La présente thèse aborde le sujet de tatouage du flux MPEG-4 AVC sur ses deux volets théoriques et applicatifs en considérant deux domaines applicatifs à savoir la protection du droit d’auteur et la vérification de l'intégrité du contenu. Du point de vue théorique, le principal enjeu est de développer un cadre de tatouage unitaire en mesure de servir les deux applications mentionnées ci-dessus. Du point de vue méthodologique, le défi consiste à instancier ce cadre théorique pour servir les applications visées. La première contribution principale consiste à définir un cadre théorique pour le tatouage multi symboles à base de modulation d’index de quantification (m-QIM). La règle d’insertion QIM a été généralisée du cas binaire au cas multi-symboles et la règle de détection optimale (minimisant la probabilité d’erreur à la détection en condition du bruit blanc, additif et gaussien) a été établie. Il est ainsi démontré que la quantité d’information insérée peut être augmentée par un facteur de log2m tout en gardant les mêmes contraintes de robustesse et de transparence. Une quantité d’information de 150 bits par minutes, soit environ 20 fois plus grande que la limite imposée par la norme DCI est obtenue. La deuxième contribution consiste à spécifier une opération de prétraitement qui permet d’éliminer les impactes du phénomène du drift (propagation de la distorsion) dans le flux compressé MPEG-4 AVC. D’abord, le problème a été formalisé algébriquement en se basant sur les expressions analytiques des opérations d’encodage. Ensuite, le problème a été résolu sous la contrainte de prévention du drift. Une amélioration de la transparence avec des gains de 2 dB en PSNR est obtenue / The present thesis addresses the MPEG-4 AVC stream watermarking and considers two theoretical and applicative challenges, namely ownership protection and content integrity verification.From the theoretical point of view, the thesis main challenge is to develop a unitary watermarking framework (insertion/detection) able to serve the two above mentioned applications in the compressed domain. From the methodological point of view, the challenge is to instantiate this theoretical framework for serving the targeted applications. The thesis first main contribution consists in building the theoretical framework for the multi symbol watermarking based on quantization index modulation (m-QIM). The insertion rule is analytically designed by extending the binary QIM rule. The detection rule is optimized so as to ensure minimal probability of error under additive white Gaussian noise distributed attacks. It is thus demonstrated that the data payload can be increased by a factor of log2m, for prescribed transparency and additive Gaussian noise power. A data payload of 150 bits per minute, i.e. about 20 times larger than the limit imposed by the DCI standard, is obtained. The thesis second main theoretical contribution consists in specifying a preprocessing MPEG-4 AVC shaping operation which can eliminate the intra-frame drift effect. The drift represents the distortion spread in the compressed stream related to the MPEG encoding paradigm. In this respect, the drift distortion propagation problem in MPEG-4 AVC is algebraically expressed and the corresponding equations system is solved under drift-free constraints. The drift-free shaping results in gain in transparency of 2 dB in PSNR

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

It is desirable for companies to be able to hide data inside videos to be able to find the source of any unauthorised sharing of a video. The hidden data (the payload) should damage the original data (the cover) by an as small amount as possible while also making it hard to remove the payload without also severely damaging the cover. It was determined that the most appropriate place to hide data in a video was in the visual information, so the cover is an image. Two injection methods were developed and three methods for attacking the payload. One injection method changes the pixel values of an image directly to hide the payload and the other transforms the image to cosine waves that represented the image and it then changes those cosine waves to hide the payload. Attacks were developed to test how hard it was to remove the hidden data. The methods for attacking the payload where to add and remove a random value to each pixel, to set all bits of a certain importance to 1 or to compress the image with JPEG. The result of the study was that the method that changed the image directly was significantly faster than the method that transformed the image and it had a capacity for a larger payload. The injection methods protected the payload differently well against the various attacks so which method that was the best in that regard depends on the type of attack. / Det är önskvärt för företag att kunna gömma data i videor så att de kan hitta källorna till obehörig delning av en video. Den data som göms borde skada den ursprungliga datan så lite som möjligt medans det också är så svårt som möjligt att radera den gömda datan utan att den ursprungliga datan skadas mycket. Studien kom fram till att det bästa stället att gömma data i videor är i den visuella delen så datan göms i bilderna i videon. Två metoder skapades för att injektera gömd data och tre skapades för att förstöra den gömda datan. En injektionsmetod ändrar pixelvärdet av bilden direkt för att gömma datat medans den andra transformerar bilden till cosinusvågor och ändrar sedan de vågorna för att gömma datat. Attacker utformades för att testa hur svårt det var att förstöra den gömda datan. Metoderna för att attackera den gömda datan var att lägga till eller ta bort ett slumpmässigt värde från varje pixel, att sätta varje bit av en särskild nivå till 1 och att komprimera bilden med JPEG. Resultatet av studien var att metoden som ändrade bilden direkt var mycket snabbare än metoden som först transformerade bilden och den hade också plats för mer gömd data. Injektionsmetoderna var olika bra på att skydda den gömda datan mot de olika attackerna så vilken metod som var bäst i den aspekten beror på vilken typ av attack som används.

L’utilisation des modèles 3D, représentés sous forme de maillage, est sans cesse croissante dans de nombreuses applications. Pour une transmission efficace et pour une adaptation à l’hétérogénéité des ressources de ces modèles, des techniques de compression progressive sont généralement utilisées. Afin de protéger le droit d’auteur de ces modèles pendant la transmission, des techniques de tatouage sont également employées. Dans ces travaux de thèse, nous proposons premièrement deux méthodes de compression progressive pour des maillages avec ou sans information de couleurs et nous présentons finalement un système conjoint de compression progressive et de tatouage. Dans une première partie, nous proposons une méthode d’optimisation du compromis débit-distorsion pour des maillages sans attribut de couleur. Pendant le processus de l’encodage, nous adoptons la précision de quantification au nombre d’éléments et à la complexité géométrique pour chaque niveau de détail. Cette adaptation peut s’effectuer de manière optimale en mesurant la distance par rapport au maillage original, ou de façon quasi-optimale en utilisant un modèle théorique pour une optimisation rapide. Les résultats montrent que notre méthode donne des résultats compétitifs par rapport aux méthodes de l’état de l’art. Dans une deuxième partie, nous nous focalisons sur l’optimisation du compromis débit-distorsion pour des maillages possédant l’information de couleur attachée aux sommets. Après avoir proposé deux méthodes de compression pour ce type de maillage, nous présentons une méthode d’optimisation du débit-distorsion qui repose sur l’adaptation de la précision de quantification de la géométrie et de la couleur pour chaque maillage intermédiaire. Cette adaptation peut être effectuée rapidement selon un modèle théorique qui permet d’évaluer le nombre de bits de quantification nécessaire pour chaque maillage intermédiaire. Une métrique est également proposée pour préserver les éléments caractéristiques durant la phase de simplification. Finalement, nous proposons un schéma conjoint de compression progressive et de tatouage. Afin de protéger tous les niveaux de détails, nous insérons le tatouage dans chaque étape du processus d’encodage. Pour cela, à chaque itération de la simplification, nous séparons les sommets du maillage en deux ensembles et nous calculons un histogramme de distribution de normes pour chacun d’entre eux. Ensuite, nous divisons ces histogrammes en plusieurs classes et nous modifions ces histogrammes en décalant les classes pour insérer un bit. Cette technique de tatouage est réversible et permet de restaurer de manière exacte le maillage original en éliminant la déformation induite par l’insertion du tatouage. Nous proposons également une nouvelle méthode de prédiction de la géométrie afin de réduire le surcoût provoqué par l’insertion du tatouage. Les résultats expérimentaux montrent que notre méthode est robuste à diverses attaques géométriques tout en maintenant un bon taux de compression / The use of 3D models, represented as a mesh, is growing in many applications. For efficient transmission and adaptation of these models to the heterogeneity of client devices, progressive compression techniques are generally used. To protect the copyright during the transmission, watermarking techniques are also used. In this thesis, we first propose two progressive compression methods for meshes with or without color information, and we present a joint system of compression and watermarking. In the first part, we propose a method for optimizing the rate-distortion trade-off for meshes without color attribute. During the encoding process, we adopt the quantization precision to the number of elements and geometric complexity. This adaptation can be performed optimally by measuring the distance regarding the original mesh, or can be carried out using a theoretical model for fast optimization. The results show that our method yields competitive results with the state-of-the-art methods. In the second part, we focus on optimizing the rate-distortion performance for meshes with color information attached to mesh vertices. We propose firstly two methods of compression for this type of mesh and then we present a method for optimizing the rate-distortion trade-off based on the adaptation of the quantification precision of both geometry and color for each intermediate mesh. This adaptation can be performed rapidly by a theoretical model that evaluates the required number of quantization bits for each intermediate mesh. A metric is also proposed in order to preserve the feature elements throughout simplification. Finally, we propose a joint scheme of progressive compression and watermarking. To protect all levels of detail, we insert the watermark within each step of the encoding process. More precisely, at each iteration of simplification, we separate vertices into two sets and compute a histogram of distribution of vertex norms for each set. Then, we divide these histograms into several bins and we modify these histograms by shifting bins to insert a bit. This watermarking technique is reversible and can restore exactly the original mesh by eliminating the distortion caused by the insertion of the watermark. We also propose a new prediction method for geometry encoding to reduce the overhead caused by the insertion of the watermark. Experimental results show that our method is robust to various geometric attacks while maintaining a good compression ratio

Le vol et la contrefaçon touchent toutes les sphères industrielles de nos sociétés. En particulier, les produits électroniques représentent la deuxième catégorie de produits la plus concernée par ces problèmes. Parmi les produits électroniques les plus touchés, on retrouve les téléphones mobiles, les tablettes, les ordinateurs mais aussi des éléments bien plus basiques comme des circuits analogiques ou numériques et les circuits intégrés. Ces derniers sont au coeur de la plupart des produits électroniques et un téléphone mobile peut être considéré comme contrefait s’il possède ne serait-ce qu’un seul circuit intégré contrefait. Le marché de la contrefaçon de circuits intégrés représente entre 7 et 10% du marché total des semi-conducteurs, ce qui implique une perte d’au moins 24 milliards d’euros en 2015 pour les entreprises concevant des circuits intégrés. Ces pertes pourraient s’élever jusqu’à 36 milliards d’euros en 2016. Il est donc indispensable de trouver des solutions pratiques et efficaces pour lutter contre la contrefaçon et le vol de circuits intégrés. Le projet SALWARE, financé par l’Agence Nationale de la Recherche et par la Fondation de Recherche pour l’Aéronautique et l’Espace, a pour but de lutter contre le problème de la contrefaçon et du vol de circuits intégrés et propose l’étude et la conception de matériels salutaires (ou salwares). En particulier, l’un des objectifs de ce projet est de combiner astucieusement plusieurs mécanismes de protection participant à la lutte contre la contrefaçon et le vol de circuits intégrés, pour construire un système d’activation complet. L’activation des circuits intégrés après leur fabrication permet de redonner leur contrôle au véritable propriétaire de la propriété intellectuelle. Dans ce manuscrit de thèse, nous proposons l’étude de trois mécanismes de protection participant à la lutte contre la contrefaçon et le vol de circuits intégrés. Dans un premier temps, nous étudierons l’insertion et la détection de watermarks dans les machines à états finies des systèmes numériques synchrones. Ce mécanisme de protection permet de détecter un vol ou une contrefaçon. Ensuite, une fonction physique non-clonable basée sur des oscillateurs en anneaux dont les oscillations sont temporaires est implantée et caractérisée sur FPGA. Ce mécanisme de protection permet d’identifier un circuit grâce à un identifiant unique créé grâce aux variations du processus de fabrication des circuits intégrés. Enfin, nous aborderons l’implantation matérielle d’algorithmes légers de chiffrement par bloc, qui permettent d’établir une communication sécurisée au moment de l’activation d’un circuit intégré / Counterfeiting and theft affects all industrial activities in our society. Electronic products are the second category of products most concerned by these issues. Among the most affected electronic products, we find mobile phones, tablets, computers as well as more basic elements such as analog and digital circuits or integrated circuits. These are the heart of almost all electronic products and we can say that a mobile phone is counterfeited if it has at least one counterfeit integrated circuit inside. The market of counterfeit integrated circuit is estimated between 7 and 10% of the global semi-conductors market, which represents a loss of at least 24 billion euros for the lawful industry in 2015. These losses could reach 36 billion euros in 2016. Therefore, there is an absolute necessity to find practical and efficient methods to fight against counterfeiting and theft of integrated circuits. The SALWARE project, granted by the French "Agence Nationale de la Recherche" and by the "Fondation de Recherche pour l’Aéronautique et l’Espace", aims to fight against the problem of counterfeiting and theft of integrated circuitsFor that, we propose to design salutary hardwares (salwares). More specifically,we propose to cleverly combine different protection mechanisms to build a completeactivation system. Activate an integrated circuit after its manufacturing helpsto restore the control of integrated circuits to the true owner of the intellectualproperty.In this thesis, we propose the study of three different protection mechanismsfighting against counterfeiting and theft of integrated circuits. First, the insertionand the detection of watermark in the finite state machine of digital and synchronoussystems will be studied. This mechanism helps to detect counterfeit or theftparts. Then, a physical unclonable function based on transcient effect ring oscillatoris implemented and characterized on FPGA. This protection mechanism is used toidentify integrated circuit with a unique identifier created thanks to the extractionof entropy from manufacturing process variations. Finally, we discuss the hardwareimplementations of lightweight block ciphers, which establish a secure communicationduring the activation of an integrated circuit

MPEG audio compression techniques significantly reduces the storage and transmission requirements for high quality digital audio. However, compression complicates the processing of audio in many applications. If a compressed audio signal is to be processed, a direct method would be to decode the compressed signal, process the decoded signal and re-encode it. This is computationally expensive due to the complexity of the MPEG filter bank. This thesis deals with processing of MPEG compressed audio. The main contributions of this thesis are a) Extracting wavelet coefficients in the MPEG compressed domain. b) Wavelet based pitch extraction in MPEG compressed domain. c) Time Scale Modifications of MPEG audio. d) Watermarking of MPEG audio. The research contributions starts with a technique for calculating several levels of wavelet coefficients from the output of the MPEG analysis filter bank. The technique exploits the toeplitz structure which arises when the MPEG and wavelet filter banks are represented in a matrix form, The computational complexity for extracting several levels of wavelet coefficients after decoding the compressed signal and directly from the output of the MPEG analysis filter bank are compared. The proposed technique is found to be computationally efficient for extracting higher levels of wavelet coefficients. Extracting pitch in the compressed domain becomes essential when large multimedia databases need to be indexed. For example one may be interested in listening to a particular speaker or to listen to male female audio segments in a multimedia document. For this application, pitch information is one of the very basic and important features required. Pitch is basically the time interval between two successive glottal closures. Glottal closures are accompanied by sharp transients in the speech signal which in turn gives rise to a local maxima in the wavelet coefficients. Pitch can be calculated by finding the time interval between two successive maxima in the wavelet coefficients. It is shown that the computational complexity for extracting pitch in the compressed domain is less than 7% of the uncompressed domain processing. An algorithm for extracting pitch in the compressed domain is proposed. The result of this algorithm for synthetic signals, and utterances of words by male/female is reported. In a number of important applications, one needs to modify an audio signal to render it more useful than its original. Typical applications include changing the time evolution of an audio signal (increase or decrease the rate of articulation of a speaker),or to adapt a given audio sequence to a given video sequence. In this thesis, time scale modifications are obtained in the subband domain such that when the modified subband signals are given to the MPEG synthesis filter bank, the desired time scale modification of the decoded signal is achieved. This is done by making use of sinusoidal modeling [I]. Here, each of the subband signal is modeled in terms of parameters such as amplitude phase and frequencies and are subsequently synthesised by using these parameters with Ls = k La where Ls is the length of the synthesis window , k is the time scale factor and La is the length of the analysis window. As the PCM version of the time scaled signal is not available, psychoacoustic model based bit allocation cannot be used. Hence a new bit allocation is done by using a subband coding algorithm. This method has been satisfactorily tested for time scale expansion and compression of speech and music signals. The recent growth of multimedia systems has increased the need for protecting digital media. Digital watermarking has been proposed as a method for protecting digital documents. The watermark needs to be added to the signal in such a way that it does not cause audible distortions. However the idea behind the lossy MPEC encoders is to remove or make insignificant those portions of the signal which does not affect human hearing. This renders the watermark insignificant and hence proving ownership of the signal becomes difficult when an audio signal is compressed. The existing compressed domain methods merely change the bits or the scale factors according to a key. Though simple, these methods are not robust to attacks. Further these methods require original signal to be available in the verification process. In this thesis we propose a watermarking method based on spread spectrum technique which does not require original signal during the verification process. It is also shown to be more robust than the existing methods. In our method the watermark is spread across many subband samples. Here two factors need to be considered, a) the watermark is to be embedded only in those subbands which will make the addition of the noise inaudible. b) The watermark should be added to those subbands which has sufficient bit allocation so that the watermark does not become insignificant due to lack of bit allocation. Embedding the watermark in the lower subbands would cause distortion and in the higher subbands would prove futile as the bit allocation in these subbands are practically zero. Considering a11 these factors, one can introduce noise to samples across many frames corresponding to subbands 4 to 8. In the verification process, it is sufficient to have the key/code and the possibly attacked signal. This method has been satisfactorily tested for robustness to scalefactor, LSB change and MPEG decoding and re-encoding.

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.

La mutualisation et l'externalisation de données concernent de nombreux domaines y compris celui de la santé. Au-delà de la réduction des coûts de maintenance, l'intérêt est d'améliorer la prise en charge des patients par le déploiement d'outils d'aide au diagnostic fondés sur la réutilisation des données. Dans un tel environnement, la sécurité des données (confidentialité, intégrité et traçabilité) est un enjeu majeur. C'est dans ce contexte que s'inscrivent ces travaux de thèse. Ils concernent en particulier la sécurisation des techniques de recherche d'images par le contenu (CBIR) et de « machine learning » qui sont au c'ur des systèmes d'aide au diagnostic. Ces techniques permettent de trouver des images semblables à une image requête non encore interprétée. L'objectif est de définir des approches capables d'exploiter des données externalisées et sécurisées, et de permettre à un « cloud » de fournir une aide au diagnostic. Plusieurs mécanismes permettent le traitement de données chiffrées, mais la plupart sont dépendants d'interactions entre différentes entités (l'utilisateur, le cloud voire un tiers de confiance) et doivent être combinés judicieusement de manière à ne pas laisser fuir d'information lors d'un traitement.Au cours de ces trois années de thèse, nous nous sommes dans un premier temps intéressés à la sécurisation à l'aide du chiffrement homomorphe, d'un système de CBIR externalisé sous la contrainte d'aucune interaction entre le fournisseur de service et l'utilisateur. Dans un second temps, nous avons développé une approche de « Machine Learning » sécurisée fondée sur le perceptron multicouches, dont la phase d'apprentissage peut être externalisée de manière sûre, l'enjeu étant d'assurer la convergence de cette dernière. L'ensemble des données et des paramètres du modèle sont chiffrés. Du fait que ces systèmes d'aides doivent exploiter des informations issues de plusieurs sources, chacune externalisant ses données chiffrées sous sa propre clef, nous nous sommes intéressés au problème du partage de données chiffrées. Un problème traité par les schémas de « Proxy Re-Encryption » (PRE). Dans ce contexte, nous avons proposé le premier schéma PRE qui permet à la fois le partage et le traitement des données chiffrées. Nous avons également travaillé sur un schéma de tatouage de données chiffrées pour tracer et vérifier l'intégrité des données dans cet environnement partagé. Le message tatoué dans le chiffré est accessible que l'image soit ou non chiffrée et offre plusieurs services de sécurité fondés sur le tatouage. / Cloud computing has emerged as a successful paradigm allowing individuals and companies to store and process large amounts of data without a need to purchase and maintain their own networks and computer systems. In healthcare for example, different initiatives aim at sharing medical images and Personal Health Records (PHR) in between health professionals or hospitals with the help of the cloud. In such an environment, data security (confidentiality, integrity and traceability) is a major issue. In this context that these thesis works, it concerns in particular the securing of Content Based Image Retrieval (CBIR) techniques and machine learning (ML) which are at the heart of diagnostic decision support systems. These techniques make it possible to find similar images to an image not yet interpreted. The goal is to define approaches that can exploit secure externalized data and enable a cloud to provide a diagnostic support. Several mechanisms allow the processing of encrypted data, but most are dependent on interactions between different entities (the user, the cloud or a trusted third party) and must be combined judiciously so as to not leak information. During these three years of thesis, we initially focused on securing an outsourced CBIR system under the constraint of no interaction between the users and the service provider (cloud). In a second step, we have developed a secure machine learning approach based on multilayer perceptron (MLP), whose learning phase can be outsourced in a secure way, the challenge being to ensure the convergence of the MLP. All the data and parameters of the model are encrypted using homomorphic encryption. Because these systems need to use information from multiple sources, each of which outsources its encrypted data under its own key, we are interested in the problem of sharing encrypted data. A problem known by the "Proxy Re-Encryption" (PRE) schemes. In this context, we have proposed the first PRE scheme that allows both the sharing and the processing of encrypted data. We also worked on watermarking scheme over encrypted data in order to trace and verify the integrity of data in this shared environment. The embedded message is accessible whether or not the image is encrypted and provides several services.

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.