SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

Seminarski rad u okviru predmeta „Računalna forenzika” 2017/2018

Digitalni vodeni žig

Katarina Karužić

Zagreb, siječanj 2018.

Sadržaj Uvod ................................................................................................................................................ 3

Digitalni vodeni žig .......................................................................................................................... 4

Sustav vodenih žigova ................................................................................................................. 4

Zahtjevi ........................................................................................................................................ 6

Klasifikacija digitalnih vodenih žigova ............................................................................................ 7

Prema tipovima dokumenata ...................................................................................................... 7

Prema vidljivosti .......................................................................................................................... 7

Prema domeni primjene ............................................................................................................. 8

Primjena digitalnih vodenih žigova ............................................................................................... 10

Sigurnost digitalnih vodenih žigova .............................................................................................. 11

Napadi uklanjanja ...................................................................................................................... 11

Geometrijski napadi .................................................................................................................. 11

Kriptografski napadi .................................................................................................................. 12

Protokolarni napadi ................................................................................................................... 12

Zaključak ....................................................................................................................................... 13

Literatura....................................................................................................................................... 14

Uvod

U današnje vrijeme, sve šira primjena raznih tehnologija i sve veći broj korisnika Interneta dovode

do problema zaštite podataka. Pojavom društvenih mreža, stranica specijaliziranih za razmjenu

podataka poput slika, videa i glazbe, te općenito rastom dostupnosti medija na internetu, sve je

lakše doći do tih podataka. Digitalna tehnologija je postala popularna i proširila se na sve vrste

analognih podataka, kao što su audio i video zapisi, fotografije i sl. Digitalni multimedijski

dokumenti nastali pretvorbom analognih podataka sve se više distribuiraju putem Interneta, te

poznajući da kopiranje digitalnih dokumenata ne narušava kvalitetu, dolazimo do pitanja što je

original, a što kopija. Time se narušava i pitanje pravog vlasnika dokumenta. Kriptiranjem

podataka omogućena je njihova tajnost prilikom distribucije, odnosno kada je izvornik (original)

dekriptiran i informacije su lako čitljive, zaštita podataka se obavlja korištenjem digitalnih

vodenih žigova (eng. Digital watermark). Ideja takve zaštite podataka je skrivanje informacije u

izvornom dokumentu. Pohranjivanjem takve informacije u izvornik, on postaje intelektualno

vlasništvo osobe koja je unijela podatak. Pojam digitalno označavanje odnosi se na postupak

umetanja digitalnog žiga u dokument s namjerom kasnijeg detektiranja ili vađenja žiga (klasični

vodeni žigovi bili su otisnuti na papiru (novčanice, čekovi itd.) i vidljivi pod određenim uvjetima

(ultraljubičasto svjetlo)). Digitalni vodeni žigovi koriste se za različite vrste označavanja digitalnih

dokumenata kao što su:

- Digitalni potpis - vlasnik dokumenta stavljanjem vodenog žiga potvrđuje svoje vlasništvo

nad dokumentom

- Otisci prstiju - kupci dokumenata stavljanjem svog vodenog žiga u dokument pomažu u

praćenju izvora nelegalnih kopija dokumenata

- Autentikacija - korištenjem tzv. „lomljivih žigova“ utvrđuje se autentičnost sadržaja

dokumenta. (Lomljivi vodeni žigovi imaju svojstvo da svaka promjena na dokumentu

uzrokuje njihov lom, odnosno kasnije je nemoguće izdvojiti iz dokumenta izvorni žig. Ako

se izdvojeni žig poklapa sa sadržajem dokumenta, tada je to znak da sadržaj dokumenta

nije mijenjan.

- Kontrola kopiranja - vodeni žigovi mogu sadržavati informacije o pravilima upotrebe i

kopiranja sadržaja dokumenata. Ta pravila mogu biti oblika „zabrani kopiranje“ ili „dozvoli

stvaranje samo jedne kopije“.

- Tajna komunikacija (steganografija) - umetnuti signal vodenog žiga može se iskoristiti i

kao nositelj tajne informacije. Skrivanje jedne informacije unutar druge je tipičan primjer

steganografije. Upotreba ove tehnologije je savršena za bilo kakvu vrstu špijunaže jer

zakonska ograničenja nad alatima za kriptiranje ovdje ne vrijede.

Digitalni vodeni žig

Digitalni vodeni žig je informacija pohranjena u neki signal. Taj signal je najčešće multimedijalni

zapis – zvuk, slika, video. Dodana informacija mora biti „sakrivena“ u signalu, tj. signal

dodavanjem vodenog žiga ne smije biti značajnije promijenjen. Također, vodeni žig se mora moći

detektirati i nakon raznih modifikacija signala, sve dok te modifikacije potpuno ne izmjene signal.

Svrha postojanja digitalnog vodenog žiga je omogućiti zaštitu multimedijskih dokumenata u

smislu autorskog prava, zaštite kopiranja i sl. Postupak digitalnog označavanja temelji se na

umetanju podataka, vodenog žiga, u izvorni dokument u svrhu njegove ponovne detekcije. Žig

može sadržavati bilo koju informaciju, kao npr. Identifikaciju kupca, prodavača ili nešto drugo.

Sustav vodenih žigova

Korištenje vodenih žigova se može promatrati kao proces kombiniranja dviju informacija tako da

se svaka informacija može detektirati nezavisnim procesima. Prva informacija je digitalna

prezentacija npr. Fotografije koja je vidljiva promatraču, dok drugi dio informacije čini nevidljivi

vodeni žig koji je vidljiv samo posebno oblikovanom dekoderu, odnosno detektoru vodenog žiga.

Shema koja opisuje postupak označavanja dokumenata digitalnim vodenim žigom sastoji se od 3

komponente:

- Vodeni žig

- Koder - algoritam korišten za umetanje žiga

- Dekoder i komparator - algoritam koji služi za izdvajanje žiga i verifikaciju

Kombiniranje dviju informacija, na primjeru slike, je moguće jer ljudski vizualni sustav prilikom

obrade slike odbacuje određene dijelove informacija. U osnovi, vodeni žigovi iskorištavaju

redundantne podatke u dokumentu sakrivajući tajne informacije unutar dokumenta. (Primjerice,

poznato je da je ljudsko oko znatno osjetljivije na niske frekvencije, te se zbog takvog svojstva

ljudskog vizualnog sustava dodatne informacije pokušavaju sakriti u područje viših frekvencija)

Svaki korisnik ima samo jedan žig koji ga na jedinstven način identificira. Žig se može umetati u

bilo koji dokument pomoću algoritma kodiranja, dok se algoritmom dekodiranja on vadi iz

označenog dokumenta i jednoznačno se određuje vlasnik i integritet dokumenta.

Model sustava vodenih žigova (Slika 1) možemo promatrati kroz četiri procesa: ubacivanje žiga,

distribucija označenog dokumenta, ekstrakcija žiga iz označenog dokumenta, te odluka o

valjanosti žiga.

Slika 1 Sustav vodenih žigova

Ubacivanje žiga je postupak umetanja određene informacije, odnosno žiga u originalni

dokument. Umetnuta tajna informacija može biti neka manja slika, tekstualna poruka ili niz

pseudo-slučajnih brojeva (dodatno se može zaštititi ključem tako da samo poznavatelji ključa

mogu raspoznati skrivenu informaciju).

Distribucija označenog dokumenta se najčešće odvije putem Interneta. Označeni dokument

tijekom distribucije doživljava niz promjena ( Kod slika te promjene mogu biti kompresija slike,

promjena veličine slike, te promjena kontrasta ili svjetline). Svaka promjena sadržaja dokumenta

smatra se napadom na vodeni žig.

U procesu ekstrakcije vodenog žiga potrebno je moći izdvojiti vodeni žig iz označenog dokumenta

koji je doživio niz promjena. Ako je prilikom ekstrakcije žiga poznat originalni dokument ili

korišteni ključ, tada je proces ekstrakcije jednostavan. U sustavima vodenih žigova u kojima za

ekstrakciju žiga nije potreban originalni dokument, podaci o umetnutom žigu se dobivaju na

temelju podataka i svojstava samog dokumenta.

Nakon završetka procesa ekstrakcije potrebno je izvršiti analizu dobivenih podataka o vodenom

žigu i potvrditi da li je žig pronađen u dokumentu ili nije. Dobivene podatke iz označenog

dokumenta potrebno je prema nekoj mjeri sličnosti usporediti s originalnim žigom. Ako mjera

pokaže da je odstupanje između detekcijom dobivenog žiga i originalnog žiga manje od zadanog

praga, tada se može tvrditi da je dokument zaštićen vodenim žigom. Često korištena mjera

sličnosti je:

𝛿 =𝑊∗ ∗ 𝑊

||𝑊∗|| ∗ ||𝑊||

W - vektor vrijednosti originalnog žiga

W* - vektor vrijednosti izdvojenog žiga

Zahtjevi

Ovisno o primjeni digitalnog vodenog žiga, nameću se različiti zahtjevi koje on mora zadovoljavati.

Najvažniji su:

1. Transparentnost - jedan od najosnovnijih zahtjeva je da je vodeni žig transparentan

krajnjem korisniku. Sadržaj označen vodenim žigom mora biti upotrebljiv bez vidljivih

smetnji. Vodeni žig pojavljuje se samo na uređaju za detekciju vodenog žiga.

2. Robusnost - razne operacije obrade slike, odnosno signala, napadi i neautorizirani pristup

ne bi trebali utjecati na ugrađeni vodeni žig. Svaki pokušaj (namjeran ili slučajan)

promjene sadržaja smatra se napadom. Otpornost na napade je ključan zahtjev za vodeni

žig i uspjeh korištenja ove metode za zaštitu autorskih prava ovisi o njegovoj pravilnoj

implementaciji. To se može postići dodavanjem nevidljivog vodenog žiga, ili

postavljanjem više vodenih žigova na različitim pozicijama u slici.

3. Sigurnost - Vodeni žig mora biti tajni i neovlašteni korisnici ga ne smiju moći detektirati.

Pristup informacijama o vodenom žigu i mogućnost promjene sadržaja označenog

vodenim žigom imaju samo ovlaštene osobe. Za sprječavanje neovlaštenog pristupa

sadržaju koriste se kriptografski ključevi.

Klasifikacija digitalnih vodenih žigova

Digitalni vodeni žigovi i tehnike označavanja vodenim žigovima podijeljeni su na različite načine

ovisno o tipu označenog dokumenta, prema vidljivosti, odnosno prema domeni primjene.

Prema tipovima dokumenata

Tehnike vodenih žigova prema tipu dokumenata dijele se u četiri skupine:

- Označavanje slike

- Označavanje videa

- Označavanje audio zapisa

- Označavanje teksta

Prema vidljivosti

Podjela prema „vizualnoj“ percepciji također sadrži četiri skupine:

- Vidljivi vodeni žig

Pojam vidljivog vodenog žiga se odnosi na ekstenziju na koncept loga. Takvi se žigovi

primjenjuju samo za označavanje slika. Logovi su umetnuti u sliku, no oni ostaju

transparentni. Takvi vodeni žigovi se ne mogu ukloniti izrezivanjem centralnog dijela slike

i otporni su na statističku analizu. Nedostaci ovakvih vodenih žigova su degradacija

kvalitete slike, te detekcija samo vizualnim putem, odnosno nije ih moguće detektirati

putem određenih programa (detektora). Koriste se u grafici, izradi karti i softverskih

korisničkih sučelja.

- Robustan nevidljivi vodeni žig

Nevidljivi vodeni žigovi su skriveni unutar sadržaja. Detekcija je moguća samo pomoću

ovlaštenih programa (detektira ga dekoder). Takvi žigovi koriste se za zaštitu i

autentifikaciju autorskih prava. Robusni nevidljivi žigovi su otporni na obradu slike i

napade (npr. JPEG kompresija ne može uništiti žig)

- Lomljivi nevidljivi vodeni žig

Lomljivi žig je također nevidljiv i može se detektirati, no nije otporan ni na jednu vrstu

napada (npr. Ne prolazi JPEG kompresiju). Lomljivi žigovi se uništavaju bilo kakvom

manipulacijom podataka, te se stoga koriste u svrhu otkrivanja promjena na digitalnom

sadržaju. Odsutnost žiga ukazuje da je stvorena kopija. (Lomljivi žigovi mogu se usporediti

sa pečatom u vosku na pismima koji su korišteni u prošlosti - ukoliko lomljivi žig stigne do

primatelja netaknut, garantirano nije bilo nikakvih promjena na originalnom dokumentu.)

- Dvostruki vodeni žig

Dvostruki vodeni žig (Slika 2) je kombinacija vidljivog i nevidljivog vodenog žiga.

Slika 2 Shematski prikaz dvostrukog digitalnog vodenog žiga

Prema domeni primjene

1. Prostorna domena

Tehnike vodenog žiga u prostornoj domeni obično imaju neke iste karakteristike: vodeni

žig se primjenjuje u domeni piksela slike, tijekom dodavanja vodenog žiga ne primjenjuju

se nikakve transformacije na originalnu datoteku, kombinacija žiga sa originalnim

signalom se bazira na jednostavnim operacijama sa pikselima te se vodeni žig može

detektirati korelacijom očekivanog uzorka sa primljenom porukom.

Metode:

Jedna od prvih metoda umetanja vodenog žiga u sliku je bilo iskorištavanje najmanje

značajnog bita piksela (LSB - Least Significant Bit). Uzimajući u obzir svojstva ljudskog

vizualnog sustava, odnosno spoznaju da ljudsko oko nije u stanju prepoznati razlike u slici

nastale promjenom najmanje značajnog bita, taj bit se može iskoristiti za umetanje

dodatne informacije. LSB metoda relativno efikasno skriva vodeni žig u originalnoj slici no

prilično je neotporna na razne manipulacije i degradacije slike, dovoljno je sliku zarotirati

za 1 stupanj ili promijeniti kontrast i žig će biti nemoguće ponovo izdvojiti iz slike.

Bolji algoritam u prostornoj domeni koristi maske i pikselima slike određenim binarnom

maskom povećava intenzitet za neki faktor k. Faktor k se odredi na temelju statističkih

svojstva slike. Ekstrakcija žiga se vrši usporedbom srednje vrijednosti intenziteta

označenih i neiznačenih piksela slike i pri tome nije potrebna originalna slika.

Postoje i složenije metode, primjerice kao što su algoritam u kojem vodeni žig može biti i

slika (logo) određene veličine, ili algoritam za RGB slike koji je otporan na JPEG kompresiju,

a bazira se na dodavanje vodenog žiga u plavu komponentu piksela prema određenoj

formuli.

Općenito, metode za umetanje žiga u prostornoj domeni su slabe prema linearnim

transformacijama: rotacije, translacije i skaliranje.

2. Domena transformacije (frekvencijska)

Tehnike umetanja vodenog žiga u frekvencijskoj domeni imaju prednosti pred prostornom

jer su robusnije, odnosno otpornije na napade. Promjenom jednog parametra u

frekvencijskoj domeni, promjena se očituje tako da se cijelom dokumentu (slici) promijeni

sadržaj. Postupak ubacivanja žiga započinje transformacijom originalne slike iz prostorne

domene u odgovarajuću transformiranu domenu. Za transformaciju se najčešće

upotrebljavaju: diskretna Fourierova transformacija (DFT), diskretna kosinusna

transformacija (DCT), transformacija u domenu valića (eng. Wavelet), kompleksna

transformacija valića (Fourier-Mellin transformacija), te rjeđe preklapajuća ortogonalna i

fraktalna transformacija.

Zbog svojstva kompresije koja najčešće zanemaruje visoke frekvencije, vodeni žig se

postavlja u značajnije frekvencije originalnog dokumenta. Obično podskup frekvencijskih

koeficijenata koji će biti modificirani pripada pojasu srednjih frekvencija (Odabir

koeficijenata niskih frekvencija se u pravilu izbjegava jer su promijene na tim

koeficijentima vidljive).

Metode:

Označavanje u domeni transformacije se može provesti na sivim slikama ili na RGB

slikama. Slike u boji se mogu označavati tako da se prvo prebace u YUV područje boja i

zatim se označuje komponenta luminancije Y. Ostale komponente se najčešće ne koriste

jer imaju premaleni raspon i kapacitet za potrebe digitalnog vodenog žiga. Drugi način

označavanja RGB slika je označavanje svake RGB komponente posebno, ili samo jedne,

najčešće plave jer ljudski vizualni sustav najslabije detektira promjene u plavoj boji.

Tri najraširenija algoritma za ubacivanja vodenog žiga su Coxov algoritam koji se bazira na

diskretnoj kosinusnoj transformaciji, te algoritam Corvi i algoritam Xia koji koriste

diskretnu domenu valića.

Primjena digitalnih vodenih žigova

Vidljivi vodeni žig - koristi se za

naprednu zaštitu od kopiranja (npr.

slika koja je na Internetu i na kojoj se

nalazi vidljivi žig kojim se označava da

je zabranjeno korištenje u

komercijalne svrhe – Slika 3) i za

zaštitu autorskog prava (npr. fakultet

izdaje knjige sa vlastitim logom)

Robusni nevidljivi vodeni žig - koristi se za detektiranje nelegalnih dokumenata (npr. slika koju

prodavač, koji ima licencu, proda osobi koja je javno postavi na Internet i time je prodavač zakinut

za prihod) i za evidentiranje autorskog prava (npr. prodavač uvidi da je neka slika nastala

mijenjanjem njegova izvornika, te pomoću vodenog žiga može provjeriti je li on vlasnik

promijenjenog originala)

Lomljivi nevidljivi vodeni žig - koristi se kao nevidljivi žig za sigurne kamere (npr. kod snimanja

određene scene žig se unosi u trenutku snimanja u kameri, te se provjerom može utvrditi da li je

snimka mijenjana) i za detekciju promjene slike u digitalnoj knjižnici (npr. Prilikom snimanja

otisaka prstiju na sliku se stavlja žig, te se oni pohranjuju u bazu podataka ljudskih otisaka prstiju

i svaka promjena otiska u bazi se može detektirati)

Slika 3 Fotografija označena vidljivim vodenim žigom

Sigurnost digitalnih vodenih žigova

Napadi na vodeni žig mogu biti neprijateljski ili slučajni. Zlonamjernim napadima je cilj uništiti

vodeni žig s ciljem ukidanja zabrane kopiranja, brisanja vlasnika i ostalih nelegalnih radnji, dok do

slučajnih napada može doći prilikom standardne obrade slike i nemaju za cilj promijeniti vodeni

žig.

JPEG kompresija je vrsta napada na digitalne vodene žigove i trenutno jedan od najraširenijih formata zapisa slika. Kompresija s gubicima se smatra jednim od najčešćih napada kojima se bilo koji sustav vodenih žigova mora oduprijeti. Termin napad (govoreći o kompresiji) može se opravdati činjenicom da je cilj kompresije odbacivanje percepcijski nebitne informacije unutar slike (između ostalog i vodenog žiga). Mogući napadi na vodeni žig mogu se podijeliti u sljedeće 4 veće kategorije:

- Napadi uklanjanja - Geometrijski napadi - Kriptografski napadi - Protokolarni napadi

Napadi uklanjanja

Napadi uklanjanja pokušavaju odvojiti, odnosno ukloniti vodeni žig iz zaštićenog sadržaja. Neki

od mogućih načina su:

- Kompresija s gubicima

- Dodavanje aditivnog šuma čime se otežava detekcija vodenog žiga

- Uklanjanje šuma pomoću visoko propusnih i nisko propusnih filtra, Gaussovih filtra itd.

- Filtriranje pomoću modela preuzetih iz statističke teorije signala

- Median filtriranje i zamućivanje

- Promjene signala (izoštravanje i pojačavanje kontrasta)

Geometrijski napadi

Geometrijske transformacije su operacije koje se primjenjuju na geometrijski opis objekta i time

mijenjaju sliku pa se smatraju vrstom napada na vodene žigove. Neke od geometrijskih

transformacija su:

- Horizontalno okretanje - otpornost na ovu operaciju je lagano izvesti, no svejedno ju mali

broj sustava vodenih žigova preživljava

- Rotacija - može žig učiniti neprepoznatljivim

- Odrezivanje - u nekim slučajevima napadači su zainteresirani samo za neki dio slike

(„Mosaic“ napad)

- Skaliranje - postoje dvije vrste skeniranja: uniformno i neuniformno. Mnoge vrste žigova

su otporne samo na uniformno skaliranje

- Brisanje linija ili stupaca - vrlo učinkovit napad protiv jednostavnih implementacija žigova

koji rade na principu raspršenog spektra u prostornoj domeni

Kriptografski napadi

Kriptografski napadi ciljaju na probijanje sigurnosnih metoda korištenih u implementaciji

digitalnog vodenog žiga čime žele ukloniti vodeni žig ili umetnuti lažni vodeni žig na njegovo

mjesto. Jedna takva metoda je brute-force pretraživanje za umetnutom tajnom informacijom. U

praksi je korištenje ovakvih napada vrlo ograničeno zbog visoke razine složenosti njegova

izvođenja. Brute-force napadi se odnose na direktne napade na traženje javnog ključa, te napade

krivotvorenja. Kako mnoge implementacije digitalnog vodenog žiga koriste tajni ključ, poželjno

je da on bude zadovoljavajuće duljine kako bi bila osigurana veća sigurnost. Napadi

krivotvorenjem najviše utječu na autentifikaciju podataka. Cilj napada je ubaciti u sliku novi,

naizgled važeći vodeni žig bez uklanjanja originalnog, postavljajući pritom i novi ključ umjesto

originalnog koji je vjerojatno oštećen, no promijenjena slika ne izgleda modificirano.

Protokolarni napadi

Protokolarni napadi iskorištavaju rupe u konceptu digitalnog žiga. Primjer takvog napada je

inverzni napad, prilikom kojeg se ugrađuju jedan ili više dodatnih vodenih žigova, dovodeći

pritom do pitanja koji je vodeni žig bio od originalnog vlasnika? Tijekom nekih inverznih napada,

stvara se lažni original koji prilikom detekcije vodenog žiga daje isti rezultat kao i originalni

primjerak.

Zaključak

Digitalni vodeni žigovi se prvenstveno koriste za zaštitu od izrade ilegalnih kopija. Svakodnevna

težnja je pronalazak načina da žigovi postanu što otporniji i robusniji kako bi se bilo koji podatak

bez straha od njegovog nelegalnog kopiranja i korištenja mogao zaštititi, no trenutno su

neupotrebljivi kao dokaz vlasništva. Razlog neupotrebljivosti vodenog žiga kao dokaza vlasništva

je to što još nisu dovoljno pouzdani. Dostupnost detektora vodenog žiga stvara jedan potencijalni

problem nemogućnosti očuvanja sigurnosti vodenog žiga. U tom slučaju uvijek je moguće

detektirati i ukloniti vodeni žig. Stvaranjem brojnih neprimjetnih izmjena na sadržaju, detektor

više ne može detektirati vodeni žig, odnosno vodeni žig je uklonjen. Jednom kada je vodeni žig

uklonjen izvorni vlasnik više ne može dokazati svoje vlasništvo. Unatoč nekim manama, digitalni

vodeni žigovi se koriste za različite vrste označavanja digitalnih dokumenata kao što su digitalni

potpis, otisci prstiju, autentifikacija, kontrola kopiranja, tajna komunikacija(steganografija).

Literatura

1. Sharanjeet Kaur, Vijay Kumar Banga: A Review Study on Image Digital Watermarking

and Various Techniques, svibanj 2017.

2. Nacionalni CERT: Digitalni vodeni žigovi (NCERT-PUBDOC-2010-08-310)

3. Charles W.H. Fung, Antonio Gortan, Walter Godoy Junior: A Review Study on Image

Digital Watermarking (ICN 2011)

4. Manpreet Kaur, Sonika Jindal, Sunny Behal: A Study of Digital Image Watermarking

(Volume 2, Issue2), veljača 2012

5. Matija Podravec: Seminarski rad Digitalni vodeni žig,

(http://sigurnost.zemris.fer.hr/wm/2002_podravec/index.html#sustav), ožujak 2002.

6. Hrvoje Šalković: Diplomski rad Primjena digitalnog vodenog žiga u zaštiti vlasništva slika

u digitalnom zapisu, lipanj 2013.

7. http://www.alpvision.com/watermarking.html

8. Balasubramanya G S: A Survey of Techniques in Digital Watermarking, lipanj 2016.

9. http://www.dlib.org/dlib/december97/ibm/rev-vis.gif