CH694233A5 - Procédé d'application et de reconnaissance d'un filigrane numérique surimprimé. - Google Patents

Description

  



   L'accès conditionnel aux données numériques sur moyen de stockage  comme les CD-ROM ou les disquettes est un problème important et comprend  en particulier le problème de la protection contre le piratage. De  nombreuses approches ont déjà été proposées, elles sont basées sur  des solutions logicielles ou matérielles. Par exemple, dans le cas  des disquettes, une solution matérielle consiste à percer le disque  de minuscules trous. Une copie de la disquette est détectée par l'absence  de ces trous. 



   Le cryptage à clés secrètes ou clés publiques fournit une solution  logicielle pour crypter des données numériques. Les applications  des technologies de cryptage sont par exemple la protection des données  personnelles, la vérification de l'intégrité des données ou l'authentification  de la source des données. 



   Une autre technique logicielle dans le domaine de la sécurité est  connue sous le nom de filigrane numérique ou tatouage numérique.  Il s'agit de techniques permettant de cacher des informations de  manière robuste et imperceptible dans des données multimédia telles  que la musique, la vidéo, la télévision, les images, les documents,  etc. L'information qui est cachée s'appelle la signature. Cette signature  peut être par exemple un numéro ou un nom et l'on parle alors d'image  signée, de vidéo signée, etc. 



   "Cacher" comporte un sens bien spécifique dans ce contexte: par exemple  dans le cas d'une image, on changera légèrement la couleur de certains  pixels, et dans le cas d'une musique on modifiera un peu le son de  temps à autre. 



   "Imperceptible" veut simplement dire que les modifications introduites  sont telles que l'on ne peut pas distinguer les données originales  des données signées. Par exemple, une image signée doit avoir exactement  la même apparence qu'une image normale, une musique signée doit sembler  tout à fait normale, de même pour une vidéo ou n'importe quelle autre  donnée multimédia. Tout le problème consiste à faire en sorte qu'un  ordinateur soit capable de détecter cette information cachée alors  qu'elle échappe à nos sens. Il existe aussi des applications ou un  filigrane visible est acceptable voire même souhaitable. Cela permet  notamment d'augmenter encore la robustesse et de permettre un contrôle  visuel de la présence d'un filigrane. Le principe qui demeure est  que le filigrane ne doit pas être dérangeant visuellement. 



   La "robustesse" d'un filigrane signifie que l'on doit pouvoir retrouver  la signature après n'importe quelle manipulation de données multimédia  signées. Prenons par exemple le cas d'une image signée: on doit pouvoir  la comprimer, l'imprimer, la scanner, ou la tourner sans jamais perdre  la signature. Il faut cependant noter que dans certaines applications  il est parfois souhaitable de limiter la robustesse, cela permet  alors de détecter des modifications apportées au média protégé. En  effet, une altération ou une copie du média se traduira alors par  un échec de la lecture du filigrane numérique. 



   C'est précisément cette propriété qui est mise en oeuvre dans le présent  brevet. Un exemple typique d'application consiste à empêcher la contrefaçon  de papiers de valeurs comme les billets de banque. 



     De nombreuses publications ont été faites sur les différentes  techniques permettant de cacher un tatouage dans une image, dans  une vidéo ou un signal audio. En ce qui concerne les images, ces  dernières peuvent se classer en fonction de la technique utilisée  pour le marquage: certaines opèrent des modifications directement  dans le domaine spatial [1], d'autres opèrent ces modifications dans  un domaine transformé (par exemple le domaine fréquentiel) voire  des domaines intermédiaires comme les ondelettes (voir [2]). 



   Ces techniques peuvent également être utilisées pour le marquage  de vidéo, moyennant certaines adaptations. D'autres techniques spécifiquement  dédiées au marquage de vidéo sont aussi possibles en définissant  de nouveaux domaines transformés comme les sous-bandes 3D ou les  vecteurs de mouvements (par exemple, cf. [3] et [4]). 



   L'invention concerne un procédé permettant de cacher un filigrane  numérique en utilisant une technique de surimpression. Les méthodes  de tatouage habituelles, qui sont entièrement calculées dans le domaine  digital, cachent toujours le filigrane en augmentant ou en diminuant  l'intensité des couleurs de certains points. 



   La technique de surimpression consiste à cacher un filigrane en l'imprimant  par-dessus les couleurs propres du matériau et donc sans tenir compte  des variations locales des couleurs à la surface de ce matériau.  Cette approche impose que les valeurs des composantes de couleur  du matériau signé ne peuvent qu'être assombries puisque de l'encre  supplémentaire est ajoutée. Mathématiquement, cela correspond donc  à une modulation asymétrique de la couleur des points. 



   La difficulté consiste à retrouver le filigrane asymétrique. D'une  manière générale, la majorité des techniques de tatouage peuvent  extraire l'information de l'image signée sans utiliser l'image originale.  Certaines techniques réalisent d'abord une prédiction de ce qu'était  l'image originale à partir de l'image signée et peuvent ensuite en  déduire quelle est la signature. Cette technique est encore applicable  dans le cas présent mais l'asymétrie de la modulation conduit à un  taux d'erreur important qui peut cependant être compensé par une  augmentation de la redondance et de l'amplitude de la modulation.                                                              



   Dans le cas où le matériau possède une couleur initiale uniforme  et connue, il est possible de supprimer cette prédiction. C'est en  particulier le cas d'une feuille de papier blanc. Cela permet d'augmenter  la fiabilité de la détection et donc de diminuer l'intensité, donc  la visibilité du filigrane jusqu'à l'extrême limite de sensibilité  d'un scanner optique. En conséquence, cela rend très difficile la  duplication du matériau signé, par exemple par photocopie: en effet,  les pertes propres à tout système de reproduction affaiblissent en  général cette signature au-dessous du seuil de détectabilité. Une  application consiste à inclure un tel filigrane sur des papiers dont  on souhaite éviter la copie, comme des billets de banque par exemple.                                                          



   Finalement, des informations lisibles peuvent à nouveau être sur-imprimées  sur le matériau signé lui-même. Ces informations peuvent être liées  au filigrane. Par exemple, les chiffres clés d'un contrat peuvent  ainsi être cachés dans le filigrane du papier et permettre ainsi  d'en garantir l'intégrité. 



     L'invention sera mieux comprise grâce à la description détaillée  qui va suivre et qui se réfère aux dessins annexés qui sont donnés  à titre d'exemple nullement limitatif, à savoir:      Fig. 1:  Procédé de signature d'un matériau en trois étapes.     Fig. 2:  Procédé de lecture d'une image uniforme signée en trois étapes.     Fig. 3: Procédé de lecture d'une image non-uniforme signée en  trois étapes.  



   La fig. 1 illustre le procédé de création d'une signature. A partir  de la signature 101 et de la clé 102, un filigrane est calculé (110),  cette image 103 est ensuite seuillée (120) pour donner une image  104 qui est ensuite ajoutée à l'image du matériau 105 lors de l'opération  d'impression (130) pour obtenir l'image finale 106. 



   La fig. 2 illustre le précédé de lecture d'une image contenant une  signature. L'image signée 202 obtenue par scanner est soustraite  (220) de l'image originale 203 afin de restituer le filigrane 204,  le bit constituant la signature est alors calculé (230) en utilisant  la clé 205. Optionnellement, une étape supplémentaire de filtrage  (210) de l'image signée 201 peut-être réalisée si des informations  visibles ont été imprimées par dessus l'image uniforme signée. 



   La fig. 3 illustre le procédé de lecture d'une image contenant une  signature et une image originale. L'image originale est prédite (310)  à partir de l'image signée 301, l'image signée 302 est soustraite  (320) de l'image prédite afin de restituer le filigrane 303, le bit  constituant la signature 305 est alors calculé (330) en utilisant  la clé 304. 



   Une réalisation de l'invention consiste à utiliser comme base un  algorithme de filigrane numérique de type spatial à modulation d'amplitude,  comme par exemple celui décrit dans [1]. Dans cette technique, une  composante de couleur d'un ensemble de pixels c(k) est modifiée d'une  valeur v qui dépend du signe du bit b={-1,1} à cacher ainsi que d'un  générateur aléatoire a(k) donnant deux valeurs {-1,1}.  <tb><TABLE>  Columns = 2  <tb><SEP> c(k)' = c(k) + v.b.a(k)<SEP> (1)  <tb></TABLE>                                                      



   Dans l'équation (1), l'ensemble des points défini par v.b.a(k) constitue  le filigrane (fig. 1, étape 1) qui est ajouté à l'image originale  c(k) pour donner l'image signée c(k)'. C'est cette dernière qui est  alors imprimée. 



   Dans le cas d'un filigrane en surimpression, ce n'est plus l'image  c(k)' mais le filigrane lui-même v.b.a(k) qui est imprimé par dessus  une image c(k). La composante c du support (bleu, luminance, etc.)  a déjà une valeur initiale o(k) et ne peut qu'être augmentée lors  de la surimpression. La formule suivante est alors appliquée: 



    <tb><TABLE> Columns = 2  <tb><SEP> Si b.a(k) > 0 alors c(k)'  = o(k) + v.b.a(k) sinon c(k)' = o(k)<SEP> (2)  <tb></TABLE> 



   L'équation (2) est équivalente à seuiller les valeurs du filigrane  en ne conservant que les valeurs positives (fig. 1, étape 2) puis  à ajouter ces valeurs à l'image à signer (fig. 1, étape 3). Par    comparaison avec la formule (1) correspondant à une modulation  symétrique de l'amplitude selon le signe de b.a(k), cette technique  est qualifiée de "modulation asymétrique d'amplitude". Si le générateur  aléatoire a(k) génère le même nombre de valeurs positives et négatives,  il en résulte que la moitié des pixels c(k) est modifiée. Si la valeur  de v est choisie suffisamment faible et que la finesse d'impression  est suffisamment haute (par exemple au-delà de 300 ppi), l'impression  de ces points peut être faite de manière invisible. 



   La nouvelle valeur des points c(k)' peut être mesurée sur la feuille  imprimée en utilisant un scanner optique. Deux cas se présentent  alors selon que la couleur du matériau est uniforme et connue ou  non. 



   Dans le premier cas, l'information b est alors aisément retrouvée  dans la mesure où o(k)=Cste, v et a(k) sont tous connus par avance  (fig. 2, étapes 2 et 3). La multiplicité des points modifiés crée  une redondance permettant d'assurer la robustesse au bruit de la  technique par corrélation statistique. 



   Cette méthode est généralisable à plusieurs bits b et permet alors  de coder n'importe quelle information numérique comme un numéro ou  une chaîne de caractères. 



   Dans le deuxième cas, un filtre de débruitage de type Wiener peut  être utilisé pour réaliser une prédiction de o(k) (fig. 3, étape  1 ). Les étapes suivantes sont alors identiques au cas précédent  (fig. 3, étape 2 et 3). L'erreur de prédiction étant notablement  plus importante que dans le premier cas, le nombre de bits b codés  de cette manière est systématiquement inférieur. 



   Dans la pratique il peut également être utile d'imprimer des informations  visibles par-dessus le filigrane numérique. C'est le cas par exemple  d'une feuille blanche de papier qui comporte un filigrane numérique  et par dessus laquelle est imprimé un texte. Ceci est réalisable  en choisissant des couleurs ou des intensités distinctes pour le  filigrane et pour les informations visibles. Il est ensuite possible  de filtrer l'image avant la détection du filigrane (fig. 2, étape  1) pour différencier le filigrane du texte imprimé. Une méthode consiste  par exemple à utiliser la composante bleue pour le filigrane et à  imprimer le texte du document en noir. 



   [1] M. Kutter, F. Jordan, F. Bossen, "Digital watermaking of color  images using amplitude modulation", Journal of Electronic Imaging,  vol. 7, n DEG 2, pp. 326-332, April 1998. 



   [2] Shelby Pereira, Sviatoslav Voloshynovskiy and Thierry Pun, Optimized  wavelet domain watermark embedding strategy using linear programming,  In Harold H. Szu and Martin Vetterli eds., Wavelet Applications VII  (part of SPIE AeroSense 2000), Orlando, Florida USA, April 26-28  2000. 



   [3] Video watermarking using motion vectors (filed 01/97, issued  09/99, US5 960 081) 



   [4] Video watermarking in the compressed domain (filed 08/96, issued  03/97, EP 762 417A2 .

Claims (10)

1. Procédé d'application d'un filigrane numérique sur un support, caractérisé en ce qu'il est basé sur une modulation asymétrique de l'amplitude d'au moins une composante couleur.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la modulation asymétrique du filigrane est déterminée sur la base d'une couleur uniforme du support.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le support est du papier.

4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des informations liées au filigrane sont appliquées sur le support d'une manière visible.

5. Proeédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la modulation asymétrique est appliquée sur une composante non visible de l'encre.

6.

Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support comporte au moins deux faces et qu'un filigrane différent est appliqué sur chacune des faces.

7. Procédé de reconnaissance d'un filigranes obtenu par le procécé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il consiste à: - acquérir numériquement une image signée, - filtrer ladite image signée par un filtre de débruitage, - soustraire l'image filtrée à une image uniforme originale pour en extraire le filigrane, - extraire sur le filigrane une information de signature.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le filigrane est lu au moyen d'un scanner.

9.

Procédé de reconnaissance d'un filigrane obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il consiste à: - acquérir numériquement une image signée, - prédire l'image originale, - soustraire l'image signée à l'image prédite pour en extraire filigrane, - extraire sur le filigrane une information de signature.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé eh ce que le filigrane est lu au moyen d'un scanner.