Wasserzeichen
Introduction to watermarking techniques
Einführung
Geschichte
Begriffe
Prinzipien
Anwendungen
Anforderungen
Bewertung
Ausblick
Wie bei der Steganography auch, ist es das Ziel der Wasserzeichen, Informationen meist unbemerkt zu transportieren, indem man sie in Coverdaten einbettet. Dass die eingebetteten Daten nicht entfernt werden können, ist eine im Unterschied zur Steganography auf jeden Fall zu erfüllende Eigenschaft. Es ist zwar bei der Steganography auch nicht wünschenswert, beeinträchtigt aber nicht die grundlegende Absicht, die Nachricht vor Dritten geheim zu halten. Die Nachricht wäre verloren aber nicht offen gelegt. Bei Wasserzeichen hingegen würde durch die Möglichkeit das Wasserzeichen zu entfernen, das Prinzip des Wasserzeichens nutzlos.
Somit kommen Wasserzeichen zum Einsatz, wenn die Coverdaten anderen zugänglich sind, die von der Existenz der versteckten Daten wissen und ein Interesse haben, diese zu entfernen. Eine populäre Anwendung ist das Kennzeichnen von Besitz an digitalen Daten durch Copyrighthinweise und das Verfolgen der Verbreitung von Daten.
Die ersten Wasserzeichen sind in handgemachtem Papier Ende des 13. Jh. in Italien aufgetaucht. Zu dieser Zeit existierten sehr viele Papiermühlen, weiterverarbeitendes Handwerk und Papierhändler. Um alle sich daraus ergebenden Papierformate, Qualitäten und Preise unterscheiden zu können, wurden Wasserzeichen eingeführt.
Sie stellten nicht nur sicher, dass der Hersteller gekennzeichnet wurde, sondern auch, dass zusätzliche Eigenschaften wie Papierstärke und Herstelldatum lesbar mit dem Papier verbunden wurden ohne die nutzbare Fläche einzuschränken und gleichzeitig das Entfernen dieser Markierungen verhindert wurde.
Die ersten Publikationen, die dieses Prinzip auf digitale Wasserzeichen übertrugen, erschienen 1990. Zum heutigen Zeitpunkt sind die Forschungsaktivitäten zwar noch nicht abgeschlossen, Wasserzeichen sind aber schon seit einiger Zeit im praktischen Einsatz.
Es gibt verschiedene Arten von Wasserzeichen. Zusätzlich zu den meistens verwendeten unsichtbaren Wasserzeichen sind das die sichtbaren Wasserzeichen (visible watermarks). Sie bestehen aus sichtbaren Mustern (Logos) und sind in Bilder/Video eingeflochten oder überlagern sie.
Sichtbare Wasserzeichen werden z.B. genutzt, um Vorschaubilder als solche zu kennzeichnen und damit die kommerzielle Nutzung zu verhindern. So hat IBM zum Beispiel im Digital Libraries Project die Wasserzeichen durch Ändern der Helligkeit mit Originalbildern kombiniert. Dabei wird die Helligkeit als Funktion des Wasserzeichens und einem Schlüssel berechnet, der verhindert, dass das Wasserzeichen durch einfaches Zurückrechnen entfernt werden kann.
Eine spezielle Form des Wasserzeichens ist das Fingerprinting und Labeling. Beim Labeling stellen die eingebrachten Daten einen Code dar, der den Urheber oder den Empfänger eindeutig kennzeichnet. Beim Labeling enthalten die eingebetteten Daten beliebige Informationen, die von Interesse sein könnten und in Bezug zu den Coverdaten stehen. (z.B. Identifizierungsnummern, Bildbeschreibungen)
Zerbrechliche Wasserzeichen (fragile watermarks) sind wenig robust. Sie finden ihre Anwendung im Erkennen von Modifikationen der mit dem Wasserzeichen versehenen Daten. Weil das Wasserzeichen bei Änderung der Coverdaten instabil reagiert, kann dadurch die Änderung nachgewiesen werden.
Das watermark embedding system kombiniert das Wasserzeichen (Zahlen, Text, Bild) unter Zuhilfenahme eines optionalen Schlüssels mit den Coverdaten. Der Schlüssel sorgt für Sicherheit gegen Manipulation und Fälschung.
Das Gegenstück ist das watermark recovery system. Die Ausgabe ist entweder das extrahierte Wasserzeichen oder eine Aussage darüber, ob das Wasserzeichen in den Testdaten enthalten war oder nicht.
Man unterscheidet drei Klassen von Wasserzeichensystemen.
- Das private watermarking benötigt zum Extrahieren die Originaldaten. Es gilt als robust, weil der Test zusätzlich Zugriff auf die Originaldaten hat und man sich beim Einbetten auf weniger Informationen beschränken kann. Ein Nachteil ist, dass der Zugriff auf die Originaldaten manchmal nicht möglich oder nicht praktikabel ist (Datenmenge).
- Das semiprivate watermarking benötigt zumindest das originale Wasserzeichen. Es hat Zugriff auf das zumeist geheime Wasserzeichen und kann testen, ob es auch in den Testdaten vorhanden ist.
- Das public watermarking kommt gänzlich ohne Originaldaten und Wasserzeichen aus. Es extrahiert das Wasserzeichen direkt aus den Testdaten.
Angewendet werden Wasserzeichen als prominentestes Beispiel bei der Sicherung von Copyrights. Sie ziehlt auf das Einbetten von Informationen über die Quelle und somit den Besitzer der Daten, um zu verhindern, das andere den Besitz für sich in Anspruch nehmen. Besonderer Wert wird hier auf die Robustheit gelegt, da niemand in der Lage sein darf, das Wasserzeichen zu entfernen.
Beim Verfolgen von Vertriebswegen beinhalten die Wasserzeichen Informationen über die legalen Empfänger, mit deren Hilfe man illegale Kopien zurückverfolgen kann. (Vergleichbar mit Seriennummern bei Software)
Das Copy protection verhindert unerlaubtes Kopieren der wassermarkierten Daten. Dabei enthält das Wasserzeichen einen Kopierstatus der Art "einmal kopierbar", "nicht kopierbar". Diese Form der Wasserzeichen hat jedoch einen eingeschränkten Anwendungsbereich. Nur in geschlossenen Systemen kann sichergestellt werden, dass Tools zum Lesen und Kopieren das Wasserzeichen auch beachten.
Bei der Wahrung von Authentizität erfolgt das Aufspühren von Veränderungen an Trägerdaten mit Hilfe von zerbrechlichen Wasserzeichen. Diese sollten sich zwar robust bei Kompression aber instabil bei anderen Modifikationen verhalten.
Aus den Anwendungen leiten sich die Anforderungen ab, die an Wasserzeichensysteme gestellt werden. Zum ersten ist das die Robustheit gegenüber beabsichtigten und unbewussten Attacken (Kompression, Skalierung), die auf die Zerstörung der Wasserzeichen abzielen. Die Erfüllung dieser Anforderung impliziert, das noch weniger Nutzdaten eingebettet werden können als bei Steganoverfahren, da Robustheit üblicherweise durch Redundanz erreicht wird. Das ergibt zugleich einen weiteren Vorteil: Da das Wasserzeichen mehrmals verteilt in den Coverdaten enthalten ist, lässt es sich auch noch aus Fragmenten extrahieren. Um ein Wasserzeichen praktisch robust zu machen wird auch oft ein Verfahren genutzt, welches dafür sorgt, dass sobald das Wasserzeichen zerstört ist, auch der kommerzielle Nutzwert nicht mehr gegeben ist, da auch die Trägerdaten in Mitleidenschaft gezogen werden.
Wasserzeichen sollen meistens nicht wahrnehmbar sein, nicht vordergründig wegen der Geheimhaltung wie bei der Steganographie, sondern um ihren Ort zu verbergen und dadurch das Entfernen zu erschweren. Ausserdem darf bei visuellen Daten der ästhetische Wert nicht gestört werden.
Um eine Bewertung von Wasserzeichensystemen vornehmen zu können, benötigt man Masszahlen für ihre Eigenschaften. Um zum Beispiel die Wahrnehmbarkeit zu bewerten, kann man subjektive Test heranziehen, die den persönlichen Eindruch wiedergeben, was natürlich von Person zu Person unterschiedlich sein kann. Ausserdem sind solche Bewertungen langsam und aufwendig.
Um die visuelle Qualität von Bildern objektiv und vergleichbar zu beurteilen, wird oft das Verhältnis von Rauschen und eigentlichem Signal verwendet. Ein Nachteil ist, dass die menschliche Wahrnehmung nicht gut wiedergegeben wird.
Um beurteilen zu können, wie robust ein Verfahren ist, kann man den Bit-Fehler bestimmen, der sich bei den verschiedenen Attacken ergibt. Die Bit-Fehlerrate ist der Quotient aus falsch extrahierten Bit und der Anzahl der eingebetteten Bit (Fehlerrate beim Extrahieren).
Wenn man die gemessenen Werte grafisch darstellt, erkennt man ein Verhalten, das auch bei der Bewertung von Steganographieverfahren deutlich wird. Es ergibt sich ein Missverhältnis zwischen Qualität und Fehleranfälligkeit.
je höher die Qualität, desto geringer die Wahrnehmbarkeit
je geringer die JPEG-Qualität, desto stärker die Attacke
Und wie bei allen Methoden zum Schutz von Copyright und copy protection, gibt es auch hier fertige Tools, die Wasserzeichen automatisiert wieder entfernen können.
Das Interesse an Verbesserungen der Wasserzeichen-Technologie wird hoch bleiben. Es werden weiterhin Firmengründungen und Forschungsaktivitäten auf diesem Gebiet stattfinden.
Trotzdem werden sich Wasserzeichen gegenüber Laien behaupten können, aber von Experten übergangen.
Uwe Schäfer