Candidate of Sciences Yevhen Zolotavkinin tietojenkäsittelyopin alaan kuuluva väitöskirja

New Methods for Digital Image Watermarking (Uusia menetelmiä digitaalisten kuvien vesileimaukseen)

tarkastetaan 11.12.2015 klo 12 Tampereen yliopiston Pinni B-rakennuksen luentosalissa 1096, Kanslerinrinne 1, Tampere.

Vastaväittäjänä on apulaisprofessori Xiao-Yong Wei (Sichuan yliopisto, Kiina). Kustoksena toimii professori Martti Juhola.

Uusia menetelmiä digitaalisten kuvien vesileimaukseen


Yevhen Zolotavkinin väitöskirja käsittelee digitaalisia vesileimoja. Digitaalinen vesileima on ikään kuin digitaalinen vastine paperin vesileimalle, mutta käyttötarkoituksena on sisällyttää digitaalisin kuviin kätkettyä, visuaalisesti täysin havaitsematonta informaatiota, jolla voidaan merkitä esimerkiksi kuvan tai multimediadatan tekijänoikeuden omistaja. Vesileima voi sisältää muutakin tunnistetietoa, esimerkiksi potilaasta tehdyn lääketieteellisen kuvantamisen yhteydessä.

Tunnistetieto kätketään alkuperäiseen digitaaliseen kuvaan tai multimediadataan. Tällöin digitaalisella vesileimalla varustettu kuva on ulkopuolisen käytettävissä, mutta käyttäjä ei kuitenkaan pysty muuttamaan digitaalista vesileimainformaatiota. Pahantahtoinen ulkopuolinen ”tunkeutuja” voi yrittää silti aiheuttaa erilaisia häiriötä vesileimattuun kuvaan tiedonsiirron aikana tekemällä hyökkäyksiä erilaisilla laskennallisilla menetelmillä. Digitaalisen vesileimainformaation tiedon suojauksen tehokkuus riippuu kahdesta seikasta, toisaalta sen kyvystä vastustaa negatiivista vaikutusta ja säilyttää vesileimadata sekä toisaalta siitä vähäisestä kuvanlaatua heikentävästä vaikutuksesta, jonka se aiheuttaa alkuperäiseen kuva- tai multimediadataan. Yleinen tavoite on lisätä vastustuskykyä (vahvuus) hyökkäyksiä vastaan ja samaan aikaan vähentää alkuperäisen datan heikentävää vaikutusta.
 
Zolotavkin tarkasteli väitöskirjassaan käytetyn matemaattisen muunnoksen tyypin sekä digitaalisen vesileiman koodauksen ja koodin purkamiseen käytetyn menetelmän vaikutusta digitaaliseen vesileimalaskentaan. Muunnos, jota hän käytti kaikissa väitöskirjassa kehittämissään menetelmissä, jakoi alkuperäisen kuvan neliönmuotoisiin, ei-päällekkäisiin lohkoihin ja teki jokaiselle lohkolle ominaisarvo- eli pääakselihajotelman. Tällöin jokaisen lähestymistavan koodausmenetelmä ja koodin purkumenetelmä olivat omanlaisiansa. Nämä koodaus- ja koodinpurkumenetelmät voidaan yleisesti luokitella niiden ominaisarvohajotelman komponenttien mukaan, joita ne muuntavat ja jotka ovat joko ortonormaalien matriisien sarakkeita tai ominaisarvoja.
 
Matriisitulon vasemmanpuolimmaisen, ortonormaalin matriisin ensimmäistä saraketta muuntava vesileimakoodaus voi olla vahva, mutta tämä vaatii melko monimutkaisen matemaattisen mallin, koska muunnetun matriisin on toteutettava ortonormaalisuusehto ja sen on vähennettävä vesileiman heikentämisvaikutusta. Malli perustui van Elfrinkhofin rotaatiomatriisiin, kun lohkokoko on 4×4 pikseliä.
 
Vesileiman koodaus, joka muuntaa ominaisarvoja, hyödyntää kvantisointi-indeksimodulaatioon perustuvia menetelmiä ja häiriön kompensaatiomenetelmää. Nämä menetelmät yhdessä ovat vahvoja tietyn tyyppisiä häiriöitä vastaan. Muunnoksen tarkoitus on tuottaa tilastollinen tunnusluku, joka yksinkertaistaa koodin purkamista eräiden hyökkäystyyppien yhteydessä. Toisen muunnoksen tarkoitus on välttää muutamien kertoimien koodausta korkeaintensiteettisen kohinan tai hyökkäyksen aikana, mikä vähentää vesileimauksen heikentävää vaikutusta dataan ja parantaa vahvuus-läpinäkyvyys-vastaparia.
 
Kaikki väitöskirjassaan esittämänsä ja kehittämänsä menetelmät Zolotavkin testasi kokeellisesti ja vertasi kirjallisuudessa esitettyihin menetelmiin. Tällöin digitaalisesti vesileimattujen kuvien läpinäkyvyyden laskennallinen mitta perustui neliösummien keskiarvoon ja vahvuus perustui bittivirheiden määrään sekä muihin informaatiopohjaisiin indeksilukuihin.


                                               ******

Yevhen Zolotavkin on syntynyt Vinnytsiassa Ukrainassa ja hän on suorittanut Candidate of Sciences -tutkinnon Vinnytsian kansallisessa teknisessä yliopistossa.

Zolotavkinin väitöskirja ilmestyy sarjassa Acta Universitatis Tamperensis; 2120, Tampere University Press, Tampere 2015. ISBN 978-951-44-9986-9, ISSN 1455-1616. Väitöskirja ilmestyy myös sähköisenä sarjassa Acta Electronica Universitatis Tamperensis; 1617, Tampere University Press 2015. ISBN 978-951-44-9987-6, ISSN 1456-954X.
http://tampub.uta.fi.

Väitöskirjan tilausosoite: Verkkokirjakauppa: https://verkkokauppa.juvenes.fi, tai e-mail: verkkokauppa@juvenesprint.fi.

Lisätietoja: Yevhen Zolotavkin, Puh. +358 46548 7576, zhzolot@suremail.us