Marca de agua (IT)

El término marca de agua (derivado del idioma inglés ), en informática , se refiere a la inclusión de información dentro de un archivo multimedia u otro , que posteriormente puede ser detectada o extraída para obtener información sobre su origen y procedencia. Tales indicaciones dejan el documento marcado permanentemente

En italiano se puede traducir como marca de agua electrónica ; [1] Dado que el término inglés watermark originalmente significa marca de agua, en el campo de TI en inglés, la marca de agua digital de forma extendida generalmente se usa para referirse al mismo término.

Características y uso

La información puede ser obvia para el usuario del archivo (por ejemplo, en el caso de una indicación de copyright superpuesta a una imagen digital ) o latente (oculta dentro del archivo); en este último caso, la marca de agua puede considerarse una forma de esteganografía .

La técnica de marca de agua digital se puede utilizar para diferentes propósitos: dejar claro a todos los usuarios quién es el propietario del documento, si la marca es visible; probar la originalidad de un documento no falsificado; evitar la distribución de copias no autorizadas; marcar características específicas del documento o marcar la ruta de venta del documento, utilizando una marca diferente para cada comprador.

Clasificación

Las marcas de agua se pueden clasificar según algunas de sus propiedades, que dependen de la finalidad con la que hayan sido insertadas en el documento.

Las marcas de agua pueden ser privadas o públicas, es decir, visibles para todos los usuarios de un archivo . Los que pueden extraerse se dice que son privados sólo cuando su contenido se conoce de antemano y se tiene el documento original sin marcar; públicos los detectables aunque se desconozca el contenido, sin la ayuda del documento original. En el caso de las marcas de agua públicas, es más fácil identificar y alterar (o eliminar) la marca, pero en muchos contextos son más útiles, ya que permiten que cualquier persona identifique al propietario del documento.

Una marca de agua puede ser visible o invisible: es decir, en el primer caso se utiliza para codificar información que debe hacerse pública al usuario final; en el segundo caso, en cambio, son precisamente aquellos contextos en los que el legítimo titular quiere garantizar los derechos de autor , ocultando así la marca en el documento. En la práctica, la copia marcada es casi idéntica al original, excepto por algunas diferencias no detectables por la percepción humana.

Las marcas de agua se pueden caracterizar por su resistencia al ataque: una marca de agua frágil puede ser fácilmente atacada, destruida y hecha irreconocible por casi cualquier tipo de manipulación de datos. Está diseñado para aquellas aplicaciones donde se quiere saber si se ha cambiado cierta información en el paso del creador al usuario; en cuyo caso la marca de agua no deberá ser detectable o, en todo caso, deberá presentar alteraciones. Una marca de agua semifrágil sufre el mismo destino que una frágil si los cambios infligidos superan cierto umbral definido por el usuario. Finalmente, una marca de agua robusta debe soportar las operaciones y transformaciones de datos más comunes, ya que se utiliza cuando se necesita probar o garantizar la propiedad del documento. La información que lleva no debe perderse y debe poder recuperarse, incluso si el documento ha sido modificado. Además, tendemos a considerar que una marca de agua es robusta cuando es capaz de resistir incluso ataques intencionados destinados a eliminarla.

Las marcas de agua son ciegas si no se requiere el documento original para verificar su presencia; no te ciegues de otra manera. En general, las filigranas no ciegas son más robustas, pero no siempre es posible tener disponible el original; además, sólo el titular puede acreditar la presencia de la marca.

Propiedades

Las marcas de agua se pueden utilizar para diferentes propósitos y, por lo tanto, deben satisfacer necesidades específicas. Sin embargo, hay algunas características comunes a todas las marcas de agua:

el propietario legítimo o una autoridad de control independiente debe poder extraer fácilmente la información de la marca de agua;
la recuperación de la marca de agua debe probar inequívocamente la identidad del propietario;
debe ser posible superponer más marcas de agua en el documento, sin que las anteriores se destruyan;
la marca de agua debe insertarse dentro de la señal a proteger para mayor seguridad y portabilidad.

Para cumplir con todos estos requisitos, las marcas de agua deben ser:

Invisible: insertar una señal de marca de agua implica necesariamente una ligera degradación de la imagen; esta degradación debe ser lo más leve posible para no alterar la percepción del documento. El grado de alteración debe ser decidido por el propietario del documento, que puede elegir entre alteraciones fuertes, que dan garantía de robustez a cualquier ataque, y alteraciones débiles, que no degradan el producto.
Clave codificada: cada señal de marca de agua está asociada con una secuencia particular de bits llamada clave . La clave se utiliza tanto para producir la señal de marca de agua como para reconocerla dentro de un documento. La clave es privada y caracteriza de forma única al legítimo titular del documento. Solo aquellos en posesión de la clave (el propietario o una entidad autorizada) pueden demostrar la presencia de la marca de agua en el producto digital. El número de claves posibles debe ser enorme.
Estadísticamente eficiente: un documento firmado con una marca de agua debe ser fácilmente reconocible si conoce la clave correcta. La probabilidad de que la clave (en la fase de reconocimiento) sea rechazada, incluso si es correcta, debe ser lo suficientemente baja.
Estadísticamente invisible: tener una gran cantidad de documentos digitales, todos firmados con la misma clave, no debe hacer que la firma sea reconocible (y por lo tanto eliminable). Diferentes productos firmados con la misma clave deben generar diferentes señales de marca de agua. Debemos estar seguros de que el reconocimiento de la clave dentro de la imagen por parte de terceros es imposible.
Múltiple: debe ser posible insertar una gran cantidad de señales de marca de agua dentro del mismo documento; cada una de estas señales puede ser reconocida por la tecla correspondiente.
Robusto: sobre los documentos digitales se pueden realizar numerosas operaciones para mejorar su calidad o comprimir su tamaño. Las señales de marca de agua deben ser tales que no puedan ser eliminadas por este tipo de operaciones, ni por operaciones encaminadas a alterar o cancelar la propia marca.
Invertible: el propietario legítimo del documento debe poder eliminar la marca de agua. En realidad, esta propiedad no se puede obtener si se quiere garantizar la robustez y la resistencia a las agresiones.

En algunos casos, la invertibilidad significa la posibilidad de generar una marca de agua falsa y un documento original falso que es igual al real. De esta forma, al insertar la marca de agua falsa, se obtiene un documento perfectamente igual (invertibilidad) o sólo perceptiblemente igual (casi invertible) al real. Se ha demostrado que para que las marcas de agua digitales se conviertan en una prueba irrefutable de la aplicación de los derechos de autor , las marcas registradas deben ser no reversibles o casi no reversibles.

Marca de agua de imagen fija

Cualquier esquema de marca de agua se crea a través de la implementación de dos algoritmos muy específicos : uno para codificar la marca, que toma la imagen original como entrada y genera la imagen correspondiente debidamente marcada y la marca real; el otro de decodificación que, tomando como entrada la imagen marcada y la imagen original (si la marca de agua no es ciega), devuelve la marca asociada.

Agregar una marca de agua a la imagen puede verse como insertar un componente de ruido en la imagen misma.

Sea V la imagen original, la marca de agua a insertar (que podría depender de V) y la imagen marcada. $W = \ {w_ {1}, w_ {2}, \ puntos, w_ {n} \}$ $V_{w}$

$V_{w}$ se puede obtener de V y W por medio de una función de codificación adecuada E:

mi (v, w) \, = \, v_ {w}

La función de decodificación D (en el caso de una marca de agua ciega) quiere una imagen marcada como entrada y devuelve la marca de agua W ': $V_{w}$

D (V_ {w}) \, = \, W '

Mientras que si la marca de agua no es ciega, se debe modificar el esquema de la siguiente manera:

D (V, V_ {w}) \, = \, W '

Las marcas de agua W y W' no son necesariamente idénticas, ya que la imagen puede haber sido modificada entre la etapa de codificación y decodificación. Por lo tanto, es necesaria una función de comparación para establecer si las dos marcas de agua coinciden: $C _ {\ delta}$

C _ {\ delta} (W, W ') \, = \, c

si , W y W 'coinciden, $c>\delta$
de lo contrario, W y W 'no coinciden

donde es un valor umbral adecuadamente establecido. $\delta$

Por lo general, para codificar una marca de agua se eligen unas características particulares de la imagen, denominadas , a las que se les aplica un operador de inserción : $F = \ {f_ {1}, f_ {2}, \ puntos, f_ {n} \}$ $\ oplus$

f'_ {i} = f_ {i} \ oplus w_ {i} \ quad con \ quad i = 1, \ dots, n

donde estan las caracteristicas de la imagen con marca de agua. $F'=\{f'_{1}, f'_{2}, \puntos, f'_{n}\}$

La marca de agua se decodifica con un operador de extracción , al revés del anterior, tal que: $\ presagio$

w '_ {i} = f' _ {i} \ ominus f_ {i} \ quad con \ quad i = 1, \ dots, n

donde está la marca de agua extraída. $W '= \ {w' _ {1}, w '_ {2}, \ puntos, w' _ {n} \}$

En el caso de técnicas sobre el dominio espacial (por dominio espacial se pretende considerar los píxeles individuales en la posición en que se encuentran dentro de la imagen) las características F son los valores de los píxeles de la imagen; mientras que en el caso de las técnicas sobre las transformadas son los valores de los coeficientes de una transformada de dominio de imagen.

El conjunto F se elige para que los pequeños cambios en cada función no empeoren significativamente la imagen (la marca de agua se puede insertar sin dañar la imagen) y cada función no cambia significativamente a menos que la imagen se haya modificado de manera perceptible ( la marca de agua debe poder decodificarse sin ambigüedad).

Ataques

Bajo la denominación de ataques se engloban todas las operaciones sobre imágenes que pueden debilitar o eliminar por completo una marca de agua previamente insertada, independientemente de que sean intencionadas o no, pero que además solo impiden el correcto funcionamiento de la fase de detección.

La compresión con pérdida , considerando en la práctica el estándar JPEG , es uno de los cambios que más frecuentemente se aplican a una imagen antes de distribuirla en la red. La compresión por sí sola generalmente no es un ataque peligroso; de hecho, todos los métodos se prueban en imágenes JPEG. Numerosos métodos de marca de agua operan en el dominio de la DCT ( transformada discreta del coseno ) precisamente para tener una alta robustez a este tipo de compresión. En general, la eliminación de una marca solo por compresión tendría que caer a un nivel inaceptable de agotamiento.

Una gran familia de modificaciones es la de las modificaciones geométricas. Incluye cambios globales, como rotación , recorte (eliminación de parte de una imagen), escalado y cambios locales, como eliminación de líneas o columnas. Los métodos en el dominio espacial son los más frágiles a los ataques geométricos; en particular, las combinaciones de rotación de pequeños ángulos combinada con recorte, la modificación no uniforme de la escala y la eliminación de un determinado número de filas o columnas son suficientes para hacer imposible la detección de la marca, sin introducir un deterioro perceptible de la calidad . Frente a los cambios geométricos globales actuamos replicando la marca de agua en toda la imagen.

Luego están todos los filtros y efectos que se pueden aplicar a través de un buen número de aplicaciones gráficas. Otro ataque es la adición de ruido pseudoaleatorio, aditivo o multiplicativo.

Los ataques estadísticos requieren que tenga dos o más copias de la misma imagen marcadas con diferentes marcas, luego intente obtener una copia que ya no esté protegida promediando las copias o ensamblando piezas de cada una. Finalmente, si el algoritmo no prevé la posibilidad de insertar más de una marca de agua, la superposición forzada de más marcas puede impedir que el decodificador detecte correctamente la presencia de la marca correcta.

También es posible una clasificación de los ataques desde el punto de vista de su finalidad:

Los ataques simples incluyen todos los filtros y manipulaciones aplicados a través de programas de gráficos normales, pero también la compresión con pérdida o las modificaciones geométricas en la globalidad de la imagen marcada. El carácter distintivo de estos ataques es que no tienen como objetivo aislar e identificar la marca de agua, sino solo dañarla y, por lo tanto, evitar su detección;
ataques de inhabilitación de detección, que incluyen modificaciones geométricas locales. Los ataques de este tipo tienen la particularidad de que no buscan tanto la supresión total de la marca, sino que impiden el correcto funcionamiento del procedimiento de detección; de hecho, la marca de agua no se elimina y aún puede detectarse aumentando la complejidad del algoritmo de detección;
Los ataques criptográficos son ataques similares a los conocidos de la criptografía y tienen como objetivo la búsqueda exhaustiva de la clave;
ataques que tienen como objetivo generar ambigüedad y anular la utilidad de la marca de agua. Por ejemplo, es posible agregar marcas de agua adicionales a una imagen ya marcada, para que no quede claro quién es el propietario legítimo;
ataques que apuntan a una eliminación efectiva de la marca de agua de la imagen. En general, asumimos que la marca de agua es el ruido añadido a la imagen y tratamos de eliminarlo mediante filtros y modelos predictivos.

Un falsificador, que quiere hacer pasar una determinada imagen como propia, puede poner su firma en una imagen que ya ha sido firmada.

En este caso, parecería que tanto el propietario legítimo como el infractor pueden reclamar el derecho de propiedad. Por lo tanto, el reconocimiento de la marca de agua no es suficiente para establecer quién tiene razón. Para resolver la disputa, tanto se solicita la imagen original, suponiendo que no esté firmada, como se verifica la firma de cada uno con el original del otro. La firma del propietario real estará presente en el original falso, mientras que la firma del impostor no estará presente en el original real y dará como resultado una firma falsa.

Las técnicas más utilizadas para invalidar la prueba de propiedad son: ataques tipo SWICO y ataques tipo TWICO.

En el ataque SWICO, el impostor puede intentar obtener un original falso extrayendo la marca de agua de la imagen firmada por el propietario legítimo y haciendo circular una imagen con marca de agua con la firma de ambos. De esta forma, el falsificador también puede reclamar el derecho de propiedad utilizando el original falso. Para resistir los ataques SWICO es suficiente que el proceso de marca de agua no sea reversible.

En el ataque TWICO, a diferencia del ataque SWICO, además de un original falso, el falsificador producirá dos imágenes con marca de agua, ambas con una sola firma (la original y la falsa). Para resistir los ataques de TWICO, la marca de agua debe ser casi irreversible.

Técnicas de inserción

Una marca de agua se puede insertar dentro de una imagen con tres técnicas de las cuales ahora veremos las características principales.

Dominio espacial

Estas técnicas modifican directamente los valores de píxel de la imagen, en función del código que se debe incluir. Hay varias posibilidades para implementar este cambio:

los números pseudoaleatorios , que dependen de una clave generadora, se suman o restan de los valores de píxel . Para poder detectar la marca de agua debes tener la clave, asegurando así que solo los usuarios autorizados puedan extraerla. El método no puede resistir ataques colusorios;
solo se modifican los valores de unos píxeles elegidos pseudoaleatoriamente, a los que se les suma o resta un valor en función de su posición. El método no es particularmente robusto, especialmente contra intentos de falsificación;
la imagen se divide en bloques, generalmente de forma cuadrada; algunos de ellos se eligen de forma pseudoaleatoria y la modificación se produce sumando o restando un número determinado a los valores de algunos píxeles contenidos en los bloques seleccionados. El método no tolera la rotación y el cultivo;
se descarta el bit menos significativo de los píxeles elegidos apropiadamente. El método tiene grandes problemas en caso de que la imagen sea traducida o redimensionada;
si la imagen es en color, la marca de agua se inserta en una determinada banda de color, de modo que normalmente no se ve, pero inutiliza el documento si desea imprimirlo. El método tiene los mismos defectos que el anterior.

Transformar

Utilizan la transformada discreta del coseno , la transformada wavelet o la transformada de Fourier y la marca de agua se incorpora a los coeficientes de transformación.

Estas técnicas operan siguiendo este esquema: la imagen se convierte en una matriz en la que se informan los valores numéricos (brillo) de los píxeles individuales; a esta matriz se le aplica una de las transformaciones invertibles mencionadas anteriormente . Algunos de los coeficientes de transformación se modifican, lo que resulta en la inserción de la marca de agua. Finalmente, al aplicar la transformada inversa, se recompone una matriz, y por tanto una imagen, similar a la original, a la que, sin embargo, se le ha aplicado la marca. Finalmente, se pueden aplicar técnicas híbridas, es decir, técnicas que, aprovechando las transformadas matemáticas, no carecen de adaptabilidad espacial. Estas técnicas son muy efectivas para adaptar el nivel de inserción de la marca de agua al contenido de la imagen local. Por otro lado, esta propiedad provoca sensibilidad a la traducción y escalado de imágenes.

El método NEC

El método NEC fue desarrollado por Cox, Kilian, Leighton y Shamoon y parece ser el que más garantías ofrece actualmente desde el punto de vista muy ligado a la robustez. En particular, los autores afirman que para garantizar la robustez de cualquier esquema de marca de agua, necesariamente se debe actuar sobre los componentes perceptualmente más significativos. Este enfoque parece contradecir la necesidad fundamental de tratar única y exclusivamente con marcas imperceptibles. En realidad, solo se trata de encontrar el equilibrio adecuado entre las dos necesidades explotando, en este caso específico, algunas propiedades del espectro de la señal digital en cuestión. Esta técnica es robusta y segura con respecto a las operaciones de procesamiento de señales más comunes, distorsiones geométricas e incluso algunos ataques intencionales más sofisticados.

El método NEC forma parte de las llamadas técnicas basadas en transformadas, de hecho requiere el uso de la transformada discreta del coseno y su inversa. Se divide en tres partes, que se tratan en los párrafos siguientes.

Inserción

La marca de agua es una secuencia de N números pseudoaleatorios con una distribución N (0,1), es decir, una distribución normal con media cero y varianza de uno.

Para insertar correctamente la marca de agua, se calcula la transformada discreta del coseno de la imagen a marcar y se consideran los N coeficientes más altos en valor absoluto (que corresponden a bajas frecuencias), excluyendo el primero para no alterar en exceso y, por tanto, , visiblemente la calidad de la imagen. Finalmente, se aplica uno de los siguientes métodos:

$f '_ {i} \, = \, f_ {i} \; (1+ \ alfa w_ {i})$
$f'_ {i} \, = \, f_ {i} + \ alfa w_ {i}$
$f '_ {i} \, = \, f_ {i} \; e ^ {{\ alfa w_ {i}}}$

dónde están las frecuencias de la imagen original en la que se debe insertar la marca de agua ; estas son las nuevas frecuencias obtenidas tras la inserción de la marca y es un parámetro que debe dar cuenta tanto de la robustez como de la visibilidad de la marca de agua. $F = \ {f_ {1}, f_ {2}, \ puntos, f_ {N} \}$ $W = \ {w_ {1}, w_ {2}, \ puntos, w_ {N} \}$ $F'=\{f'_{1}, f'_ {2}, \puntos, f'_{N}\}$ $\ alfa$

El primer y segundo método son invertibles solo si , mientras que el segundo siempre lo es, pero no es apropiado si varían mucho. $f_ {i} \ neq 0$ $f_ {yo}$

En general, sería posible dar un valor de anuncio específico para cada frecuencia para mejorar la resistencia a los ataques, modificando así los distintos métodos: $\ alfa$

$f '_ {i} = f_ {i} \;(1+ \ alpha _ {i} w_ {i}) \ quad \ quad f' _ {i} = f_ {i} + \ alpha _ {i} w_ {i}\quad\quad f'_ {i} = f_ {i}\;e^{{\ alpha_{i}w_ {i}}},$

pero las pruebas experimentales han demostrado que un valor de 0,1 se adapta bien a diferentes imágenes y frecuencias. $\ alfa$

La elección de la longitud N de la marca de agua está sujeta a la siguiente regla: cuanto mayor sea este valor, mayor será la fuerza de la marca, pero en consecuencia, mayor será la visibilidad.

Las pruebas experimentales aseguraron que para un valor de 0,1, un buen valor de N puede ser 1000. $\ alfa$

La función de extracción

Para extraer la marca de agua, primero se debe aplicar la transformada de coseno discreta a la imagen original (es decir, la que no tiene la marca) ya la imagen que se va a probar; luego se extraen las N frecuencias mayores en valor absoluto a excepción de la primera; finalmente, la marca de agua se extrae aplicando una de las siguientes fórmulas inversas:

$w '_ {i} = {\ frac {f' _ {i} -f_ {i}} {(\ alfa \; f_ {i})}}$
$w '_ {i} = {\ frac {f' _ {i} -f_ {i}} {\ alfa}}$
$w '_ {i} = {\ frac {\ ln f' _ {i} - \ ln f_ {i}} {\ alfa}}$

dependiendo del método por el cual se insertó la marca de agua.

De esta forma, se obtiene una marca de agua que debe compararse con la original, para comprobar su similitud.

La función de comparación

La marca de agua insertada originalmente en una imagen nunca será exactamente igual a la extraída, debido a las aproximaciones en el cálculo de la transformada de coseno directa e inversa y los posibles ataques a los que se ve sometida la imagen.

Por lo tanto, es necesario introducir una función que le permita calcular qué tan similares son dos marcas de agua, para evaluar la probabilidad de que las dos imágenes tengan la misma marca, aunque alterada.

Esta función es la siguiente:

\ rho (W, W ') = {\ frac {W * W'} {{\ sqrt {W '* W'}}}}

La función devuelve un valor que corresponde al índice de similitud de las dos marcas de agua. Se puede demostrar que si entonces las dos marcas de agua no son independientes, es casi seguro que la imagen de la que se extrajo W 'ha sido marcada con W. $\rho (W, W ')$ $\rho (W, W')> 4$

Notas

^ marca de agua electrónica , en Léxico del siglo XXI , Instituto de la Enciclopedia Italiana, 2012-2013.

Bibliografía

Informe ECRYPT: Audio Benchmarking Tools and Steganalysis ( PDF ), en omen.cs.uni-magdeburg.de .
Informe ECRYPT: Comparación de marcas de agua ( PDF ), en omen.cs.uni-magdeburg.de .
Jana Dittmann, David Megias, Andreas Lang, Jordi Herrera-Joancomarti; Marco teórico para una evaluación práctica y comparación de esquemas de marcas de agua de audio en el triángulo de robustez, transparencia y capacidad ; En: Transacción sobre Ocultamiento de Datos y Seguridad Multimedia I; Springer LNCS4300; el editor Yun Q. Shi; páginas. 1–40; ISBN 978-3-540-49071-5 , 2006 PDF
IJ Cox, J. Kilian, FT Leighton, T. Shamoon, marca de agua segura de espectro ensanchado para multimedia, IEEE Trans. sobre Procesamiento de Imágenes, Vol. 6 No. 12, 1997, pp. 1673-1687

Enlaces externos

StirMark para imágenes ,en cl.cam.ac.uk. - Una prueba de robustez de marca de agua desarrollada por Markus Kuhn y Fabien Petitcolas.
StirMark for Audio : una prueba de resistencia y fragilidad de marca de agua desarrollada por Andreas Lang.
Directorio de libros, revistas y conferencias sobre marcas de agua digitales , en Knowledgebase.aegisdrm.com . Consultado el 4 de abril de 2009 (archivado desde el original el 12 de enero de 2007) .
Comparación de diferentes métodos de marca de agua digital , en watermarker.com .
Marca de agua invisible , en adptools.com . Consultado el 4 de abril de 2009 (archivado desde el original el 9 de febrero de 2009) .
Sobre la seguridad de las marcas de agua , en ieeexplore.ieee.org .
Teoría y técnicas de filigrana en imágenes fijas , en digilander.libero.it .
Marca de agua y manipulación del color ( PDF ), en dmi.unict.it .
Algoritmo de marca de agua usando funciones wavelet ( PDF ), en antonello.unime.it . Consultado el 4 de abril de 2009 (archivado desde el original el 12 de mayo de 2006) .