tietoliikennejärjestelmät voitaisiin turvata. Väitöksessä kehitetään toimenpiteitä tietoliikennejärjestelmien luottamuksellisuuteen ja koskemattomuuteen kohdistuvia hyökkäyksiä vastaan ja toteutetaan turvallisuusarviointi, joka kattaa järjestelmän protokollakerroksen sekä sähkömagneettisen ja fyysisen kerroksen. Väitöksen ensimmäisessä osassa hyödynnetään HIP–protokollaa (Host Identity Protocol) liikennevälineen sisäisen tietoliikennejärjestelmän turvallisuuden varmistamisessa. Lisäksi siinä kuvataan simulaatiot ja mittaushankkeet, joiden tavoitteena on arvioida käytetyn protokollan turvallisuusvaikutuksia esteettömän (line–of–sight, LOS) ja esteellisen (non–line–of–sight, NLOS) näköyhteyden tapauksissa. Sähkömagneettinen analyysi on tärkeä vaihe turvajärjestelmien kehitysprosessissa. Järjestelmissä käytetään yhä enemmän pieniä integroituja piirejä, mikä voi myös altistaa ne sähkömagneettisille (electromagnetic, EM) häiriöille. Väitöksessä tutkitaan lähikenttä–kaukokenttä -muunnokseen perustuvan arviointimenetelmän avulla sähkömagneettisen vuotosäteilyn tasoa. Lisäksi perehdytään testattavan laitteen (device under test, DUT) virtuaaliseen EM–liitäntään ja kuvataan, miten vastaavaa liitäntää voidaan hyödyntää palvelunestohyökkäyksissä. Väitöksessä tutkitaan myös tehokasta häirintämallia ja validoidaan teoreettisten laskelmien tulokset kokeellisesti. Lopuksi väitöksessä keskitytään tietoliikennejärjestelmän fyysisen kerroksen turvallisuuteen ja kehitetään kaksi algoritmia. Aktiivisen radiotaajuisen tunnistusmenetelmän avulla voidaan vaihtaa julkisia avaimia turvallista tietoliikenneyhteyttä muodostettaessa. Lisäksi esitellään vesileimausmenetelmään perustuva fyysisen kerroksen salausmenetelmä, WBPLSec. WBPLSec luo vastaanottimen ympärille suoja–alueen, minkä ansiosta se vaikuttaa analyysin ja tutkimustulosten perusteella olevan tehokas menetelmä toteuttaa fyysisen kerroksen suojaus.