Urheberschutz durch digitale Wasserzeichen

Völlig unauffällig sollen sie sein, gegen jeden Angriff gewappnet, für Unbefugte nicht zu entschlüsseln und aufnahmefähig für alle notwendigen Informationen: an Wasserzeichen in digitalen Dokumenten werden höhere Ansprüche gestellt als an die eingeprägten Muster im Papier von Geldscheinen, von denen sie den Namen übernommen haben. Doch sind Robustheit, Unbemerkbarkeit, kryptologische Sicherheit und ausreichend hohe Kapazität für solche digitalen Markierungen nicht vollständig miteinander vereinbar. Am Laboratorium für Nachrichtentechnik der Universität Erlangen-Nürnberg wird ein tragfähiger Kompromiß gesucht, der digitale Dokumente zufriedenstellend absichert.

Die digitale Darstellung von Text-, Audio-, Bild- und Videodokumenten hat sich in den vergangenen Jahren mehr und mehr durchgesetzt. Der Erfolg der digitalen Technologie ist vor allem auf die Möglichkeit zur effizienten Übertragung, Speicherung und Vervielfältigung ohne Qualitätseinbußen zurückzuführen. Allerdings bringt gerade die zuletzt genannte Eigenschaft schwerwiegende Probleme mit sich, da illegales Vervielfältigen von digitalen Dokumenten ebenso einfach ist.

Ein Ansatz, diesem Problem zu begegnen, besteht in dem Markieren der digitalen Dokumente, so daß Urheberrechte nachgewiesen oder illegale Verteilungswege zurückverfolgt werden können. Diese Markierung muß selbst nach Konvertierung der Datenformate oder Analog/Digital- bzw. Digital-Analog-Umsetzung noch nachweisbar sein.

Unmerkliche Veränderungen

Die meisten digitalen Dokumente können geringfügig verändert werden, ohne daß dies dem menschlichen Betrachter auffallen würde. Solche Veränderungen können die Formatierung von Testdokumenten, die Abtastwerte von Audiosignalen oder die Helligkeits- und Farbinformation von Bild- oder Videodaten betreffen. In Anlehnung an die Wasserzeichen in Banknoten wurde für das Einbringen der unbemerkbaren Veränderungen in digitale Dokumente der Begriff „Einbettung digitaler Wasserzeichen“ geprägt.

In einem DFG-Projekt des Laboratoriums für Nachrichtentechnik sollen Verfahren zur Einbettung digitaler Wasserzeichen entwickelt und daraufhin überprüft werden, wie sie gegen Urheberrechtsverletzung bei digitalen Daten einsetzbar sind. Vor allem am Beispiel von Bild- und Videodaten soll gezeigt werden, daß diese Verfahren auch praktisch durchgeführt werden können. Die Leistungsfähigkeit der Algorithmen soll an der Unsichtbarkeit der Wasserzeichen, deren Robustheit und der Menge einbettbarer Information gemessen werden. Vor allem für die Einbettung von Wasserzeichen in Videodaten ist eine vertretbare Komplexität der Algorithmen zu beachten. Das Entwickeln von informationstheoretischen Grundlagen ist wichtig, um fundamentale Grenzen digitaler Wasserzeichen aufzeigen zu können.

In der Forschung führten Angriffe gegen Wasserzeichen jeweils zum Entwurf von Gegenmaßnahmen, so daß – vor allem seit 1995 – die Untersuchungsansätze ständig weiterentwickelt wurden. Bisher ist jedoch kein Verfahren bekannt, das alle wesentlichen Aspekte der digitalen Einbettung von Wasserzeichen gleichermaßen berücksichtigen kann. Die Qualität des Originals möglichst wenig zu verändern, die Wasserzeichen robust gegen Signalmanipulationen wie auch sicher im kryptologischen Sinne zu machen und die Informationskapazität so hoch zu halten, daß der Urheber eindeutig zu identifizieren und alle Kopien zu unterscheiden sind – diese Ziele erwiesen sich als teilweise widersprüchlich.

Vom Video zum Bild

Am Laboratorium für Nachrichtentechnik wurde in den vergangenen Jahren verschiedenste Projekte zur Videoverarbeitung durchgeführt. Die ersten Arbeiten zu digitalen Wasserzeichen waren deshalb auf Videosequenzen beschränkt. Ein vollständiges System zur Einbettung in MPEG-kodierte Videodaten wurde entwickelt und untersucht.

Mit dem Ende der ersten und dem Beginn der zweiten Projektphase ist der Schwerpunkt zu theoretischen Untersuchungen verschoben worden, wobei deren Ergebnisse exemplarisch an Bilddaten überprüft werden. Vor allem die Robustheit von Wasserzeichen gegenüber Angriffen durch additives Rauschen, lineare Filterung und skalare Quantisierung wurde bzw. wird eingehend untersucht. In Zukunft sind Untersuchungen zur Robustheit gegenüber nichtlinearen Schätzverfahren und Vektorquantisierungen geplant.

Zudem ist es wünschenswert, Aussagen über die maximal einbettbare Wasserzeicheninformation in Abhängigkeit vom Originalsignal treffen zu können. Es ist offensichtlich, daß unsichtbare, robuste Wasserzeichen nicht in ein vollständig weißes Bild einzubetten sind. Allgemein ist eine vergleichbare Aussage jedoch längst nicht so einfach zu treffen. Aus diesem Grund untersucht die Gruppe derzeit unter den Annahme statistischer Modelle für die Originaldaten die maximal mögliche Informationsmenge, die in digitale Wasserzeichen eingebracht werden kann.

Schließlich sind auch noch Systemaspekte für verschiedene Anwendungen von digitalen Wasserzeichen zu untersuchen. Dazu zählt unter anderem die Entwicklung eines kryptologisch sicheren Protokolls zum Nachweis von Urheberrechten mit Hilfe von digitalen Wasserzeichen.

Das Projekt wird von der DFG im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Verteilte Verarbeitung und Vermittlung Digitaler Dokumente“ gefördert. Innerhalb dieses Programms bestehen Kooperationen mit dem Computer Chemie Center der Universität Erlangen-Nürnberg und mit dem Lehrstuhl für Praktische Informatik IV der Universität Mannheim. Die ersten Arbeiten zu digitalen Wasserzeichen am Laboratorium für Nachrichtentechnik führte Dr. Frank Hartung durch. Derzeit wird das Projekt von Dipl.-Ing. Joachim Eggers und Dr. Jonathan Su bearbeitet. Mit Beginn der zweiten Projektphase hat die Projektleitung von Prof. Dr. Bernd Girod zu Prof. Dr. Johannes Huber gewechselt.

Kontakt:
Dipl.-Ing. Joachim Eggers, Laboratorium für Nachrichtentechnik
Cauerstr. 7/NT, 91058 Erlangen
Tel.: 9131/85 -27103, Fax: 09131/85 -28919
E-Mail: eggers@LNT.de

Weitere Informationen finden Sie im WWW:

• http://www.LNT.de/~eggers.watermarking.html