Digitaal watermerken als techniek

2.2.3 Digitaal watermerken als techniek

Bij het ontwikkelen van onwaarneembare digitale watermerken wordt gebruik gemaakt van verschillende technieken en principes uit de cryptografie en steganografie. Cryptografie of geheimschrift ziet kort gezegd op het afschermen van de inhoud van boodschappen door het versleutelen van de informatie.48 Doordat de sleutel bekend is bij de ontvangende partij kan de versleutelde boodschap door de ontvanger worden ontsleuteld en gelezen. Steganografie maakt een onderdeel uit van de cryptografie maar richt zich op het verbergen van boodschappen. Als belangrijkste verschil tussen enerzijds cryptografie en steganografie en anderzijds watermerken wordt vaak de robuustheid genoemd die het watermerk moet beschermen tegen aanpassingen van het watermerk.⁴⁹ Ten aanzien van het verborgen karakter van watermerken wordt deze techniek gezien als een bijzondere vorm van steganografie.⁵⁰ Een principe uit de cryptografie dat eveneens een belangrijke rol speelt bij watermerken is de zogeheten wet van Kerckhoffs. Hij stelde dat men er niet vanuit mag gaan dat de methode geheim blijft en het geen probleem mag opleveren als de methode bekend wordt. ⁵¹ Anders gezegd, het succes van het systeem moet niet van afhangen van de geheimhouding van de methode, maar slechts van de geheimhouding van de sleutel zelf.52 Strikt genomen is het niet noodzakelijk om de methode of het systeem geheim te houden. Voor het uitlezen van de boodschap is het wel noodzakelijk om de sleutel in handen te hebben. De betrouwbaarheid van een systeem kan eventueel nog worden nagebootst, maar een compleet geheim systeem maakt de presentatie en controle op het bewijs wel veel moeilijker. Wanneer wij ervan uitgaan dat het bestaan van het watermerk bekend is, bijvoorbeeld doordat men hiervoor gewaarschuwd is, dan zal het watermerk in overeenstemming met de wet van Kerckhoffs voldoende robuust moeten zijn om te voorkomen dat het watermerk wordt verwijderd of zodanig wordt aangetast dat het niet meer kan worden gedetecteerd.

Voor het verbergen van extra informatie in digitale objecten wordt bij watermerken gebruik gemaakt van verschillende technieken. Watermerktechnieken voor het verbergen van extra informatie in afbeeldingen, audio en video, maken in de basis allemaal gebruik van het idee dat een digitaal bestand bestaat uit een binaire code van nullen en enen. Hierdoor is het mogelijk om met behulp van verschillende wiskundige modellen berekeningen uit te voeren

48 Zie o.m. Van den Eshof 2002; Cox 2008, p. 9.

49 Zie o.m. Katzenbeisser & Petitcolas 2000, p. 2. Zie uitgebreid voor de overeenkomsten en verschillen: Petitcolas, Anderson, Kuhn 1999; Katzenbeisser & Petitcolas 2000; Cox e.a. 2008, hoofdstuk 12 en 13.

50 Zie o.m Van den Eshof 2002 e.a., p. 98; Koelman 2003 (diss.) p. 30. Petitcolas, Anderson, Kuhn 1999, p. 1063; Katzenbeisser & Petitcolas (2000, p. 1) zien het als een aparte groep van technieken naast Covert channels, Anonymity en Steganography.

51 ‘Il faut qu'il n'exige pas le secret, et qu'il puisse sans inconvénient tomber entre les mains de l'ennemi’. Kerckhoffs 1883, p. 12. Shannon (1949, p. 662) nam als vertrekpunt ‘the enemy knows the system’ (‘Shannon's maxim’). ‘To make the problem mathematically tractable we shall assume that the enemy knows the system being used. That is, he knows the family of transformations Ti, and the probabilities of choosing various keys.’.

52 In het algemeen wordt ervan meerdere cryptografische sleutels gebruik gemaakt om te voorkomen dat anderen het watermerk kunnen manipuleren of verwijderen. Met de sleutel kunnen immers ook de embeddingsstrategie en de locaties van de watermerken bekend worden.

28

en op verschillende wijzen boodschappen in deze bestanden te verbergen. De mate waarin en wijze waarop een boodschap kan worden verborgen, hangt daarmee samen met de beschikbare binaire code en de gebruikte techniek. Om de verschillende processen te optimaliseren zijn er verschillende technieken ontwikkeld voor verschillende soorten (afbeeldingen, audio, video,) en typen (MP3, MPEG4, JEPG) bestanden. Bij het verbergen van een boodschap (watermerk) speelt tevens de kwaliteit van de content een belangrijke rol. De kwaliteit van het object heeft een directe invloed op de hoeveelheid informatie die kan worden verstopt en op de waarneembaarheid van het watermerk. Immers, hoe hoger de kwaliteit van bijvoorbeeld een foto, hoe meer bits er worden gebruikt en hoe meer ruimte er is om een boodschap te verbergen zonder dat er sprake is van waarneembaar kwaliteitsverlies. Het verbergen van informatie is om die reden eenvoudiger in afbeeldingen, audio, en video dan in tekstbestanden. Tekstbestanden bevatten veel minder binaire code en daardoor ook minder ‘ruimte’ om informatie in te stoppen.

De eenvoudigste manier om informatie in een signaal te verstoppen zijn technieken die gebaseerd zijn op het vervangen van bepaalde bits (bitplane), zoals de Least Significant Bit modification of subsitution (LSB).⁵³ Deze technieken veranderen de eigenschappen van een bestand, bijvoorbeeld door de kleur van één pixel in een afbeelding te veranderen. Doordat de ontvanger toegang heeft tot de sleutel kan alleen hij zien waar de verschillen zich bevinden en welke boodschap die verschillen dragen.

Aan de hand van deze eenvoudige techniek (LSB) is goed duidelijk te maken hoe het verbergen van informatie werkt. In beginsel werkt deze toepassing hetzelfde bij afbeeldingen, audio en video. In alle gevallen geldt hoe hoger de kwaliteit van het bestand, hoe eenvoudiger het is om informatie te verbergen. Een digitale foto is in beginsel niets meer dan een computerbestand en bestaat uiteindelijk uit een serie van nullen en enen. Wanneer wij naar een digitale foto kijken dan is deze opgebouwd uit veelal miljoenen pixels.⁵⁴ De kleur van een pixel wordt in beginsel gevormd door drie hoofdkleuren (rood, groen en blauw) die door hun onderlinge verhouding verschillende mengkleuren mogelijk maken.⁵⁵ Iedere kleur en daarmee iedere pixel is uiteindelijk weer opgebouwd uit een binaire code (nullen en enen). Deze code kan door het gebruik van verschillende technieken op verschillende wijzen worden weergegeven.

53 Katzenbeisser & Petitcolas 2000, hoofdstuk 3, p. 43.

54 Een camera van 5.0 megapixels kan gebruik maken van vijf miljoen verschillende pixels. Dit maakt het mogelijk om geleidelijk een kleurovergang te maken en dus scherpere foto’s. In de praktijk wordt de pixelsdichtheid weergegeven in het aantal pixels per inch (DPI), dat wil zeggen het aantal pixels dat binnen hetzelfde gebied wordt weergegeven. Hoe meer, hoe scherper de foto.

55 Afbeeldingen kunnen in verschillende formaten voorkomen zoals JPEG, BMP, PNG of GIF. Niettemin bestaat elke afbeelding uit pixels die afhankelijk van de gebruikte kleurcodering van een bepaalde code worden voorzien. In dit voorbeeld wordt gebruik gemaakt van een binair-stelsel met een kleurdiepte van 24 bits en de kleurcodering RGB of RGB-waardes (Rood-Groen-Blauw). Dat betekent 8 bits voor rood, 8 voor groen en 8 voor blauw. Bij audio kan men de pixel vervangen voor een frequentie. Deze kleuren worden vaak uitgedrukt in 8 bits en kan variëren tussen 00000000 en 11111111 of tussen 0 en 255 omdat iedere kleur (R,G,B) in 256 tinten kan voorkomen. Iedere pixel kan dan uit ± 16,7 miljoen kleuren (256*256*256) bestaan.

29 Doordat een foto van bijvoorbeeld Lena (links) is opgebouwd uit verschillende pixels (midden) met ieder een eigen kleur(-code) (rechts), is het op het eerste gezicht niet waarneembaar dat één pixel een andere kleur heeft.⁵⁶ Om duidelijk te maken dat een kleine wijziging lastig waarneembaar is zijn hieronder twee pixels ‘zwart’ opgenomen.57

Een verandering is waarneembaar in uniform grote vlakken, maar niet in gebieden met veel detail of patronen. De verandering is bijvoorbeeld bij de hierboven afgebeelde Lena lastig waarneembaar in haar donkere haar of paarse pluim. Door de erg kleine wijzigingen is de LSB techniek onzichtbaar. Ze is echter ook niet erg robuust omdat iedere verandering in de afbeelding ook de boodschap kan veranderen of verwijderen, bijvoorbeeld doordat iemand de afbeelding comprimeert.

Bij audio kan ook gebruik worden gemaakt van methoden die willekeurig geluiden toevoegen en verspreiden over het audio-bestand (Spread Spectrum) of het toevoegen van extra geluiden aan de echo. Bij audio, video en afbeeldingen wordt ook wel gebruikt gemaakt van Discrete Cosine Transform (DCT) die het mogelijk maakt om in elk beeldfragment een kleine verandering aan te brengen.⁵⁸ Het verbergen van informatie in video’s is enerzijds

56 Lena of Lenna is de meest gebruikte afbeelding in de literatuur over image processing algorithms. De foto is afkomstig uit de Playboy en riep naast auteursrechtelijke vragen ook diverse vragen op over overheersing van mannen in de computerwetenschappen. Zie uitgebreid met verwijzingen in de literatuur:

http://en.wikipedia.org/wiki/Lenna.

57 Visueel is dit ook eenvoudig in Microsoft word na te maken door en vak te vullen (emmertje ;) en de kleuren aan te passen. Wanneer één van de drie kanalen met een cijfer wordt verhoogd of verlaagd dan is het verschil nauwelijks waarneembaar. Vanzelfsprekend verandert er hierdoor ook iets in de binaire code.

58 Voor audio, beelden en video gaat men meestal naar een transformatiedomein. R 01 B 02 G 03 R 01 B 00 G 04 R (00110010) G (01010001) B (00011011)

30

vergelijkbaar met de wijze waarop dat ook met afbeeldingen gebeurt en kan dan onder meer plaatsvinden in de frames zelf, anderzijds kan de informatie ook verborgen worden in de manier waarop de frames elkaar opvolgen. Het voordeel van deze presentaties (anders dan bij foto’s) is dat je gemakkelijker kan sturen op de trade-off zichtbaarheid/robuustheid en dat de eigenschappen het daar ook toelaten om deze te optimaliseren. In tekstbestanden, zoals e-boeken worden gegevens vaak verstopt in lege ruimten zoals spaties, enter of tabs.59