Data Hiding and Its Applications

Data hiding techniques have been widely used to provide copyright protection, data integrity, covert communication, non-repudiation, and authentication, among other applications. In the context of the increased dissemination and distribution of multimedia content over the internet, data hiding methods, such as digital watermarking and steganography, are becoming increasingly relevant in providing multimedia security. The goal of this book is to focus on the improvement of data hiding algorithms and their different applications (both traditional and emerging), bringing together researchers and practitioners from different research fields, including data hiding, signal processing, cryptography, and information theory, among others

Security Aspects of Printed Electronics Applications

Gedruckte Elektronik (Printed Electronics (PE)) ist eine neu aufkommende Technologie welche komplementär zu konventioneller Elektronik eingesetzt wird. Dessen einzigartigen Merkmale führten zu einen starken Anstieg von Marktanteilen, welche 2010 \$6 Milliarden betrugen, \$41 Milliarden in 2019 und in 2027 geschätzt \$153 Milliarden. Gedruckte Elektronik kombiniert additive Technologien mit funktionalen Tinten um elektronische Komponenten aus verschiedenen Materialien direkt am Verwendungsort, kosteneffizient und umweltfreundlich herzustellen. Die dabei verwendeten Substrate können flexibel, leicht, transparent, großflächig oder implantierbar sein. Dadurch können mit gedruckter Elektronik (noch) visionäre Anwendungen wie Smart-Packaging, elektronische Einmalprodukte, Smart Labels oder digitale Haut realisiert werden. Um den Fortschritt von gedruckten Elektronik-Technologien voranzutreiben, basierten die meisten Optimierungen hauptsächlich auf der Erhöhung von Produktionsausbeute, Reliabilität und Performance. Jedoch wurde auch die Bedeutung von Sicherheitsaspekten von Hardware-Plattformen in den letzten Jahren immer mehr in den Vordergrund gerückt. Da realisierte Anwendungen in gedruckter Elektronik vitale Funktionalitäten bereitstellen können, die sensible Nutzerdaten beinhalten, wie zum Beispiel in implantierten Geräten und intelligenten Pflastern zur Gesundheitsüberwachung, führen Sicherheitsmängel und fehlendes Produktvertrauen in der Herstellungskette zu teils ernsten und schwerwiegenden Problemen. Des Weiteren, wegen den charakteristischen Merkmalen von gedruckter Elektronik, wie zum Beispiel additive Herstellungsverfahren, hohe Strukturgröße, wenige Schichten und begrenzten Produktionsschritten, ist gedruckte Hardware schon per se anfällig für hardware-basierte Attacken wie Reverse-Engineering, Produktfälschung und Hardware-Trojanern. Darüber hinaus ist die Adoption von Gegenmaßnahmen aus konventionellen Technologien unpassend und ineffizient, da solche zu extremen Mehraufwänden in der kostengünstigen Fertigung von gedruckter Elektronik führen würden. Aus diesem Grund liefert diese Arbeit eine Technologie-spezifische Bewertung von Bedrohungen auf der Hardware-Ebene und dessen Gegenmaßnahmen in der Form von Ressourcen-beschränkten Hardware-Primitiven, um die Produktionskette und Funktionalitäten von gedruckter Elektronik-Anwendungen zu schützen. Der erste Beitrag dieser Dissertation ist ein vorgeschlagener Ansatz um gedruckte Physical Unclonable Functions (pPUF) zu entwerfen, welche Sicherheitsschlüssel bereitstellen um mehrere sicherheitsrelevante Gegenmaßnahmen wie Authentifizierung und Fingerabdrücke zu ermöglichen. Zusätzlich optimieren wir die multi-bit pPUF-Designs um den Flächenbedarf eines 16-bit-Schlüssels-Generators um 31\% zu verringern. Außerdem entwickeln wir ein Analyse-Framework basierend auf Monte Carlo-Simulationen für pPUFs, mit welchem wir Simulationen und Herstellungs-basierte Analysen durchführen können. Unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass die pPUFs die notwendigen Eigenschaften besitzen um erfolgreich als Sicherheitsanwendung eingesetzt zu werden, wie Einzigartigkeit der Signatur und ausreichende Robustheit. Der Betrieb der gedruckten pPUFs war möglich bis zu sehr geringen Betriebsspannungen von nur 0.5 V. Im zweiten Beitrag dieser Arbeit stellen wir einen kompakten Entwurf eines gedruckten physikalischen Zufallsgenerator vor (True Random Number Generator (pTRNG)), welcher unvorhersehbare Schlüssel für kryptographische Funktionen und zufälligen "Authentication Challenges" generieren kann. Der pTRNG Entwurf verbessert Prozess-Variationen unter Verwendung von einer Anpassungsmethode von gedruckten Widerständen, ermöglicht durch die individuelle Konfigurierbarkeit von gedruckten Schaltungen, um die generierten Bits nur von Zufallsrauschen abhängig zu machen, und damit ein echtes Zufallsverhalten zu erhalten. Die Simulationsergebnisse legen nahe, dass die gesamten Prozessvariationen des TRNGs um das 110-fache verbessert werden, und der zufallsgenerierte Bitstream der TRNGs die "National Institute of Standards and Technology Statistical Test Suit"-Tests bestanden hat. Auch hier können wir nachweisen, dass die Betriebsspannungen der TRNGs von mehreren Volt zu nur 0.5 V lagen, wie unsere Charakterisierungsergebnisse der hergestellten TRNGs aufgezeigt haben. Der dritte Beitrag dieser Dissertation ist die Beschreibung der einzigartigen Merkmale von Schaltungsentwurf und Herstellung von gedruckter Elektronik, welche sehr verschieden zu konventionellen Technologien ist, und dadurch eine neuartige Reverse-Engineering (RE)-Methode notwendig macht. Hierfür stellen wir eine robuste RE-Methode vor, welche auf Supervised-Learning-Algorithmen für gedruckte Schaltungen basiert, um die Vulnerabilität gegenüber RE-Attacken zu demonstrieren. Die RE-Ergebnisse zeigen, dass die vorgestellte RE-Methode auf zahlreiche gedruckte Schaltungen ohne viel Komplexität oder teure Werkzeuge angewandt werden kann. Der letzte Beitrag dieser Arbeit ist ein vorgeschlagenes Konzept für eine "one-time programmable" gedruckte Look-up Table (pLUT), welche beliebige digitale Funktionen realisieren kann und Gegenmaßnahmen unterstützt wie Camouflaging, Split-Manufacturing und Watermarking um Attacken auf der Hardware-Ebene zu verhindern. Ein Vergleich des vorgeschlagenen pLUT-Konzepts mit existierenden Lösungen hat gezeigt, dass die pLUT weniger Flächen-bedarf, geringere worst-case Verzögerungszeiten und Leistungsverbrauch hat. Um die Konfigurierbarkeit der vorgestellten pLUT zu verifizieren, wurde es simuliert, hergestellt und programmiert mittels Tintenstrahl-gedruckter elektrisch leitfähiger Tinte um erfolgreich Logik-Gatter wie XNOR, XOR und AND zu realisieren. Die Simulation und Charakterisierungsergebnisse haben die erfolgreiche Funktionalität der pLUT bei Betriebsspannungen von nur 1 V belegt

Anti-Counterfeiting Warnings: Do they Influence Consumer Behavior and Perception of Overt Indicators?

This study examined if overt anti-counterfeiting indicators on product packages and warning labels added to the product, informing that the product might be a counterfeit, influenced participants to spend more time examining the product package for genuineness. The overt indicators used were a QR code, and a holographic security tag that were added to packages as a sticker. There was little research regarding what consumers were looking for when examining a product package to determine if the product was genuine or counterfeit. Arguments for both involving the consumers in the counterfeit identification process, and not involving the consumers in this process were found in previous literature. In this study, the participants wore a set of eye tracking glasses and were given 13 different products to examine, some with no added indicators, some with added QR code indicator, and some with holographic security tag added indicator. Half of the subjects saw the added warning label sticker, and the other half saw the same products with no added warning label. After the participants finished viewing each of the products, they filled out a survey that asked them if they thought the product was genuine or counterfeit, how likely they would be to purchase the product, how much they trusted that the product, and what it was about the product that made them rate it this way. The total amount of time that the participants spent examining the product package, as well as the total amount of time the participants spent examining the added overt anti-counterfeiting indicators on the product package were measured as well. The results revealed that the warning label did have an overall effect on the total amount of time that the participants spent examining the product package, and there was no difference on total time between the two types of indicators. Participants did not pay more attention to one indicator over the other. Further research will be needed to examine true counterfeit products when compared to genuine products, after the addition of the warning labels and the overt anti-counterfeiting indicators to the product package

Information embedding and retrieval in 3D printed objects

Deep learning and convolutional neural networks have become the main tools of computer vision. These techniques are good at using supervised learning to learn complex representations from data. In particular, under limited settings, the image recognition model now performs better than the human baseline. However, computer vision science aims to build machines that can see. It requires the model to be able to extract more valuable information from images and videos than recognition. Generally, it is much more challenging to apply these deep learning models from recognition to other problems in computer vision. This thesis presents end-to-end deep learning architectures for a new computer vision field: watermark retrieval from 3D printed objects. As it is a new area, there is no state-of-the-art on many challenging benchmarks. Hence, we first define the problems and introduce the traditional approach, Local Binary Pattern method, to set our baseline for further study. Our neural networks seem useful but straightfor- ward, which outperform traditional approaches. What is more, these networks have good generalization. However, because our research field is new, the problems we face are not only various unpredictable parameters but also limited and low-quality training data. To address this, we make two observations: (i) we do not need to learn everything from scratch, we know a lot about the image segmentation area, and (ii) we cannot know everything from data, our models should be aware what key features they should learn. This thesis explores these ideas and even explore more. We show how to use end-to-end deep learning models to learn to retrieve watermark bumps and tackle covariates from a few training images data. Secondly, we introduce ideas from synthetic image data and domain randomization to augment training data and understand various covariates that may affect retrieve real-world 3D watermark bumps. We also show how the illumination in synthetic images data to effect and even improve retrieval accuracy for real-world recognization applications

Automated color correction for colorimetric applications using barcodes

[eng] Color-based sensor devices often offer qualitative solutions, where a material change its color from one color to another, and this is change is observed by a user who performs a manual reading. These materials change their color in response to changes in a certain physical or chemical magnitude. Nowadays, we can find colorimetric indicators with several sensing targets, such as: temperature, humidity, environmental gases, etc. The common approach to quantize these sensors is to place ad hoc electronic components, e.g., a reader device. With the rise of smartphone technology, the possibility to automatically acquire a digital image of those sensors and then compute a quantitative measure is near. By leveraging this measuring process to the smartphones, we avoid the use of ad hoc electronic components, thus reducing colorimetric application cost. However, there exists a challenge on how-to acquire the images of the colorimetric applications and how-to do it consistently, with the disparity of external factors affecting the measure, such as ambient light conditions or different camera modules. In this thesis, we tackle the challenges to digitize and quantize colorimetric applications, such as colorimetric indicators. We make a statement to use 2D barcodes, well-known computer vision patterns, as the base technology to overcome those challenges. We focus on four main challenges: (I) to capture barcodes on top of real-world challenging surfaces (bottles, food packages, etc.), which are the usual surface where colorimetric indicators are placed; (II) to define a new 2D barcode to embed colorimetric features in a back-compatible fashion; (III) to achieve image consistency when capturing images with smartphones by reviewing existent methods and proposing a new color correction method, based upon thin-plate splines mappings; and (IV) to demonstrate a specific application use case applied to a colorimetric indicator for sensing CO2 in the range of modified atmosphere packaging, MAP, one of the common food-packaging standards.[cat] Els dispositius de sensat basats en color, normalment ofereixen solucions qualitatives, en aquestes solucions un material canvia el seu color a un altre color, i aquest canvi de color és observat per un usuari que fa una mesura manual. Aquests materials canvien de color en resposta a un canvi en una magnitud física o química. Avui en dia, podem trobar indicadors colorimètrics que amb diferents objectius, per exemple: temperatura, humitat, gasos ambientals, etc. L'opció més comuna per quantitzar aquests sensors és l'ús d'electrònica addicional, és a dir, un lector. Amb l'augment de la tecnologia dels telèfons intel·ligents, la possibilitat d'automatitzar l'adquisició d'imatges digitals d'aquests sensors i després computar una mesura quantitativa és a prop. Desplaçant aquest procés de mesura als telèfons mòbils, evitem l'ús d'aquesta electrònica addicional, i així, es redueix el cost de l'aplicació colorimètrica. Tanmateix, existeixen reptes sobre com adquirir les imatges de les aplicacions colorimètriques i de com fer-ho de forma consistent, a causa de la disparitat de factors externs que afecten la mesura, com per exemple la llum ambient or les diferents càmeres utilitzades. En aquesta tesi, encarem els reptes de digitalitzar i quantitzar aplicacions colorimètriques, com els indicadors colorimètrics. Fem una proposició per utilitzar codis de barres en dues dimensions, que són coneguts patrons de visió per computador, com a base de la nostra tecnologia per superar aquests reptes. Ens focalitzem en quatre reptes principals: (I) capturar codis de barres sobre de superfícies del món real (ampolles, safates de menjar, etc.), que són les superfícies on usualment aquests indicadors colorimètrics estan situats; (II) definir un nou codi de barres en dues dimensions per encastar elements colorimètrics de forma retro-compatible; (III) aconseguir consistència en la captura d'imatges quan es capturen amb telèfons mòbils, revisant mètodes de correcció de color existents i proposant un nou mètode basat en transformacions geomètriques que utilitzen splines; i (IV) demostrar l'ús de la tecnologia en un cas específic aplicat a un indicador colorimètric per detectar CO2 en el rang per envasos amb atmosfera modificada, MAP, un dels estàndards en envasos de menjar.

Designing a secure ubiquitous mammography consultation system

This thesis attempts to design and develop a prototype for mammography image consultation that can work securely within a ubiquitous environment. Mammogram images differ largely from other type of images and it requires special and dedicated techniques to identify the required regions of interest. Thus in Chapter 2 we started to explore the affectivity of the various traditional techniques based on convolution operators (e.g. Sobol, Pretwitt, Canny) for mammography edge detection. The second part of chapter 2 tries to enhance the results obtained via the traditional techniques by hybriding some of them. The hybriding technique is called in our thesis as Pipelined Operators. In this direction we proposed four pipeline operators, which contribute to the edge enhancement as well as abnormalities rendering through the introduction of an additional coloring mechanism. Although the visualization pipelines represent in our view an advancement on the traditional techniques applied to mammograms, such pipelines expose healthcare users to further usage complexities. For this purpose we extended our research work in chapter 2 to find a better single technique that can work smoothly within the healthcare system. In this direction, we developed in the third part of chapter 2 a novel technique for finding edges based on analyzing the dynamic and fuzzy nature of edges in mammograms. We called our developed method as "Dynamic Fuzzy Classifier or the DFC"

Open-Source TIG-Based Metal 3D-Printing

Metal 3-D printing has been relegated to high-cost proprietary high-resolution systems and low-resolution low-cost metal inert gas (MIG) systems. In order to provide a path to high-resolution, low-cost, metal 3-D printing, this manuscript proposes a new open source metal 3-D printer design based around a low-cost tungsten inert gas (TIG) welder coupled to a commercial open source self replicating rapid prototyper. Optimal printing parameters for the machine are acquired using a novel computational intelligence software. TIG has many advantages over MIG, such as having a low heat input, clean beads, and the potential for both high-resolution prints as well as insitu alloying of complex geometries. The design can be adapted to most RepRap-class systems and has a basic yet powerful free and open source software (FOSS) package for the characterization of the 3-D printer. This system can be used for fabricating custom metal scientific components and tools, near net-shape structural metal component rapid prototyping, adapting and depositing on existing metal structures, and is deployable for in-field prototyping for appropriate technology applications