Discrete Wavelet Transforms

The discrete wavelet transform (DWT) algorithms have a firm position in processing of signals in several areas of research and industry. As DWT provides both octave-scale frequency and spatial timing of the analyzed signal, it is constantly used to solve and treat more and more advanced problems. The present book: Discrete Wavelet Transforms: Algorithms and Applications reviews the recent progress in discrete wavelet transform algorithms and applications. The book covers a wide range of methods (e.g. lifting, shift invariance, multi-scale analysis) for constructing DWTs. The book chapters are organized into four major parts. Part I describes the progress in hardware implementations of the DWT algorithms. Applications include multitone modulation for ADSL and equalization techniques, a scalable architecture for FPGA-implementation, lifting based algorithm for VLSI implementation, comparison between DWT and FFT based OFDM and modified SPIHT codec. Part II addresses image processing algorithms such as multiresolution approach for edge detection, low bit rate image compression, low complexity implementation of CQF wavelets and compression of multi-component images. Part III focuses watermaking DWT algorithms. Finally, Part IV describes shift invariant DWTs, DC lossless property, DWT based analysis and estimation of colored noise and an application of the wavelet Galerkin method. The chapters of the present book consist of both tutorial and highly advanced material. Therefore, the book is intended to be a reference text for graduate students and researchers to obtain state-of-the-art knowledge on specific applications

Design of a secure architecture for the exchange of biomedical information in m-Health scenarios

El paradigma de m-Salud (salud móvil) aboga por la integración masiva de las más avanzadas tecnologías de comunicación, red móvil y sensores en aplicaciones y sistemas de salud, para fomentar el despliegue de un nuevo modelo de atención clínica centrada en el usuario/paciente. Este modelo tiene por objetivos el empoderamiento de los usuarios en la gestión de su propia salud (p.ej. aumentando sus conocimientos, promocionando estilos de vida saludable y previniendo enfermedades), la prestación de una mejor tele-asistencia sanitaria en el hogar para ancianos y pacientes crónicos y una notable disminución del gasto de los Sistemas de Salud gracias a la reducción del número y la duración de las hospitalizaciones. No obstante, estas ventajas, atribuidas a las aplicaciones de m-Salud, suelen venir acompañadas del requisito de un alto grado de disponibilidad de la información biomédica de sus usuarios para garantizar una alta calidad de servicio, p.ej. fusionar varias señales de un usuario para obtener un diagnóstico más preciso. La consecuencia negativa de cumplir esta demanda es el aumento directo de las superficies potencialmente vulnerables a ataques, lo que sitúa a la seguridad (y a la privacidad) del modelo de m-Salud como factor crítico para su éxito. Como requisito no funcional de las aplicaciones de m-Salud, la seguridad ha recibido menos atención que otros requisitos técnicos que eran más urgentes en etapas de desarrollo previas, tales como la robustez, la eficiencia, la interoperabilidad o la usabilidad. Otro factor importante que ha contribuido a retrasar la implementación de políticas de seguridad sólidas es que garantizar un determinado nivel de seguridad implica unos costes que pueden ser muy relevantes en varias dimensiones, en especial en la económica (p.ej. sobrecostes por la inclusión de hardware extra para la autenticación de usuarios), en el rendimiento (p.ej. reducción de la eficiencia y de la interoperabilidad debido a la integración de elementos de seguridad) y en la usabilidad (p.ej. configuración más complicada de dispositivos y aplicaciones de salud debido a las nuevas opciones de seguridad). Por tanto, las soluciones de seguridad que persigan satisfacer a todos los actores del contexto de m-Salud (usuarios, pacientes, personal médico, personal técnico, legisladores, fabricantes de dispositivos y equipos, etc.) deben ser robustas y al mismo tiempo minimizar sus costes asociados. Esta Tesis detalla una propuesta de seguridad, compuesta por cuatro grandes bloques interconectados, para dotar de seguridad a las arquitecturas de m-Salud con unos costes reducidos. El primer bloque define un esquema global que proporciona unos niveles de seguridad e interoperabilidad acordes con las características de las distintas aplicaciones de m-Salud. Este esquema está compuesto por tres capas diferenciadas, diseñadas a la medidas de los dominios de m-Salud y de sus restricciones, incluyendo medidas de seguridad adecuadas para la defensa contra las amenazas asociadas a sus aplicaciones de m-Salud. El segundo bloque establece la extensión de seguridad de aquellos protocolos estándar que permiten la adquisición, el intercambio y/o la administración de información biomédica -- por tanto, usados por muchas aplicaciones de m-Salud -- pero no reúnen los niveles de seguridad detallados en el esquema previo. Estas extensiones se concretan para los estándares biomédicos ISO/IEEE 11073 PHD y SCP-ECG. El tercer bloque propone nuevas formas de fortalecer la seguridad de los tests biomédicos, que constituyen el elemento esencial de muchas aplicaciones de m-Salud de carácter clínico, mediante codificaciones novedosas. Finalmente el cuarto bloque, que se sitúa en paralelo a los anteriores, selecciona herramientas genéricas de seguridad (elementos de autenticación y criptográficos) cuya integración en los otros bloques resulta idónea, y desarrolla nuevas herramientas de seguridad, basadas en señal -- embedding y keytagging --, para reforzar la protección de los test biomédicos.The paradigm of m-Health (mobile health) advocates for the massive integration of advanced mobile communications, network and sensor technologies in healthcare applications and systems to foster the deployment of a new, user/patient-centered healthcare model enabling the empowerment of users in the management of their health (e.g. by increasing their health literacy, promoting healthy lifestyles and the prevention of diseases), a better home-based healthcare delivery for elderly and chronic patients and important savings for healthcare systems due to the reduction of hospitalizations in number and duration. It is a fact that many m-Health applications demand high availability of biomedical information from their users (for further accurate analysis, e.g. by fusion of various signals) to guarantee high quality of service, which on the other hand entails increasing the potential surfaces for attacks. Therefore, it is not surprising that security (and privacy) is commonly included among the most important barriers for the success of m-Health. As a non-functional requirement for m-Health applications, security has received less attention than other technical issues that were more pressing at earlier development stages, such as reliability, eficiency, interoperability or usability. Another fact that has contributed to delaying the enforcement of robust security policies is that guaranteeing a certain security level implies costs that can be very relevant and that span along diferent dimensions. These include budgeting (e.g. the demand of extra hardware for user authentication), performance (e.g. lower eficiency and interoperability due to the addition of security elements) and usability (e.g. cumbersome configuration of devices and applications due to security options). Therefore, security solutions that aim to satisfy all the stakeholders in the m-Health context (users/patients, medical staff, technical staff, systems and devices manufacturers, regulators, etc.) shall be robust and, at the same time, minimize their associated costs. This Thesis details a proposal, composed of four interrelated blocks, to integrate appropriate levels of security in m-Health architectures in a cost-efcient manner. The first block designes a global scheme that provides different security and interoperability levels accordingto how critical are the m-Health applications to be implemented. This consists ofthree layers tailored to the m-Health domains and their constraints, whose security countermeasures defend against the threats of their associated m-Health applications. Next, the second block addresses the security extension of those standard protocols that enable the acquisition, exchange and/or management of biomedical information | thus, used by many m-Health applications | but do not meet the security levels described in the former scheme. These extensions are materialized for the biomedical standards ISO/IEEE 11073 PHD and SCP-ECG. Then, the third block proposes new ways of enhancing the security of biomedical standards, which are the centerpiece of many clinical m-Health applications, by means of novel codings. Finally the fourth block, with is parallel to the others, selects generic security methods (for user authentication and cryptographic protection) whose integration in the other blocks results optimal, and also develops novel signal-based methods (embedding and keytagging) for strengthening the security of biomedical tests. The layer-based extensions of the standards ISO/IEEE 11073 PHD and SCP-ECG can be considered as robust, cost-eficient and respectful with their original features and contents. The former adds no attributes to its data information model, four new frames to the service model |and extends four with new sub-frames|, and only one new sub-state to the communication model. Furthermore, a lightweight architecture consisting of a personal health device mounting a 9 MHz processor and an aggregator mounting a 1 GHz processor is enough to transmit a 3-lead electrocardiogram in real-time implementing the top security layer. The extra requirements associated to this extension are an initial configuration of the health device and the aggregator, tokens for identification/authentication of users if these devices are to be shared and the implementation of certain IHE profiles in the aggregator to enable the integration of measurements in healthcare systems. As regards to the extension of SCP-ECG, it only adds a new section with selected security elements and syntax in order to protect the rest of file contents and provide proper role-based access control. The overhead introduced in the protected SCP-ECG is typically 2{13 % of the regular file size, and the extra delays to protect a newly generated SCP-ECG file and to access it for interpretation are respectively a 2{10 % and a 5 % of the regular delays. As regards to the signal-based security techniques developed, the embedding method is the basis for the proposal of a generic coding for tests composed of biomedical signals, periodic measurements and contextual information. This has been adjusted and evaluated with electrocardiogram and electroencephalogram-based tests, proving the objective clinical quality of the coded tests, the capacity of the coding-access system to operate in real-time (overall delays of 2 s for electrocardiograms and 3.3 s for electroencephalograms) and its high usability. Despite of the embedding of security and metadata to enable m-Health services, the compression ratios obtained by this coding range from ' 3 in real-time transmission to ' 5 in offline operation. Complementarily, keytagging permits associating information to images (and other signals) by means of keys in a secure and non-distorting fashion, which has been availed to implement security measures such as image authentication, integrity control and location of tampered areas, private captioning with role-based access control, traceability and copyright protection. The tests conducted indicate a remarkable robustness-capacity tradeoff that permits implementing all this measures simultaneously, and the compatibility of keytagging with JPEG2000 compression, maintaining this tradeoff while setting the overall keytagging delay in only ' 120 ms for any image size | evidencing the scalability of this technique. As a general conclusion, it has been demonstrated and illustrated with examples that there are various, complementary and structured manners to contribute in the implementation of suitable security levels for m-Health architectures with a moderate cost in budget, performance, interoperability and usability. The m-Health landscape is evolving permanently along all their dimensions, and this Thesis aims to do so with its security. Furthermore, the lessons learned herein may offer further guidance for the elaboration of more comprehensive and updated security schemes, for the extension of other biomedical standards featuring low emphasis on security or privacy, and for the improvement of the state of the art regarding signal-based protection methods and applications

Applications of MATLAB in Science and Engineering

The book consists of 24 chapters illustrating a wide range of areas where MATLAB tools are applied. These areas include mathematics, physics, chemistry and chemical engineering, mechanical engineering, biological (molecular biology) and medical sciences, communication and control systems, digital signal, image and video processing, system modeling and simulation. Many interesting problems have been included throughout the book, and its contents will be beneficial for students and professionals in wide areas of interest

Robust light field watermarking with high spatial and angular fidelity

El término ocultación de información se refiere típicamente a la inserción secreta de datos en una señal anfitriona. La señal anfitriona puede ser una imagen, un archivo de audio, un video,... Las técnicas de ocultación de información se dividen generalmente en marca de agua digital, esteganografía y criptografía. Si la propia existencia del mensaje secreto incrustado debe permanecer en secreto, entonces el método de ocultación de información se conoce como esteganografía. Por el contrario, en la marca de agua digital, el usuario es consciente de la existencia del mensaje secreto. A diferencia de la esteganografía y la marca de agua, existe otra categoría de ocultación de información que cifra el mensaje secreto sin insertarlo en una señal anfitriona. Estos métodos se conocen como criptografía en la literatura técnica especializada. Los métodos de ocultación de información se han utilizado durante milenios. A modo de ejemplo, es conocido que Heródoto (485-525 a.c.) ya cita que Histiaeus, el gobernante de Mileto por designación del rey de reyes persa Darío El Grande estaba conspirando para derrocar el imperio persa. Sin embargo, nunca quiso levantar ninguna sospecha entre los que eran leales al rey de reyes ni perder la confianza que el rey Darío había depositado en él. Por ello, para instigar la revuelta Histiaeus afeitó la cabeza de uno de sus esclavos y tatuó un mensaje secreto sobre su cuero cabelludo. Tras dejar crecer el pelo del sirviente, éste viajó sin despertar sospechas hasta el destinatario del mensaje. En la era reciente, la esteganografía se usa ampliamente para la comunicación encubierta. En la esteganografía, la señal anfitriona se usa simplemente para transmitir un mensaje secreto importante. La señal anfitriona no importa por sí misma, pero es de suma importancia no llamar la atención de los expertos en seguridad. La señal anfitriona generalmente se elige entre los medios típicos que no causan sospechas. Es por eso que el mensaje transmitido no está encriptado en esteganografía. En otras palabras, un mensaje cifrado hace sonar inmediatamente las alarmas, pero es menos probable que un mensaje sin cifrar llame la atención. Como ejemplo, se cuenta que en 1966, el comandante en jefe estadounidense Jeremiah Denton se vio obligado a participar en una entrevista televisiva que se transmitió en Estados Unidos. Fingiendo sentirse incómodo con las luces cegadoras de la televisión, parpadeó en código Morse deletreando la palabra "T-O-R-T-U-R-E". Al igual que la marca de agua, el rápido crecimiento de la comunicación por Internet ha proporcionado un medio perfecto para que los sistemas de esteganografía transmitan los datos ocultos sin causar sospechas graves. A diferencia de la esteganografía, los métodos de marca de agua digitales pueden no tener ningún deseo de ocultar la existencia del mensaje incrustado. La marca de agua se define como la inserción imperceptible del mensaje secreto en la señal anfitriona. Esto es exactamente lo contrario de lo que ocurre en la esteganografía, en la que la señal anfitriona no tiene importancia real y se usa simplemente como cobertura. La marca de agua digital se usa ampliamente para la protección de derechos de autor, autenticación, detección/corrección de errores, comunicación encubierta y monitoreo de transmisiones. Se espera que cada plataforma de marca de agua: • Incruste tanta información como sea posible. El envío de información secreta es el principal motivo de explotación de las técnicas de marca de agua. Esto es especialmente importante en la comunicación encubierta. • Genere una marca de agua lo más imperceptible posible sobre la señal anfitriona. La diferencia detectable entre la propia anfitriona y la anfitriona tras el marcado anula el propósito de la marca de agua. • Sea lo más robusto posible contra ataques sobre la señal anfitriona. En el contexto de las marcas de agua, el ataque se refiere a cualquier alteración intencionada o no de los valores de la señal marcada. Obviamente, la realización perfecta de estas tres características sigue siendo un desafío y, dependiendo de la aplicación, se puede priorizar una o dos de estas características. El rápido crecimiento de la demanda de marcas de agua puede contribuir razonablemente a la creciente preocupación por la protección de los derechos de autor en las últimas décadas. A pesar de las enormes oportunidades que ofrece Internet para compartir la información a gran escala, la duplicación ilegal, la manipulación y el intercambio de información ha aumentado sin descanso. Esto impone serias preocupaciones a los autores y editores que dedican mucho tiempo y esfuerzo a la creación de contenidos. El rápido desarrollo de los métodos de marca de agua fue una respuesta prevista a la implacable tendencia al alza de la piratería. La marca de agua ha desempeñado un papel activo en la protección de los derechos de autor, la detección de manipulaciones, la autenticación y la comunicación encubierta. El número de artículos de investigación publicados sobre marcas de agua muestra la importancia absoluta de las marcas de agua en nuestra era. Otra categoría de ocultación de información es la criptografía, que se define básicamente como un método para proteger la información y las comunicaciones mediante el uso de códigos, de modo que solo los lectores autorizados pueden decodificar y leer el mensaje. Así, en criptografía el mensaje secreto se implementa sin usar señal de cobertura. La mayoría de los sistemas criptográficos utilizan conceptos matemáticos y un conjunto de cálculos basados en reglas. El contenido se cifra y se proporciona una clave de descifrado solo a los receptores autorizados. El contenido cifrado se transmite a través de Internet, pero los receptores no autorizados difícilmente pueden descifrar el contenido codificado. A diferencia de la marca de agua, el cifrado no tiene ningún control sobre la redistribución del contenido descifrado por parte del usuario autorizado. Puede ser que un cliente compre una clave de descifrado válida y, después del descifrado, redistribuya el contenido de forma masiva. Por lo tanto, la criptografía puede proteger el contenido antes del descifrado, pero una vez descifrado, el contenido no tiene más protección. Cabe mencionar que los sistemas de cifrado cifran el mensaje secreto y la existencia del mensaje secreto es clara. Por el contrario, los sistemas esteganográficos están optimizados específicamente para ocultar la existencia del mensaje secreto. Dependiendo de la aplicación, los sistemas de marca de agua pueden ocultar la existencia de la marca de agua o en algunos casos hacer pública la existencia de la marca de agua. Como el ámbito de esta tesis pertenece a la marca de agua, la esteganografía y la criptografía no se tratan más a fondo. Además, centraremos el contenido en el uso de señales anfitrionas tipo imagen. Según el dominio en el que se realiza la marca de agua, los métodos de marca de agua se dividen en métodos de dominio espacial y métodos de dominio de transformación. Los métodos de dominio espacial alteran los valores de los píxeles en el dominio espacial y, en comparación con el dominio de transformación, normalmente implican una complejidad computacional mucho menor. Por el contrario, el dominio de transformación primero convierte los píxeles de la imagen en el dominio de transformación. Los píxeles transformados a menudo se denominan coeficientes en la literatura. Aparentemente, dicha transformación puede ser costosa desde el punto de vista computacional, pero el compromiso es que la robustez suele ser mayor que la de los métodos de dominio espacial. Normalmente, se aplica una transformación directa en la imagen y, después de la inserción de la marca de agua, se aplica una transformación inversa para recuperar la imagen con marca de agua en el dominio espacial. Algunas transformaciones comunes en la literatura de marcas de agua son (pero no se limitan a) la transformada de coseno discreta (DCT), transformada de ondícula (wavelet) discreta (DWT), Contourlet, Curvelet, Ridgelet, análisis de componentes principales (PCA), transformada de Karhunen-Loeve (KLT) y descomposición en valor singulares (SVD). Algunos otros métodos utilizan tanto el dominio espacial como el dominio de transformación para implementar la marca de agua. Estos enfoques a menudo se denominan métodos híbridos en la bibliografía. Si no se requiere información previa de la imagen anfitriona para la extracción de la marca de agua, entonces el método de marca de agua se conoce como ciego; de lo contrario, se denomina no ciego. Si se utiliza alguna información secundaria (no la imagen anfitriona) para la extracción de la marca de agua, el método de marca de agua se denomina semi-ciego. Si la imagen anfitriona se puede recuperar después de la extracción de la marca de agua, el método se denomina de marcado reversible; de lo contrario, se conoce como método de marca de agua irreversible. En los últimos años, el campo luminoso (lightfield, LF) se ha utilizado cada vez más para la representación de imágenes 3D. Básicamente, el LF es una función vectorial que describe la cantidad de luz que fluye en todas direcciones a través de cada punto del espacio. Michael Faraday fue el primero en proponer (en una conferencia de 1846 titulada "Pensamientos sobre las vibraciones de los rayos") que la luz debería interpretarse como un campo, muy parecido a los campos magnéticos en los que había estado trabajando durante varios años. La denominación “campo luminoso” fue acuñada por Andrey Gershun en un artículo clásico de 1936 sobre las propiedades radiométricas de la luz en el espacio tridimensional. Desde un punto de vista óptico-geométrico, todo lo que percibimos visualmente, está iluminado por los rayos provenientes de fuentes de luz que se propagan a través del espacio hasta llegar a nuestro ojo. Básicamente, el LF describe la intensidad de cada rayo de luz en la escena en función del ángulo visual, la longitud de onda, el tiempo y la posición de visualización. Así, registra todo lo que potencialmente puede ser visto por un dispositivo óptico omnidireccional que es (supuestamente) capaz de capturar cada rayo del espacio. Levoy y Hanrahan definieron el LF como la función que describe la totalidad de los rayos de luz que atraviesan un volumen 3D dado. En otras palabras, el LF puede entenderse como la descripción de un conjunto denso de rayos de luz, cada uno de los cuales se origina en el vértice de un cono. Cada punto de un volumen 3D se considera como el vértice de un cono que transmite un número infinito de rayos con diferentes inclinaciones. Así, aparte del tiempo y la longitud de onda, el LF se representa típicamente usando cinco parámetros: posición del punto considerado (3 coordenadas espaciales) y dirección del rayo (2 ángulos directores). En realidad, la invariancia en propagación de los rayos (de acuerdo con la Óptica Geométrica), permite reducir su dimensional a 4D. Convencionalmente, a los valores obtenidos para un punto fijo del espacio en función de las 2 coordenadas angulares se le denomina imagen elemental (EI). Si (idealmente) se proporciona el LF de una escena, entonces es posible reconstruir la misma escena 3D sin pérdida de información. En la práctica, lo que realmente se captura en el mundo real es una submuestra del LF, no el conjunto completo de todos los rayos de la escena. Los dispositivos usados en esta captura se denominan de modo genérico cámaras LF. La principal diferencia entre una cámara LF y una convencional es que la primera captura los rayos individuales que inciden en un punto determinado del sensor de captura, mientras que la segunda registra la suma de todos los rayos que inciden en un punto específico del sensor. Esto facilita la reconstrucción 3D precisa de la escena recuperando los rayos individuales. El LF se puede adquirir de varias formas. En la configuración multicámara, se usa una matriz de cámaras 2D. En este caso, las dimensiones espaciales del LF están determinadas por las características intrínsecas de las cámaras, mientras que las dimensiones angulares están determinadas por el número y la disposición de las cámaras. Las cámaras pueden estar distribuidas en superficie plana, circular, rectangular o esférica. Esta configuración suele ser costosa y voluminosa. Además, la calibración de las cámaras puede llevar bastante tiempo. Otra alternativa es capturar el LF deslizando una sola cámara horizontal y verticalmente. A diferencia del sistema multicámara, la configuración de una sola cámara es mucho más barata y puede grabar el LF con mayor densidad. Sin embargo, la adquisición de LF por una sola cámara lleva mucho más tiempo que la de varias cámaras, lo que prácticamente hace que sea imposible grabar escenas dinámicas. Las cámaras LF estáticas también se pueden utilizar para capturar el LF. En ellas se emplea un único sensor estático y alguna distribución espacial de lentes (típicamente, una matriz de microlentes) para muestrear el LF. A pesar de los numerosos métodos propuestos para la marca de agua sobre el LF, ninguno de ellos está adaptado para proteger la enorme cantidad de información angular incorporada en el LF. Se trata en todos los casos de aplicar los algoritmos ya desarrollados sobre imágenes 2D al LF con sus 4 dimensiones. El principal objetivo de esta tesis es lograr métodos de marca de agua LF maximizando la protección de la información espacial y angular al mismo tiempo. Según el conocimiento del autor, hay muy pocos trabajos que aborden los métodos de marca de agua personalizados para LF. Algunos artículos también han discutido la marca de agua de objetos 3D y el video de visualización libre, que, aunque con similitudes, es bastante diferente de la marca de agua sobre el LF. Cualquier método propuesto para la marca de agua del LF deberá tener sumo cuidado de no arruinar ni la información espacial ni angular del LF. A través de esta tesis se han propuesto dos métodos de marca de agua. El primer método propuesto se basa en la DCT y la SVD, y trata de aprovechar el hecho de que los datos de LF generalmente tienen una correlación muy alta en las dimensiones espaciales y espectrales. Se supone que cualquier transformada como la DCT compacta la información en unos pocos coeficientes al proporcionar una descorrelación máxima. La transformada DCT es una aproximación de la KLT que descorrelaciona perfectamente los coeficientes. A diferencia de la base de funciones de la KLT, que dependen de la señal de entrada, las funciones base de la DCT están fijadas. Aunque la descorrelación de la DCT puede ser ligeramente menor que la de KLT y la descorrelación alcanzada es marginalmente menor, su costo computacional es menor debido a la eliminación del tedioso cálculo de las funciones básicas de la KLT. Además, en comparación con otras transformadas como la transformada de Fourier, los coeficientes transformados no tienen parte imaginaria y, por lo tanto, requieren menos datos para procesar. El hecho de que la DCT compacta la energía de la señal en pocos coeficientes lo hace muy interesante para la compresión y la marca de agua. En este primer método propuesto, se parte del LF anfitrión y de una clave secreta como entrada. Según la clave secreta, para cada píxel de la marca de agua se seleccionan bloques de píxeles del LF original, a los que se aplica la DCT. Los coeficientes de los bloques transformados se ordenan en zigzag y se eligen los primeros coeficientes para incrustar la marca de agua. La razón de no incrustar la marca de agua en todos los coeficientes DCT es aumentar la robustez del método propuesto. Es bien sabido en la literatura que los coeficientes de baja frecuencia mejoran la robustez del método de marca de agua y los coeficientes de alta frecuencia son extremadamente propensos al ruido y otros ataques. Después de elegir los coeficientes DCT seleccionados, se factorizan utilizando la SVD. El valor singular correspondiente se utiliza para incrustar la marca de agua (el valor la marca de agua en el píxel considerado en la clave secreta). Cada bloque lleva un bit de la marca de agua. Según el bit de marca de agua, el valor singular aumenta o disminuye. El incremento o decremento del valor singular se determina mediante el factor de ganancia. Se requerirá el valor singular en el procedimiento de extracción para que se guarde en la imagen de referencia. Luego, se realiza la SVD inversa para obtener los coeficientes DCT del LF con marca de agua. Para generar el LF con marca de agua en el dominio espacial, se lleva a cabo la DCT inversa. Este proceso se repite hasta que todos los bits de marca de agua se incrustan en el LF del host. Para extraer la marca de agua incrustada, se necesitan el LF con marca de agua, la imagen de referencia y la clave secreta. La clave secreta utilizada para la extracción de la marca de agua tiene que ser idéntica a la del procedimiento de incrustación, de lo contrario, la extracción de la marca de agua incrustada fallará. Si se introduce la clave secreta correcta en el sistema de extracción, los bloques correspondientes se ordenan a partir de los píxeles del LF marcado. La DCT y la SVD se realizan exactamente de la misma manera que para el procedimiento de inclusión. A continuación, el valor singular se compara con el valor correspondiente de la imagen de referencia. Si el valor singular es mayor que el valor correspondiente de la imagen de referencia, el bit de marca de agua extraído se considera uno; de lo contrario, se asume que es cero. La lógica detrás de este argumento es que si el bit de marca de agua incrustado es cero, entonces el valor singular ha disminuido por el factor de ganancia. Por el contrario, si el bit de marca de agua incrustado es uno, entonces el valor singular se ha incrementado en el factor de ganancia. Por tanto, el bit de marca de agua incrustado se puede extraer comparando el valor singular y el píxel correspondiente de la imagen de referencia. Después de extraer la marca de agua incrustada, los coeficientes DCT del bloque con marca de agua se obtienen mediante la SVD inversa. Antes de aplicar la SVD inversa, el valor singular del bloque con marca de agua se reemplaza con el píxel correspondiente de la imagen de referencia. Posteriormente, se aplica la DCT inversa a los coeficientes DCT para obtener el LF del anfitrión recuperado. Este proceso se repite hasta que se extraen todos los bits de la marca de agua. La transparencia del LF con marca de agua se ha verificado objetiva y subjetivamente. Subjetivamente, el LF con marca de agua y el anfitrión parecían idénticos y no se detectó ninguna diferencia visual entre los dos campos de luz. Para garantizar la transparencia absoluta del LF con marca de agua, las partes de alta frecuencia del LF se han ampliado y no se encontraron diferencias visuales. Desde una perspectiva objetiva, la relación señal pico-ruido PSNR de la imagen con marca de agua fue mucho más que suficiente para permitir la detección de cualquier diferencia por el sistema visual humano (HVS) de acuerdo con los criterios objetivos establecidos en la literatura especializada. A diferencia de la mayoría de los métodos de marca de agua, la tasa de error de bits (BER) sobre la marca de agua recuperada permanece en cero independientemente de la intensidad del marcado y la marca de agua incrustada se puede extraer sin errores. Otra métrica que se utiliza para evaluar el rendimiento del método propuesto de manera objetiva es la similitud estructural media (MSSIM). La premisa básica de la MSSIM es que la percepción por el HVS de la calidad de la imagen se ve muy afectada por la similitud estructural del contenido de la imagen en lugar de los valores absolutos de los píxeles. También incorpora la intensidad media y el contraste de la imagen, que desempeñan un papel clave en la percepción de la calidad de la imagen por parte del HVS. La MSSIM siempre se mantiene por encima del $99 \%$ en los experimentos realizados. La robustez del método propuesto se ha medido frente al ruido gaussiano, la compresión JPEG y el filtrado de mediana. El método propuesto muestra una buena robustez frente a los ataques antes mencionados. Las simulaciones realizadas confirman la absoluta necesidad de utilizar pocos coeficientes DCT. Aunque el LF con marca de agua puede degradarse predominantemente por el ruido, la marca de agua se puede extraer. Como la mayor parte de la energía de la señal se concentra en coeficientes de baja frecuencia de la DCT, proporcionan más robustez frente al ruido gaussiano. Esta hipótesis se confirma completamente con las simulaciones. Las simulaciones también mostraron la importancia absoluta de la explotación de la DCT. La exclusión de la DCT conduce a resultados catastróficos. El método propuesto también exhibe una buena robustez contra el filtrado de mediana y la compresión JPEG, específicamente para el factor de calidad más común de % 100 \% $. Para la justificación de la propuesta del segundo método de marcado, es interesante seguir el siguiente razonamiento. Aunque la DCT se usa ampliamente en la compresión de imágenes/video y marcas de agua, el supuesto subyacente es la independencia de los bloques adyacentes, ya que se comprime cada bloque por separado. Esto provoca artefactos notables, especialmente en velocidades de refresco bajas. Por el contrario, la DWT se aplica globalmente y no introduce artefactos de bloque. Como era de esperar, existe una similitud visual sustancial entre las EI vecinas en las direcciones horizontal, vertical y diagonal. En otras palabras, cada EI tiene una correlación mucho más alta con las EIs vecinas que con las demás. Nos referimos a la correlación de los píxeles de la misma EI como intracorrelación, mientras que la correlación entre las IE se denomina

Ensuring Data Security and Individual Privacy in Health Care Systems

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Information Analysis for Steganography and Steganalysis in 3D Polygonal Meshes

Information hiding, which embeds a watermark/message over a cover signal, has recently found extensive applications in, for example, copyright protection, content authentication and covert communication. It has been widely considered as an appealing technology to complement conventional cryptographic processes in the field of multimedia security by embedding information into the signal being protected. Generally, information hiding can be classified into two categories: steganography and watermarking. While steganography attempts to embed as much information as possible into a cover signal, watermarking tries to emphasize the robustness of the embedded information at the expense of embedding capacity. In contrast to information hiding, steganalysis aims at detecting whether a given medium has hidden message in it, and, if possible, recover that hidden message. It can be used to measure the security performance of information hiding techniques, meaning a steganalysis resistant steganographic/watermarking method should be imperceptible not only to Human Vision Systems (HVS), but also to intelligent analysis. As yet, 3D information hiding and steganalysis has received relatively less attention compared to image information hiding, despite the proliferation of 3D computer graphics models which are fairly promising information carriers. This thesis focuses on this relatively neglected research area and has the following primary objectives: 1) to investigate the trade-off between embedding capacity and distortion by considering the correlation between spatial and normal/curvature noise in triangle meshes; 2) to design satisfactory 3D steganographic algorithms, taking into account this trade-off; 3) to design robust 3D watermarking algorithms; 4) to propose a steganalysis framework for detecting the existence of the hidden information in 3D models and introduce a universal 3D steganalytic method under this framework. %and demonstrate the performance of the proposed steganalysis by testing it against six well-known 3D steganographic/watermarking methods. The thesis is organized as follows. Chapter 1 describes in detail the background relating to information hiding and steganalysis, as well as the research problems this thesis will be studying. Chapter 2 conducts a survey on the previous information hiding techniques for digital images, 3D models and other medium and also on image steganalysis algorithms. Motivated by the observation that the knowledge of the spatial accuracy of the mesh vertices does not easily translate into information related to the accuracy of other visually important mesh attributes such as normals, Chapters 3 and 4 investigate the impact of modifying vertex coordinates of 3D triangle models on the mesh normals. Chapter 3 presents the results of an empirical investigation, whereas Chapter 4 presents the results of a theoretical study. Based on these results, a high-capacity 3D steganographic algorithm capable of controlling embedding distortion is also presented in Chapter 4. In addition to normal information, several mesh interrogation, processing and rendering algorithms make direct or indirect use of curvature information. Motivated by this, Chapter 5 studies the relation between Discrete Gaussian Curvature (DGC) degradation and vertex coordinate modifications. Chapter 6 proposes a robust watermarking algorithm for 3D polygonal models, based on modifying the histogram of the distances from the model vertices to a point in 3D space. That point is determined by applying Principal Component Analysis (PCA) to the cover model. The use of PCA makes the watermarking method robust against common 3D operations, such as rotation, translation and vertex reordering. In addition, Chapter 6 develops a 3D specific steganalytic algorithm to detect the existence of the hidden messages embedded by one well-known watermarking method. By contrast, the focus of Chapter 7 will be on developing a 3D watermarking algorithm that is resistant to mesh editing or deformation attacks that change the global shape of the mesh. By adopting a framework which has been successfully developed for image steganalysis, Chapter 8 designs a 3D steganalysis method to detect the existence of messages hidden in 3D models with existing steganographic and watermarking algorithms. The efficiency of this steganalytic algorithm has been evaluated on five state-of-the-art 3D watermarking/steganographic methods. Moreover, being a universal steganalytic algorithm can be used as a benchmark for measuring the anti-steganalysis performance of other existing and most importantly future watermarking/steganographic algorithms. Chapter 9 concludes this thesis and also suggests some potential directions for future work

Digital Watermarking for Verification of Perception-based Integrity of Audio Data

In certain application fields digital audio recordings contain sensitive content. Examples are historical archival material in public archives that preserve our cultural heritage, or digital evidence in the context of law enforcement and civil proceedings. Because of the powerful capabilities of modern editing tools for multimedia such material is vulnerable to doctoring of the content and forgery of its origin with malicious intent. Also inadvertent data modification and mistaken origin can be caused by human error. Hence, the credibility and provenience in terms of an unadulterated and genuine state of such audio content and the confidence about its origin are critical factors. To address this issue, this PhD thesis proposes a mechanism for verifying the integrity and authenticity of digital sound recordings. It is designed and implemented to be insensitive to common post-processing operations of the audio data that influence the subjective acoustic perception only marginally (if at all). Examples of such operations include lossy compression that maintains a high sound quality of the audio media, or lossless format conversions. It is the objective to avoid de facto false alarms that would be expectedly observable in standard crypto-based authentication protocols in the presence of these legitimate post-processing. For achieving this, a feasible combination of the techniques of digital watermarking and audio-specific hashing is investigated. At first, a suitable secret-key dependent audio hashing algorithm is developed. It incorporates and enhances so-called audio fingerprinting technology from the state of the art in contentbased audio identification. The presented algorithm (denoted as ”rMAC” message authentication code) allows ”perception-based” verification of integrity. This means classifying integrity breaches as such not before they become audible. As another objective, this rMAC is embedded and stored silently inside the audio media by means of audio watermarking technology. This approach allows maintaining the authentication code across the above-mentioned admissible post-processing operations and making it available for integrity verification at a later date. For this, an existent secret-key ependent audio watermarking algorithm is used and enhanced in this thesis work. To some extent, the dependency of the rMAC and of the watermarking processing from a secret key also allows authenticating the origin of a protected audio. To elaborate on this security aspect, this work also estimates the brute-force efforts of an adversary attacking this combined rMAC-watermarking approach. The experimental results show that the proposed method provides a good distinction and classification performance of authentic versus doctored audio content. It also allows the temporal localization of audible data modification within a protected audio file. The experimental evaluation finally provides recommendations about technical configuration settings of the combined watermarking-hashing approach. Beyond the main topic of perception-based data integrity and data authenticity for audio, this PhD work provides new general findings in the fields of audio fingerprinting and digital watermarking. The main contributions of this PhD were published and presented mainly at conferences about multimedia security. These publications were cited by a number of other authors and hence had some impact on their works

Application and Theory of Multimedia Signal Processing Using Machine Learning or Advanced Methods

This Special Issue is a book composed by collecting documents published through peer review on the research of various advanced technologies related to applications and theories of signal processing for multimedia systems using ML or advanced methods. Multimedia signals include image, video, audio, character recognition and optimization of communication channels for networks. The specific contents included in this book are data hiding, encryption, object detection, image classification, and character recognition. Academics and colleagues who are interested in these topics will find it interesting to read

Probabilistic modeling of wavelet coefficients for processing of image and video signals

Statistical estimation and detection techniques are widely used in signal processing including wavelet-based image and video processing. The probability density function (PDF) of the wavelet coefficients of image and video signals plays a key role in the development of techniques for such a processing. Due to the fixed number of parameters, the conventional PDFs for the estimators and detectors usually ignore higher-order moments. Consequently, estimators and detectors designed using such PDFs do not provide a satisfactory performance. This thesis is concerned with first developing a probabilistic model that is capable of incorporating an appropriate number of parameters that depend on higher-order moments of the wavelet coefficients. This model is then used as the prior to propose certain estimation and detection techniques for denoising and watermarking of image and video signals. Towards developing the probabilistic model, the Gauss-Hermite series expansion is chosen, since the wavelet coefficients have non-compact support and their empirical density function shows a resemblance to the standard Gaussian function. A modification is introduced in the series expansion so that only a finite number of terms can be used for modeling the wavelet coefficients with rendering the resulting PDF to become negative. The parameters of the resulting PDF, called the modified Gauss-Hermite (NIGH) PDF, are evaluated in terms of the higher-order sample-moments. It is shown that the MGH PDF fits the empirical density function better than the existing PDFs that use a limited number of parameters do. The proposed MGH PDF is used as the prior of image and video signals in designing maximum a posteriori and minimum mean squared error-based estimators for denoising of image and video signals and log-likelihood ratio-based detector for watermarking of image signals. The performance of the estimation and detection techniques are then evaluated in terms of the commonly used metrics. It is shown through extensive experimentations that the estimation and detection techniques developed utilizing the proposed MGH PDF perform substantially better than those that utilize the conventional PDFs. These results confirm that the superior fit of the MGH PDF to the empirical density function resulting from the flexibility of the MGH PDF in choosing the number of parameters, which are functions of higher-order moments of data, leads to the better performance. Thus, the proposed MGH PDF should play a significant role in wavelet-based image and video signal processin