Digitales Wasserzeichen

Ein digitales Wasserzeichen ist eine technische Markierung in digitalen Trägermedien wie Bild-, Video oder Audiodaten oder Texten. Im Gegensatz zu analogen Wasserzeichen sind digitale Wasserzeichen durch den Menschen nicht direkt wahrnehmbar, sondern sind dafür gedacht, lediglich über ein vorgeschriebenes, ebenfalls digitales Verfahren detektiert und ausgelesen zu werden. Mit digitalen Wasserzeichen kann beispielsweise die Authentizität einer Datei nachgewiesen und ihre Zurückverfolgbarkeit sichergestellt werden. Ein Träger kann ebenso mehrere verschiedene Wasserzeichen gleichzeitig enthalten.

Digitale Wasserzeichen werden für verschiedene Einsatzzwecke verwendet. Robuste digitale Wasserzeichen kommen zum Einsatz, wenn das Wasserzeichen auch nach Manipulationen am Träger detektierbar sein soll. Solche Wasserzeichen werden beispielsweise zur Rückverfolgung bei unberechtigter Datenweitergabe eingesetzt. Fragile digitale Wasserzeichen hingegen werden für den Nachweis der Integrität des Trägers verwendet.

Im Gegensatz zu Metadaten verflicht man digitale Wasserzeichen mit Hilfe steganographischer Methoden direkt mit dem zu markierenden Inhalt. Im Fall der robusten Wasserzeichen sorgt diese Verflechtung dafür, dass die Eliminierung des Wasserzeichens den Träger ins Unbrauchbare degradiert.

In verschiedenen Forschungs- und Entwicklungsprojekten, die sich anfangs auf den Bildbereich beschränkten, wurden Verfahren hauptsächlich für kommerziell relevante Inhalte wie Audio- und Videodaten und für 3D-Modelle entwickelt. Daneben gibt es noch Verfahren z. B. zum Markieren von Datenbanken, Geodaten, Musiknoten, Standbildern und Texten.

Gelegentlich werden sichtbare, meistens teiltransparente Überlagerungen in Bildern oder Videos, beispielsweise mit Logos oder Urheberangaben, fälschlicherweise als digitale Wasserzeichen bezeichnet. Die Verwendung ist insofern irreführend, als dass weder der Träger (also das Bild oder Video) notwendigerweise digital vorhanden sein muss noch das Wasserzeichen digital (rechnergestützt) ausgelesen wird (oder werden kann). Ein mit einem halbdurchsichtigen Schriftzug überlagertes Foto ist deutlich auf den Urheber rückführbar, ohne dass Digitaltechnik zum Einsatz kommt (was den Unterschied der beiden Begriffe darstellt) und wird daher als analoges Wasserzeichen bezeichnet.

Arten von Wasserzeichen

Je nach Anwendung besitzen Wasserzeichenverfahren verschiedene Eigenschaften.

Fragilität

Man unterscheidet digitale Wasserzeichen nach ihrer Fragilität (Zerbrechlichkeit):

• Robuste digitale Wasserzeichen überstehen je nach Verfahren Verarbeitungsschritte wie Zuschneidung, Vergrößerung/Verkleinerung, Digital-Analog-Digitalwandlung usw. Diese Art der digitalen Wasserzeichen ist aufgrund des Einsatzfelds der Urheberrechtsverletzungsverfolgung weit verbreitet.

• Fragile Verfahren lassen sich zum Nachweis von Integrität und Authentizität verwenden. Die Verfahren, die hierunter fallen, lassen sich noch einmal aufgliedern in globale Ansätze, die nur binäre Aussagen zulassen, und lokale Ansätze, durch die manipulierte Bereiche des Trägers gezeigt werden können, da dort das digitale Wasserzeichen zerstört ist.

Zwischen diesen Extremen gibt es hybride Formen der Fragilität. So existieren Verfahren, die sich gegenüber bestimmten Bearbeitungsschritten robust verhalten, gegenüber anderen aber fragil. Beispielsweise kann die verlustbehaftete Speicherung toleriert werden, aber nicht eine Verarbeitung wie das Zuschneiden.

Einbettungsmethode

Visualisierung eines digitalen Wasserzeichens.

Es gibt verschiedenen Verfahren, um digitale Wasserzeichen in Daten einzubringen. Das nebenstehende Bild visualisiert die Änderungen, die ein Verfahren an einer Bilddatei hervorruft. Um das Wasserzeichen sichtbar zu machen, wurden die eingebrachten Werte (pro Farbkanal) auf den maximalen Kontrast gebracht.

Anwendungen

Die Art der eingebetteten Nachricht wird durch die Anwendung bestimmt. Dies kann z. B. im Falle des Nachweises der Urheberschaft eine Information über den Urheberrechtsinhaber sein. Im allgemeinen Fall werden Metadaten eingebettet. (engl. meta data labeling).

Aufgrund praktischer Beschränkungen der Nachrichtenlänge (Kapazität) können aber nicht alle Metadaten direkt eingebettet werden. Dementsprechend wird eine erheblich kürzere Verknüpfungsinformation zu ausführlichen Daten über das Medium eingebettet (vgl. Primärschlüssel).

Beispiele spezieller Anwendungen sind:

Anwendung	möglicherweise eingebettete Information
Erkennen eines Mediums	Eindeutige Identifikationsnummer des Inhaltes vergleichbar mit der ISBN
Nachweis der Urheberschaft	Identifikationsnummer des Urhebers
Nachweis des rechtmäßigen Eigentümers (durch personalisierte Kopie)	Kundennummer, Kreditkartennummer
Kennzeichnung zum Verfolgen von Datenflüssen	Transaktionsnummer evtl. in Verbindung mit einer Nutzeridentifikationsnummer, z. B. durch die Markierung von Laser-Farbausdrucken (Transaktionswasserzeichen)
Kennzeichnung von Medien zur Werbemaßnahme	Nummer zur Identifikation der jeweiligen Werbemaßnahme

Die Bezeichnungen für verschiedene Anwendungen sind allerdings nicht immer eindeutig. So wird anstelle des Begriffs Transaktionswasserzeichen auch der Begriff Fingerprinting verwendet (in Anlehnung an die Idee, dass der Kunde seinen Fingerabdruck auf seinem Inhalt hinterlässt). Für das Erkennen eines Inhaltes basierend auf seinen intrinsischen Merkmalen wird ebenfalls der Begriff Fingerprinting verwendet ebenso wie für Perceptual-Hashing-Verfahren, die einen charakteristischen digitalen Fingerabdruck für digitale Inhalte berechnen.

Beide Verfahrensklassen – digitale Wasserzeichen und digitale Fingerabdruckverfahren – gehören zur Klasse der passiven Schutzmechanismen. Im Unterschied zu aktiven Schutzmechanismen, wie z. B. der Verschlüsselung, verhindern diese Mechanismen den unerlaubten Zugriff auf Inhalte nicht.

Sie werden deshalb von verschiedenen Gruppen als bessere Alternative zu DRM angesehen. Insbesondere durch ihre Eigenschaft der Robustheit gegen Formatkonvertierungen und verschiedene Operationen können sie ein breites Spektrum an Anwendungen abdecken.

Eine besondere Klasse sind die reversiblen Wasserzeichenverfahren. Hier kann das eingebettete Wasserzeichen wieder entfernt und die Originalnachricht wiederhergestellt werden. Dafür bringt man die Wiederherstellungsinformationen zusätzlich zu den neu eingebrachten (Wasserzeichen-)Daten im Wasserzeichen unter. Anwendungen dieser Wasserzeichenart finden sich z. B. in der medizinischen Bildverarbeitung.

Charakteristika

Wasserzeichenverfahren besitzen verschiedene Eigenschaften:

• Die Wahrnehmbarkeit bezeichnet die Beeinflussung der Qualität des markierten Inhaltes. Zur Bewertung der Wahrnehmbarkeit im Vergleich zum Original wird häufig die differentielle Wahrnehmbarkeitsschwelle verwendet,

• die Robustheit, wie oben beschrieben, und

• die Kapazität, die durch die Menge an Informationen bestimmt wird, die in ein Medium eingebracht werden können. Sie reicht von binären Wasserzeichen (markiert oder nicht-markiert) bis zu Wasserzeichen mit mehreren hundert Bytes Kapazität (abhängig von Trägergröße und Verfahren).

Diese Merkmale sind voneinander abhängig. Man kann das mit einem Dreieck veranschaulichen, an deren Ecken diese drei Eigenschaften stehen. Werden zwei Parameter gewählt, so ergibt sich der dritte Parameter.

Weitere Charakteristika zur Unterscheidung verschiedener Verfahren sind

• die (Nicht-)Detektierbarkeit, die angibt, wie leicht ein Wasserzeichen durch Analyse des bearbeiteten Datenstromes (z. B. durch ein Spektrogramm oder steganalytische Methoden) erkannt werden kann, und die in starkem Zusammenhang steht mit der

• Angriffssicherheit (engl. security), die den zu betreibenden Aufwand beim mutwilligen Entfernen der Kennzeichnung definiert und von der Umkehrbarkeit des Einbettungsalgorithmus abhängt, und

• die Blindheit, die ausdrückt, ob zum Auslesen der Informationen des Wasserzeichens der originale Datensatz benötigt wird, oder ob die eingebetteten Daten direkt aus dem gekennzeichneten Datenstrom gewonnen werden können.

Die Signifikanz der einzelnen Merkmale ist von der jeweiligen Anwendung abhängig. Meistens ist die Wahrnehmbarkeit das wichtigste Kriterium gefolgt von der Robustheit und der Kapazität.

Konkret bedeutet die oben beschriebene Abhängigkeit, dass Wahrnehmbarkeit nicht unabhängig von der Robustheit gewählt werden kann: Je weniger eine eingebettete Nachricht wahrgenommen werden soll, desto geringer sind die möglichen Änderungen am Inhalt, ohne über die Wahrnehmbarkeitsschwelle zu kommen. Gleichzeitig können diese Änderungen aber auch leichter entfernt werden.

Daneben gibt es noch weitere Merkmale in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsszenario, wie z. B. watermarking minimum segment (WMS, kleinste Unterteilung eines Inhaltes, die eine komplette Wasserzeichennachricht enthält) oder die Echtzeitfähigkeit des Algorithmus.

Siehe auch

• Wasserzeichen
• Steganographie

Weblinks

Verfahrensspezifische Informationen:

• Wasserzeichen bei Fraunhofer SIT
• Benchmarkingverfahren: Checkmark, Optimark, Stirmark
• SysCoP-Familie des Fraunhofer-Instituts für Graphische Datenverarbeitung (IGD)
• Seminar: Widerstandsfähigkeit der Wasserzeichen

Weiterführende Links:

• EU-Projekte: Certimark, ECRYPT
• Wettbewerbe: BOWS (Break our Watermarking System), BOWS-2