Marcas de agua

Esta semana contamos, gracias a Criptonomicón
(http://www.iec.csic.es/criptonomicon), con la colaboración en
exclusiva de José M. Martinez (www.gti.ssr.upm.es/~jms/), doctor
ingeniero de telecomunicación, del Grupo de Tratamiento de
Imágenes del Dpto. de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones de
la E.T.S. Ing. Telecomunicación de la Universidad Politécnica de
Madrid, que nos hablará en profundidad en su artículo sobre las
marcas de agua. Este completo artículo constituye una excelente
introducción para adentrarse en el conocimiento de qué son, cómo
funcionan, qué tecnologías utilizan y qué problemas resuelven.
Al final se proporcionan una serie de enlaces para que los
lectores interesados puedan ampliar información.
Marcas de agua

El Propietario de Derechos de Autor de un documento digital necesita,
para obtener una justa remuneración por la información que produce,
de medios técnicos adecuados que permitan la autenticación de dicha
información (esto también es exigido por el usuario que disfruta de
la misma), así como el seguimiento de copias ilegalmente
distribuidas.

El uso de marcas de agua ("watermarks") como sistema de protección es
casi tan antiguo como la fabricación de papel. Durante cientos de
años, cualquiera que poseyera o fabricase un documento u obra de arte
valioso/a lo marcaba con un sello de identificación o marca de agua
(visible o no), no sólo para establecer su propiedad, origen o
autenticidad, sino para desalentar a aquellos que pudieran intentar
robarlo.

La posibilidad de digitalización de cualquier tipo de información
(imágenes, vídeo, audio, texto, etc.) junto a la interconectividad
global permite realizar copias perfectas de la información
digitalizada. Los procesos criptográficos permiten proteger la
adquisición legal de la información, pero una vez obtenida la
información se puede revender copias exactas. Por lo tanto, surge la
necesidad de un sistema de seguimiento de las copias para la
protección de los Derechos de Autor, que también se utilice en el
caso de adquisición legal para distribución fraudulenta (copias
ilegales). La no disponibilidad de dichos sistemas ha frenado (y
sigue frenando) la implantación de servicios multimedia donde la
información "tiene un precio".

Las propias características de la información digital (facilidad de
réplica, facilidad de transmisión y uso múltiple, facilidad de
tratamiento y modificación, equivalencia de las copias digitales,
etc.) facilitan la agresión contra los Derechos de Autor del
propietario de dicha información, lo que hace necesaria la existencia
de un sistema de protección potente. Por todo esto se ha expandido el
concepto de marcas de aguas al mundo digital, incluyendo impresiones
digitales inmateriales utilizadas para autentificar la propiedad de
una información digital y servir en la defensa de los intereses de
dicha propiedad.

Las técnicas de marcas de agua son utilizadas para la autenticación
(tanto del distribuidor o propietario legal, como de que el original
no ha sido falsificado) de la información, así como para el
seguimiento de copias, ya que permiten la identificación del autor,
propietario, distribuidor y/o consumidor autorizado de un documento
digital.

Esta técnica de protección requiere básicamente dos herramientas:
- - introducción de la firma o marca en la información a proteger.
- - extracción e identificación de la marca.

Una marca de agua es un código de identificación, perceptible
(visible y/o audible) o preferiblemente imperceptible, que se
encuentra permanentemente "incrustado" en la información (no
desaparece después del descifrado) y que puede contener información
acerca del propietario, de los derechos de autor, el creador, el
usuario autorizado, el número de copias o reproducciones autorizadas,
el terminal autorizado, etc.

El desarrollo de un sistema de marcas de aguas digitales requiere la
particularización a un tipo de señal determinado (imagen, audio,
etc.), pues el diseño de un sistema de estas características logra
mucho mejores resultados si se realiza en función de la respuesta
humana al medio a percibir. En orden de efectividad, una marca de
agua debe ser robusta, no ambigua e imperceptible:

- - La robustez se refiere a que debe ser difícil de eliminar o de ser
distorsionada hasta el punto de hacerse indetectable. En particular,
una marca de agua debe ser robusta frente a: Análisis estadísticos
como, por ejemplo, un filtro de Kalman (para imágenes);
Procesamientos comunes de la señal, como por ejemplo conversiones
A/D, D/A, remuestreo, recuantificación, compresión, etc.;
Distorsiones geométricas: rotación, traslación, recortes y cambios de
escala (para imágenes); y colusión y falsificación, esto es, ante la
combinación de copias de un mismo documento. La clave fundamental
para hacer que una "marca de agua" sea robusta es introducirla en las
componentes perceptiblemente más significativas de la señal o de su
espectro.

- - La ambigüedad se refiere a que la probabilidad de un falso positivo
en la detección de la marca ha de ser muy baja.

- - La imperceptibilidad dependerá del sentido receptor (vista, oído),
y se referirá siempre a la comparación con la original (no se trata
de medir la calidad).

La mayoría de los actuales sistemas de marcas de aguas digitales para
imágenes se basan en introducir la marca en las componentes
espectrales perceptiblemente significativas de una imagen, que son
las bajas frecuencias. Ahora bien, la modificación de dichas
componentes ha de ser lo suficientemente pequeña como para que no se
pueda percibir a simple vista (característica de invisibilidad de la
"marca de agua"). Lo mismo ocurre para señales de audio, si bien la
respuesta perceptual sigue otros patrones.

La introducción de marcas de agua en documentos digitales se puede
abordar también como un problema de comunicaciones digitales. En
paralelo con la creciente sofisticación en el modelado y explotación
de las propiedades de los sistemas visual y auditivo humanos, se ha
impulsado el desarrollo correspondiente en técnicas de comunicación
de banda ancha.

Un sistema de marcas de agua estándar está compuesto por dos módulos
principales, que realizan los procesos de codificación (o inserción)
de la marca y decodificación (o extracción e identificación) de la
misma.

El módulo codificador realiza la inserción de la marca de agua X en
la información original I para crear la información marcada I', que
debe ser visualmente y/o auditivamente similar a I.

Las técnicas de inserción existentes se pueden clasificar en dos
grupos, en función del tipo de elemento de la imagen al que la marca
de agua afecta de manera directa:

- - Técnicas en el dominio del espacio: la marca modifica directamente
el valor de luminancia y/o crominancia de los pixeles.
- - Técnicas en el dominio de la frecuencia: la marca modifica
directamente el valor de los coeficientes espectrales de la imagen.
La mayor parte de las técnicas desarrolladas en este dominio están
inspiradas en métodos de codificación y compresión.

El módulo decodificador realiza en primer lugar la extracción de la
marca X* de una información, cuyos derechos de propiedad se desean
probar, I*, posiblemente manipulada o distorsionada, haciendo uso o
no (esto depende de la técnica de extracción) de la información
original I. A continuación establece el parecido entre la marca
extraída X* y la marca original X, calculando el valor de un índice
de similitud entre ambas. Finalmente utiliza una función de
comparación (e.g., un umbral T, un valor de relación señal a ruido)
para determinar si la información test I* es una versión marcada de
la información original I.

También las técnicas de decodificación de la marca de agua se pueden
clasificar en dos grupos, según necesiten o no a la información
original I para extraer la marca. Los sistemas de marcas de aguas en
que se utilizan la información original para la detección de la marca
se denominan sistemas privados, en caso contrario reciben el nombre
de sistemas públicos. Para aplicaciones concretas puede resultar
crucial el hecho de que la información original no esté directamente
implicada en el proceso de detección. Así, puede resultar interesante
poder demostrar ante un tribunal que una determinada marca de agua
está presente en una información sin mostrar públicamente el
documento original.

Una vez que la marca de agua ha sido introducida en un documento
digital, es susceptible de un amplio abanico de ataques que la
distorsionarán, así como al documento en el que está inserta. Según
la causa y objetivo que los origina, éstos se pueden agrupar en
ataques no intencionados e intencionados.

Los ataques no intencionados son aquellos a los que la marca de agua
está sometida de manera casi inevitable. Ejemplos claros son:

- - El propio proceso de recuantificación del documento marcado antes
de ser expedido.
- - El ruido introducido por el canal de transmisión por el que se
envía dicho documento marcado.

Los ataques intencionados son las manipulaciones que realiza un
pirata o "hacker" sobre el documento marcado con el fin de eliminar
las protecciones de Derechos de Autor. Los objetivos fundamentales
son dos:

- - Manejar información libre de cualquier firma. Estos ataques
consisten en la manipulación del documento marcado con la finalidad
de distorsionar la marca embebida en él, de forma que ésta se haga
indetectable. Como se ha comentado, la marca de agua ha de ser más
resistente que la información en sí, es decir, la degradación
perceptible de dicha información ha de ocurrir antes de que el nivel
de distorsión sufrido por la marca como consecuencia de las
manipulaciones sea tal, que la marca deje de ser detectable. Algunos
de estos procesos, como conversiones A/D, D/A, procesos de
compresión, rotación, traslación, etc., podrían aparecer de igual
modo como ataques no intencionados, pues pueden resultar necesarios
para la transmisión o almacenamiento de la imagen o bien el usuario
puede desear realizarlos, sin tener como objetivo la eliminación de
los Derechos de Autor. Por lo tanto, una marca robusta es aquella que
resiste a distorsiones como las descritas hasta ahora, sean o no
intencionadas.

- - Poner su propia firma. Estos ataques pueden dar lugar a confusión
en la determinación de la propiedad de dichos derechos. El objetivo
del agresor en este caso es introducir su firma en la imagen para
reclamar que él es el propietario de la imagen original. Por lo tanto
la robustez de una marca no es suficiente para garantizar una
adecuada protección de los Derechos de Autor.

Las técnicas de marcas de agua actuales suelen resultar robustas
frente a la mayoría de los ataques descritos hasta ahora. El
verdadero "cuello de botella" de la robustez de las marcas de aguas
son los ataques que dan lugar a una interpolación de la señal digital
que representa la información. En el caso de imágenes estos ataques
pueden realizarse mediante rotación, traslación de un número no
entero de pixeles y cambios de escala.

Más información:
Watermarking Mailing List
Search the Watermarking Archives
Watermarking Webring
Information hiding & digital watermarking : an annotated bibliography
Steganography & watermarking - Research Groups

José M. Martinez
jms@gti.upm.es
Boletín Criptonomicón #64
http://www.iec.csic.es/criptonomicon