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Walter Balzano » 16.Multimedia watermarking


Multimedia watermarking

  • Introduzione
  • Obiettivi
  • Classificazione
  • WaterMarking di testi
  • WaterMarking di immagini
  • WaterMarking di audio
  • WaterMarking di filmati

Introduzione

Con il termine watermarking si definiscono tecniche e metodi per l’inclusione di informazioni all’interno di un file multimediale, che possono essere successivamente rilevate o estratte per trarre informazioni sulla sua origine e/o provenienza del file considerato.

Tali indicazioni, dette watermark, possono essere:

  • evidenti per l’utente del file (per esempio nel caso di una indicazione di copyright applicata, per esempio, in sovraimpressione su una immagine digitale);
  • latenti (nascoste all’interno del file); in tal caso il watermarking può essere considerato una forma di steganografia (filigrana digitale).

Per mezzo del watermark il documento è ancora accessibile, ma contrassegnato in modo permanente.

WaterMark Evidenti vs WaterMark Latenti

Esempi di WaterMark evidenti e WaterMark latenti.

Esempi di WaterMark evidenti e WaterMark latenti.


Ambiti di applicazione

Amiti di applicazione del Watermarking.

Amiti di applicazione del Watermarking.


Obiettivi del WaterMarking

Numerosi possono essere gli obiettivi del Watermarking tra cui quelli più comuni sono:

  • Rendere manifesto a tutti gli utenti chi sia il legittimo proprietario del documento (nel caso in cui il marchio sia visibile);
  • dimostrare l’originalità di un documento non contraffatto;
  • evitare la distribuzione di copie non autorizzate;
  • marcare alcune caratteristiche specifiche del documento;
  • segnare il percorso di vendita del documento, utilizzando un marchio differente per ciascun acquirente.

Classificazione

I WaterMark possono essere classificati a seconda di alcune loro proprietà, che dipendono dallo scopo con cui sono stati inseriti all’interno del documento. Innanzitutto un watermark può essere visibile o invisibile.

Visibilità:

  • waterMark visibile: utilizzato per codificare informazioni che devono essere rese pubbliche all’utente finale;
  • watermark invisibile: utilizzato in quei contesti in cui il proprietario legittimo vuole garantirsi i diritti d’autore, nascondendo quindi il marchio nel documento. In pratica la copia marcata è quasi identica all’originale, a meno di alcune differenze non riscontrabili dalle percezioni umane.

Resistenza agli attacchi:

  • un watermark fragile può essere facilmente attaccato, distrutto e reso irriconoscibile da quasi ogni tipo di manipolazione dei dati;
  • un watermark semifragile subisce la stessa sorte di quello fragile se i cambiamenti inflitti sono superiori ad una certa soglia definita dall’utente;
  • un watermark robusto deve resistere alle più comuni operazioni e trasformazioni sui dati, in quanto è utilizzato quando la proprietà del documento deve essere provata o garantita. L’informazione che trasporta non deve perdersi e deve potersi recuperare, anche se il documento è stato modificato. Inoltre si tende a considerare un watermark robusto quando è in grado di resistere anche ad attacchi intenzionali volti alla sua rimozione.

WaterMark robusto vs WaterMark Fragile

Osservazione:

  • il watermark robusto si applica quando occorre dimostrare l’origine di una informazione, anche quando essa viene fortemente distorta e/o manipolata;
  • il watermark fragile si applica quando occorre dimostrare che una informazione non è più quella originale anche se alterata in minima parte.

Esempio: usando uno strumento grafico come photoshop è possibile in una decina di minuti modificare una immagine.

Riepilogo:

  • se occorre dimostrare che l’immagine, anche se modificata, è la stessa allora uso un watermark robusto;
  • se occorre dimostrare che l’immagine, anche se minimamente modificata, non è più autentica allora uso un watermark fragile.
Modifica rilevante di immagine.

Modifica rilevante di immagine.

Esempio di WaterMark non visibile.

Esempio di WaterMark non visibile.


Esempio (Google)

Google Maps Watermark. Fonte Google Maps

Google Maps Watermark. Fonte Google Maps


Classificazione (segue)

Autonomia:

  • ciechi: i watermark si definiscono ciechi se per verificare la loro presenza non è necessario il documento originale;
  • non ciechi: è necessario il documento originale:
    • più robusti, ma non sempre è possibile avere a disposizione l’originale;
    • solo il proprietario può dimostrare la presenza del marchio.

Dominio Pubblico o privato:

  • watermark privati: possono essere estratti solo quando si conosca a priori il loro contenuto e si possegga il documento originale non marchiato;
  • watermark pubblici: quelli rilevabili anche se non se ne conosce il contenuto, senza l’ausilio del documento originale. Nel caso di watermark pubblici è più semplice identificare e alterare (o rimuovere) il marchio, ma in molti contesti essi sono più utili, in quanto permettono a chiunque di individuare il proprietario del documento.

Proprietà

I watermark possono essere utilizzati per diversi scopi e, quindi, devono soddisfare a ben determinate esigenze. Esistono però delle caratteristiche comuni a tutti i watermark:

  • il legittimo proprietario o un’autorità indipendente di controllo devono poter facilmente estrarre le informazioni del watermark;
  • il recupero del watermark deve provare in maniera non ambigua l’identità del proprietario;
  • deve essere possibile sovrapporre più watermark sul documento, senza che i precedenti siano distrutti;
  • il watermark deve essere inserito all’interno del segnale da proteggere per maggiore sicurezza e portabilità.

Per soddisfare le precedenti richieste i watermark devono essere:

  • invisibili: inserire un segnale di watermark comporta necessariamente un seppur piccolo degrado dell’immagine; questo degrado deve essere il più lieve possibile in modo da non alterare la percezione del documento. Il grado d’alterazione deve essere deciso dal proprietario del documento, il quale può scegliere tra forti alterazioni, che danno una garanzia di robustezza ad eventuali attacchi, e deboli alterazioni, che non degradano il prodotto;
  • codificati a chiave: ogni segnale di watermark è associato ad una particolare sequenza di bit detta chiave (key). La chiave serve sia per produrre il segnale di watermark che per riconoscerlo all’interno di un documento. La chiave è privata e caratterizza univocamente il legittimo proprietario del documento. Solo chi è in possesso della chiave è in grado di dimostrare la presenza del watermark nel prodotto digitale. Il numero di chiavi possibili deve essere enorme.

Proprietà (segue)

Efficienti statisticamente: un documento firmato con un segnale di watermark deve essere facilmente riconoscibile se si conosce la giusta chiave. La probabilità che la chiave (nella fase di riconoscimento) venga rifiutata, pur essendo corretta, deve essere sufficientemente bassa.

Invisibili statisticamente: possedere un gran numero di documenti digitali, tutti firmati con la stessa chiave, non deve rendere riconoscibile (e quindi eliminabile) la firma. Diversi prodotti firmati con la stessa chiave devono generare segnali di watermark differenti. Dobbiamo essere sicuri che il riconoscimento della chiave all’interno dell’immagine da parte di terzi sia impossibile.

Multipli: deve essere possibile inserire un elevato numero di segnali di watermark all’interno dello stesso documento; ognuno di questi segnali può essere riconosciuto mediante la corrispondente chiave.

Robusti: sui documenti digitali possono venir fatte numerose operazioni per migliorare la loro qualità o per comprimere la loro dimensione. I segnali di watermark devono essere tali da non venire eliminati da questo tipo di operazioni, né da operazioni mirate ad alterare o cancellare il marchio stesso.

Invertibili: il legittimo proprietario del documento deve poter rimuovere il watermark. In realtà questa proprietà non si può ottenere se devono essere garantite la robustezza e la resistenza alle aggressioni.

Tecniche di WaterMarking su Testi

  • Metodi Spaziali
  • Metodi Sintattici
  • Metodi Semantici
Altro esempio di codifica.

Altro esempio di codifica.

Testo codificato con aggiunta di spazi.

Testo codificato con aggiunta di spazi.


Tecniche di WaterMarking su Immagini

WaterMark con Least Significant Bit.

WaterMark con Least Significant Bit.


Tecniche Correlation-Based

WaterMark correlation-based.

WaterMark correlation-based.


Tecniche basate su frequenza

WaterMark basato su frequenza.

WaterMark basato su frequenza.


Tecniche basate su spettro

WaterMark basato su spettro.

WaterMark basato su spettro.


Video WaterMarking

Scopi

  • Copyright protection:
    • proprietà dei contenuti;
    • dimostrazione di acquisto;
    • accesso condizionato.
  • Annotazioni Nascoste
    • etichettatura;
    • indicizzazione;
    • livelli di controllo.

Tecniche

  • Raw video;
  • codifica su singolo frame;
  • codifica sul 1° frame di ogni shot; codifica dell’R-frame di ogni shot;
  • aggiunta di un segnale sotto la soglia percepibile;
  • video compresso;
  • modifica dei coefficienti della DCT.

WaterMarking di video compresso

WaterMark di video compresso.

WaterMark di video compresso.


Audio WaterMarking

Utilizzo

  • Creazione di tracce audio, manipolazione e versioning;
  • fornire differenti livelli di accesso;
  • “ritagliare” un segnale audio secondo le necessità dell’utente.

Tipologie

  • mascheramento delle frequenze:
    • mascheramento tra frequenze componenti;
    • se 2 segnali hanno frequenze molto simili, il più forte “maschera” il più debole;
  • mascheramento Temporale:
    • pre-masking: un segnale debole (seguito da uno forte) viene “spento”, dovrapponendogli quello più forte che viene anticipato di 5-20ms);
    • post-masking: 50-200ms dopo il segnale forte viene disattivato il masker.

Tecniche di Audio WaterMarking

  • Segnale audio Oria
  • Low-Bit Coding
  • Phase Coding
  • Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)
  • Frequency Hopped Spread Spectrum (FHSS)
  • Echo Coding
Segnale audio originale.

Segnale audio originale.

Segnale audio WaterMarked.

Segnale audio WaterMarked.


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