Обнаружение цифровых водяных знаков

Цифровой водяной знак (ЦВЗ) – это технология для предотвращения похищения или использования цифровых изображений, аудио и видео без разрешения владельца. ЦВЗ представляет собой внедрение цифровой подписи в данные. Существует два класса цифровых водяных знаков – видимые и невидимые.
Видимый водяной знак лучше всего использовать для данных, зрительный образ которых не портится при добавлении цифровой подписи. Преимуществом таких водяных знаков является то, что данные защищены авторским правом и их полноценное использование становится невозможным без удаления цифрового водяного знака. Подобные меры защиты значительно упрощают споры по авторскому праву, поскольку наличие или факт удаления водяных знаков можно легко обнаружить.
Невидимый водяной знак используется, когда внешний вид данных не может быть изменен. Невидимый ЦВЗ – это специальная метка, встраиваемая в цифровой контент, называемый контейнером, с целью защиты авторских прав и подтверждения целостности документа. Преимущество такого типа водяных знаков состоит в том, что их нельзя легко обнаружить. Потенциальные нарушители могут использовать данные, не подозревая, что они содержат маркировку владельца.
В настоящее время разработано много различных методов встраивания невидимых ЦВЗ в изображения, например, метод LSB (Last Significant Bit), метод псевдослучайного интервала, метод псевдослучайной перестановки (выбора), метод блочного скрытия. Наиболее распространённым, но и наименее устойчивым к искажениям является метод замены битов младших разрядов, представляющих яркость/цвет пикселя, или так называемый LSB-метод. Суть метода LSB заключается в замене младших значащих битов в байтах изображения (контейнере), отвечающих за кодирование цвета, на биты скрываемого сообщения. Основными достоинствами данного метода являются: 1) тот факт, что человеческий глаз в большинстве случаев не способен заметить изменения в младших битах; 2) простота самого метода; 3) возможность скрывать в относительно небольших изображениях достаточно большие объемы информации. Основным недостатком метода LSB является его высокая чувствительность к искажениям контейнера [1]. В работе [1] также обозначается вопрос об определении подлинности документов, будь то физические документы (деньги, ценные и конфиденциальные документы) или электронные документы (сканированные копии, фотографии, электронный печатный текст). Это вызвано увеличением объема документооборота между организациями, а также развитием технологий обмена документами. Внедряемые водяные знаки можно использовать как для доказательства подлинности документа, так и для встраивания в них определенной информации.
В настоящее время при формировании ЦВЗ применяется принцип встраивания метки, которая представляет собой узкополосный сигнал, в широком диапазоне частот маркируемого изображения. Этот метод реализуется посредством двух различных алгоритмов. В одном алгоритме информация передается посредством фазовой модуляции «несущей», представляющей собой псевдослучайную последовательность чисел. В другом – весь диапазон частот делится на несколько субдиапазонов и передача производится между этими субдиапазонами. В отношении маркируемого изображения метку можно рассматривать как некоторый дополнительный шум. Но так как в изображении всегда присутствует шум, то его незначительное возрастание за счет добавления метки не приводит к заметному для зрения увеличению искажений. Кроме того, сигнал, представляющий метку, распространяется по всему изображению, благодаря чему достигается устойчивость к обрезке изображения [2]. Параллельный алгоритм обучения нейронной сети с машиной опорных векторов в качестве выходного слоя [3] позволяет автоматизировать процедуру формирования тренировочных наборов при создании систем распознавания изображений.
Важнейшее применение ЦВЗ нашли в системах защиты от копирования, которые стремятся предотвратить или удержать от несанкционированного копирования цифровых данных. Применяют ЦВЗ в стеганографии (способ передачи или хранения с учётом сохранения в тайне самого факта такой передачи или хранения), когда стороны обмениваются секретными сообщениями, внедрёнными в цифровой сигнал. Используется как средство защиты документов с фотографиями — паспортов, водительских удостоверений, кредитных карт с фотографиями. Хотя некоторые форматы цифровых данных могут также нести в себе дополнительную информацию, называемую , ЦВЗ отличаются тем, что информация «зашита» прямо в сигнал. Объекты мультимедиа в этом случае будут представлять собой контейнеры (носители) данных. Основное преимущество состоит в наличии условной зависимости между событием подмены объекта идентификации и наличии элемента защиты — скрытого водяного знака. Подмена объекта идентификации приведёт к выводу о подделке всего документа.
Видимые прозрачные водяные знаки менее изучены. Их обнаружение является весьма важной задачей.