Evaluation du Crypto-tatouage Semi-aveugle par le Chaos dans le Domaine Multirésolution à Base d'Ondelette 9/7.
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Evaluation du Crypto-tatouage Semi-aveugle par le Chaos dans le
Domaine Multirésolution à Base d’Ondelette 9/7.
Ali KHALFALLAH1,2, Fahmi KAMMOUN1, Mohamed Salim BOUHLEL1 et Christian
OLIVIER2
1
Unité de Recherche : Sciences Et Technologies de l'Image et des Télécommunications
(SETIT), Institut Supérieur de Biotechnologie de Sfax (ISBS)
2
Laboratoire IRCOM-SIC de Poitiers: l’UFR des Sciences Fondamentales et Appliquées,
Poitiers, France
khalfallah.ali@laposte.net fahmi.kammoun@fss.rnu.tn
medsalim.bouhlel@enis.rnu.tn olivier@sic.sp2mi.univ-poitiers.fr
Résumé Quant au tatouage semi-aveugle, il se base dans la
détection sur le medium signé et la marque insérée. Nous
Le traitement d’images ne cesse pas de se développer allons nous intéresser dans ce papier à la troisième
grâce à la manipulation facile des données numérisées, catégorie de tatouage.
ce qui a conduit à focaliser les recherches sur la La cryptographie consiste à dissimiler l’information.
sécurisation des documents. Les techniques les plus Cette méthode consiste à modifier la l’information de
utilisées sont le tatouage et le cryptage. Dans ce papier, façons qu’elle ne soit pas lisible [19]. La compréhension
nous essayons de combiner ces deux techniques pour du message reçu nécessite la connaissance d’une clé [20]
avoir le crypto-taouage qui consiste à insérer dans le [21] qui permet de retrouver le message clair émis.
medium une signature cryptée. Ainsi, cette technique rend le message illisible sauf par
celui ou ceux qui en ont le droit. Ce qui permet un
Key word: Crypto-tatouage, Tatouage des images, échange sécurisé des données. L’efficacité de cette
tatouage semi-aveugle, cryptage, signal chaotique, technique de protection de communication a incité les
ondelette 9/7. chercheurs à l’utiliser dans divers domaine. En effet, la
cryptographie est utilisée dans les télécommunications
[22], l’Internet [23], les bases de données [24], le e-
commerce et pour assurer l’authentification des
1. Introduction utilisateurs [20].
L’évolution de la cryptographie est accompagnée par
La numérisation des données a rendu la manipulation l’évolution de la cryptanalyse qui est un ensemble de
des documents plus simple. Cette évolution n’était pas techniques qui essaient de relever le texte en clair d’un
sans dérives. En fait, cette simplicité de modification est message crypté sans avoir la clé. La cryptographie est
devenue une vraie menace pour la protection du droit une science très ancienne qui ne cesse d’évoluer depuis
d’auteurs. Pour contourner ce problème, plusieurs l’époque de l’empire Romains (Code Jules César). Elle a
techniques sont apparues dont on peut citer le tatouage, connue une grande évolution lors de la première et de la
le cryptage et le crypto-tatouage qui consiste à combiner seconde guerre mondiale. Plusieurs techniques ont
ces deux méthodes [1-2] . apparus comme le RSA (Rivest-Shamir-Adleman) [25],
Le tatouage consiste à insérer dans l’œuvre une le cryptage par les courbes elliptiques [26] [27] et le
signature numérique relative à son propriétaire afin de cryptage par le chaos [22].
garantir son droit d’auteur [3-6]. Mais les bonnes
performances de cette technique ont poussé les 2. Méthode proposée
chercheurs à l’exploiter dans divers domaines comme
l’indexation des documents [7], la déontologie médicale
[8-10] et la surveillance des émissions télévisées [11- 2.1. Le tatouage semi-aveugle
12]. Enfin, le tatouage est utilisé comme un outil de
contrôle d’intégrité des documents [13-14] et comme Le tatouage semi-aveugle ne que le medium tatoué et
indicateur des copies illégales [15-16]. Il existe trois de la signature insérée. Ce qui constitue une économie
types de tatouage qui différent selon le chemin de d’information par rapport au tatouage non aveugle qui
détection : le tatouage non aveugle, le tatouage aveugle nécessite la présence du medium original et celui marqué
et le tatouage semi aveugle. Le tatouage non aveugle ainsi que la signature émergée dans l’œuvre. Ce manque
[17] nécessite la possession du medium original, la d’information dans la détection du tatouage semi-
marque insérée et le medium signé. Le tatouage aveugle aveugle doit être pris en considération lors de la phase
[18] ne demande que la présence de l’œuvre marqué. d’insertion afin de localiser les coefficients ou les pixels
Page 1porteurs de la signature lors de la détection. Dans ce type
de marquage, le chemin d’insertion à une importance Image Tatouée
majeur sachant qu’on se passe du document original lors
de l’extraction.
Image Originale Transformation au domaine d’insertion
Transformation au domaine d’insertion Localisation des pixels ou des
coefficients signés
Séléction des coefficients ou des
pixels qui vont porter la marque Extraction de la signature
Figure 2. Chemin de détection
Egalisation d’amplitudes des
coefficients élus pour le marquage
2.2. Le tatouage dans le domaine multirésolution
à base d’ondelette 9/7
Comme tout signal, l’image peut avoir plusieurs
Insertion de la signature représentations. La représentation spatiale permet une
manipulation directe des pixels de l’image. La
transformée en TCD permet un traitement favorisant
Sécurisation de la zone marquée l’aspect fréquentiel de l‘information contenu dans le
medium. Ces deux représentations sont limitées soit en
fréquence pour la première soit dans l’espace pour la
seconde. Avec l’apparition des ondelettes nous pouvons
Reconstruction au domaine spatial avoir une représentation permettant à la fois une
localisation spatiale et une localisation fréquentielle. On
parle alors du domaine multirésolution. Ce domaine est à
Figure 1. Chemin d’insertion la base de la norme de compression JPEG2000. De plus,
Cette propriété nécessite un choix adéquat de la les ondelettes sont adapté au domaine psycho-visuel
fonction d’insertion. Plusieurs fonctions sont utilisées humain ce qui rend le domaine multirésolution un
pour émerger la marque dans le document en cours domaine d’insertion idéal pour le tatouage des images.
d’utilisation [28-29]. Plusieurs ondelettes sont utilisées pour passer du
domaine spatial au domaine multirésolution dont on peut
yi = xi + αwi (2.1)
citer l’ondelette Har, 5/3, 9/7. Cette dernière ondelette,
yi = xi (1+ αwi) (2.2)
non conservative, est fréquemment utilisée dans la
αwi
yi = xi e (2.3) norme JPEG2000 pour réaliser la compression non
Avec yi, xi, α et wi sont respectivement le coefficient conservative.
signé, le coefficient élu pour le marquage, le coefficient L’expression de cette transformé d’entier à entier est
de pondération et l’élément de la signature à insérer. donnée par les équations suivantes [30]:
L’insertion peut se faire suivant un processus ⎢1 1⎥
substitutif en substituant une partie de l’image comme le d[n]= d0[n] + ⎢ ((s0[n + 2]+ s0[n −1]) − 9(s0[n +1] + s0[n])) + ⎥
⎣16 2⎦
LSB par la signature. (2.6)
⎢1 1⎥
Dans ce papier nous allons nous intéresser à la s[n]= s0[n]+ ⎢ (d[n]+ d[n-1]) + ⎥
première fonction d’insertion. Le choix de cette fonction ⎣4 2⎦
additive est imposé par la détection qui se base sur la
corrélation. En fait :
< ye,wi> = ≈ (2.4)
car
< xi,wi> ≈ 0 (2.5)
Page 2a. Image test “LENA” b. image test décomposé c. Image test reconstruite. d. Image de différence.
(2éme niveau) (PSNR =40.48)
Figure 3. Effet de la décomposition-reconstruction à base d’ondelette 9/7 sur l’image test.
2.3. La cryptographie par le Chaos Le décodeur chaotique n’est rien d’autre que la fonction
inverse de la fonction du codeur.
Comme toutes les disciplines le cryptage, a connu Message
plusieurs évolutions. Le denier né de cette science et le Crypté
cryptage par le Chaos. En effet, un signal chaotique est
un signal aléatoire est déterministe à la fois. En d’autre
terme, il obéit à des lois connus mais il est très sensible à
Fonction
ses conditions initiales ce qui rend la prévision de Retard D1 Non Linéaire
l’évolution de ce signal impossible [31]. Cette
complexité de maîtrise de ce signal explique son usage
Retard D2
pour le chiffrement des données. La chaotique est basée
sur l’application de fonctions non linéaires [32] (comme Message
la fonction modulo) d’où la sensibilité aux conditions Clair
initiales. Mais plusieurs systèmes sont expliqués par des
systèmes chaotiques tels que la météo et le parcours
d’une balle le long d’un jeu de billard. Retard DN
En cryptographie, le signal chaotique est combiné
avec le message en clair pour avoir le message codé. La
clé n’est rien d’autre que les conditions initiales, les Figure 5. Architecture du décodeur chaotique
fonctions non linéaires utilisées et les retards appliqués Les bonnes performances du cryptage chaotique et la
sur le système [33]. Le cryptage par le chaos est un possibilité de sa synchronisation dans les blocs
cryptage à clé symétrique. Mais il va falloir synchroniser d’émission et de réception a permis de procéder à des
(prendre en compte les retards) les générateurs du chaos cryptages et des décryptages en temps réels que ce soit
du lot de cryptage et celui du lot de décryptage pour de la voix [34], de la vidéo [35] [36], etc.
assurer un chiffrement et un déchiffrement correct
de l’information tout en utilisant les mêmes fonctions 2.4. Le crypto-tatouage semi aveugle dans le
non linéaires. domaine multirésolution à base d’ondelette 9/7
Message
Clair Le crypto-tatouage est une combinaison du tatouage
et du cryptage. Notre méthode consiste à l’insertion
d’une signature cryptée dans le medium à marquer. En
Fonction Message fait, l’information cachée dans l’oeuvre est une
Non Linéaire Crypté combinaison entre la signature du propriétaire et un
signal issu d’un générateur chaotique. L’insertion se fait
dans les détails de la deuxième décomposition de
Retard D1
l’image dans le domaine multirésolution. La
transformation est assurée par l’ondelette 9/7. Le type de
Retard D2 tatouage adopté est le tatouage semi aveugle qui
nécessite la possession de l’image marquée ainsi que la
signature insérée. La validation du marquage nécessite
dans notre cas la connaissance de la clé de chiffrement
pour pouvoir déchiffrer la signature extraite et confirmer
Retard DN la validité du tatouage.
Le générateur du signal chaotique adopté est basé sur
Figure 4. Architecture du codeur chaotique la fonction modulo. La sortie va attaquer un bloc de seuil
de décision pour binairiser le signal. Le signal chaotique
Page 3binaire sera combiné avec la signature de l’auteur qui est signature et son décodage.
aussi de type binaire à l’aide de la fonction NON OU
Exclusif. Ce choix permet de faciliter l’extraction de la
Image originale Image Tatouée attaquée
ou non attaquée
Signature
Cryptée
Insertion de la Extraction et décodage
signature de la signature
Non OU
Exclusif
Image Tatouée Test de
Validation
Signature Seuil de
Originale décision
Génarateur du
signal chaotique
Clé de cryptage
Figure 6. Test de validation
3. Résultats expérimentaux 3.1.2. L’erreur quadratique moyenne (MSE)
3.1. Métriques d’évaluations L’erreur quadratique moyenne est une fonction
permettant de quantifier la distorsion que subit l’image
3.1.1. La corrélation tatouée attaquée ou non attaquée par rapport à l’image
originale. En effet, le marquage de l’image consiste à
Le taux de corrélation exprime le degré de ajouter un signal dans le medium en cours d’utilisation
ressemblance entre deux signaux. Ce taux est compris ce qui va engendrer une perte d’information dans
entre -1 et 1. Plus ce taux est élevé plus les allures des l’oeuvre :
deux signaux se ressemblent. En fait, lors de l’extraction,
∑∑ (I )
n m
on n’arrive pas à récupérer exactement l’information
insérée ceci est dû au chemin d’insertion, aux normes de ij − I ij* ²
i =1 j =1 (3.2)
stockage et à des éventuelles attaques. L’expression de la MSE =
corrélation entre deux matrices A et B de taille m×n nm
s’écrit comme suit :
Où I, et I* sont respectivement l’image originale et
∑∑(Amn − A)(Bmn − B) l’image en cours d’évaluation. n et m représentent les
Cor(A,B) =< A,B > m n dimensions de images.
⎛ ⎞⎛ ⎞ (3.1)
⎜ ∑∑( Amn − A)² ⎟⎜ ∑∑(Bmn − B)² ⎟
⎝m n ⎠⎝ m n ⎠ 3.1.3 Peak Signal to Noise Ratio (PSNR)
Page 4D’autre part, cette méthode donne une protection pour
Le PSNR est une fonction du MSE. Il présente la l’information à transmettre via l’image. En effet, si une
dégradation subite par l’image en DéciBel [37-38]. personne connaît le message original à émerger dans le
Lorsque le PSNR est inférieur à 30 dB, l’image medium il ne peut pas prouver son absence dans l’œuvre
considéré comme étant inexploitable. car le tatouage se fait en insérant cette même information
mais après cryptage. Par conséquent, la corrélation entre
=10 log10(Xmax²/MSE) la signature extraite et la signature originale est presque
PSNR (3.3)
=10 log10 (255²/MSE) nulle ce qui va aboutir à la non validation du tatouage
(figure 9), et l’information passe inaperçus. Donc la
Où, Xmax est la luminance maximale de l’image. validation du tatouage nécessite la connaissance de la
signature originale en claire et la clé du cryptage pour
3.2. Les résultats expérimentaux pouvoir déchiffrer la signature extraite (figure 10).
De plus, le marquage des images a donné un
Notre étude est établie sur une banque d’image PSNR>30 pour l’ensembles des images test (figure 8) ce
comportant 30 images de taille 256×256. Toutes les qui prouve que l’insertion de l’information dans l’images
images sont en niveaux de gris. La signature insérée est n’a pas engendré une forte distorsion ce qui respecte le
de type binaire de taille 512 bits. Cette même signature coté imperceptible bien que l’ajout de la signature et la
est combinée un signal chaotique binairisé puis inséré méthode adoptée se base sur le passage au domaine
dans les images. L’insertion se fait dans les détails de la multirésolution à l’aide de l’ondelette 9/7 qui n’est pas
deuxième décomposition du domaine multirésolution à conservative (voir figure 3).
base d’ondelette 9/7 comme l’explique le paragraphe L’image tatouée peut subir des attaques bienveillantes
(2.4) en utilisant la fonction d’insertion additive ou malveillantes. Pour évaluer objectivement
(équation 2.1). L’évaluation du tatouage sera quantifiée l’algorithme de crypto-tatouage proposée on a réalisé à
par le PSNR qui présentera la distorsion de l’image suite une étude robustesse face à trois types d’attaques qui
à son marquage et une éventuelle attaque. La validation sont à savoir la compression, le cropping et le bruitage.
du tatouage sera vérifiée par la corrélation. En effet, la La compression est l’attaque la plus fréquente pour
signature extraite décryptée sera comparée à une banque tout type de document. Les résultats obtenus sont
de 500 signatures de même nature que la signature non représentés dans les figures 11 et 12 et les tableaux 2 et
cryptée. Cette dernière figure dans la banque et doit 3. On remarque que la compression à une qualité de 100
donner le maximum de ressemblance avec la signature n’influe pas sur le crypto-tatouage mais si on diminue la
extraite décryptée pour juger le tatouage valide. Le type qualité de la compression la perte de l’information
de tatouage adopté est le tatouage semi aveugle qui a augmente et la localisation des coefficients marqués
recourt uniquement à l’œuvre signée et la signature devient difficile ce qui diminue le taux de réussite de
originale et la clé de cryptage. validation du marquage.
Dans une première phase, on a commencé par une Le cropping consiste à enlever une partie de l’image.
étude préliminaire qui évalue le tatouage proposé sans Cette attaque malveillante engendre la désynchronisation
l’application des attaques. La figure 7 présente les de l’information dans l’image par suite une difficulté de
résultats obtenus sur les 30 images test. En bleu est localisation des coefficients signés se qui diminue le taux
présentée la corrélation entre la signature extraite de ressemblance entre la signature originale de l’auteur
décryptée est la signature originale de l’auteur. En rouge et la signature extraite décodée (figure 13) d’où la
est présentée la corrélation entre la signature cryptée de diminution des chances de validation du crypto-tatouage.
l’auteur et la signature extraite avant le déchiffrement. De plus, les images attaquées ont un PSNR≈ 30 ce qui
Le vert présente la corrélation entre signature originale les rend à la limite de l’exploitation (tableau 4).
de l’auteur et la signature extraite. Les résultats obtenues La dernière attaque est le bruitage des images. Trois
montre bien que la corrélation entre la signature types de bruit ont été testés qui sont le bruit “salt and
originale et celle extraite décryptée donne le maximum pepper”, le bruit gaussien et le bruit de speackle. Le bruit
de ressemblance ce qui garantie une meilleure détection “salt and pepper” engendre une désynchronisation de
et validation (tableau 1). La corrélation entre la signature l’information cachée ce qui diminue la localisation des
extraite et celle de l’auteur après chiffrement donne de coefficients d’où une diminution de validation du crypto-
bonnes corrélations qui permettent aussi la validation du tatouage. Le bruit gaussien affecte aussi le bruit du
tatouage mais pour comprendre le message caché dans crypto-tatouage. Mais l’attaque la moins influente et le
l’œuvre il faut absolument connaître la méthode et la clé bruitage de speackle qui a permis la validation du
du cryptage utilisé ce qui va présenter un handicape pour crypto-taouage sur la totalité de la banque d’image.
toute personnes cherchant à pirater le medium.
Page 51.2 38
1 37
0.8
36
0.6
35
0.4
34
0.2
0 33
-0.2 32
0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30
Figure 7. Corrélation1 en fonction de Numéro d’image Figure 8. PSNR en fonction de Numéro d’image
Table 1. Résultats de l’étude préliminaire2
Evaluation (SID,SED) (SID,SEC) (SIC,SEC)
Corr. Moy 0.9428 0.0235 0.8879
Validation 100 % 0.00 % 100 %
PSNR 35.39 35.39 35.39
0.2 1
0.15
0.8
0.1
0.6
0.05
0 0.4
-0.05
0.2
-0.1
0
-0.15
-0.2 -0.2
0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500
Figure 9. Echec de validation du tatouage en Figure 10. Validation du tatouage en comparant
comparant la signature originale et la signature la signature originale et la signature extraite
extraite : corr=0.0353 (Image 1) déchiffré : corr=0.8399 (Image 1)
1
Corrélation entre “Signature Insérée Décryptée” et “Signature Extraite Déchiffrée”
Corrélation entre “Signature Insérée Cryptée ” et “Signature Extraite Cryptée ”
Corrélation entre “Signature Insérée Décryptée e” et “Signature Extraite Cryptée”
2
S.I.D. : Signature Insérée Décryptée, S.I.C. : Signature Insérée Cryptée.
S.E.D. : Signature Extraite Décryptée, S.E.C. : Signature Extraite Cryptée.
Page 61
0.95
0.9
0.85 Table 2. Robustesse face à la compression (JPEG quality 100)
0.8
Corr. Moy.(SID,SED) PSNR. Moy. Validation
0.75
0.9424 35.36 100%
0.7
0 5 10 15 20 25 30
Figure 11. Corrélation (SID, SED) en
fonction de Numéro d’image après
compression JPG quality 100
0.7
0.6
0.5
0.4
Table 3. Robustesse face à la compression (JPEG quality 75)
0.3
0.2
Corr. Moy.(SID,SED) PSNR. Moy. Validation
0.1
0.2055 32.96 60%
0
0 5 10 15 20 25 30
Figure 12. Corrélation en fonction de
numéro d’image (SID, SED) après
compression JPG quality 75
1
0.8
0.6
0.4 Table 4. Robustesse face au cropping (Cropping 16x16)
0.2
Corr. Moy.(SID,SED) PSNR. Moy. Validation
0
0.5097 30.49 80.0%
-0.2
0 5 10 15 20 25 30
Figure 13. Corrélation (SID, SED) en
fonction de numéro d’image après
Cropping16x16
0.7
0.6
0.5
0.4
Table 5. Robustesse face au bruitage “salt and pepper”
0.3
0.2
Corr. Moy.(SID,SED) PSNR. Moy. Validation
0.1
0.2853 34.25 76.66%
0
0 5 10 15 20 25 30
Figure 14. Corrélation (SID, SED) en
fonction de numéro d’image après un bruit
“salt and pepper”
Page 71
0.8
0.6
Table 6. Robustesse face au bruitage (Bruit Gaussien)
0.4
0.2
Corr. Moy.(SID,SED) PSNR. Moy. Validation
0.5750 33.07 93.33%
0
0 5 10 15 20 25 30
Figure 15. Corrélation (SID, SED) en
fonction de numéro d’image après un
bruit Gaussien
1
0.9
0.8
0.7
Table 7. Robustesse face au bruitage (Bruit de Speackle)
0.6
0.5
Corr. Moy.(SID,SED) PSNR. Moy. Validation
0.4
0.8479 34.57 100%
0 5 10 15 20 25 30
Figure 16. Corrélation (SID, SED) en
fonction de numéro d’image après un bruit
de Speackle
Figure 17. Exemples des images de la banque d’image de test
4. Conclusions adopté.
L’évaluation de robustesse de du crypto-tatouage
Dans ce papier nous avons évalué une nouvelle adopté montre des résultats satisfaisants. En effet la
technique de crypto-tatouage. Cette technique est une compréhension du message extrait ou la validation du
combinaison du cryptage par le chaos et le tatouage marquage du medium nécessite la connaissance du
semi-aveugle dans le domaine multirésolution à base de message original et la clé de cryptage à la fois ce qui
l’ondelette 9/7. Le cryptage par le chaos consiste à diminue la probabilité de piratage de l’information. La
générer un signal chaotique et le combiner avec le texte fragilité du tatouage lors de l’augmentation de l’intensité
en clair pour obtenir le message chiffré. L’avantage de de l’attaque est due à la difficulté de repérage des
cette technique est la possibilité de l’exploiter en temps coefficients porteurs de la signature à ces niveaux
réel sans oublier la difficulté de casser ce nouveau type d’attaque. Cette difficulté est liée au type de tatouage
de cryptage très sensible aux conditions initiales. Le choisie qui ne fait pas recourt à l’image.
message codé sera ensuite inséré dans le medium en
cours de traitement. Le choix de l’ondelette 9/7 découle Références
de son usage fréquent dans la norme de compression
JPEG 2000 et sa localisation spatial et fréquentiel à la [1] Feng Bao, “Multimedia Content Protection by
fois ce qui est adapté au système psycho-visuel humain. Cryptography and Watermarking in Tamper-resistant
Cette combinaison présente une autre protection pour le Hardware”, the 2000 ACM workshops on Multimedia, Los
message caché dans l’image sans nuire à Angeles, California, USA, October 30 - November 03, 2000
l’imperceptibilité et la capacité d’insertion du tatouage
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