Contribution to the construction of fingerprinting and watermarking schemes to protect mobile agents and multimedia content

The main characteristic of fingerprinting codes is the need of high error-correction capacity due to the fact that they are designed to avoid collusion attacks which will damage many symbols from the codewords. Moreover, the use of fingerprinting schemes depends on the watermarking system that is used to embed the codeword into the content and how it honors the marking assumption. In this sense, even though fingerprinting codes were mainly used to protect multimedia content, using them on software protection systems seems an option to be considered. This thesis, studies how to use codes which have iterative-decoding algorithms, mainly turbo-codes, to solve the fingerprinting problem. Initially, it studies the effectiveness of current approaches based on concatenating tradicioanal fingerprinting schemes with convolutional codes and turbo-codes. It is shown that these kind of constructions ends up generating a high number of false positives. Even though this thesis contains some proposals to improve these schemes, the direct use of turbo-codes without using any concatenation with a fingerprinting code as inner code has also been considered. It is shown that the performance of turbo-codes using the appropiate constituent codes is a valid alternative for environments with hundreds of users and 2 or 3 traitors. As constituent codes, we have chosen low-rate convolutional codes with maximum free distance. As for how to use fingerprinting codes with watermarking schemes, we have studied the option of using watermarking systems based on informed coding and informed embedding. It has been discovered that, due to different encodings available for the same symbol, its applicability to embed fingerprints is very limited. On this sense, some modifications to these systems have been proposed in order to properly adapt them to fingerprinting applications. Moreover the behavior and impact over a video produced as a collusion of 2 users by the YouTube’s s ervice has been s tudied. We have also studied the optimal parameters for viable tracking of users who have used YouTube and conspired to redistribute copies generated by a collusion attack. Finally, we have studied how to implement fingerprinting schemes and software watermarking to fix the problem of malicious hosts on mobile agents platforms. In this regard, four different alternatives have been proposed to protect the agent depending on whether you want only detect the attack or avoid it in real time. Two of these proposals are focused on the protection of intrusion detection systems based on mobile agents. Moreover, each of these solutions has several implications in terms of infrastructure and complexity.Els codis fingerprinting es caracteritzen per proveir una alta capacitat correctora ja que han de fer front a atacs de confabulació que malmetran una part important dels símbols de la paraula codi. D'atra banda, la utilització de codis de fingerprinting en entorns reals està subjecta a que l'esquema de watermarking que gestiona la incrustació sigui respectuosa amb la marking assumption. De la mateixa manera, tot i que el fingerprinting neix de la protecció de contingut multimèdia, utilitzar-lo en la protecció de software comença a ser una aplicació a avaluar. En aquesta tesi s'ha estudiat com aplicar codis amb des codificació iterativa, concretament turbo-codis, al problema del rastreig de traïdors en el context del fingerprinting digital. Inicialment s'ha qüestionat l'eficàcia dels enfocaments actuals en la utilització de codis convolucionals i turbo-codis que plantegen concatenacions amb esquemes habituals de fingerprinting. S'ha demostrat que aquest tipus de concatenacions portaven, de forma implícita, a una elevada probabilitat d'inculpar un usuari innocent. Tot i que s'han proposat algunes millores sobre aquests esquemes , finalment s'ha plantejat l'ús de turbocodis directament, evitant així la concatenació amb altres esquemes de fingerprinting. S'ha demostrat que, si s'utilitzen els codis constituents apropiats, el rendiment del turbo-descodificador és suficient per a ser una alternativa aplicable en entorns amb varis centenars d'usuaris i 2 o 3 confabuladors . Com a codis constituents s'ha optat pels codis convolucionals de baix ràtio amb distància lliure màxima. Pel que fa a com utilitzar els codis de fingerprinting amb esquemes de watermarking, s'ha estudiat l'opció d'utilitzar sistemes de watermarking basats en la codificació i la incrustació informada. S'ha comprovat que, degut a la múltiple codificació del mateix símbol, la seva aplicabilitat per incrustar fingerprints és molt limitada. En aquest sentit s'ha plantejat algunes modificacions d'aquests sistemes per tal d'adaptar-los correctament a aplicacions de fingerprinting. D'altra banda s'ha avaluat el comportament i l'impacte que el servei de YouTube produeix sobre un vídeo amb un fingerprint incrustat. A més , s'ha estudiat els paràmetres òptims per a fer viable el rastreig d'usuaris que han confabulat i han utilitzat YouTube per a redistribuir la copia fruït de la seva confabulació. Finalment, s'ha estudiat com aplicar els esquemes de fingerprinting i watermarking de software per solucionar el problema de l'amfitrió maliciós en agents mòbils . En aquest sentit s'han proposat quatre alternatives diferents per a protegir l'agent en funció de si és vol només detectar l'atac o evitar-lo en temps real. Dues d'aquestes propostes es centren en la protecció de sistemes de detecció d'intrusions basats en agents mòbils. Cadascuna de les solucions té diverses implicacions a nivell d'infrastructura i de complexitat.Postprint (published version

Properties and evaluation of fingerprinting codes

The concept of data fingerprinting is of paramount importance in the framework of digital content distribution. This project deals with fingerprinting codes, which are used to prevent dishonest users from redistributing copyrighted material. After introducing some basic notions of coding and fingerprinting theory, the project is divided in two parts. In the first part, we present and analyze some of the main existing fingerprinting codes and we also discuss some new constructions. The study is specifically focused on the estimation of the minimum length of the codes, given the design parameters of the system: number of users to allocate, maximum size of the collusions and probability of identification error. Also, we present some theoretical results about the new code construction studied. Finally, we present several simulations, comparing the different codes and estimating what is the minimum-length code in each region. The second part of the project is devoted to the study of the properties of Reed-Solomon codes in the context of fingerprinting. Codes with the traceability (TA) property are of remarkable significance, since they provide an efficient way to identify traitors. Codes with the identifiable parent property (IPP) are also capable of identifying traitors, requiring less restrictive conditions than the TA codes at the expense of not having an efficient decoding algorithm, in the general case. Other codes that have been widely studied but possess a weaker traitor-tracing capability are the secure frameproof codes (SFP). It is a well-known result that TA implies IPP and IPP implies SFP. The converse is in general false. However, it has been conjectured that for Reed-Solomon codes all three properties are equivalent. In this paper we investigate this equivalence, and provide a positive answer for families of Reed-Solomon codes when the number of traitors divide the size of the code fieldAward-winnin

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

Framework for privacy-aware content distribution in peer-to- peer networks with copyright protection

The use of peer-to-peer (P2P) networks for multimedia distribution has spread out globally in recent years. This mass popularity is primarily driven by the efficient distribution of content, also giving rise to piracy and copyright infringement as well as privacy concerns. An end user (buyer) of a P2P content distribution system does not want to reveal his/her identity during a transaction with a content owner (merchant), whereas the merchant does not want the buyer to further redistribute the content illegally. Therefore, there is a strong need for content distribution mechanisms over P2P networks that do not pose security and privacy threats to copyright holders and end users, respectively. However, the current systems being developed to provide copyright and privacy protection to merchants and end users employ cryptographic mechanisms, which incur high computational and communication costs, making these systems impractical for the distribution of big files, such as music albums or movies.El uso de soluciones de igual a igual (peer-to-peer, P2P) para la distribución multimedia se ha extendido mundialmente en los últimos años. La amplia popularidad de este paradigma se debe, principalmente, a la distribución eficiente de los contenidos, pero también da lugar a la piratería, a la violación del copyright y a problemas de privacidad. Un usuario final (comprador) de un sistema de distribución de contenidos P2P no quiere revelar su identidad durante una transacción con un propietario de contenidos (comerciante), mientras que el comerciante no quiere que el comprador pueda redistribuir ilegalmente el contenido más adelante. Por lo tanto, existe una fuerte necesidad de mecanismos de distribución de contenidos por medio de redes P2P que no supongan un riesgo de seguridad y privacidad a los titulares de derechos y los usuarios finales, respectivamente. Sin embargo, los sistemas actuales que se desarrollan con el propósito de proteger el copyright y la privacidad de los comerciantes y los usuarios finales emplean mecanismos de cifrado que implican unas cargas computacionales y de comunicaciones muy elevadas que convierten a estos sistemas en poco prácticos para distribuir archivos de gran tamaño, tales como álbumes de música o películas.L'ús de solucions d'igual a igual (peer-to-peer, P2P) per a la distribució multimèdia s'ha estès mundialment els darrers anys. L'àmplia popularitat d'aquest paradigma es deu, principalment, a la distribució eficient dels continguts, però també dóna lloc a la pirateria, a la violació del copyright i a problemes de privadesa. Un usuari final (comprador) d'un sistema de distribució de continguts P2P no vol revelar la seva identitat durant una transacció amb un propietari de continguts (comerciant), mentre que el comerciant no vol que el comprador pugui redistribuir il·legalment el contingut més endavant. Per tant, hi ha una gran necessitat de mecanismes de distribució de continguts per mitjà de xarxes P2P que no comportin un risc de seguretat i privadesa als titulars de drets i els usuaris finals, respectivament. Tanmateix, els sistemes actuals que es desenvolupen amb el propòsit de protegir el copyright i la privadesa dels comerciants i els usuaris finals fan servir mecanismes d'encriptació que impliquen unes càrregues computacionals i de comunicacions molt elevades que fan aquests sistemes poc pràctics per a distribuir arxius de grans dimensions, com ara àlbums de música o pel·lícules

Multimedia

The nowadays ubiquitous and effortless digital data capture and processing capabilities offered by the majority of devices, lead to an unprecedented penetration of multimedia content in our everyday life. To make the most of this phenomenon, the rapidly increasing volume and usage of digitised content requires constant re-evaluation and adaptation of multimedia methodologies, in order to meet the relentless change of requirements from both the user and system perspectives. Advances in Multimedia provides readers with an overview of the ever-growing field of multimedia by bringing together various research studies and surveys from different subfields that point out such important aspects. Some of the main topics that this book deals with include: multimedia management in peer-to-peer structures & wireless networks, security characteristics in multimedia, semantic gap bridging for multimedia content and novel multimedia applications

Security strategies in genomic files

There are new mechanisms to sequence and process the genomic code, discovering thus diagnostic tools and treatments. The file for a sequenced genome can reach hundreds of gigabytes. Thus, for further studies, we need new means to compress the information and a standardized representation to simplify the development of new tools. The ISO standardization group MPEG has used its expertise in compressing multimedia content to compress genomic information and develop its ´MPEG-G standard’. Given the sensitivity of the data, security is a major identified requirement. This thesis proposes novel technologies that assure the security of both the sequenced data and its metadata. We define a container-based file format to group data, metadata, and security information at the syntactical level. It includes new features like grouping multiple results in a same file to simplify the transport of whole studies. We use the granularity of the encoder’s output to enhance security. The information is represented in units, each dedicated to a specific region of the genome, which allows to provide encryption and signature features on a region base. We analyze the trade-off between security and an even more fine-grained approach and prove that apparently secure settings can be insecure: if the file creator may encrypt only specific elements of a unit, cross-checking unencrypted information permits to infer encrypted content. Most of the proposals for MPEG-G coming from other research groups and companies focused on data compression and representation. However, the need was recognized to find a solution for metadata encoding. Our proposal was included in the standard: an XML-based solution, separated in a core specification and extensions. It permits to adapt the metadata schema to the different genomic repositories' frameworks, without importing requirements from one framework to another. To simplify the handling of the resulting metadata, we define profiles, i.e. lists of extensions that must be present in a given framework. We use XML signature and XML encryption for metadata security. The MPEG requirements also concern access rules. Our privacy solutions limit the range of persons with access and we propose access rules represented with XACML to convey under which circumstances a user is granted access to a specific action among the ones specified in MPEG-G's API, e.g. filtering data by attributes. We also specify algorithms to combine multiple rules by defining default behaviors and exceptions. The standard’s security mechanisms protect the information only during transport and access. Once the data is obtained, the user could publish it. In order to identify leakers, we propose an algorithm that generates unique, virtually undetectable variations. Our solution is novel as the marking can be undone (and the utility of the data preserved) if the corresponding secret key is revealed. We also show how to combine multiple secret keys to avoid collusion. The API retained for MPEG-G considers search criteria not present in the indexing tables, which highlights shortcomings. Based on the proposed MPEG-G API we have developed a solution. It is based on a collaboration framework where the different users' needs and the patient's privacy settings result in a purpose-built file format that optimizes query times and provides privacy and authenticity on the patient-defined genomic regions. The encrypted output units are created and indexed to optimize query times and avoid rarely used indexing fields. Our approach resolves the shortcomings of MPEG-G's indexing strategy. We have submitted our technologies to the MPEG standardization committee. Many have been included in the final standard, via merging with other proposals (e.g. file format), discussion (e.g. security mechanisms), or direct acceptance (e.g. privacy rules).Hi han nous mètodes per la seqüenciació i el processament del codi genòmic, permetent descobrir eines de diagnòstic i tractaments en l’àmbit mèdic. El resultat de la seqüenciació d’un genoma es representa en un fitxer, que pot ocupar centenars de gigabytes. Degut a això, hi ha una necessitat d’una representació estandarditzada on la informació és comprimida. Dins de la ISO, el grup MPEG ha fet servir la seva experiència en compressió de dades multimèdia per comprimir dades genòmiques i desenvolupar l'estàndard MPEG-G, sent la seguretat un dels requeriments principals. L'objectiu de la tesi és garantir aquesta seguretat (encriptant, firmant i definint regles d¿ accés) tan per les dades seqüenciades com per les seves metadades. El primer pas és definir com transportar les dades, metadades i paràmetres de seguretat. Especifiquem un format de fitxer basat en contenidors per tal d'agrupar aquets elements a nivell sintàctic. La nostra solució proposa noves funcionalitats com agrupar múltiples resultats en un mateix fitxer. Pel que fa la seguretat de dades, la nostra proposta utilitza les propietats de la sortida del codificador. Aquesta sortida és estructurada en unitats, cadascuna dedicada a una regió concreta del genoma, permetent una encriptació i firma de dades específica a la unitat. Analitzem el compromís entre seguretat i un enfocament de gra més fi demostrant que configuracions aparentment vàlides poden no ser-ho: si es permet encriptar sols certes sub-unitats d'informació, creuant els continguts no encriptats, podem inferir el contingut encriptat. Quant a metadades, proposem una solució basada en XML separada en una especificació bàsica i en extensions. Podem adaptar l'esquema de metadades als diferents marcs de repositoris genòmics, sense imposar requeriments d’un marc a un altre. Per simplificar l'ús, plantegem la definició de perfils, és a dir, una llista de les extensions que han de ser present per un marc concret. Fem servir firmes XML i encriptació XML per implementar la seguretat de les metadades. Les nostres solucions per la privacitat limiten qui té accés a les dades, però no en limita l’ús. Proposem regles d’accés representades amb XACML per indicar en quines circumstàncies un usuari té dret d'executar una de les accions especificades a l'API de MPEG-G (per exemple, filtrar les dades per atributs). Presentem algoritmes per combinar regles, per tal de poder definir casos per defecte i excepcions. Els mecanismes de seguretat de MPEG-G protegeixen la informació durant el transport i l'accés. Una vegada l’usuari ha accedit a les dades, les podria publicar. Per tal d'identificar qui és l'origen del filtratge de dades, proposem un algoritme que genera modificacions úniques i virtualment no detectables. La nostra solució és pionera, ja que els canvis es poden desfer si el secret corresponent és publicat. Per tant, la utilitat de les dades és mantinguda. Demostrem que combinant varis secrets, podem evitar col·lusions. L'API seleccionada per MPEG-G, considera criteris de cerca que no són presents en les taules d’indexació. Basant-nos en aquesta API, hem desenvolupat una solució. És basada en un marc de col·laboració, on la combinació de les necessitats dels diferents usuaris i els requeriments de privacitat del pacient, es combinen en una representació ad-hoc que optimitza temps d’accessos tot i garantint la privacitat i autenticitat de les dades. La majoria de les nostres propostes s’han inclòs a la versió final de l'estàndard, fusionant-les amb altres proposes (com amb el format del fitxer), demostrant la seva superioritat (com amb els mecanismes de seguretat), i fins i tot sent acceptades directament (com amb les regles de privacitat)

Security strategies in genomic files

There are new mechanisms to sequence and process the genomic code, discovering thus diagnostic tools and treatments. The file for a sequenced genome can reach hundreds of gigabytes. Thus, for further studies, we need new means to compress the information and a standardized representation to simplify the development of new tools. The ISO standardization group MPEG has used its expertise in compressing multimedia content to compress genomic information and develop its ´MPEG-G standard’. Given the sensitivity of the data, security is a major identified requirement. This thesis proposes novel technologies that assure the security of both the sequenced data and its metadata. We define a container-based file format to group data, metadata, and security information at the syntactical level. It includes new features like grouping multiple results in a same file to simplify the transport of whole studies. We use the granularity of the encoder’s output to enhance security. The information is represented in units, each dedicated to a specific region of the genome, which allows to provide encryption and signature features on a region base. We analyze the trade-off between security and an even more fine-grained approach and prove that apparently secure settings can be insecure: if the file creator may encrypt only specific elements of a unit, cross-checking unencrypted information permits to infer encrypted content. Most of the proposals for MPEG-G coming from other research groups and companies focused on data compression and representation. However, the need was recognized to find a solution for metadata encoding. Our proposal was included in the standard: an XML-based solution, separated in a core specification and extensions. It permits to adapt the metadata schema to the different genomic repositories' frameworks, without importing requirements from one framework to another. To simplify the handling of the resulting metadata, we define profiles, i.e. lists of extensions that must be present in a given framework. We use XML signature and XML encryption for metadata security. The MPEG requirements also concern access rules. Our privacy solutions limit the range of persons with access and we propose access rules represented with XACML to convey under which circumstances a user is granted access to a specific action among the ones specified in MPEG-G's API, e.g. filtering data by attributes. We also specify algorithms to combine multiple rules by defining default behaviors and exceptions. The standard’s security mechanisms protect the information only during transport and access. Once the data is obtained, the user could publish it. In order to identify leakers, we propose an algorithm that generates unique, virtually undetectable variations. Our solution is novel as the marking can be undone (and the utility of the data preserved) if the corresponding secret key is revealed. We also show how to combine multiple secret keys to avoid collusion. The API retained for MPEG-G considers search criteria not present in the indexing tables, which highlights shortcomings. Based on the proposed MPEG-G API we have developed a solution. It is based on a collaboration framework where the different users' needs and the patient's privacy settings result in a purpose-built file format that optimizes query times and provides privacy and authenticity on the patient-defined genomic regions. The encrypted output units are created and indexed to optimize query times and avoid rarely used indexing fields. Our approach resolves the shortcomings of MPEG-G's indexing strategy. We have submitted our technologies to the MPEG standardization committee. Many have been included in the final standard, via merging with other proposals (e.g. file format), discussion (e.g. security mechanisms), or direct acceptance (e.g. privacy rules).Hi han nous mètodes per la seqüenciació i el processament del codi genòmic, permetent descobrir eines de diagnòstic i tractaments en l’àmbit mèdic. El resultat de la seqüenciació d’un genoma es representa en un fitxer, que pot ocupar centenars de gigabytes. Degut a això, hi ha una necessitat d’una representació estandarditzada on la informació és comprimida. Dins de la ISO, el grup MPEG ha fet servir la seva experiència en compressió de dades multimèdia per comprimir dades genòmiques i desenvolupar l'estàndard MPEG-G, sent la seguretat un dels requeriments principals. L'objectiu de la tesi és garantir aquesta seguretat (encriptant, firmant i definint regles d¿ accés) tan per les dades seqüenciades com per les seves metadades. El primer pas és definir com transportar les dades, metadades i paràmetres de seguretat. Especifiquem un format de fitxer basat en contenidors per tal d'agrupar aquets elements a nivell sintàctic. La nostra solució proposa noves funcionalitats com agrupar múltiples resultats en un mateix fitxer. Pel que fa la seguretat de dades, la nostra proposta utilitza les propietats de la sortida del codificador. Aquesta sortida és estructurada en unitats, cadascuna dedicada a una regió concreta del genoma, permetent una encriptació i firma de dades específica a la unitat. Analitzem el compromís entre seguretat i un enfocament de gra més fi demostrant que configuracions aparentment vàlides poden no ser-ho: si es permet encriptar sols certes sub-unitats d'informació, creuant els continguts no encriptats, podem inferir el contingut encriptat. Quant a metadades, proposem una solució basada en XML separada en una especificació bàsica i en extensions. Podem adaptar l'esquema de metadades als diferents marcs de repositoris genòmics, sense imposar requeriments d’un marc a un altre. Per simplificar l'ús, plantegem la definició de perfils, és a dir, una llista de les extensions que han de ser present per un marc concret. Fem servir firmes XML i encriptació XML per implementar la seguretat de les metadades. Les nostres solucions per la privacitat limiten qui té accés a les dades, però no en limita l’ús. Proposem regles d’accés representades amb XACML per indicar en quines circumstàncies un usuari té dret d'executar una de les accions especificades a l'API de MPEG-G (per exemple, filtrar les dades per atributs). Presentem algoritmes per combinar regles, per tal de poder definir casos per defecte i excepcions. Els mecanismes de seguretat de MPEG-G protegeixen la informació durant el transport i l'accés. Una vegada l’usuari ha accedit a les dades, les podria publicar. Per tal d'identificar qui és l'origen del filtratge de dades, proposem un algoritme que genera modificacions úniques i virtualment no detectables. La nostra solució és pionera, ja que els canvis es poden desfer si el secret corresponent és publicat. Per tant, la utilitat de les dades és mantinguda. Demostrem que combinant varis secrets, podem evitar col·lusions. L'API seleccionada per MPEG-G, considera criteris de cerca que no són presents en les taules d’indexació. Basant-nos en aquesta API, hem desenvolupat una solució. És basada en un marc de col·laboració, on la combinació de les necessitats dels diferents usuaris i els requeriments de privacitat del pacient, es combinen en una representació ad-hoc que optimitza temps d’accessos tot i garantint la privacitat i autenticitat de les dades. La majoria de les nostres propostes s’han inclòs a la versió final de l'estàndard, fusionant-les amb altres proposes (com amb el format del fitxer), demostrant la seva superioritat (com amb els mecanismes de seguretat), i fins i tot sent acceptades directament (com amb les regles de privacitat).Postprint (published version

Security strategies in genomic files

There are new mechanisms to sequence and process the genomic code, discovering thus diagnostic tools and treatments. The file for a sequenced genome can reach hundreds of gigabytes. Thus, for further studies, we need new means to compress the information and a standardized representation to simplify the development of new tools. The ISO standardization group MPEG has used its expertise in compressing multimedia content to compress genomic information and develop its ´MPEG-G standard’. Given the sensitivity of the data, security is a major identified requirement. This thesis proposes novel technologies that assure the security of both the sequenced data and its metadata. We define a container-based file format to group data, metadata, and security information at the syntactical level. It includes new features like grouping multiple results in a same file to simplify the transport of whole studies. We use the granularity of the encoder’s output to enhance security. The information is represented in units, each dedicated to a specific region of the genome, which allows to provide encryption and signature features on a region base. We analyze the trade-off between security and an even more fine-grained approach and prove that apparently secure settings can be insecure: if the file creator may encrypt only specific elements of a unit, cross-checking unencrypted information permits to infer encrypted content. Most of the proposals for MPEG-G coming from other research groups and companies focused on data compression and representation. However, the need was recognized to find a solution for metadata encoding. Our proposal was included in the standard: an XML-based solution, separated in a core specification and extensions. It permits to adapt the metadata schema to the different genomic repositories' frameworks, without importing requirements from one framework to another. To simplify the handling of the resulting metadata, we define profiles, i.e. lists of extensions that must be present in a given framework. We use XML signature and XML encryption for metadata security. The MPEG requirements also concern access rules. Our privacy solutions limit the range of persons with access and we propose access rules represented with XACML to convey under which circumstances a user is granted access to a specific action among the ones specified in MPEG-G's API, e.g. filtering data by attributes. We also specify algorithms to combine multiple rules by defining default behaviors and exceptions. The standard’s security mechanisms protect the information only during transport and access. Once the data is obtained, the user could publish it. In order to identify leakers, we propose an algorithm that generates unique, virtually undetectable variations. Our solution is novel as the marking can be undone (and the utility of the data preserved) if the corresponding secret key is revealed. We also show how to combine multiple secret keys to avoid collusion. The API retained for MPEG-G considers search criteria not present in the indexing tables, which highlights shortcomings. Based on the proposed MPEG-G API we have developed a solution. It is based on a collaboration framework where the different users' needs and the patient's privacy settings result in a purpose-built file format that optimizes query times and provides privacy and authenticity on the patient-defined genomic regions. The encrypted output units are created and indexed to optimize query times and avoid rarely used indexing fields. Our approach resolves the shortcomings of MPEG-G's indexing strategy. We have submitted our technologies to the MPEG standardization committee. Many have been included in the final standard, via merging with other proposals (e.g. file format), discussion (e.g. security mechanisms), or direct acceptance (e.g. privacy rules).Hi han nous mètodes per la seqüenciació i el processament del codi genòmic, permetent descobrir eines de diagnòstic i tractaments en l’àmbit mèdic. El resultat de la seqüenciació d’un genoma es representa en un fitxer, que pot ocupar centenars de gigabytes. Degut a això, hi ha una necessitat d’una representació estandarditzada on la informació és comprimida. Dins de la ISO, el grup MPEG ha fet servir la seva experiència en compressió de dades multimèdia per comprimir dades genòmiques i desenvolupar l'estàndard MPEG-G, sent la seguretat un dels requeriments principals. L'objectiu de la tesi és garantir aquesta seguretat (encriptant, firmant i definint regles d¿ accés) tan per les dades seqüenciades com per les seves metadades. El primer pas és definir com transportar les dades, metadades i paràmetres de seguretat. Especifiquem un format de fitxer basat en contenidors per tal d'agrupar aquets elements a nivell sintàctic. La nostra solució proposa noves funcionalitats com agrupar múltiples resultats en un mateix fitxer. Pel que fa la seguretat de dades, la nostra proposta utilitza les propietats de la sortida del codificador. Aquesta sortida és estructurada en unitats, cadascuna dedicada a una regió concreta del genoma, permetent una encriptació i firma de dades específica a la unitat. Analitzem el compromís entre seguretat i un enfocament de gra més fi demostrant que configuracions aparentment vàlides poden no ser-ho: si es permet encriptar sols certes sub-unitats d'informació, creuant els continguts no encriptats, podem inferir el contingut encriptat. Quant a metadades, proposem una solució basada en XML separada en una especificació bàsica i en extensions. Podem adaptar l'esquema de metadades als diferents marcs de repositoris genòmics, sense imposar requeriments d’un marc a un altre. Per simplificar l'ús, plantegem la definició de perfils, és a dir, una llista de les extensions que han de ser present per un marc concret. Fem servir firmes XML i encriptació XML per implementar la seguretat de les metadades. Les nostres solucions per la privacitat limiten qui té accés a les dades, però no en limita l’ús. Proposem regles d’accés representades amb XACML per indicar en quines circumstàncies un usuari té dret d'executar una de les accions especificades a l'API de MPEG-G (per exemple, filtrar les dades per atributs). Presentem algoritmes per combinar regles, per tal de poder definir casos per defecte i excepcions. Els mecanismes de seguretat de MPEG-G protegeixen la informació durant el transport i l'accés. Una vegada l’usuari ha accedit a les dades, les podria publicar. Per tal d'identificar qui és l'origen del filtratge de dades, proposem un algoritme que genera modificacions úniques i virtualment no detectables. La nostra solució és pionera, ja que els canvis es poden desfer si el secret corresponent és publicat. Per tant, la utilitat de les dades és mantinguda. Demostrem que combinant varis secrets, podem evitar col·lusions. L'API seleccionada per MPEG-G, considera criteris de cerca que no són presents en les taules d’indexació. Basant-nos en aquesta API, hem desenvolupat una solució. És basada en un marc de col·laboració, on la combinació de les necessitats dels diferents usuaris i els requeriments de privacitat del pacient, es combinen en una representació ad-hoc que optimitza temps d’accessos tot i garantint la privacitat i autenticitat de les dades. La majoria de les nostres propostes s’han inclòs a la versió final de l'estàndard, fusionant-les amb altres proposes (com amb el format del fitxer), demostrant la seva superioritat (com amb els mecanismes de seguretat), i fins i tot sent acceptades directament (com amb les regles de privacitat)

A Joint Coding and Embedding Framework for Multimedia Fingerprinting

Technology advancement has made multimedia content widely available and easy to process. These benefits also bring ease to unauthorized users who can duplicate and manipulate multimedia content, and redistribute it to a large audience. Unauthorized distribution of information has posed serious threats to government and commercial operations. Digital fingerprinting is an emerging technology to protect multimedia content from such illicit redistribution by uniquely marking every copy of the content distributed to each user. One of the most powerful attacks from adversaries is collusion attack where several different fingerprinted copies of the same content are combined together to attenuate or even remove the fingerprints. An ideal fingerprinting system should be able to resist such collusion attacks and also have low embedding and detection computational complexity, and require low transmission bandwidth. To achieve aforementioned requirements, this thesis presents a joint coding and embedding framework by employing a code layer for efficient fingerprint construction and leveraging the embedding layer to achieve high collusion resistance. Based on this framework, we propose two new joint-coding-embedding techniques, namely, permuted subsegment embedding and group-based joint-coding-embedding fingerprinting. We show that the proposed fingerprinting framework provides an excellent balance between collusion resistance, efficient construction, and efficient detection. The proposed joint coding and embedding techniques allow us to model both coded and non-coded fingerprinting under the same theoretical model, which can be used to provide guidelines of choosing parameters. Based on the proposed joint coding and embedding techniques, we then consider real-world applications, such as DVD movie mass distribution and cable TV, and develop practical algorithms to fingerprint video in such challenging practical settings as to accommodate more than ten million users and resist hundreds of users' collusion. Our studies show a high potential of joint coding and embedding to meet the needs of real-world large-scale fingerprinting applications. The popularity of the subscription based content services, such as cable TV, inspires us to study the content protection in such scenario where users have access to multiple contents and thus the colluders may pirate multiple movie signals. To address this issue, we exploit the temporal dimension and propose a dynamic fingerprinting scheme that adjusts the fingerprint design based on the detection results of previously pirated signals. We demonstrate the advantages of the proposed dynamic fingerprinting over conventional static fingerprinting. Other issues related to multimedia fingerprinting, such as fingerprinting via QIM embedding, are also discussed in this thesis