Tehnike za watermarking videozapisa

Format videa pokazao se veoma koristan u svrhu prenošenja i komuniciranja velike količine informacija. Ovaj se format pogotovo pokazao korisnim pojavom interneta, gdje su korisnici diljem svijeta video formatom mogli prenositi svoje ideje, kreativno se izražavati te prenositi neke korisne informacije općenito. Tim napretkom u tehnologiji komuniciranja informacija pojavila se i potreba da se autorska prava tih informacija sačuvaju te da se, na taj način, spriječe od zloupotrebljavanja. U sferi video formata ovaj se problem rješava pojavom watermarkinga videozapisa. Watermarking jest tehnika ugrađivanja pojedinih oznaka u videozapis kako bi one ukazivale na njegovog pravog autora te na taj način zaštitile njegova autorska prava. Tehnike watermarkinga korisne su jer je nemoguće ukloniti autorovu oznaku bez da se naruši kvaliteta i integritet videozapisa te su se zbog toga pokazale vrlo korisnim kod zaštite autorskih prava autora videozapisa. Ovaj će rad opisati nekoliko tehnika watermarkinga videozapisa.

Keywords: watermarking; videozapisi; autorska prava; autentifikacija; watermarking videozapisa; watermarking slika

Razvojem digitalnih tehnologija došlo je do sve veće pojave digitalne proizvodnje i distribucije multimedijskih sadržaja. Ova promjena u načinu distribucije multimedijske tehnologije dovela je i do pojave pokušaja ilegalnog izmjenjivanja, falsificiranja i autorske krađe raznih multimedijskih izvora informacija. Budući da se sadržaj emitiran putem javnih kanala ne može dovoljno sigurno zaštititi raznim kriptografskim tehnikama, poslani sadržaj potrebno je zaštiti na druge načine. Ovdje nastupa watermarking. Watermarking jest proces ugrađivanja određene autorske oznake u multimedijski sadržaj, ne bi li se on zaštitio od neželjenih promjena, falsificiranja njegova autorstva i slično. Ova oznaka podrijetla ili namjene video sadržaja poslije može pomoći kod autentifikacije tog sadržaja jer watermarking spada u područje steganografije, gdje, za razliku od kriptografije, sadržaj vide svi promatrači, ali je nadodanu oznaku, u mnogim slučajevima, moguće autentificirati samo određenim ključem kojeg primatelj posjeduje. Kako bi određeni watermarking algoritam bio zadovoljavajuće sigurnosne razine, mora zadovoljavati određene preduvjete i sigurnosne zahtjeve koji su opisani u drugom poglavlju ovog rada (Sigurnosni zahtjevi watermarking algoritama). Pregled, generalna podjela i kratki opis nekoliko video watermarking algoritama dani su u trećem poglavlju rada (Pregled algoritama za watermarking videozapisa). Rezultati analiza ovih algoritama usporedit će se u četvrtom poglavlju (Usporedba algoritama za watermarking video zapisa), a rad završava zaključkom koji daje sveukupni pregled napisanog rada te koji su zaključci izvedeni analizom te njegovim pisanjem.

Priroda algoritama za watermarking videozapisa te razlike među njima uvelike će se razlikovati upravo po zadovoljavanju određenih sigurnosnih zahtjeva na njihov rad. Postoje situacije u kojima kvalitetno zadovoljavanje jednog zahtjeva rezultira padom kvalitete zadovoljavanja drugog, stoga je kod izrade algoritma za watermarking videozapisa vrlo bitno odabrati koje, i u kojoj mjeri, će zahtjeve algoritam zadovoljavati. Neki od glavnih zahtjeva video watermarking algoritama su po [1]:

1. vjernost
2. robusnost
3. korištenje ključa
4. brzina
5. kapacitet
6. statistička nevidljivost
7. mala vjerojatnost pogreške
8. vremenska složenost detektiranja u stvarnom vremenu

Dalje u ovom poglavlju opisane su karakteristike svakog od ovih glavnih zahtjeva.

Vjernost algoritma za watermarking videozapisa vrlina je koju bi svaki kvalitetan watermarking algoritam trebao imati. Izmjena videozapisa dodavanjem watermarking oznake ne bi smjela biti toliko drastična da prosječni gledatelj iz izmijenjenog videozapisa ne može iščitati potrebne informacije koje taj videozapis prenosi.

Robusnost algoritma za watermarking videozapisa odnosi se na njegovu otpornost od zloćudnih napada raznim tehnikama za brisanje watermarking oznake, uključujući razne tehnike procesiranja signala i ispuštanja okvira videozapisa. Iako algoritam mora biti otporan na ovakve napade, on mora tolerirati određene stupnjeve smetnji u emitiranju videozapisa te on mora biti sposoban detektirati watermarking oznaku usprkos prisutnosti smetnji pri emitiranju. Iako je robusnost algoritma zahtjev kojeg je poželjno zadovoljiti, to ne mora uvijek biti slučaj jer neke metode otkrivanja napada na integritet videozapisa upravo koriste manjak robusnosti kao pomoć u detekciji napada.

Sigurnost algoritma za watermarking videozapisa povećava se korištenjem tajnog ključa s kriptografskim tehnikama koje automatski povećavaju otpornost watermarking sustava na zloćudne napade.

Pojavom sve učinkovitijeg hardvera na kojem se watermarking algoritmi izvode, zahtjev na brzinu pao je u drugi plan, ali ovaj zahtjev još uvijek naglašava bitnost jednostavnijih i ne pretjerano zahtjevnih algoritama naspram onih računalno zahtjevnih kako bi se oni što brže izvodili i na mikrokontrolerima.

Kapacitet algoritma za watermarking videozapisa odnosi se na maksimalni broj bitova koje on smije ugraditi u datoteku videozapisa. Budući da su datoteke videozapisa sve veće, ovaj je zahtjev, u usporedbi s drugima, također pao u drugi plan zbog zanemarivosti veličine ugrađene oznake u kontekstu veličine same datoteke videozapisa. Bitovna veličina same oznake ovisi o korištenom algoritmu i načinu na koji se oznaka ugrađuje u videozapis.

Osim što je watermarking algoritmu dan zahtjev vjernosti koji nalaže da promatrač ne bi trebao uočiti watermarking oznaku, bitna je i statistička neopažljivost te oznake. Naime, oznaka se ne bi smjela moći otkriti bilo kakvom statističkom analizom videozapisa.

Idealni algoritam za watermarking videozapisa trebao bi imati zadovoljen zahtjev male vjerojatnosti pogreške pri detekciji oznake. Oznaka bi se trebala detektirati precizno, s minimalnom vjerojatnosti za pojavu ne detektiranja postojeće oznake, kao i detektiranja one nepostojeće.

Budući da se velik broj aplikacija za watermarking videozapisa odvija u stvarnom vremenu, algoritam kojim se ugrađuje i detektira watermarking oznaka u idealnom bi se slučaju također trebao obavljati u stvarnom vremenu kako bi se minimiziralo kašnjenje prijenosa informacija u videozapisu. Iz ovog se razloga preferiraju jednostavniji algoritmi manje složenosti, za razliku od onih pretjerano složenih čiji bi rad rezultirao većim kašnjenjem informacija.

Algoritama za watermarking videozapisa te njihovih glavnih podjela u literaturi ima jako puno. Ove se podjele većinom vrše na temelju glavnih funkcionalnosti pojedinog algoritma, točnije u kojoj funkcionalnoj domeni i kojim pristupom algoritam pristupa rješavanju problema watermarkinga videozapisa. U ovom je poglavlju prikazana generalna podjela algoritama ovisno o njihovoj domeni djelovanja te je u svakoj domeni ukratko opisano nekoliko algoritama takve funkcionalnosti. Watermarking algoritmi, u ovoj podjeli, zastupljeni su u 3 glavne kategorije [1]:

1. prostorna domena
2. frekvencijska domena
3. kompresijska domena

Watermarking algoritmi ove domene su uglavnom jednostavni i male kompleksnosti i oni se većinom fokusiraju na izmjenu komponenata boje i svjetline videozapisa. Dok su algoritmi ove domene brzi i jednostavni, oni su vrlo ograničeni kod borbe protiv zloćudnih napada uklanjanja watermarking oznake ili pokušaja njene izmjene. Budući da ovi algoritmi većinom sinkronizirano mijenjaju komponente čitave slike, one postaju podložne napadima desinkronizacije. Prostorna domena također zanemaruje onu temporalnu pa su videozapisi watermarkani ovim algoritmima podložni i manipulacijama kroz njihovu temporalnu dimenziju. Zanemarivanje vremenske dimenzije videozapisa također otežava i optimizaciju watermarking algoritama. U nastavku je navedeno nekoliko watermarking tehnika prostorne domene.

Prva u nizu ovih prostornih watermarking tehnika jest tehnika izmjene najnižeg bita. Ova je watermarking metoda jednostavna i lako shvatljiva te ona koristi najniže bitove videozapisa kako bi u njih sakrila watermarking oznaku. Kapacitet ove metode vrlo je visok jer se ugrađivanje oznake oslanja na velik kapacitet medija u koji se zapisuje, u ovom slučaju videozapisa. Metoda izmjene najnižeg bita otporna je na pokušaje manipulacije oznake putem izrezivanja videozapisa, ali je zato nesigurna kod napada dodavanja šuma u sliku videozapisa te fragilna u slučaju kompresije s gubitkom. Varijanta ovog algoritma koja povećava robusnost ove metode jest korištenje pseudo nasumičnih brojeva za određivanje najnižih bitova koji će biti promijenjeni. Još jedna varijanta ovog algoritma oslanja se na korištenje vektora pomaka kodiranih MPEG-4 kodiranjem kako bi se odredili najniži bitovi koji će se mijenjati. Nakon odabira vektora pomaka, mijenjaju se najniži bitovi u njegovom horizontalnom ili vertikalnom smjeru, ovisno o izračunatom kutu, te se na taj način oznaka ugrađuje u videozapis.

U ovoj se tehnici koristi nasumično, uniformno generirani šum koji se ugrađuje u videozapis tako što on mijenja svjetlinu piksela ovisno o jačini watermarkinga. Za detekciju watermarking oznake potreban je ključ kako bi se rekonstruirao pseudo nasumičan šum. Watermarking oznaka detektirana je kada se rekonstruirani signal poklapa s primljenim videozapisom u dovoljno velikoj količini određenoj granicom podudaranja ili korelacije.

Glavna prednost watermarking algoritama domene frekvencijskih transformacija jest nadilaženje granica koje su postavljene prostornim algoritmima korištenjem posebnih značajki koje signal transformiraju u drugi oblik. Budući da su operacije frekvencijskih transformacija zahtjevnije od onih jednostavnijih operacija prostorne domene, ovakvi algoritmi su u pravilu sporiji te zahtijevaju višu računalnu moć. Tri glavne tehnike watermarking algoritama u frekvencijskoj domeni su diskretna kosinusna transformacija (DCT), diskretna wavelet transformacija (DWT) te diskretna Fourierova transformacija (DFT). Slijedi opis svake od ovih tehnika.

Glavna prednost watermarking algoritama temeljenih na diskretnoj kosinusnoj transformaciji jest ta da su veoma otporni na jednostavno procesiranje slika poput niskopropusnog filtriranja, mijenjanja svjetline, kontrasta te zamućivanja slika. Osim ovih prednosti, ovi su se algoritmi pokazali nesigurnijima po pitanju modifikacije slika videozapisa u obliku rotacije, skaliranja te izrezivanja slike. Watermarking metode frekvencijske domene temeljene na DCT transformaciji dijele se na globalni i blokovski DCT watermarking. Kod globalnog DCT watermarkinga, watermarking oznaka ugrađena je u dio videozapisa koji je vidljiv ljudskom oku i to jer se provedbom raznih kompresijskih algoritama uklanjaju te smanjuju dijelovi videozapisa koji su nebitni zbog njihove nevidljivosti ljudskom oku. Ovaj se algoritam oslanja na promjenu DCT koeficijenata temeljene na primjeni uzorka watermarking oznake na blokove 8*8 piksela originalnog videozapisa.

Metode watermarkinga temeljene na DWT transformaciji uvelike oslanjaju na varijabilnost veličina regija signala nad kojima će DWT transformacija biti provedena. Tako se transformacija može fokusirati na dulje periode signala u kojemu su bitne niskofrekvencijske informacije, ali i na kraće sekcije signala gdje su puno bitnije njegove visokofrekvencijske informacije. DWT u kontekstu videoprocesiranja vrlo je korisna upravo zbog mogućnosti lokalne analize signala. DWT filteri 2-D sliku dijele u 4 dijela, LL dio koji je rezerviran za ponovnu DWT transformaciju, te komponente detalja za svaki smjer - horizontalna HL, vertikalna LH i dijagonalna HH detaljna komponenta. Ovo je pogodno za ugrađivanje watermarking oznake jer se ona onda može ugrađivati u dijelove zapisa koji su manje vidljivi ljudskom oku, dijelovi koji se iščitavaju iz razina detalja dobivenih DWT transformacijom.

Fourierova analiza pokazala se veoma korisnom u području obrade signala upravo zbog karakteristike da jedan kompleksniji signal razloži na sinusoidalne signale različitih frekvencija u frekvencijskoj domeni. Fourierova je analize zbog svoje korisnosti pronašla mjesto i kod procesiranja videozapisa i slika, kao i kod ugrađivanja watermarking oznaka u njih. Oznaka se ugrađuje u pojas srednjih frekvencija DFT transformacije te tako stvaraju pojas određene magnitude. Ovaj se pojas rekonstruira inverznom DFT transformacijom te se iz njega zatim ponovno dobiva watermarking oznaka.

Ideja povezivanja kompresijskih metoda s metodama watermarkinga videozapisa dovela je do pojavljivanja tehnika koje koriste MPEG-2 ili MPEG-4 strukture kodiranja kao glavnih dijelova ovog postupka. Ove su tehnike dobre kod obrađivanja signala u stvarnom vremenu baš zato što se oslanjaju na metode tih načina kodiranja videozapisa. Tehnike koje koristi primjerice koristi MPEG-2 kodiranje uklanjaju nepotrebne vremenske podatke iz videozapisa koristeći dvosmjerno predviđanje, kao i uklanjanje nepotrebnih prostornih podataka korištenjem statističkih metoda. Problemi ovih metoda nastaju kod ponovne kompresije videozapisa, kao i kod njegova pretvaranja iz ovih kompresijskih formata u neke druge u kojima ne vrijede metode koje se u navedenim formatima koriste. Jedna varijanta korištenja MPEG-2 komprimiranog videozapisa u svrhu watermakinga videozapisa izvedena je na način da je ostvaren algoritam koji ima sposobnost razlikovati zloćudne napade od običnog video procesiranja. Metoda prvo rastavlja video na pojedine slike te iz njih izvlači vektore značajki koje će se ponašati kao watermarking oznake koje će se ugrađivati u video. Autentifikacija se zatim provodi usporedbom primljenih slika videozapisa i watermarking oznake u obliku vektora značajki.

U ovom je poglavlju predstavljena analiza 3 različita algoritma po [1] te su uspoređeni njihovi rezultati. Ispitivanje se vršilo na istom setu podataka kako bi svaki algoritam imao iste preduvjete prije početka svog watermarking rada. U [2] je opisan postupak watermarkinga putem DCT metode, gdje se na videozapisu primjenjivala optimizacija rojem čestica (eng. Particle swarm optimization - PSO). Ta se metoda primjenjivala na populaciju od 50 i 100 čestica te s iteracijama od1 do 150. Ovakva konfiguracija dala je rezultate za kvalitetu rekonstrukcije u obliku prosječnog PSNR (Peak signal-to-noise ratio) iznosa od 40.4dB. Rezultati bez primjene optimizacije rojem čestica upućuju na malo nižu kvalitetu rekonstrukcije u obliku PSNR-a od 39.02dB. Zapažen je i odnos faktora razmjene između robusnosti i nevidljivosti watermarkinga te PSNR mjerila - što se robusnost algoritma za watermarking videozapisa povećava, povećava se i PSNR rezultat tog algoritma. U [3], algoritam je koristio domenu MPEG kompresije te je na taj način postigao rezultat PSNR-a od 49.66dB te je postigao vrijednost bit error rate od 5.35 za kvantizacijski korak od 4%, dok je za kvantizacijski korak od 8% postigao bit error rate od 4.76 te 3.01 za korak od 12%, što pokazuje da se povećanjem kvantizacijske skale smanjuje učestalost bitovnih pogreška te je i pokazano da je bitovna pogreška veća u duljim videozapisima. Algoritam korišten u [4] oslanjao se na primjenu DWT transformacije kod watermarkinga videozapisa te je prosječni PSNR na 100 okvira videozapisa iznosio 39.0693dB. Performanse ovog algoritma također su testirane nakon napada na integritet videozapisa gama korekcije s faktorom 0.5, 2 i 4 te su nakon toga PSNR-ovi iznosili 14.399dB, 15.817dB i 11.304dB. Tablica na slici 1 pokazuje algoritam za watermarking videozapisa koji se oslanja na MPEG kodiranje ima bolju performansu od onih koji se oslanjaju na DCT i DWT, ali formatiranje videozapisa u neki drugi format uvelike bi narušilo njegovu kvalitetu što doprinosi njegovoj fragilnosti. DSW metoda daleko je robusnija jer koristi različite razine detalja kako bi ugradila watermarking oznaku u videozapis, ali ovdje opet dolazi do narušavanja idealne slike videozapisa.

Slika 1: Usporedba rezultata watermarking algoritama [1]

Budući da se sve više komunikacije odvija preko internetskih kanala, i to u mnogim slučajevima putem raznih video sadržaja, pojavljuju se i problemi falsificiranja i manipuliranja tog sadržaja, a uz to i potreba za očuvanje integriranosti i autentičnosti informacija nekog video sadržaja. Watermarking se pokazao kao koristan alat u borbi protiv upravo ovih problema i to u mnoštvu svojih implementacija od kojih svaka ima svoju zadaću u očuvanju sigurnosti komunikacije i prenošenja informacija. U ovom su radu nabrojani i ukratko upisani zahtjevi koje bi dobar algoritam trebao imati te je napravljena temeljna podjela tih algoritama ovisno o domeni na koju se njihova implementacija oslanja. Ovom se analizom može doći do zaključka da ne postoji savršen algoritam (eng. “no silver bullet”) koji će u potpunosti zadovoljavati sve zahtjeve. Neki su algoritmi, primjerice, vrlo robusni u svom radu ali u zamjenu žrtvuju svoju neopažljivost ljudskom oku i obrnuto. Algoritmi za watermarking videozapisa frekvencijske domene su tako otporniji na modifikacije videozapisa poput kompresije s gubitkom, rotacije, dodavanja šuma, izrezivanja i slično, ali su računalno zahtjevne operacije. Prostorne su metode zato puno vrže i jednostavnije, ali fragilne po pitanju otpornosti na razne zloćudne napade. Primjena tehnika za watermarking videozapisa povećavat će se i još više jer se informacije sve više prenose putem multimedijskog sadržaja, a u svrhu optimiziranja tih tehnika sve se više počinje koristiti i umjetna inteligencija, koja svojim razvojem automatski povlači i optimiziranost tehnika za watermarking videozapisa.

[1] Shojanazeri H., Adnan w.A.W., Ahmad S.M.S., "Video Watermarking Techniques for Copyright protection and Content Authentication", International Journal of Computer Information Systems and Industrial Management Applications, ISSN 2150-7988 Volume 5 (2013) pp. 652–660

[2] Wu C., Zheng Y., Ip W., Chan C., Yung K., Lu Z., "A flexible h. 264/avc compressed video watermarking scheme using particle swarm optimization based dither modulation", AEU-International Journal of Electronics and Communications, Volume 65, Issue 1, Pages 27-36, ISSN 1434-8411, 2011.

[3] Choi D., Do H., Choi H., Kim T., "A blind MPEG-2 video watermarking robust to camcorder recording", Signal Processing, Volume 90, Issue 4, Pages 1327-1332, ISSN 0165-1684, 2010.

[4] Mostafa S., Tolba A., Abdelkader F., Elhindy H., "Video Watermarking Scheme Based on Principal Component Analysis and Wavelet Transform", IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security. 9., 2009.