I Watermark e le tecniche di watermarking

Un watermark può essere fragile, robusto, insivibile, cieco…

Con il termine Watermarking si intende l’inclusione di informazioni all’interno dei file multimediali che possono essere usate per attestare l’origine e la provenienza dei file. La tecnica del watermarking non alterna il corretto funzionamento dei file, immagini o video ma li “marchia” in modo da poterne sempre attestare la proprietà.
Il watermarking può avvenire in molti modi, può essere evidente quando il “segno” lasciato dal watermarking è ben visibile oppure latente quando le informazioni aggiuntive inserite nel file non sono visibili ma nascoste al suo interno si parla di filigrana digitale.

Poter marchiare dei file in modo da poterne rivendicare la proprietà è utile in qualsiasi campo, dai fotografi che inseriscono la propria firma in una foto in modo da proteggere dai furti le proprie foto, alle televisioni che inseriscono il logo del proprio canale fino ad arrivare a radio, documenti, news, ecc. Utilizzando il watermarking si può rendere noto a tutti chi sia il legittimo proprietario del file, si può dimostrare l’originalità di un documento non contraffatto, si può evitare la distribuzione di copie non autorizzate e così via.

Proprietà dei watermark: visibilità e resistenza agli attacchi

Esistono molti tipi di watermark ed ognuno può godere di proprietà diverse, tra queste troviamo:

  1. Visibilità

    • WaterMark visibile: si utilizza quando si vuole rende pubblico all’utente finale le informazioni codificate;
    • Watermark invisibile: viene utilizzato quando il proprietario del file vuole garantirsi i diritti d’autore, nascondendo il proprio marchio nel documento.
  2. Resistenza agli attacchi
    • Fragile: un watermark fragile può essere facilmente eliminato, distrutto e reso irriconoscibile perdendo la propria efficacia;
    • Semifragile: un watermark semifragile risulta più robusto ma può, seppur con più difficoltà, essere distrutto;
    • Robusto: un watermark robusto deve resistere alle più comuni operazioni e trasformazioni sui dati, in quanto è utilizzato quando è fondamentale poter provare la proprietà di un documento. Questo tipo di watermarking deve essere in grado di resistere agli attacchi intenzionali volti alla sua rimozione.

Esempio di watermark fragile che può facilmente essere violato:

Watermark fragile

Esistono molti metodi per inserire un watermark, partiamo da un’immagine:

Foto senza Watermark

E’ possibile inserire un watermark evidente, in questo caso è più resistente agli attacchi ma rovina l’estetica dell’immagine:

Watermark evidente

E’ possibile scegliere di inserire un watermark inserendo una firma in un angolo dell’immagine, il watermark è meno evidente ma meno efficace perchè può essere facilmente coperto:

Watermark piccolo

Un altro tipo di watermark prevede l’utilizzo di una mappa a sbalzo per inserire un watermark ma rendendolo meno evidente:

Watermark con mappa a sbalzo

Una soluzione meno evidente è quella di inserir un watermark meno evidente in qualche zona dell’immagine:

Watermark nascosto

Anche Google Maps utilizza un watermak nelle proprie mappe, facendo lo zoom un qualsiasi luogo è possibile notare la scritta Google:

Watermark Google Maps

Proprietà dei watermark: autonomia e dominio

Altre proprietà dei watermark sono:

  • Autonomia
    • Ciechi: si tratta di quei watermark quando si può verificare la loro presenza senza che il documento originale sia presente;
    • Non ciechi: in questo caso per provare la presenza del watermark è necessario il documento originale, risultano più robusti poiché solo il proprietario può dimostrare la presenza del marchio ma non sempre è possibile avere a disposizione l’originale;
  • Dominio
    • WaterMark privati: possono essere estratti solo quando si conosce a priori il loro contenuto e si possiede il documento originale non marchiato;
    • WaterMark pubblici: sono rilevabili anche se non si conosce il contenuto del file, senza l’ausilio del documento originale. Questo tipo di watermark rende più semplice la rimozione o l’alterazione del marchio, ma permette a chiunque di individuare il proprietario del documento.
  • Un metodo per attestare la proprietà di una foto è quello di inserire delle informazioni nelle proprietà del file:

    Watermark nascosto nelle proprietà

    Un watermark per poter essere definito tale deve soddisfare determinate esigenze come poter estrarre facilmente le informazioni sul legittimo proprietario del file, 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 ed infine il watermark deve essere inserito all’interno del segnale da proteggere per maggiore sicurezza e portabilità. Per soddisfare queste esigenze, i watermark devono essere:

    1. Invisibili: l’inserimento di informazioni all’interno del file devono alterare il meno possibile la percezione del documento. Un watermark più visibile rende il documento più robusto agli attacchi ma degrada di più il documento originale;
    2. Codificati a chiave: in questo modo ogni segnale di watermark è associato ad una particolare sequenza di bit detta chiave (key). Questa chiave serve sia per produrre il segnale di watermark che per riconoscerlo all’interno di un documento. Essendo la chiave unica e privata può attestare univocamente il legittimo proprietario del documento;
    3. Efficienti statisticamente: il numero di possibili errori deve essere sufficientemente basso quando, pur avendo la chiave corretta di un documento, questa viene rifiutata;
    4. Invisibili statisticamente: diversi prodotti firmati con la stessa chiave devono generare segnali di watermark differenti in modo che il riconoscimento della chiave all’interno del documento da parte di terzi sia impossibile;
    5. Multipli: deve essere possibile inserire un qualsiasi numero di segnali di watermark all’interno dello stesso documento con chiavi differenti;
    6. Robusti: i segnali di watermark devono essere tali da non venire eliminati da operazioni mirate ad alterare o cancellare il marchio e devono consentire, senza degradarsi, operazioni per migliorare la loro qualità o per comprimere la loro dimensione;
    7. Invertibili: il legittimo proprietario del documento deve poter rimuovere il watermark. Questa proprietà va a discapito della robustezza e la resistenza alle aggressioni.

    Una tecnica molto sofisticata di watermarking prevede di modificare il contenuto nei file effettuando costanti modifiche ai bit che compongono l’immagine senza che quest’ultima ad occhio nudo risulti differente:

    Watermark nascosto

    Nel tempo si sono sviluppate moltissime tecniche di watermarking per ogni tipo di file. Per i file di testo esistono metodi spaziali, sintattici e semantici; per le immagini le tecniche di Least Significant Bit, Correlation-Based, Frequency Domain, Wavelet Watermarking e Spread Spectrum; per i video le tecniche di codifica su un singolo frame, di codifica sul primo frame di ogni shot, sulla codifica dell’r-frame di ogni shot, sull’aggiunta di un segnale sotto la soglia percepibile e sulla modifica dei coefficienti della DCT; sui file audio con il mascheramento delle frequenze e tra frequenze componenti, mascherando un segnale più debole con uno più forte, con il mascheramento temporale, il pre-masking e post-masking. Le principali tecniche di watermarking sui file audio sono la Low-Bit Coding, la Phase Coding, la Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), la Frequency Hopped Spread Spectrum (FHSS) e la Echo Coding.

    Photo Credit: Wiki Commons e FreedomToTinker

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