Digitale Wasserzeichen

Marcel Minke Digitale Wasserzeichen

Ziel dieser Ausarbeitung ist es, einen Einblick in das Themengebiet der digitalen Wasserzeichen zu gewähren und den aktuellen Forschungsstand aufzuzeigen.

Aufbauend auf einer kurzen Einführung sollen zunächst einige Grundlagen erläutert werden, um den Leser an das Themengebiet heranzuführen. Im Hauptteil wird dann konkret auf einzelne Wasserzeichenverfahren eingegangen und deren Vor- und Nachteile aufgezeigt. Dabei folgt die Gliederung des Hauptteils der gängigen Aufteilung digitaler Wasserzeichen in robuste und fragile Wasserzeichen. Der ständigen Weiterentwicklung der heutigen Verfahren wird Rechnung getragen, indem abschließend eine Verbesserung eines existierenden Verfahrens demonstriert wird. Danach schließt die Ausarbeitung mit einem zusammenfassenden Fazit.

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  Marcel Minke Digitale Wasserzeichen  

Inhaltsverzeichnis

1  Einleitung  4

1.1  Entwicklungsgeschichte  4

1.2  Anwendungsgebiete  4

2  Grundlagen  5

2.1  Klassifikation von Wasserzeichen  5

2.2  Verwandte Technologien  6

2.2.1  Beispiel 1  6

2.2.2  Beispiel 2  6

2.3  Einbettung der Wasserzeichen  7

2.4  Anforderungen  7

2.4.1  Robustheit  8

2.5  Stirmark  9

3  Robuste Wasserzeichen  11

3.1  Einsatzgebiete  11

3.2  Verfahren für Bilddaten  11

3.2.1  Bildraumverfahren  11

3.2.2  Frequenzraumverfahren  13

3.3  Verfahren für Audiodaten  14

3.4  Verfahren für Videodaten  15

3.4.1  Bildraumverfahren  16

3.4.2  Frequenzraumverfahren  16

4  Fragile Wasserzeichen  17

4.1  Einsatzgebiete  17

4.2  Arbeitsweise  18

4.3  Probleme bei bisherigen Verfahren  18

4.4  Verbessertes Verfahren  18

4.4.1  Technische Umsetzung  18

4.4.2  Beispiel zur Erkennung einer Manipulation  19

4.4.3  Probleme des verbesserten Verfahrens  21

5  Fazit  22

6  Glossar  23

7  Literatur  24

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1 Einleitung

1.1 Entwicklungsgeschichte

Digitale Wasserzeichen haben ihren Ursprung in der analogen Welt, wo sie zwei Hauptaufgaben erfüllen: Den Nachweis der Originalität und das versteckte Übermitteln von Informationen. Die geheime Übermittlung von Nachrichten bezeichnet man als Steganografie. Dieser Begriff stammt aus dem Griechischen und bedeutet soviel wie „verdeckte Botschaft“ (MENN, 2001). Schon vor rund 2000 Jahren nutzten die römischen Feldherrn steganografische Methoden, um in der Kriegszeit wichtige Informationen versteckt zu übertragen. Dies geschah, indem man den Boten die Nachrichten in die Kopfhaut tätowierte. Erreichten diese dann ihr Ziel, so schor man ihnen die Haare und die Botschaft war lesbar. Wurde der Bote vom Feind abgefangen, so war auf den ersten Blick nicht ersichtlich, dass er als Nachrichtenübermittler fungierte.

Neben den überlieferten Methoden gibt es mehrere alte Schriftstücke, die sich mit der Steganografie auseinandersetzen. Das älteste Buch zu diesem Thema datiert von 1499 ¹ (MENN, 2001).

Bekanntestes Anwendungsgebiet der klassischen Wasserzeichen ist der Schutz von Geldscheinen gegen Fälschung. Die Nutzung von Wasserzeichen zum Nachweis der Originalität fand jedoch schon viel früher statt. Im 13. Jahrhundert tauchten die ersten Wasserzeichen in handgemachtem Papier in Italien auf. Damals war Papier eine gewinnbringende Handelsware und ein bedeutender Wirtschaftszweig. Um die vielen unterschiedlichen Hersteller, Preise und Qualitäten unterscheiden zu können, wurden Wasserzeichen eingeführt. Sie waren fest mit dem Papier verbunden, ohne seine Nutzung einzuschränken. Ein Zusatznutzen bestand in der Unterbringung weiterer Informationen wie Papierstärke und Papierformat (SCHÄFER, 2001).

Die ersten Publikationen zu digitalen Wasserzeichen erschienen um 1990 (SCHÄFER, 2001). Auch wenn sich digitale Wasserzeichen schon seit einiger Zeit im praktischen Einsatz befinden, sind die Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet noch lange nicht abgeschlossen.

1.2 Anwendungsgebiete

Heutige digitale Wasserzeichen dienen in erster Linie dem Nachweis von Echtheit, Originalität und Urheberschaft. Die Vorteile digitaler Daten wie Vervielfältigung ohne Qualitätsverlust, einfache Bearbeitung und der weltweite Zugang zu digitalen Daten über das Internet (Tauschbörsen) bergen zugleich ein hohes Gefahrenpotential im Hinblick auf die Wahrung der Urheberrechte. Daher ist das Primärziel der Wirtschaft die Verhinderung bzw. Identifikation illegaler Kopien durch den Einsatz von digitalen Wasserzeichen.

¹ „Steganographica“, Autor: Trithemus

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Diese werden direkt in das Datenmaterial eingefügt und dienen dem Nachweis der Authentizität und Integrität der Ursprungsdaten. Bezogen auf die zu schützenden Daten lassen sich drei Einsatzgebiete ableiten:

1. Schutz von Bilddaten

2. Schutz von Audiodaten

3. Schutz von Videodaten

2 Grundlagen

2.1 Klassifikation von Wasserzeichen

Abb. 1 illustriert, in welches Gebiet der Informationstechnologie digitale Wasserzeichen einzuordnen sind. Innerhalb der Klasse der Wasserzeichen wird zwischen den sichtbaren Wasserzeichen und den unsichtbaren Wasserzeichen unterschieden. Bekannte sichtbare Wasserzeichen stellen die Senderlogos in Fernsehsendungen dar, sie dienen lediglich der offensichtlichen Kennzeichnung von Inhalten und werden in dieser Ausarbeitung nicht weiter erörtert. Stattdessen sollen verschiedene Verfahren der unsichtbaren Wasserzeichen analysiert werden.

Abb. 1: Klassifikation digitaler Wasserzeichen nach (DITTMANN, 2001a)

Bei den unsichtbaren Wasserzeichen wird noch zwischen den robusten und den fragilen Wasserzeichen differenziert. Die letzte Zeile der Abbildung nennt jeweils die Anwendungsgebiete der beiden Verfahren.

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2.2 Verwandte Technologien

Wie Abb. 1 zeigt, werden digitale Wasserzeichen dem Bereich der Steganografie zugeordnet, da sie möglichst unentdeckbar in die zu schützenden Daten eingebettet werden sollen. Wie Informationen in Daten „versteckt“ werden können, sollen zunächst einführend zwei Beispiele aus der Steganografie verdeutlichen.

2.2.1 Beispiel 1

Die Existenz einer geheimen Nachricht in dem folgenden Text ist auf den ersten Blick nicht sofort ersichtlich: „Gehe erst links den Oldenburger Domweg entlang, rechts liegt ein besonders ehrwürdiges Nonnenkloster.“ (VIGANO, 1999)

Kennt man jedoch die Art und Weise, den so genannten Schlüssel, nach dem Informationen in den Daten untergebracht sind, so lässt sich die verborgene Nachricht mühelos extrahieren: „Gehe erst links den Oldenburger Domweg entlang, rechts liegt ein besonders ehrwürdiges Nonnenkloster.“ Die Farbgebung soll hier den gewählten Schlüssel hervorheben. Es wird deutlich, dass die Nachricht jeweils in den Anfangsbuchstaben der Wörter kodiert ist. Mit dieser Kenntnis lässt sich die Information „Geld oder Leben“ sehr einfach aus den Daten ermitteln. Natürlich operieren heutige Verfahren nicht mit einfachen Texten. Die Informationen digitaler Wasserzeichen werden u.a. direkt in den Bitstrom einer Datei eingefügt, wozu die Abfolge der Nullen und Einsen manipuliert wird.

2.2.2 Beispiel 2

Im folgenden Text wurde ein anderes Verfahren angewandt, um bestimmte Informationen in den Daten unterzubringen. Es wird also ein anderer Schlüssel benötigt, um die versteckte Botschaft aus dem nachfolgenden Text extrahieren zu können: „Liebe Kollegen! Wir genießen nun endlich unsere Ferien auf dieser Insel vor Spanien. Wetter gut, Unterkunft auch, ebenso das Essen. Toll! Gruß, X.Y.“ (DITTMANN, 2001a)

Um an die geheime Botschaft zu gelangen, muss in diesem Fall der Text jeweils in Blöcke von acht Wörtern unterteilt werden. In jedem der drei erhaltenen Blöcke werden dann die Buchstaben der einzelnen Wörter gezählt. Wenn man nun für eine gerade Anzahl Buchstaben eine „1“ notiert und bei einer ungeraden Anzahl eine „0“, so erhält man folgende Bitfolgen aus Nullen und Einsen:

I. Wörter 1-8: 0101 0011

II. Wörter 9-16: 0100 1111

III. Wörter 17-24: 0101 0011

Jetzt muss jede Bitfolge nur noch in die ihr zugeordnete Dezimalzahl übertragen werden und für diese Zahl der entsprechende Buchstabe aus dem ASCII-Alphabet ermittelt werden. Wendet man dieses Verfahren an, so erhält man für die gleich lautenden Blöcke I. und III. den Buchstaben „S“ und für den II. Block den Buchstaben „O“. Aneinandergereiht ergibt sich also „S O S“ als versteckter Hilferuf in einem einfachen Urlaubsgruß.

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2.3 Einbettung der Wasserzeichen

Wie die vorherigen Beispiele gezeigt haben, benötigt man verschiedene Komponenten, um ein Wasserzeichen in Daten einzubetten (vgl. Abb. 2). Neben den Originaldaten und den einzubettenden Informationen ist ein bestimmtes Verfahren erforderlich, durch das die Wasserzeicheninformationen in den Ursprungsdaten untergebracht werden. Dazu wurden im Laufe der Zeit verschiedene Algorithmen entwickelt, die auch dafür sorgen, dass die Wasserzeicheninformationen verschlüsselt werden, wodurch ein Aufspüren des Wasserzeichens erschwert wird. Die Einbettungsalgorithmen selbst werden geheim gehalten, denn sobald diese öffentlich bekannt werden, ist es ein Leichtes, das Wasserzeichen zu entfernen. Dazu muss man einfach nur eine Umkehr des Einbettungsalgorithmus entwickeln.

Je nach Einsatzgebiet kann man eine Datei entweder nur mit einem einzigen, stets gleichen Wasserzeichen versehen oder jede herausgegebene Kopie mit einem spezifischen Wasserzeichen kennzeichnen. Tauchen später illegale Kopien einer Datei auf, so kann man durch das Wasserzeichen herausfinden, an wen die Daten ursprünglich ausgegeben wurden. Durch den eindeutigen Beweis der Herkunft kann diese Person dann für eventuelle Schäden haftbar gemacht werden.

Um die Güte eines Wasserzeichenverfahrens zu bestimmen, kann man versuchen, die eingebetteten Informationen auszulesen oder aber das Wasserzeichen zu zerstören (vgl. 2.5 Stirmark).

2.4 Anforderungen

Zunächst werden an digitale Wasserzeichen einige triviale Anforderungen gestellt, damit die Wasserzeichen sich effizient einsetzen lassen. So sollte das Wasserzeichen möglichst das komplette Objekt oder zumindest die wichtigsten Bereiche des zu schützenden Objektes umfassen. Weiterhin soll ein eingefügtes Wasserzeichen für das menschliche Auge natürlich nicht wahrnehmbar sein.

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