Введение

Маркер, скрытно внедренный в сигнал. Цифровой водяной знак – это тип маркера, скрытно внедренного в сигнал, устойчивый к шумам, такой как аудио-, видео- или изображение. Он обычно используется для идентификации владельца авторских прав на этот сигнал. «Водяные знаки» – это процесс скрытия цифровой информации в несущем сигнале; скрытая информация должна, но не обязательно, иметь отношение к несущему сигналу. Цифровые водяные знаки могут использоваться для проверки подлинности или целостности несущего сигнала или для указания личности его владельцев. Они широко применяются для отслеживания нарушений авторских прав и для аутентификации банкнот. Как и традиционные физические водяные знаки, цифровые водяные знаки часто становятся заметными только при определенных условиях, например, после применения определенного алгоритма. Если цифровой водяной знак искажает несущий сигнал настолько, что он становится легко различимым, его эффективность может быть снижена в зависимости от его назначения. Водяные знаки – это идентификационные метки, образующиеся в процессе производства бумаги. Первые водяные знаки появились в Италии в XIII веке, но их использование быстро распространилось по всей Европе. Они использовались для идентификации производителя бумаги или торговой гильдии, изготавливавшей бумагу. Эти метки часто создавались с помощью проволоки, прикрепленной к бумажной форме. Водяные знаки и сегодня используются в качестве знаков производителя и для предотвращения подделок.

Фазы жизненного цикла цифровой водяной маркировки

Информация, которую необходимо внедрить в сигнал, называется цифровой водяной знак, хотя в некоторых контекстах фраза «цифровой водяной знак» может означать разницу между сигналом с водяным знаком и исходным сигналом. Сигнал, в который должен быть встроен водяной знак, называется несущим сигналом. Система водяной маркировки обычно разделяется на три отдельных этапа: внедрение, воздействие и обнаружение. На этапе внедрения алгоритм принимает несущий сигнал и данные для внедрения, и генерирует сигнал с водяным знаком. Затем этот цифровой сигнал с водяным знаком передается или сохраняется, как правило, передается другому лицу. Если это лицо вносит изменения, это называется воздействием. Хотя эти изменения могут быть не злонамеренными, термин «воздействие» происходит из области защиты авторских прав, где третьи стороны могут попытаться удалить цифровой водяной знак путем модификации. Существует множество возможных модификаций, например, сжатие данных с потерями (при котором снижается качество), обрезка изображения или видео, или преднамеренное добавление шума. Обнаружение (часто называемое извлечением) – это алгоритм, который применяется к измененному сигналу для попытки извлечь из него водяной знак. Если сигнал не был изменен во время передачи, водяной знак все еще присутствует и может быть извлечен. В приложениях надежной цифровой водяной маркировки алгоритм извлечения должен корректно извлекать водяной знак, даже если изменения были значительными. В приложениях хрупкой цифровой водяной маркировки алгоритм извлечения должен выдавать ошибку при любом изменении сигнала.

Классификация

Цифровой водяной знак считается устойчивым к преобразованиям, если внедренная информация может быть надежно обнаружена в помеченном сигнале, даже если он подвергся любым преобразованиям, ухудшающим его качество. Типичными искажениями изображений являются сжатие JPEG, поворот, обрезка, добавление шума и квантование. Для видеоконтента к этому списку часто добавляются временные изменения и сжатие MPEG. Цифровой водяной знак называется незаметным, если контент с водяным знаком воспринимается как идентичный оригинальному, не содержащему водяного знака. В общем случае, создать либо устойчивый, либо незаметный водяной знак несложно, но создание водяного знака, который был бы одновременно устойчивым и незаметным, оказалось весьма сложной задачей. Методы цифровой водяной маркировки можно классифицировать различными способами.

Прочность

Цифровой водяной знак называется "хрупким", если он перестает обнаруживаться после малейшего изменения. Хрупкие водяные знаки обычно используются для обнаружения подделок (подтверждения целостности). Изменения в оригинальном произведении, которые явно заметны, обычно не называют водяными знаками, а обобщенными штрих-кодами. Цифровой водяной знак называется полухрупким, если он устойчив к допустимым преобразованиям, но перестает обнаруживаться после злонамеренных изменений. Полухрупкие водяные знаки обычно используются для обнаружения злонамеренных изменений. Цифровой водяной знак называется надежным, если он устойчив к определенному классу преобразований. Надежные водяные знаки могут использоваться в приложениях защиты от копирования для передачи информации об авторских правах и контроле доступа.

Ощутимость

Цифровой водяной знак считается незаметным, если исходный сигнал и сигнал с водяным знаком неотличимы при восприятии. Цифровой водяной знак считается заметным, если его присутствие в сигнале с водяным знаком ощутимо (например, графические элементы на экране, такие как логотип сети, идентификатор контента, коды, непрозрачные изображения). На видео и изображениях некоторые водяные знаки делают прозрачными или полупрозрачными для удобства зрителей, поскольку они частично закрывают изображение, ухудшая его качество. Это не следует путать с перцептивным водяным знаком, который использует ограничения человеческого восприятия, чтобы быть незаметным.

Способ встраивания

Метод цифровой водяной маркировки называется методом расширения спектра, если маркированный сигнал получается в результате аддитивной модификации. Водяные знаки с расширением спектра, как известно, обладают умеренной устойчивостью, но при этом имеют низкую информационную ёмкость из-за влияния помех от исходного сигнала. Метод цифрового водяного маркирования называется квантовым, если маркированный сигнал получается посредством квантования. Квантовые водяные знаки характеризуются низкой устойчивостью, но обладают высокой информационной ёмкостью благодаря подавлению помех от исходного сигнала. Метод цифрового водяного маркирования называется амплитудной модуляцией, если маркированный сигнал внедряется посредством аддитивной модификации, аналогичной методу расширения спектра, но особенно эффективно применяется в пространственной области.

Оценка и сравнительный анализ

Оценка схем цифровой водяной маркировки может предоставить детальную информацию разработчику водяных знаков или конечным пользователям, поэтому существуют различные стратегии оценки. Разработчики водяных знаков часто оценивают отдельные характеристики, чтобы продемонстрировать, например, улучшение. Конечные пользователи, как правило, не заинтересованы в детальной информации. Им важно знать, можно ли использовать данный алгоритм цифровой водяной маркировки в их конкретном сценарии, и если да, то какие наборы параметров представляются наиболее оптимальными.

Камеры

Epson и Kodak выпускали камеры с функциями безопасности, такими как Epson PhotoPC 3000Z и Kodak DC 290. Обе камеры добавляли к изображениям необратимые признаки, искажавшие исходное изображение, что делало их непригодными для некоторых применений, например, в качестве судебных доказательств. По мнению Блайта и Фридриха, "[н]и одна из этих камер не может предоставить неопровержимое доказательство происхождения изображения или его автора". Безопасная цифровая камера (SDC) была предложена Сараджу Моханти и другими в 2003 году и опубликована в январе 2004 года. Однако это была не первая подобная разработка. Блайт и Фридрих также занимались исследованиями в области SDC в 2004 году.

Восстановительная скрытость данных

Обратимое сокрытие данных — это техника, позволяющая удостоверить подлинность изображений и затем полностью восстановить их, удалив цифровой водяной знак и заменив перезаписанные данные изображения. Это делает изображения допустимыми в качестве доказательств в юридических целях. Армия США также проявляет интерес к этой технике для аутентификации разведывательных снимков.

Водяные знаки для реляционных баз данных

Цифровые водяные знаки для реляционных баз данных рассматриваются как перспективное решение для защиты авторских прав, обнаружения фальсификаций, выявления злоумышленников и обеспечения целостности реляционных данных. В литературе предложено множество методов водяного маркирования для решения этих задач. Обзор современного состояния дел и классификация различных методов по их назначению, способу представления водяного знака, типу носителя, уровню детализации и возможности проверки были опубликованы в 2010 году Halder et al. в журнале "Universal Computer Science".