1. D´eveloppement de m´ethodes de tatouage sˆures pour le
tra¸cage de contenus multim´edia
Benjamin Mathon
GIPSA-LAB – Institut Polytechnique de Grenoble
TELE – Universit´e catholique de Louvain
Vendredi 16 septembre 2011
Benjamin Mathon (GIPSA-LAB,TELE) D´eveloppement de m´ethodes sˆures. . . Vendredi 16 septembre 2011 1 / 39

2. Introduction
Introduction : la protection des œuvres
Il est aujourd’hui facile de partager des œuvres via Internet.
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3. Introduction
Introduction : la protection des œuvres
Ces œuvres sont pourtant soumises au droit d’auteur.
Comment empˆecher leur diffusion ill´egale ?
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4. Introduction
Solution : l’estampillage
Ins´erer l’identifiant d’un utilisateur dans un contenu multim´edia.
Permet de tracer les copies ill´egales du contenu.
Codage et insertion
1 G´en´eration d’un code
(binaire) pour chaque
utilisateur.
2 Insertion des codes
dans le contenu hˆote
(vierge).
Question
Comment ins´erer un
message dans un contenu ?
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5. Introduction
Le tatouage num´erique
D´efinition
Le tatouage consiste `a ins´erer un message (donn´ee constitu´ee de plusieurs
bits) dans un contenu num´erique.
Contraintes en tatouage
1 Distorsion :
→ 1
∝ imperceptibilit´e.
2 Robustesse :
→ R´esistance aux
manipulations.
3 S´ecurit´e :
→ Pr´esence d’un
adversaire.
→ Mise `a mal du
syst`eme.
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6. Introduction
Plan
1 La s´ecurit´e en tatouage
2 Minimisation de la distorsion d’insertion
3 Application `a l’estampillage
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7. La s´ecurit´e en tatouage
La s´ecurit´e en tatouage
1 La s´ecurit´e en tatouage
2 Minimisation de la distorsion d’insertion
3 Application `a l’estampillage
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8. La s´ecurit´e en tatouage
Cl´e secr`ete
Principe de Kerckhoffs
Algorithme de tatouage public.
Cl´e secr`ete pour l’insertion et le d´ecodage priv´ee.
Question : Qu’est-ce qu’une cl´e secr`ete en tatouage ?
R´eponse : Des r´egions de d´ecodage dans un sous-espace.
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9. La s´ecurit´e en tatouage
Hypoth`eses sur l’adversaire
Contexte d’Attaque par contenus Tatou´es Seuls : WOA
Kerckhoffs : l’adversaire connait l’algorithme de tatouage.
Il a acc`es `a plusieurs contenus tatou´es avec la mˆeme cl´e secr`ete.
Il cherche `a estimer cette cl´e secr`ete.
Cons´equences
Selon le degr´e d’estimation de la cl´e, l’adversaire pourra :
Effacer le message.
Modifier le message.
Copier la marque sur un contenu vierge.
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10. La s´ecurit´e en tatouage
Compromis s´ecurit´e / robustesse en tatouage
Hypoth`eses WOA
2000 contenus hˆotes,
Tatou´es avec les 4 messages
possibles : 00, 01, 11, 10.
Robustesse vs s´ecurit´e ?
CW
ISS
NW
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11. La s´ecurit´e en tatouage
Compromis s´ecurit´e / robustesse en tatouage
Hypoth`eses WOA
2000 contenus hˆotes,
Tatou´es avec les 4 messages
possibles : 00, 01, 11, 10.
Robustesse vs s´ecurit´e ?
CW
ISS
NW
Benjamin Mathon (GIPSA-LAB,TELE) D´eveloppement de m´ethodes sˆures. . . Vendredi 16 septembre 2011 10 / 39

12. La s´ecurit´e en tatouage
Compromis s´ecurit´e / robustesse en tatouage
Hypoth`eses WOA
2000 contenus hˆotes,
Tatou´es avec les 4 messages
possibles : 00, 01, 11, 10.
Robustesse vs s´ecurit´e ?
CW
ISS
NW
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13. La s´ecurit´e en tatouage
Compromis s´ecurit´e / robustesse en tatouage
Hypoth`eses WOA
2000 contenus hˆotes,
Tatou´es avec les 4 messages
possibles : 00, 01, 11, 10.
Robustesse vs s´ecurit´e ?
CW
ISS
NW
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14. La s´ecurit´e en tatouage
Contrainte de distorsion
S´ecurit´e et robustesse ≡ distribution de contenus tatou´es.
S´ecurit´e : ISS < CW < NW.
Robustesse : NW < CW < ISS.
Comment prendre en compte la contrainte de distorsion ?
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15. Minimisation de la distorsion d’insertion
Minimisation de la distorsion d’insertion
1 La s´ecurit´e en tatouage
2 Minimisation de la distorsion d’insertion
3 Application `a l’estampillage
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16. Minimisation de la distorsion d’insertion
Comment prendre en compte la distorsion d’insertion ?
Question : comment prendre en compte la contrainte de distorsion ?
R´eponse : deux m´ethodes,
1 une m´ethode discr`ete : l’algorithme des Hongrois,
2 une m´ethode continue : la th´eorie du transport.
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17. Minimisation de la distorsion d’insertion
Affectation optimale
L’algorithme des Hongrois
X Y X Y
La th´eorie du transport
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18. Minimisation de la distorsion d’insertion
La m´ethode des Hongrois
Recherche de plus proche voisin dans la distribution hˆote.
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19. Minimisation de la distorsion d’insertion
R´esultats sur No = 2000 images naturelles
Carte d’affectation construite avec Nm = 10000 images.
Gain en PSNR moyen de 1.65 dB.
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20. Minimisation de la distorsion d’insertion
La th´eorie du transport
M´ethode
xi ∼ N(0,
σ2
x
Nv
) = µ,
yi ∼ N+
(0,
η2σ2
x
Nv
) = ν.
T



x0
...
xn−1


 =



P−1
ν ◦ Pµ(x0)
...
P−1
ν ◦ Pµ(xn−1)


 .
⇒ Respecte le crit`ere de Knott-Smith.
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21. Minimisation de la distorsion d’insertion
R´esultats sur No = 2000 images naturelles
Gain en PSNR moyen de 3.46 dB.
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22. Minimisation de la distorsion d’insertion
L’estampillage
Probl´ematique
Compromis robustesse / s´ecurit´e en tatouage.
Que choisir pour l’estampillage ?
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23. Application `a l’estampillage
Application `a l’estampillage
1 La s´ecurit´e en tatouage
2 Minimisation de la distorsion d’insertion
3 Application `a l’estampillage
Codes d’estampillage
Estampillage et tatouage sˆur
Le tra¸cage de vid´eos
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24. Application `a l’estampillage Codes d’estampillage
Codes d’estampillage
1 La s´ecurit´e en tatouage
2 Minimisation de la distorsion d’insertion
3 Application `a l’estampillage
Codes d’estampillage
Estampillage et tatouage sˆur
Le tra¸cage de vid´eos
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25. Application `a l’estampillage Codes d’estampillage
Codes pour l’estampillage
Coalition
Codes de G. Tardos
R´esistent aux attaques de coalition sous respect de la ”condition de
marquage”.
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26. Application `a l’estampillage Codes d’estampillage
D´ecodage et accusation
D´ebit atteignable (en bits)
D´ecodage simple : calcul du d´ebit atteignable entre :
la s´equence pirate Y ,
la s´equence initiale d’un utilisateur Xj :
Rs(θ) = E[I(Y ; Xj )],
Les membres d’une coalition chercheront `a minimiser leur d´ebit.
Attaque au pire cas : WCA
La coalition calcule l’attaque θ qui minimise le d´ebit atteignable :
θWCA = arg min
θ
{Rs(θ)}.
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27. Application `a l’estampillage Estampillage et tatouage sˆur
Estampillage et tatouage sˆur
1 La s´ecurit´e en tatouage
2 Minimisation de la distorsion d’insertion
3 Application `a l’estampillage
Codes d’estampillage
Estampillage et tatouage sˆur
Le tra¸cage de vid´eos
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28. Application `a l’estampillage Estampillage et tatouage sˆur
Impact de la s´ecurit´e du tatouage
Tatouage sˆur ⇒ Erreur lors du d´ecodage des symboles
-0,4 -0,2 0 0,2 0,4
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
zy,u0
zy,u1
-0,4 -0,2 0 0,2 0,4
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
zy,u1
zy,u0
= 0.3 = 0.05
La coalition a alors une incertitude sur ce qu’elle lit.
Elle est capable d’estimer cette incertitude.
⇒ Que devient alors la WCA ?
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29. Application `a l’estampillage Estampillage et tatouage sˆur
Vers une attaque au pire cas
1 Nouveau d´ebit atteignable (en bits) : Rs(θ, ) = E[I(Y ; Xj )],
2 θ −WCA = arg minθ{Rs(θ, )}.
Attaque calcul´ee `a l’aide de :
p1(θ, ) = Pr(Y = 1),
p2(θ, ) = Pr(Y = 1|Xj0 = 1),
p3(θ, ) = Pr(Y = 1|Xj0 = 0).
p1(θ, ) =
c
l=0
Pr(ΣX = l)
c
k=0
Pr(ΣZ = k|ΣX = l)
×
i∈Ω
Pr(Y = 1|V = i, ΣX = l, ΣZ = k)
×Pr(V = i|ΣX = l, ΣZ = k) .
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30. Application `a l’estampillage Estampillage et tatouage sˆur
Vers une attaque au pire cas
D´ecodages pour coalitions de 4 adversaires
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
2.8
2.9
3
3.1
·10−2
Erreur d’estimation ( )
D´ebitatteignableRs(θ)
Random
WCA
-WCA
⇒ Accusation plus faible pour l’attaque -WCA !
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31. Application `a l’estampillage Estampillage et tatouage sˆur
Question
Est-il pr´ef´erable d’utiliser un tatouage tr`es robuste et non-sˆur ou un
tatouage sˆur mais moins robuste pour les applications en estampillage ?
R´eponse
Le distributeur obtiendra une meilleure accusation en utilisant des sch´emas
d’insertion sˆurs.
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32. Application `a l’estampillage Estampillage et tatouage sˆur
Comparaisons th´eoriques (4 adversaires)
10−5 10−4 10−3 10−2 10−1 100
0
1
2
3
·10−3
Taux d’erreur binaire (η)
∆R(sch´emassˆursetnon-sˆurs)
= 0.5
= 0.1
Gain en d´ebit sch´emas sˆurs / non sˆurs
∆R = Rs(θ −WCA, , η) − Rs(θWCA, 0, η).
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33. Application `a l’estampillage Le tra¸cage de vid´eos
Le tra¸cage de vid´eos
1 La s´ecurit´e en tatouage
2 Minimisation de la distorsion d’insertion
3 Application `a l’estampillage
Codes d’estampillage
Estampillage et tatouage sˆur
Le tra¸cage de vid´eos
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34. Application `a l’estampillage Le tra¸cage de vid´eos
Estampillage vid´eo : insertion
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35. Application `a l’estampillage Le tra¸cage de vid´eos
Attaque de coalition
Les adversaires forgent une vid´eo pirate `a partir de leurs images tatou´ees.
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36. Application `a l’estampillage Le tra¸cage de vid´eos
D´ecodage par le distributeur
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37. Application `a l’estampillage Le tra¸cage de vid´eos
D´ebits atteignables en pratique
c = 3 c = 4
θRandom 5.58e − 2 3.24e − 2
θWCA 5.42e − 2 3.12e − 2
θ0.3−WCA 5.23e − 2 2.96e − 2
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38. Application `a l’estampillage Le tra¸cage de vid´eos
Attaque de robustesse
La vid´eo pirate peut-ˆetre soumise aux attaques de robustesse
(compression) lors de sa diffusion (Youtube, p2p, etc.).
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39. Application `a l’estampillage Le tra¸cage de vid´eos
Attaque de robustesse : r´eencodage `a 300 Kbps
→ 10 secondes ≡ 250 images ≡ 125 r´ep´etitions du code d’estampillage.
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40. Conclusion et perspectives
Conclusions & perspectives
Conclusions
1 S´ecurit´e en tatouage :
Triangle des contraintes en tatouage.
Minimisation de la distorsion.
Implantation sur images naturelles.
2 Estampillage :
Construction d’une attaque au pire cas d´ependante de la s´ecurit´e.
Compromis robustesse / s´ecurit´e en estampillage.
Combiner tatouage et estampillage est possible en pratique.
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41. Conclusion et perspectives
Conclusions & perspectives
Perspectives
1 Attaques au pire cas en estampillage pour alphabet non binaire.
2 S´ecurit´e en WOA ⇒ bits ´equiprobables et ind´ependants.
→ impact des codes correcteurs d’erreurs sur la s´ecurit´e ?
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42. Conclusion et perspectives
Merci `a tous pour votre attention !
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