Algorithmic techniques for information hiding and digital object protection

Abstract

The widespread adoption of digital technologies and the continuous growth of multimedia content distribution have significantly increased the need for effective mechanisms capable of protecting digital objects against unauthorized modification, forgery, ownership violations, and content manipulation. Images, audio recordings, videos, and electronic documents are extensively utilized in domains such as digital forensics, healthcare, surveillance, and electronic communication, where authenticity and integrity are of critical importance. Consequently, the development of efficient information hiding and watermarking techniques for digital object protection remains an important research challenge. For authenticity preservation, a collection of robust watermarking models is developed for images, audio signals, videos, and PDF documents. For images, watermark information is initially represented as integer sequences and encoded through Self-Inverting Permutations (SiPs), which are subsequently embedded in the frequency domain. The first proposed model employs repetitive embedding of a single SiP watermark across multiple image regions to improve robustness against cropping and partial-content attacks. Building upon this concept, a code-based multiple watermarking framework is introduced, where collections of integers are encoded as multiple SiPs and embedded simultaneously, increasing both watermark capacity and security while maintaining robustness against common signal-processing and geometric attacks. These contributions are further unified within the ROMFAIA framework, which combines robust authenticity preservation with fragile integrity verification for forensic medical images, and are subsequently extended to blockchain-based digital asset protection through the ProtAIN framework for secure NFT deployment. For audio signals, a dual-layer watermarking methodology is introduced by combining image watermarking and audio least significant bit embedding. For videos, a code-based hash-chain watermarking framework is proposed, combining frequency-domain watermarking with cryptographic frame-audio verification. For PDF documents, dynamically generated QR codes together with scrambling and permutation mechanisms are employed to support authenticity verification while preserving document readability and visual quality.For integrity preservation, fragile watermarking techniques are proposed for images, audio signals, and videos. For images, a cryptographic integrity-verification framework is introduced based on inter-block verification relationships, enabling accurate tamper detection and localization of manipulated image areas while maintaining high visual quality. For audio signals, integrity preservation is achieved through the deployment of hash-based verification information embedded within audio samples, allowing the identification and localization of modified audio segments. For videos, two complementary integrity-preservation frameworks are developed. The first employs cryptographic hash chains embedded across video frames and synchronized with the audio stream, while the second introduces a cross-frame permutation framework capable of detecting addition, deletion, and copy-move manipulations. The proposed methodologies support reliable content verification and localization of modified regions while maintaining low computational complexity. The proposed models are assessed in terms of imperceptibility, robustness, computational efficiency, and tamper detection performance using metrics including PSNR, SSIM, BER, NC, Extraction Rate, Precision, Recall, F1-score, Accuracy, and execution time. The obtained results demonstrate high visual quality, strong robustness against common attacks, efficient computational performance, and accurate tamper detection and localization capabilities. Comparative evaluations with representative approaches from the literature further confirm the effectiveness and competitiveness of the proposed methodologies.Overall, this dissertation contributes a unified collection of watermarking and information hiding techniques for authenticity and integrity preservation in digital media. By combining frequency-domain and spatial-domain embedding strategies with combinatorial encoding structures, cryptographic verification mechanisms, and blockchain technologies, the proposed approaches provide effective and scalable solutions for the protection of images, audio signals, videos, electronic documents, and NFT-based digital assets against forgery, manipulation, and unauthorized modification.

Η ραγδαία ανάπτυξη των ψηφιακών τεχνολογιών και η συνεχής αύξηση της ανταλλαγής πολυμεσικού περιεχομένου μέσω του Διαδικτύου έχουν δημιουργήσει αυξημένες απαιτήσεις για την προστασία της αυθεντικότητας και της ακεραιότητας των ψηφιακών αντικειμένων. Ψηφιακές εικόνες, ηχητικά αρχεία, βίντεο και ηλεκτρονικά έγγραφα χρησιμοποιούνται καθημερινά σε κρίσιμους τομείς, όπως η υγειονομική περίθαλψη, η ψηφιακή εγκληματολογία, η επιτήρηση, η ηλεκτρονική διακυβέρνηση και οι διαδικτυακές υπηρεσίες. Η δυνατότητα εύκολης επεξεργασίας και παραποίησης του περιεχομένου αυτών των αντικειμένων καθιστά αναγκαία την ανάπτυξη αποτελεσματικών τεχνικών προστασίας που να επιτρέπουν τόσο την επαλήθευση της αυθεντικότητας όσο και τον εντοπισμό μη εξουσιοδοτημένων τροποποιήσεων. Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η μελέτη και ανάπτυξη αλγοριθμικών τεχνικών απόκρυψης πληροφορίας και ψηφιακής υδατογράφησης με στόχο τη διατήρηση της αυθεντικότητας και της ακεραιότητας ψηφιακών αντικειμένων. Η έρευνα εστιάζει στην ανάπτυξη τόσο ανθεκτικών όσο και εύθραυστων μοντέλων υδατογράφησης, αξιοποιώντας τεχνικές του χωρικού και του συχνοτικού πεδίου, κρυπτογραφικούς μηχανισμούς, συνδυαστικές δομές και μηχανισμούς διασταυρούμενης επαλήθευσης πληροφορίας. Στο πεδίο της διατήρησης της αυθεντικότητας ψηφιακών εικόνων προτείνονται νέα μοντέλα υδατογράφησης βασισμένα στις Αυτοαντιστρέφουσες Μεταθέσεις (Self-Inverting Permutations - SiPs). Αρχικά αναπτύσσεται ένα επαναληπτικό μοντέλο υδατογράφησης, στο οποίο το ίδιο υδατογράφημα ενσωματώνεται πολλαπλές φορές σε διαφορετικές περιοχές της εικόνας με στόχο την ενίσχυση της ανθεκτικότητας έναντι επιθέσεων αποκοπής. Στη συνέχεια προτείνεται ένα κωδικοβασισμένο μοντέλο πολλαπλής υδατογράφησης, στο οποίο ακολουθίες ακεραίων κωδικοποιούνται σε πολλαπλές SiPs και ενσωματώνονται ταυτόχρονα στο συχνοτικό πεδίο της εικόνας, αυξάνοντας σημαντικά τόσο τη χωρητικότητα όσο και την ασφάλεια του συστήματος. Οι παραπάνω τεχνικές ενοποιούνται στο πλαίσιο του μοντέλου ROMFAIA, το οποίο συνδυάζει μηχανισμούς διατήρησης αυθεντικότητας και ακεραιότητας για ιατρικές εικόνες, ενώ επεκτείνονται περαιτέρω μέσω του μοντέλου Protain για την προστασία ψηφιακών περιουσιακών στοιχείων τύπου NFT με αξιοποίηση τεχνολογιών blockchain και IPFS.Για τη διατήρηση της ακεραιότητας ψηφιακών εικόνων προτείνεται ένα εύθραυστο μοντέλο υδατογράφησης βασισμένο σε κρυπτογραφικές συναρτήσεις SHA και σχέσεις διασταυρούμενης επαλήθευσης μεταξύ περιοχών της εικόνας. Η εικόνα διαμερίζεται σε περιοχές επαλήθευσης, ενώ η πληροφορία ακεραιότητας παράγεται και ενσωματώνεται σε διαφορετικές περιοχές σύμφωνα με αντιμεταθετικές αντιστοιχίσεις. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται όχι μόνο η ανίχνευση αλλά και η ακριβής τοπικοποίηση των αλλοιωμένων περιοχών.Στον τομέα του ψηφιακού ήχου αναπτύσσονται μοντέλα αυθεντικότητας και ακεραιότητας τα οποία συνδυάζουν τεχνικές υδατογράφησης εικόνων με μηχανισμούς ενσωμάτωσης στο λιγότερο σημαντικό δυαδικό ψηφίο (Least Significant Bit - LSB) των ηχητικών δειγμάτων. Τα προτεινόμενα συστήματα επιτρέπουν την ενσωμάτωση πληροφορίας επαλήθευσης και την αξιόπιστη ανίχνευση και τοπικοποίηση μη εξουσιοδοτημένων μεταβολών του ηχητικού περιεχομένου. Στον τομέα του ψηφιακού βίντεο αναπτύσσονται δύο συμπληρωματικά μοντέλα διατήρησης της αυθεντικότητας και της ακεραιότητας. Το πρώτο αποτελεί ένα κωδικοβασισμένο μοντέλο διατήρησης αυθεντικότητας, στο οποίο η πληροφορία αυθεντικότητας ενσωματώνεται στα καρέ του βίντεο, ενώ μία κρυπτογραφική αναπαράσταση όλων των καρέ ενσωματώνεται συγχρονισμένα στο ηχητικό κανάλι, δημιουργώντας ισχυρή σύνδεση μεταξύ οπτικού και ακουστικού περιεχομένου. Η δεύτερη προσέγγιση αφορά ένα μοντέλο διατήρησης ακεραιότητας βασισμένο σε μεταθέσεις μεταξύ μπλοκ διαφορετικών καρέ, το οποίο επιτρέπει την ανίχνευση και τοπικοποίηση αλλοιώσεων τόσο σε επίπεδο αντικειμένου όσο και σε επίπεδο καρέ. Ειδικότερα, το προτεινόμενο σύστημα είναι ικανό να ανιχνεύει επιθέσεις εισαγωγής, διαγραφής και αντιγραφής-μετακίνησης αντικειμένων, καθώς και επιθέσεις εισαγωγής, διπλασιασμού και διαγραφής καρέ, παρέχοντας παράλληλα δυνατότητα ακριβούς τοπικοποίησης των αλλοιωμένων περιοχών. Για τα ηλεκτρονικά έγγραφα PDF προτείνεται μία νέα τεχνική υδατογράφησης βασισμένη σε δυναμικά παραγόμενους κώδικες QR. Η πληροφορία υδατογράφησης μετασχηματίζεται μέσω μετασχηματισμού Arnold και τεχνικών αναδιάταξης πριν ενσωματωθεί στα χρωματικά χαρακτηριστικά επιλεγμένων χαρακτήρων του εγγράφου. Η προσέγγιση αυτή επιτρέπει την επαλήθευση της αυθεντικότητας χωρίς να επηρεάζεται η αναγνωσιμότητα, η λειτουργικότητα ή η οπτική ποιότητα του εγγράφου.Για την αξιολόγηση των προτεινόμενων μοντέλων πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη πειραματική μελέτη σε σύνολα δεδομένων εικόνων, ιατρικών εικόνων, εγκληματολογικών εικόνων, ηχητικών αρχείων, βίντεο και εγγράφων PDF. Η αξιολόγηση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση μετρικών όπως PSNR, SSIM, BER, NC, Precision, Recall, F1-score, Accuracy και χρόνου εκτέλεσης. Τα πειραματικά αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι τα προτεινόμενα συστήματα επιτυγχάνουν υψηλή οπτική ποιότητα, ισχυρή ανθεκτικότητα έναντι κοινών επιθέσεων επεξεργασίας σήματος, αποδοτική υπολογιστική συμπεριφορά και ιδιαίτερα υψηλή ακρίβεια στην ανίχνευση και τοπικοποίηση αλλοιώσεων. Συνολικά, η παρούσα διατριβή συνεισφέρει μία ολοκληρωμένη οικογένεια τεχνικών απόκρυψης πληροφορίας και ψηφιακής υδατογράφησης για την προστασία της αυθεντικότητας και της ακεραιότητας ψηφιακών αντικειμένων. Οι προτεινόμενες μέθοδοι συνδυάζουν τεχνικές του χωρικού και του συχνοτικού πεδίου, κρυπτογραφικούς μηχανισμούς, συνδυαστικές δομές και τεχνολογίες blockchain, παρέχοντας αποτελεσματικές και επεκτάσιμες λύσεις για την προστασία εικόνων, ήχου, βίντεο, ηλεκτρονικών εγγράφων και ψηφιακών περιουσιακών στοιχείων τύπου NFT από παραποίηση, αλλοίωση και μη εξουσιοδοτημένες τροποποιήσεις.