Universität Hildesheim, Institut für Technik, Physik und Wirtschaft
Seminar: Spezielle Probleme der Netzwerkorganisation
und des Datenschutzes
5. Semester IMIT

Digitale Wasserzeichen

von: Marcel Minke

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

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 14991 (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. 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) [Abbildung in der Downloaddatei vorhanden] 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.

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

[...]

1 „Steganographica“, Autor: Trithemus