INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
E SCUELA S UPERIOR DE I NGENIERÍA
M ECÁNICA Y E LÉCTRICA
Unidad Culhuacan
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación
Marca de Agua Digital en Video Digital
T E S I S
Que para obtener el grado de
Doctorado en Comunicaciones y Electrónica
Presenta
M. EN C. R OGELIO R EYES R EYES
Asesora
Dra. Mariko Nakano Miyatake.
México D.F. Septiembre 2009
Hoy en día, el contenido de video digital es uno de los medios de expresión más comunes, el cual se propaga rápida y ampliamente a través de la red de Internet o en redes punto a punto.
Este tipo de contenido digital puede ser copiado y modificado fácilmente por personas sin autorización utilizando una computadora personal, lo cual causa serios problemas de violación a los derechos de autor sobre ese contenido. El desarrollo de soluciones técnicas basado en marcas de agua digitales para la protección de los derechos de autor ha sido un tópico de investigación ampliamente estudiado durante la última década. La protección de derechos de autor en video digital basado en marcas de agua, inserta información del propietario directamente en los datos de video, lo cual brinda al autor o propietario del contenido una prueba legal de propiedad en caso de una disputa legal, también puede determinar si algún usuario esta haciendo copias sin autorización del video marcado o si este esta siendo utilizado de alguna manera ilegal, etc.
En este trabajo de investigación, se propone un sistema de marca de agua robusto, para la protección de derechos de autor en video digital; donde el proceso de extracción de la marca de agua es completamente a ciegas, ya que no requiere ninguna información directa o derivada, del video original ni de la marca de agua original. El algoritmo inserta patrones binarios bidimensionales reconocibles visualmente, los cuales pueden ser logotipos de compañías o cualquier otra imagen; en el dominio de la Transformada Discreta Wavelet de algunos cuadros de video seleccionados aleatoriamente. Antes del proceso de inserción, únicamente son necesarias dos llaves para desordenar los datos de la marca de agua mediante el método de mezclas caóticas, con la finalidad de incrementar la seguridad. Las ventajas principales del sistema propuesto son: la extracción de la marca de agua es completamente a ciegas, su bajo costo computacional y su desempeño en contra de ataques combinados al video es mejor que otros métodos propuestos por diferentes autores. Resultados obtenidos demuestran la imperceptibilidad de la marca de agua y que la marca de agua extraída es suficientemente distinguible aun después de que la secuencia de video ha sido sometida a diversos ataques combinados.
Nowadays, digital video contents are propagated rapidly and widely via World Wide Web or Peer-to-Peer Network. These contents can be copied and modified easily by unauthorized persons using personal computers and this situation causes serious copyright violation problems. The developing of technical solutions based on watermarking technique for copyright protection has been a topic of active research during the last decade. In the video watermarking, copyright information is embedded into the video data so that the rightful owner can at least prove his ownership in the case of a dispute, determining if some user is making unauthorized copies of watermarked video or using it in an illegal manner, etc.
In this investigation, we propose a robust digital video watermarking scheme with completely blind extraction process, where the original video data, original watermark nor any other information derivative of them, are not required in order to retrieve the embedded watermark.
The proposed algorithm embeds 2-D binary visually recognizable patterns, such as company trademarks and owner’s logotype, etc., in the Discrete Wavelet Transform domain of some randomly selected video frames for copyright protection. Before the embedding process, only two numerical keys are required to transform the watermark data into a noise-like pattern using the chaotic mixing method which helps to increase the security. The main advantages of the proposed scheme are its completely blind detection scheme, robustness against common video attacks, combined attacks and its low complexity implementation. The combined attacks consist of MPEG-2 compression and common video attacks, such as noise contamination, collusion attacks, frame dropping and swapping. Extensive simulation results also show that the watermark imperceptibility and robustness outperform other previously reported methods.
The extracted watermark data from the watermarked video sequences is enough clear even after watermark video suffered from several attacks.
A la Dra. Mariko Nakano Miyatake, mi directora de tesis, por brindarme la confianza de realizar este trabajo, sus apreciados consejos, críticas y sugerencias durante el desarrollo de esta tesis doctoral. Al Dr. Héctor Manuel Pérez Meana, por compartir su tiempo de manera generosa durante el desarrollo de esta investigación, con sus constantes y valiosas aportaciones.
A mis sinodales, Dr. Volodymyr Ponomaryov, Dr. Oleksiy Pogrebnyak, Dr. Héctor Manuel Pérez Meana y Dr. Francisco Javier Gallegos Funes, por sus substanciales sugerencias y críticas constructivas para mejorar la calidad del presente trabajo.
A mi esposa, Clara, por su infinito apoyo, paciencia, amor y comprensión, sin lo que hubiese sido imposible llegar a este momento.
A mis princesas, Amairani y Vania, por llenar mi vida de dicha y bendiciones; por brindarme tanto amor con sus angelicales risas y llantos, que me hacen soñar y vivir, aunque no pueda compensar todo el tiempo que les he robado, con mis desapariciones en presencia.
A mis padres y hermanos, Flor, One, Isaac e Ivon, por su invaluable cariño y apoyo incondicional brindado, no solamente a mi, sino a mi esposa y mis princesas.
A mis colegas y amigos, a quienes tengo siempre presentes, ya que con sus consejos, confianza y apoyo han contribuido a animarme durante estos años.
Al Instituto Politécnico Nacional, por haberme brindado un espacio de desarrollo; por sentirme orgulloso de pertenecer a él y sobretodo por darme una formación profesional. Al CONACYT, por el apoyo recibido para la realización de este trabajo.
Finalmente, y no menos importante a Dios, por permitirme haber llegado hasta este momento y mostrarme el camino a seguir.
A mi amada esposa, Clara y
mis princesas, Amairani y Vania
Resumen vii
Abstract viii
Agradecimientos ix
1 Introducción 1
1.1 Objetivo ………... 1
1.2 Metas ………. 1
1.3 Justificación ………... 2
1.4 Aportaciones ………...………..………. 4
1.5 Organización de la tesis ………. 4
2 Marcas de agua digitales en video 7 2.1 Marcas de agua .………... 7
2.2 Visión general de la protección de contenido de video digital ………... 8
2.3 Soluciones técnicas y legales en la protección del video digital ………... 12
2.3.1 Soluciones legales ………. 12
2.3.2 Soluciones técnicas ……..………. 13
2.4 Marcas de agua en video ..………. 15
2.5 Modelos genéricos de marcas de agua en video ………... 17
2.5.1 Etapas de inserción y detección de la marca de agua …….………... 17
2.5.1.1 Marcas de agua en secuencias de video en banda base ... 19
2.5.1.2 Compresión con marca de agua ……….. 19
2.5.1.3 Marcas de agua en tramas comprimidas ………. 20
2.5.2 Dominios de inserción y detección de la marca de agua …………... 20
2.5.2.1 Inserción en el dominio espacial ………. 20
2.5.2.2 Inserción en el dominio transformado ………. 21
2.5.3.1 Inserción aditiva ……….………. 22
2.5.3.2 Inserción multiplicativa ………..………. 22
2.5.3.3 Inserción por cuantificación ...……..………. 23
2.6 Tipos de marca de agua ………..………... 23
2.7 Detección de la marca de agua ………...………... 24
2.8 Requerimientos técnicos para una marca de agua en video ………..…… 25
2.8.1 Visibilidad y robustez de las marcas de agua ….………... 26
2.8.2 Datos útiles de la marca de agua ………... 26
2.8.3 Llave secreta para la seguridad de la marca de agua ………. 27
2.8.4 Inserción y detección en tiempo real ………. 27
2.9 Ataques y robustez de la marca de agua ………... 28
2.9.1 Ataque de conversión de espacios de color ………... 29
2.9.1.1 Espacio de color RGB ………... 30
2.9.1.2 Espacio de color YCbCr ………... 31
2.9.1.3 Espacio de color YUV ………... 32
2.9.2 Ataque de ruido ………..………... 33
2.9.3 Ataque de eliminación de cuadros ...……..………... 34
2.9.4 Ataque de colusión ...………..………... 34
2.9.5 Ataque de intercambio de cuadros ...……..………... 35
2.9.6 Ataque de falsificación …………....……..………... 35
2.9.7 Ataques geométricos ………....……..………... 36
2.9.7.1 Cambio de escala ………... 36
2.9.7.2 Recorte ………...………... 36
2.9.7.3 Rotación ……….………... 37
2.9.7.4 Traslación ……...………... 38
2.9.8 Compresión con perdidas .………....……..………... 38
2.10 Antecedentes de sistemas de marca de agua en video .……….… 40
2.10.1 Sistemas de marca de agua en secuencias de video en banda base ... 40
2.10.2 Sistemas de marca de agua con compresión ………... 49
2.11 Comparación entre los diferentes modelos genéricos de marcas de agua en
video ……….……….… 55
2.12 Comparación entre los diferentes sistemas de marca de agua en secuencias de video en banda base .….……….… 57
2.13 Conclusiones ………. 59
3 Sistema de marca de agua para video digital propuesto 61 3.1 Desarrollo del sistema de marca de agua para video digital ………. 61
3.1.1 Características principales del sistema propuesto ………. 61
3.1.2 Diseño del sistema ………. 63
3.2 Inserción y extracción de la marca de agua ………... 68
3.2.1 Preprocesamiento de la marca de agua ………. 68
3.2.2 Sistema visual humano sobre canal de colores básicos ………. 70
3.2.3 Algoritmo de inserción de la marca de agua en el video digital …... 70
3.2.4 Algoritmo de extracción de la marca de agua en el video digital ... 74
3.3 Conclusiones ………..………... 77
4 Resultados experimentales 79 4.1 Evaluación del sistema .………... 79
4.1.1 Imperceptibilidad ….………. 80
4.1.2 Complejidad computacional del sistema propuesto ..……… 83
4.1.2.1 Complejidad del algoritmo de inserción de la marca de agua en video …………...……….... 84
4.1.2.2 Complejidad del algoritmo de extracción de la marca de agua en video ………... 85
4.1.2.3 Procesamiento de video en tiempo real utilizando procesadores digitales de señales ………...………. 85
4.1.3 Robustez ……… 87
4.1.3.1 Ataques clásicos al video ……….... 87
anteriormente ………... 89 4.1.3.3 Ataques combinados con MPEG-2 ………. 91
4.2 Conclusiones ………..………... 106
5 Conclusiones generales y trabajo futuro 107
Referencias 109
Apéndice A - Glosario 117
Apéndice B - Secuencias de video utilizadas 121
Apéndice C - Código fuente 129
Apéndice D - Publicaciones 139
2.1 Ejemplo de empaquetado ….………... 10
2.2 Ejemplo del uso del DRM y ataques ………... 11
2.3 Modelo de marcado de agua de video en banda base ..………... 19
2.4 Modelo de marcado de agua de video con compresión MPEG ...…………... 19
2.5 Modelo de marcado de agua de video en tramas MPEG comprimidas ...…... 20
2.6 Valores de correlación para tres diferentes videos ...………... 25
2.7 Marcas de agua extraídas con diferentes valores de BER ………... 26
2.8 Espacio de color RGB ………...…..….………... 31
2.9 Esquema de inserción usado en JAWS ………... 40
2.10 Esquema de inserción usado por Zhuang ….………... 41
2.11 Esquema de inserción usado por Fan …..….………... 42
2.12 Esquema de inserción usado por Li ...…..….………... 43
2.13 Esquema de inserción usado por Wang ...….………... 43
2.14 Esquema de inserción usado por Ko .…..….………... 44
2.15 Esquema de inserción usado por Li ...…..….………... 45
2.16 Esquema de inserción usado por Mirza ...….………... 46
2.17 Esquema de inserción usado por Rathore ....………... 46
2.18 Esquema de inserción usado por Koz ...….………... 47
2.19 Esquema de inserción usado por Liu …..….………... 48
2.20 Esquema de inserción usado por Khalilian ..………... 48
2.21 Esquema de inserción usado por Chung .….………... 50
2.22 Esquema de inserción usado por Noorkami .………... 51
2.23 Esquema de inserción usado por Hartung ....………... 53
2.24 Esquema de inserción usado por Noorkami .………... 53
2.25 Esquema de inserción usado por Zhang ..….………... 54
3.1 Representación grafica de los umbrales y coeficientes utilizados durante el proceso de inserción de la marca de agua ………. 64
3.2 Marcas de agua procesadas con mezclas caóticas ………... 70
3.4 Diagrama a bloques del proceso de inserción de la marca de agua en video … 71 3.5 Diagrama a bloques del proceso de extracción a ciegas de la marca de agua en
video ……….. 75
4.1 Curvas de evaluación del PSNR y CN para diversos valores de Th1 ...……... 80
4.2 Valor del MAE para diversos valores de Th1 ...………... 81
4.3 Prueba de imperceptibilidad ……….. 83
4.4 Robustez de la marca de agua contra contaminación de ruido ………. 88
4.5 Correlación normalizada contra ataques de cuadros ……… 88
4.6 Correlación normalizada de la marca de agua extraída en el video bus, atacado por ruido gaussiano combinado con MPEG-2 ……….. 92
4.7 Correlación normalizada de la marca de agua extraída en el video bus, atacado por ruido impulsivo combinado con MPEG-2 ……….. 93
4.8 Correlación normalizada de la marca de agua extraída en el video bus, atacado por eliminación de cuadros combinado con MPEG-2 ……….. 94
4.9 Correlación normalizada de la marca de agua extraída en el video bus, atacado por intercambio de cuadros combinado con MPEG-2 ……….. 95
4.10 Correlación normalizada de la marca de agua extraída en el video bus, atacado por promediado de cuadros combinado con MPEG-2 ……….. 96
4.11 Correlación normalizada de la marca de agua extraída en el video Foreman, atacado por ruido gaussiano combinado con MPEG-2 ...……….. 97
4.12 Correlación normalizada de la marca de agua extraída en el video Foreman, atacado por ruido impulsivo combinado con MPEG-2 …...……….. 98
4.13 Correlación normalizada de la marca de agua extraída en el video Foreman, atacado por eliminación de cuadros combinado con MPEG-2 ...……….. 99
4.14 Correlación normalizada de la marca de agua extraída en el video Foreman, atacado por intercambio de cuadros combinado con MPEG-2 ...……….. 100
4.15 Correlación normalizada de la marca de agua extraída en el video Foreman, atacado por promediado de cuadros combinado con MPEG-2 ...……….. 101
4.16 Robustez en contra de la compresión MPEG-2 a diferentes tasas ..………….. 102
ruido impulsivo a diferentes densidades ………... 103 4.18 Robustez en contra de la compresión MPEG-2 combinado con el ataque de
ruido Gaussiano a diferentes varianzas ..………... 103 4.19 Robustez en contra de la compresión MPEG-2 combinado con el ataque de
eliminación de cuadros ………...………... 104 4.20 Robustez en contra de la compresión MPEG-2 combinado con el ataque de
intercambio de cuadros ………...………... 104 4.21 Robustez en contra de la compresión MPEG-2 combinado con el ataque de
colusión ………. 105
4.22 Marcas de agua extraídas para diferentes valores de correlación normalizada
CN con respecto a la original ……… 106
1.1 Ingresos perdidos en México …………....………... 3 2.1 Resumen de sistemas DRM para video ...………... 18 2.2 Comparación entre los diferentes modelos genéricos de marcas de agua en
video ……….. 56
2.3 Comparación entre los diferentes sistemas de marca de agua en secuencias de video en banda base .……….. 57 4.1 Criterio de evaluación MOS ………. 82 4.2 Comparación del desempeño del sistema propuesto ………. 90
Introducción
1.1 Objetivo
Investigar, desarrollar y evaluar un sistema para la inserción y extracción completamente a ciegas de una imagen binaria como marca de agua digital para la protección de los derechos de autor en video digital, el cual tenga una baja complejidad computacional y sea capaz de insertar la marca de agua como una parte indeleble e inseparable del video marcado, preservando la calidad del video original así como una alta imperceptibilidad de la marca de agua y sea robusto a ataques intencionales y no intencionales al video digital.
1.2 Metas
• Investigar y comprender los conceptos relacionados con las técnicas de marcas de agua en video digital.
• Revisión bibliográfica sobre los algoritmos de marca de agua para video digital propuestos en la literatura hasta la fecha.
• Investigar y analizar los algoritmos de marcas de agua en video digital propuestos en la literatura para conocer las inconveniencias aun existentes en este campo.
• Desarrollar un sistema eficiente de marcado de agua para video digital tomando en consideración los requerimientos mencionados en el objetivo.
• Evaluación de la imperceptibilidad y robustez del sistema de marca de agua para video digital propuesto, en contra de los ataques que comúnmente se llevan a cabo sobre el video digital.
• Evaluación de la robustez del sistema de marca de agua para video digital propuesto, en contra de ataques clásicos al video digital combinados con la codificación con pérdidas MPEG2 a bajas tasas de compresión.
1.3 Justificación
Hoy en día en distintos países, uno de los mayores problemas a los que se enfrentan los creadores de contenidos digitales es la piratería, la cual puede entenderse como el copiado ilegal de programas informáticos, música, imágenes, películas, etc., y es efectuada sin el consentimiento del titular de los derechos de autor1 o, en su defecto, sin autorización legal, afectando así tanto a las empresas como al mismo país, debido a que provoca cuantiosas pérdidas fiscales para el gobierno, inhibe la generación de nuevos empleos, etc.
La piratería está presente en todos los países con mayor o menor intensidad, debido que existen varios factores tales como la solidez de las leyes de protección intelectual, la infraestructura necesaria para copiar las obras originales y las diferencias culturales. México ocupa el cuarto lugar en piratería, sólo superado por Rusia, China e Italia en cuanto a pérdidas generadas en la industria de música, películas, libros, software de entretenimiento y comercial, esto de acuerdo con el informe global 2008 Reporte Especial 301, de la Alianza Internacional para la Propiedad Intelectual (IIPA, por sus siglas en inglés) que agrupa a mil 900 empresas de 68 naciones, con sede en EU; durante los últimos siete años las industrias de la música, software de entretenimiento, software comercial, películas y libros ha perdido anualmente, en promedio, casi un mil millones de dólares por la piratería, lo que coloca a México en el primer lugar de América Latina. En el siguiente cuadro se observa que en 2007 las pérdidas ascendieron a mil 266 millones de dólares, es decir entre 2006 y 2007 se incrementaron 16.8%
[Profeco2008].
CANACINE también concluye que seis de cada 10 personas de la Ciudad han adquirido una vez una película pirata, y de ellos 14 por ciento sólo compra productos ilegales. Señala que en México hay 30 mil puntos de venta ilegales y el año pasado se comercializaron entre 30 y 45
1Los derechos de autor (o copyright) son los derechos que puede adquirir una persona sobre un material que ha creado. Un copyright sobre un trabajo se compone de varias partes: derecho a hacer y distribuir copias del trabajo registrado, derecho a controlar su difusión, derecho a protegerlo contra alteraciones, y derechos sobre trabajos derivados (creación de versiones modificadas del original) [Acken1998].
millones de DVD o VCD piratas, mientras que la industria formal vendió o rentó 22 millones de copias. Además revela que la piratería ha provocado pérdidas por 330 millones de dólares para la industria cinematográfica y del video, en tanto que los cines dejan de vender casi 40 millones de boletos. Las cifras indican que la piratería se concentra principalmente en la música y películas, aunque ya está afectando a otros rubros como el de bebidas alcohólicas, cine y medicamentos [PROFECO2008].
Tabla 1.1 Ingresos perdidos en México.
Millones de dólares
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
Música 366.8 459.0 360.0 326.0 376.8 486.6 527.0 Software
entretenimiento 202.5 ND 136.9 132.2 137.7 182 273 Software
comercial 146.9 168.9 220.0 222.2 214.2 374 425 Películas 50.0 50.0 50.0 140.0 483.0 ND ND Libros 40.0 40.0 40.0 42.0 42.0 41 41
Total 806.0 717.9 806.9 862.2 1,253.4 1,083.6 1,266.0
ND: No disponible
Fuente: Dirección General de Estudios Sobre Consumo de Profeco, con información de la Internacional Intelectual Property Alliance (IIPA) 2008 Special 301 Report, México [PROFECO2008].
Las marcas de agua digitales se han convertido últimamente en un área de intensa investigación debido al uso común de archivos digitales en la era de la Internet así como en la necesidad de encontrar una solución a la protección de los derechos de autor en este tipo de materiales digitales, entre otras diversas potenciales aplicaciones de estas técnicas. Los sistemas de marca de agua insertan una señal, algunas veces llamada señal de inserción o marca de agua, dentro de otra señal, llamada señal huésped. La metodología de inserción debe hacerse de tal forma que al insertar la marca de agua dentro de la señal huésped, esta no cause una degradación severa a la calidad de la señal huésped. Al mismo tiempo, la inserción debe ser robusta a degradaciones comunes de la señal como la compresión con pérdidas, así como a degradaciones o modificaciones deliberadas a la señal huésped con la finalidad de eliminar o degradar la marca de agua.
1.4 Aportaciones
• Se desarrollo un sistema para la inserción y la extracción de una imagen binaria como marca de agua digital para la protección de los derechos de autor en video digital, el cual presenta una alta imperceptibilidad de la marca de agua insertada.
• El sistema de marca de agua para video digital propuesto permite la inserción de una cantidad de datos suficientemente grande como para permitir insertar una imagen binaria como marca de agua, la cual puede ser un logotipo de alguna compañía o cualquier otra imagen.
• El proceso de extracción de la marca de agua del sistema propuesto se lleva a cabo completamente a ciegas, lo que implica que ningún dato original como: el video original, la marca de agua original o ninguna información derivada de ellos, es requerida durante el proceso de extracción de la marca de agua. Haciendo al sistema propuesto, práctico y útil para aplicaciones de control de reproducción o alguna otra aplicación donde el contenido original no esta disponible en el decodificador final.
• El sistema de marca de agua para video digital propuesto es robusto en contra de ataques clásicos al video digital combinados con la codificación con pérdidas MPEG2 a bajas tasas de compresión.
• La marca de agua extraída es lo suficientemente clara y nítida aun después de sufrir ataques o degradaciones severas, con lo que se puede asegurar la propiedad del autor sobre el video digital.
• El sistema de marca de agua para video digital propuesto tiene una baja complejidad computacional, haciéndolo de esta forma viable de ser implementado para aplicaciones en tiempo real.
1.5 Organización de la tesis
Este trabajo de investigación esta organizado principalmente en cinco partes:
El primer capítulo explica brevemente el objetivo y la justificación de la investigación, la cual se basa principalmente en el grave problema de la piratería en México y en otros países, así
como también en la necesidad de contar con un mecanismo técnico que evite en la medida de lo posible el incremento en esta práctica ilegal, y que sirva de herramienta para los creadores de materiales digitales como una prueba de propiedad sobre el contenido digital, preservando de esta forma el derecho de autor.
En el capítulo 2 se presenta un estudio general de la protección del contenido del video digital, sus antecedentes, se analizaran las condiciones de aplicación, así como las posibilidades y las limitaciones de las marcas de agua.
En el capítulo 3 se estudian y analizan las condiciones de diseño que se tuvieron en consideración para el desarrollo del sistema, posteriormente se explica detalladamente cada uno de los pasos necesarios que deben llevarse a cabo tanto para el proceso de inserción como para el de extracción de la marca de agua; así como su análisis y observaciones particulares de cada proceso.
En el capítulo 4 se muestran los resultados obtenidos para la imperceptibilidad y robustez del sistema de marca de agua para video digital propuesto, el cual fue sometido a los ataques que comúnmente se llevan a cabo sobre el video digital; además se analizo y reporto su comportamiento en contra de ataques clásicos al video digital combinados con la codificación con pérdidas MPEG2 a bajas tasas de compresión.
Y finalmente en el capítulo 5 se dan las conclusiones generales, ventajas del sistema propuesto y algunas propuestas de trabajos posteriores.
Marcas de agua digitales en video
El uso de archivos digitales ofrece enormes oportunidades para los creadores; sin embargo, no se necesita gran habilidad para que cualquier persona pueda hacer copias perfectas, y aunado a la facilidad con la cual estas pueden ser distribuidas también se favorece el mal uso, la distribución, el plagio y la piratería. Actualmente existen software de Internet muy populares basados en arquitecturas punto-a-punto (P2P, peer-to-peer, como Kazaa, BitTorrent, eDonkey y Gnutella) los cuales han sido usados para compartir (distribuir) películas, música, software y otros materiales protegidos por los derechos de autor (copyright). Además, los sistemas futuros P2P podrán encriptar los datos a ser compartidos, preservando el anonimato de estos usuarios, soportando un gran número de usuarios y siendo mas robustos [Biddle2002], [Parloff2003]. Los adelantos en los sistemas P2P crearan considerables retos en la ejecución de los derechos reservados. Preocupados acerca de las consecuencias del copiado ilegal y la distribución masiva, los propietarios de los diferentes contenidos mencionados anteriormente están interesados en sistemas los cuales puedan proteger sus derechos de propiedad sobre los bienes distribuidos, mientras que los distribuidores y los compradores necesitan garantías respecto a la autenticidad y la integridad de dichos bienes para de esta forma preservar el valor económico del contenido multimedia. Desafortunadamente, los retos científicos y técnicos para asegurar y proteger el contenido del video digital son varios y muy complejos, los cuales no se han podido solucionar mediante investigaciones previas.
2.1 Marcas de Agua
Una marca de agua digital puede compararse con una marca de agua tradicional. Las marcas de agua tradicionales o físicas son agregadas a algunos tipos de papel (el uso más común es en billetes) para brindar una prueba de autenticidad. Generalmente son textos o figuras que no son perceptibles a menos que el papel sea mirado a trasluz. A este tipo de marcas de agua se
les conoce como marcas de agua físicas porque las mismas existen en un medio físico. Hoy en día, las marcas de agua físicas son comúnmente utilizadas para autenticar documentos importantes, por ejemplo, actas, escrituras, pasaportes, billetes, etc. Con el avance de la Internet y la proliferación de datos digitales en los medios, es natural que se pretenda extender esta idea de las marcas de agua a los datos digitales. La aplicación más popular de las marcas de agua digitales es utilizarla para brindar una prueba de propiedad de un material digital (imagen, audio o video) mediante la inserción de información del propietario como una marca de agua dentro de los datos mismos del material digital.
La marca de agua digital es una señal que se inserta en un archivo digital de manera que pueda ser detectada por una computadora pero que no sea perceptible para el ojo u oído humanos.
Esta señal generalmente contiene información relacionada con el contenido del archivo, como datos sobre sus dueños o creadores, restricciones de distribución u otra información adicional para proteger los derechos de autor en productos digitales. De esta forma la inserción de marcas de agua en archivos digitales se perfila como una de las principales tecnologías disponibles para resolver esta problemática [Yeung1998], [Voyatzis1998], [Swanson1998a].
2.2 Visión General de la Protección de Contenido de Video Digital
La Alianza Internacional de la Propiedad Intelectual (IIPA, International Intellectual Property Alliance) [IIPA1984], es una coalición del sector privado formada en 1984 para representar a las industrias basadas en los derechos de autor de los E.U. en esfuerzos bilaterales y multilaterales, para mejorar la protección internacional de materiales con derechos registrados.
Existen tres industrias con principal interés en la protección del contenido digital: la industria de las películas, la industria de la electrónica de consumo y la industria de la tecnología de la información. Las instituciones principales representan compañías que abarcan: desde propietarios de contenido, fabricantes de dispositivos y proveedores de servicios.
Una propuesta para resolver el problema de la protección del contenido de video digital son los sistemas administradores de derechos digitales (DRM, por sus siglas en ingles), los cuales
protegen y hacen cumplir los derechos asociados con el uso del contenido digital [Eskicioglu2003a], [Eskicioglu2003b], [Hartung2000].
• El objetivo primario para un DRM es asegurar que el acceso al contenido protegido (como el video) sea posible únicamente bajo las condiciones especificadas por el propietario del contenido. El acceso no autorizado debe ser prevenido debido a que tales accesos son una oportunidad para obtener una versión desprotegida del contenido.
Si un contenido desprotegido es obtenido, este puede ser distribuido y usado de cualquier manera.
• El sistema DRM también previene la creación de copias no autorizadas (protección contra copia, copy protection) y proporciona un mecanismo mediante el cual las copias pueden ser detectadas y rastreadas (content tracking).
Para satisfacer el objetivo primario son necesarios 4 requisitos en un sistema DRM.
1. El sistema DRM “empaqueta” el contenido a ser protegido de una manera segura.
2. El sistema DRM debe obtener las condiciones de acceso especificadas por el propietario del contenido protegido.
3. El sistema DRM debe determinar si las condiciones de acceso han sido satisfactorias.
4. Los componentes del sistema DRM deben ser inalterables [Naumovich2003], para prevenir o impedir que sean burlados o modificados.
El objetivo del “empaquetado” es forzar a que todos los accesos al contenido protegido sean gobernados por el sistema DRM. Si el contenido fue hecho sin un empaquetado seguro, entonces el contenido puede ser accesado o copiado directamente.
El empaquetamiento es comúnmente realizado mediante la encripción [Menezes1997], [Schneier1996], donde el contenido es mezclado y presentado de manera ilegible a menos que se conozca la llave de desencripción. El sistema DRM brinda la llave de desencripción para abrir el paquete únicamente cuando todas las condiciones de acceso especificadas por el
propietario del contenido son satisfactorias. La figura 2.1 muestra el proceso de empaquetado del contenido de video y describe las condiciones mediante las cuales el contenido puede ser accesado.
Figura 2.1. Ejemplo de empaquetado.
En este ejemplo el propietario del contenido ha especificado que únicamente el usuario Bob tiene permitido ver el video. Una vez que el video ha sido empaquetado, el paquete se hace disponible a los usuarios. La figura 2.2 muestra como Bob podría acceder al video además de diferentes métodos mediante el cual el hacker Alice puede atacar el sistema DRM.
En la ruta (A) Bob se identifica asimismo en el sistema DRM el cual determina que las condiciones de acceso han sido satisfactorias y autoriza a Bob ver el video. Las rutas restantes muestran los métodos mediante los cuales Alice puede romper la protección DRM y obtener acceso al video. En la ruta (B) Alice usa un método de copiado de video por medio del cual el usuario tiene legítimo acceso de hacer sus propias copias. En la ruta (C) Alice toma ventaja de la vulnerabilidad en la seguridad de como el DRM decide si las condiciones de acceso son satisfactorias, proporcionándole credenciales falsas (en este caso haciéndose pasar por Bob).
En la ruta (D) Alice toma ventaja de la vulnerabilidad en la seguridad de como el DRM obtiene las condiciones de acceso incluidas en el contenido y sustituye las condiciones legitimas de acceso (“únicamente Bob puede ver el video”) con otra (“Cualquiera puede ver el video”). En la ruta (E) Alice “hackea” o modifica el dispositivo para obtener una copia del video o que le brinde información (llaves de desencripción, etc) que le permita abrir el paquete. Un sistema DRM seguro impide u obstaculiza las rutas (B)-(E).
Figura 2.2. Ejemplo del uso del DRM y ataques: (A) uso normal (legal), (B) copiado ilícito, (C) credencial falsa, (D) alteración de las condiciones de acceso, (E) uso de dispositivos modificados o “hackeados”.
La mayoría de las aplicaciones de video digital involucran muchos dispositivos interconectados que pueden grabar, mostrar, procesar y almacenar video. Estos dispositivos comunican los datos de video a través de la red o el video puede ser grabado o leído a través de un medio de almacenamiento. Pueden ser pocos o muchos pasos desde la fuente hasta el dispositivo de consumo dependiendo de la aplicación. Ejemplos de estos pasos incluyen la transmisión y distribución en una red (incluyendo el Internet, una red privada, o una red de dispositivos en la casa del usuario), y el almacenamiento en medios (como el DVD, el CD, el disco duro de la computadora o cintas magnéticas).
2.3 Soluciones técnicas y legales en la protección del video digital
Desde mediados de los 90’s ha habido importantes soluciones técnicas y legales con respecto a la protección de los derechos de autor y la administración de los derechos digitales. En esta sección, se resumen los esfuerzos realizados actualmente en el mundo y México tanto en el aspecto legal como en el técnico.
2.3.1 Soluciones legales
Dos tratados de la Organización Mundial de la Propiedad Intelectual (WIPO) (el tratado de derechos de autor de WIPO y el tratado de fonogramas y representaciones), obligan a los estados miembros, a prohibir el engaño de las medidas tecnológicas usadas por los propietarios de los derechos de autor, para proteger sus trabajos y prevenir la eliminación o alteración de la información de los derechos de autor. El acta de derechos de autor de Millennium Digital de 1998 (DMCA) fue la primera legislación en una serie de esfuerzos del congreso de E.U. para actualizar las leyes de derechos de autor, para la era digital. El presidente Clinton firmó el acta de ley el 28 octubre de 1998. El DMCA esta dividido en 5 secciones, de los cuales el primero implementa el tratado WIPO. Una legislación similar fue entregada en el parlamento europeo. Ambos el DMCA y la Directiva Europea han previsto hacer ilegal los engaños en las medidas de seguridad técnicas, así como la manufactura, la venta, o el comercio de equipos los cuales eviten las medidas técnicas de seguridad.
Recientemente el 16 de septiembre de 2003 fue introducido un proyecto de legislación por el senador S. Brownback conocido como: “Manejo de los derechos digitales de consumidores, escuelas y librerías” acta del 2003, este proyecto de ley protege a los poseedores de derechos de autor, de los proveedores de servicios de Internet (ISP).
En México nueve dependencias del Gobierno federal de nuestro país y un grupo de empresas están promoviendo acciones encaminadas a combatir la piratería. El 19 de junio del 2008 en el Presidente de la República firmó el Acuerdo Nacional contra la Piratería junto con la Procuraduría General de la República, las Secretarías de Hacienda, Economía, Educación Pública, Gobernación, Función Pública, el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial y el
Instituto Nacional de Derechos de Autor. Con este acuerdo, el Gobierno luchará contra la piratería mediante tareas de inteligencia e investigación, a estas autoridades federales se suman otras estatales y municipales.
Los principales compromisos de este acuerdo son: crear un sistema de información que permita evaluar el crecimiento o disminución de la piratería, sancionar a quienes incurra en la piratería, revisar el marco legal para combatir este delito, actualizar la ley en materia de derechos de autos y aplicar políticas para consolidar el mercado interno. Esta acción es parte del compromiso que México firmó con sus socios comerciales (EU y Canadá) a través del Acuerdo para la Seguridad y Prosperidad de América del Norte (ASPAN), por lo que se establecen compromisos internacionales a fin de que el combate a la piratería sea permanente [PROFECO2008].
2.3.2 Soluciones técnicas
Una propuesta de solución en la protección del contenido digital para la distribución del video usando medios de grabación, surgió a mediados de 1996 cuando fueron introducidos los reproductores de DVD, en donde la capacidad de estos discos es mucho mayor que la de los CD’s de audio, 4.7 Gbytes por lado vs 700 Mbytes. Las películas se comprimen en formato MPEG2 y se encriptan antes de ser grabadas en el DVD. Tradicionalmente la protección de los datos digitales se ha hecho a través de una gran variedad de métodos de encripción y los DVD no son la excepción. Sin embargo la encripción por si sola no provee una adecuada solución para la protección de este tipo de material [Bloom1999], [Maes2000], [Lin2005], esto se debe a que una vez que los datos son desencriptados ya no están protegidos y el acceso a su contenido se puede realizar a través de salidas analógicas y digitales (NTSC, PAL, AV, USB, y RGB).
El método de encripción utilizado por los DVD es el sistema de mezcla de contenido (CSS, Content Scrambling System) [Bloom1999], [Taylor1998], [CSS]. CSS es un sistema complejo con muchos componentes para impedir el copiado de video almacenado en discos protegidos por CSS (CSS-protected discs), incluyendo la encripción para mezclar los datos de video
escritos en los discos, un protocolo para confundir las comunicaciones entre el lector de DVD y los dispositivos adjuntos (como en las PC’s comunes), y protección de copiado para salidas analógicas y digitales. Las llaves para desencriptar la película son guardadas en áreas especiales del disco las cuales únicamente son accesibles para el lector, lo cual impide la desencripción de la película a dispositivos no compatibles con CSS y de esta manera impedir las copias de la misma. Sin embargo, el algoritmo de encripción CSS fue “hackeado”
aplicando ingeniería inversa, llevando al desarrollo de “DeCSS” [Touretzky2000], un software el cual puede desencriptar cualquier video encriptado con CSS. Una vez que la desencripción del video es llevada a cabo, este puede ser copiado, distribuido y reproducido en cualquier DVD.
El sistema APS desarrollado por Macrovision es un método que modifica las señales NTSC/PAL de tal manera que pueden ser mostradas en TV pero no pueden ser grabadas en VCR’s debido a que introduce una severa degradación en la calidad del contenido, este sistema es aplicado en el codificador NTSC/PAL de un reproductor DVD [Bloom1999].
Un sistema de protección de contenido desarrollado por 5C (que es una coalición de 5 compañías) provee un mecanismo para intercambio de llaves de manera autentificada con dispositivos compatibles en un bus digital, de esta manera los dispositivos pueden intercambiar información encriptada la cual otros dispositivos no pueden descifrar, este sistema es mucho más robusto que el usado por CSS [Bloom1999]. De esta manera un pirata que este viendo un bus, sólo podrá ver ruido debido a que el material que están transmitiendo los dispositivos esta encriptado.
Otra forma de protección es mediante el reconocimiento del tipo de medio, esto es que los reproductores sean capaces de distinguir entre un disco grabado (ROM), un disco grabable y un regrabable, siendo la mas segura pit wobble que es utilizada por los DVD-ROM [Maes2000].
Para los sistemas basados en Internet varias organizaciones están realizando el proceso de estandarización del DRM para el manejo de diferentes tipos de contenido. El MPEG y el IETF
encabezan los esfuerzos. La Fuerza de Tarea de investigación en Internet (IRTF) antes conocida como IDRM (administrador de derechos digitales en Internet) es un grupo de investigación formado para investigar problemas y tecnologías relacionadas con los DRM en Internet. La IRTF es la organización hermana de la fuerza de tarea de ingeniería en Internet (IETF). El grupo IDRM esta actualmente cerrado.
2.4 Marcas de agua en video
La encripción es útil en la restricción del acceso a los datos; sin embargo, esta tiene una desventaja significativa: las técnicas de encripción no ofrecen alguna protección una vez que los datos encriptados han sido desencriptados. Esta es una gran limitante y la encripción sola no puede ser suficiente para un DRM [Maes2000]. Las marcas de agua han sido propuestas como medios para la protección del contenido incluso después de que los datos han sido desencriptados. El papel de las marcas de agua complementan (y no reemplazan) a la encripción [Lin2005].
La marca de agua describe información que puede proteger el video, por ejemplo identificando al propietario o el receptor del mismo. Una distorsión es introducida en el video cuando la marca de agua es insertada; sin embargo, el video marcado y el video original son muy similares cuando los videos son visualizados. Idealmente no existen diferencias perceptibles entre el video original y el marcado. La inserción de la marca de agua puede ser detectada por un detector de marcas de agua, el cual utiliza procesamiento de señales para obtener la marca de agua del video marcado, es de gran importancia que la marca de agua insertada sea robusta o difícil de remover o borrar sin causar daños significantes a la señal marcada. Idealmente, la marca de agua insertada es una parte indeleble e inseparable del video marcado.
Las marcas de agua en video pueden ser utilizadas de múltiples maneras. Algunos ejemplos de aplicaciones (potenciales) se listan a continuación [Lin2005]:
1. Copyright o identificación de propietario: La marca de agua insertada identifica el propietario del video. La marca de agua proporciona una prueba de propiedad si la advertencia de copyright ha sido alterada o removida [Cox2002].
2. Protección de Copiado: La marca de agua codifica el número de veces que el video puede ser (legalmente) copiado. Un dispositivo compatible revisa la marca de agua y determina si la creación de una copia adicional es permitida. Cada vez que una copia es creada, la marca de agua del video es modificada para decrementar el conteo de copias permitidas [Maes2000].
3. Control de acceso: Esta es una generalización del uso de marcas de agua para protección de copiado. La marca de agua codifica los derechos de uso y acceso que son otorgados por el propietario del contenido. Los dispositivos compatibles detectan la marca de agua y obedecen las restricciones de uso codificadas en la marca de agua.
4. Rastreo de contenido, huellas digitales, o rastreo del distribuidor: La marca de agua codifica la identificación del usuario o receptor del video. Esto implica que cada usuario obtiene una copia del video única o personalizada. Si una copia del video es encontrada en alguna ubicación sospechosa (como siendo compartido por un programa punto a punto), la marca de agua insertada puede identificar la fuente de la copia sospechosa.
5. Rastreo de contenido no es necesariamente dirigido a usuarios individuales: Un ejemplo es la producción en masa de video pregrabado. Suponga que el propietario del video contrata los servicios de varias compañías de masterizado y distribución para crear y distribuir el video en los medios. Sin embargo, el propietario esta preocupado de que algunas compañías quizás no tengan la suficiente seguridad para salvaguardar el video. Compañías o empleados sin escrúpulos pueden incluso conspirar “filtrar” copias ilícitas a piratas. Por seguridad, el propietario inserta una marca de agua diferente en cada una de las copias que el proporciona a cada compañía. Si copias ilegales con una marca de agua de una compañía en específico son encontradas antes de la liberación
oficial del video, el propietario del contenido puede elegir no hacer tratos con dicha compañía en el futuro. Una aplicación similar se realiza en el cinema digital, donde el propietario o distribuidor de la película esta preocupado por la relación entre algunos propietarios de cine y los piratas.
Los sistemas actuales DRM para la distribución y almacenamiento son resumidos en la tabla 2.1.
2.5 Modelos genéricos de marcas de agua en video
Existen tres principales procesos relacionados con el marcado de agua: la inserción, los ataques y la detección de la marca de agua.
2.5.1 Etapas de inserción y detección de la marca de agua
En la inserción de la marca de agua en video, la marca de agua es creada e insertada en el video original para producir el video marcado; en general, el proceso de inserción de la marca de agua sobre los datos o trama del video digital puede llevarse a cabo en tres formas:
a) En el video en banda base.
b) Al mismo tiempo que se comprime el video c) Después de que el video es comprimido.
La marca de agua puede ser insertada dentro de las porciones visuales del video, así como en las porciones audibles del video. La mayoría de los sistemas de marca de agua insertan la misma en forma video adaptiva, lo cual reduce la visibilidad de la marca de agua e incrementa la robustez contra ataques [Maes2000], [Su2002], [Voloshynovskiy2001a].
Tabla 2.1 Resumen de sistemas DRM para video [Lin2005].
Medio protegido Distribución segura de contenido
Autenticación de dispositivo
Asociación de derechos
digitales
Video en
DVD-ROM Encripción
Entre unidad de DVD y PC
metadatos
Encripción Entre unidad de DVD
y PC metadatos Audio en
DVD-ROM marcado de agua
N/A marca de agua
Encripción Entre unidad de DVD
y PC metadatos
Medios Pre-grabados Video o
audio en DVD-
R/RW Encripción N/A metadatos
IEEE 1394 Encripción Mutuo metadatos
Interfase visual digital (DVI)
Encripción Mutuo metadatos
Interfase Digital
Interfase
NRSS Encripción
Entre el host y un dispositivo de seguridad removible
metadatos
Satélite Encripción Ninguno metadatos
Transmisión Terrestre Encripción Ninguno metadatos
Transmisión por cable Encripción Ninguno metadatos
Unicast Encripción Receptor metadatos
Internet
Multicast (Algunos esquemas de marca de agua han
sido propuestos
para multicast)
Encripción
Transmisor y receptor (dependiendo del tipo
de autenticación)
metadatos
2.5.1.1 Marcas de agua en secuencias de video en banda base
El marcado de video en banda base inserta información directamente en los datos antes de la compresión. En este método cada cuadro simple de video o algunos de ellos deben ser marcados. La figura 2.3 muestra el diagrama a bloques del modelo de marcado de video en banda base.
Figura 2.3. Modelo de marcado de agua de video en banda base.
2.5.1.2 Compresión con marca de agua
Los algoritmos de marcado pueden ser integrados al mismo tiempo junto con el procedimiento de compresión. Esta es una vía eficiente para el marcado de video a partir de la combinación del proceso de compresión y el marcado con un algoritmo, lo que ayuda a cumplir el requerimiento de tiempo real. La figura 2.4 muestra el modelo de la compresión MPEG con el marcado de agua.
Figura 2.4. Modelo de marcado de agua de video con compresión MPEG.
2.5.1.3 Marcas de Agua en tramas comprimidas
Este método inserta directamente la marca de agua en las tramas de video comprimido sin ser sujetas a los procesos de codificación y decodificación, este tipo de procesos de inserción causan poca pérdida en la calidad de video. El diagrama a bloques se muestra en la figura 2.5.
Figura 2.5. Modelo de marcado de agua de video en tramas MPEG comprimidas.
2.5.2 Dominios de inserción y detección de la marca de agua
El proceso de inserción de la marca de agua puede subdividirse en dos categorías principales de acuerdo al dominio de inserción:
a) Inserción en el dominio espacial (i.e., en los píxeles del video).
b) Inserción en el dominio transformado.
2.5.2.1 Inserción en el dominio espacial
Las técnicas de dominio espacial son las primeras que se estudiaron e implementaron y se basan en esquemas relativamente simples. Una técnica que trabaja en el dominio espacial inserta la marca de agua modificando directamente el valor de determinados píxeles de los cuadros de video. La mayoría de las veces es deseable una inserción directa en el espacio de la señal original, para reducir la complejidad, disminuir costos, reducir el retraso (o latencia), o algún requerimiento especial del sistema. Las reglas de inserción determinan las localizaciones de los píxeles a ser modificados y la fuerza de inserción de la marca de agua.
2.5.2.2 Inserción en el dominio transformado
Las técnicas de dominio transformado no modifican directamente el valor de los píxeles de los cuadros de video, sino que transforman los cuadros de video al dominio de frecuencias, utilizando diversas transformaciones como la transformada coseno discreto (DCT), la transformada discreta wavelet (DWT), etc., para luego insertar la marca de agua en la señal obtenida en ese dominio. Al aplicar la transformada inversa a la señal modificada se puede extraer la marca de agua.
Trabajando en el dominio transformado generalmente se logra una mayor robustez de la marca, pero los algoritmos utilizados son más complejos. Estas técnicas pueden insertar una gran cantidad de bits sin degradar notoriamente la calidad del video, pero aquí hay un mayor compromiso entre invisibilidad y robustez puesto que la marca se aplica indiscriminadamente en el dominio espacial del video.
Mediante la elección del mismo dominio transformado de compresión para la inserción de la marca de agua, pueden desarrollarse sistemas de marcado de agua robustos a un formato de compresión en particular. Otra razón importante para seleccionar el dominio transformado para la inserción de la marca de agua se debe a que para diversas aplicaciones, se desea o requiere necesariamente de la inserción directa de la marca de agua sobre la trama de bits comprimida.
2.5.3 Algoritmos de inserción y detección de la marca de agua
A su vez los algoritmos de inserción de la marca de agua, basados en algún dominio seleccionado, pueden insertar la marca de agua de acuerdo a las siguientes metodologías de inserción:
a) Inserción aditiva.
b) Inserción multiplicativa.
c) Inserción por cuantificación.
2.5.3.1 Inserción aditiva
Las técnicas de inserción aditiva son las mas populares debido a su simplicidad, y han sido ampliamente utilizadas en conjunto con el dominio espacial, debido a que en este caso la imperceptibilidad de la marca de agua se puede lograr de manera muy simple, mediante la adaptación de la fuerza de inserción de la marca de agua de acuerdo a las características locales del video huésped. La inserción aditiva esta dada por (2.1)
i i
i x m
y = +γ , (2.1)
donde es el i-ésimo componente de la señal original, es la i-ésima muestra de la marca de agua,
xi mi
γ es el parámetro que controla la fuerza de inserción de la marca de agua, y es el i-ésimo componente de la señal marcada [Barni2001].
yi
2.5.3.2 Inserción multiplicativa
Las técnicas de inserción multiplicativa son utilizadas principalmente en conjunto con técnicas de inserción en el dominio transformado debido a sus propiedades de enmascaramiento en el sistema visual humano; las cuales pueden obtener una alta imperceptibilidad cuando se inserta una marca de agua cuya energía a cierta frecuencia es proporcional a la energía del cuadro de video en esa misma frecuencia. La inserción multiplicativa esta dada por (2.2)
i i i
i x m x
y = +γ , (2.2)
donde es el i-ésimo componente de la señal original, es la i-ésima muestra de la marca de agua,
xi mi
γ es el parámetro que controla la fuerza de inserción de la marca de agua, y es el i-ésimo componente de la señal marcada [Barni2001].
yi
2.5.3.3 Inserción por cuantificación
Las técnicas de inserción por cuantificación están basadas en cuantificar la señal huésped con diferentes cuantificadores, los cuales están formados por un conjunto de puntos de reconstrucción que pertenecen al mismo espacio que las muestras originales. La inserción por cuantificación esta dada por (2.3)
(
Δ)
= i, i,
i q x m
y , (2.3)
donde es el i-ésimo componente de la señal marcada, que se obtiene de cuantificar el i- ésimo componente de la señal original , con el correspondiente cuantificador
yi
xi q
( )
, quedepende de la i-ésima muestra de la marca de agua y de la distancia mínima entre un punto de cuantificación y otro [Barni2001].
mi
Δ
2.6 Tipos de marca de agua
En general los tipos de marca de agua que se utilizan en el proceso de inserción de marca de agua pueden ser una secuencia de números pseudoaleatorios, una cadena de caracteres o una imagen digital [Bloom1999], [Maes2000].
En el caso de la secuencia de números pseudoaleatorios se hace uso de una llave, la cual garantiza que la secuencia generada sea siempre la misma y esto brinda una medida de seguridad a la marca de agua, además de que el valor de la llave sólo lo conoce el propietario de la información. Por lo tanto, el uso de la llave complementado con otros parámetros como son la posición de la inserción, el tamaño de la marca de agua y el algoritmo utilizado pueden brindar mayor seguridad a la marca de agua.
Algunos sistemas de marca de agua hacen uso de cadenas de caracteres como marca de agua, en los cuales se realiza una conversión de cada carácter del código ASCII en su representación binaria y la inserción se lleva a cabo en distintos planos que componen la imagen (planos de
bits), utilizando técnicas que permiten ocultar el mensaje dentro del documento, una de ellas es conocida como esteganografía LBM (Modulación de Bits Bajos) [Bloom1999].
Por último, el insertar imágenes como marcas de agua brinda una posibilidad mayor de insertar información relevante sobre el autor como puede ser: su foto, su firma, su huella digital, el logotipo de una empresa, una marca registrada, etc., por mencionar algunas; este tipo de marcas de agua brinda una prueba de propiedad sobre el material digital, que tiene un mayor peso en el ámbito legal, por eso este tipo de marcas de agua han tenido mayor auge en los sistemas de marca de agua en los últimos años.
2.7 Detección de la marca de agua
El detector de la marca de agua examina la prueba de entrada de video y determina si la marca de agua esta presente o no. La prueba de video puede ser un video marcado, un video marcado que ha sido atacado, o un video que no esta marcado. Para detectar la marca de agua, el detector de marcas de agua requiere de una llave secreta de detección. La mayoría de las técnicas de marcado de agua son simétricas, donde la llave de inserción y su correspondiente llave de detección son idénticas. Para la mayoría de las aplicaciones, el detector de marcas de agua es usualmente ciego, lo cual significa que el detector no tiene el acceso al video original (sin marca de agua). Algunas aplicaciones (como rastreo de contenido) y otras aplicaciones de marcas de agua pueden usar detección no ciega, donde el video original esta disponible al detector. Si la marca de agua es detectada y la técnica de marcado soporta la extracción de datos, el detector de la marca de agua extrae estos datos y los proporciona al sistema para su validación.
El proceso de detección de la marca de agua depende directamente del tipo de marca de agua que fue insertada, por ejemplo para el caso en que la marca de agua que fue insertada es un patrón pseudoaleatorio, la detección de la marca se hace mediante una ecuación de correlación. Con dicha ecuación se obtienen los valores de correlación, donde se establece la relación de las otras posibles marcas y la marca insertada. El valor de correlación más grande debe ser aquel que se obtiene al comparar la marca de agua insertada con la marca de agua
extraída del video marcado, además de que dicho valor debe rebasar un valor de umbral como se muestra en la figura 2.6 [Maes2000].
Figura 2.6. Valores de correlación para tres diferentes videos.
Para el caso de marcas de agua como imágenes, el proceso de extracción depende únicamente del método de inserción, el cual debe revertirse y de esta manera extraer los bits de la imagen insertada, podemos mencionar que no existe una regla en particular para la extracción o detección de la marca de agua, pero si existen medidas cualitativas y cuantitativas de la calidad de la marca de agua extraída, las cuales nos indican que tan robusto es nuestro sistema, estas medidas pueden ser la prueba MOS, la tasa de error de bits (BER) y la correlación normalizada (CN) [Maes2000], [Lin2005]. La figura 2.7 muestra la tasa de error de bits para diferentes marcas de agua extraídas.
2.8 Requerimientos técnicos para una marca de agua en video
En el marcado de agua digital en video se debe tomar en cuenta: el valor del contenido de video, la gran cantidad de datos redundantes entre cuadros, el desbalance entre las regiones con y sin movimiento y los requerimientos en tiempo real en el caso particular de la transmisión de video digital, etc. Aunado a esto debe considerarse que las secuencias de video
marcadas son altamente susceptibles a ataques piratas como el promedio de cuadros (frame averaging), intercambio de cuadros (frame swapping), conversión analógica-digital, y compresión con pérdidas (MPEG), por mencionar algunas. Otra de las grandes dificultades técnicas es el problema de cómo resistir estos ataques a partir de la dificultad de la extracción del contenido de la marca debido a la pérdida de la sincronización espacial y temporal.
En base a esto, las marcas de agua en video proponen algunos requerimientos únicos que no son aplicables al marcado de imágenes estáticas y es un reto científico y técnico el presentar un método robusto de marcado de video.
Figura 2.7. Marcas de agua extraídas con diferentes valores de BER. (a) Marca de agua original, (b)-(d) Marcas de agua extraídas con BER=0.005, BER=0.06, BER=0.15.
2.8.1 Visibilidad y Robustez de las marcas de agua
Las marcas de agua deben de ser “de calidad transparente”, es decir que sean invisibles en el material digital original de alta calidad tomando en cuenta no solamente el dominio espacial sino también el temporal. Además es de gran importancia que la marca de agua insertada sea robusta a los ataques y difícil de remover o borrar sin causar daños significantes al video marcado. Idealmente, la marca de agua insertada es una parte indeleble e inseparable del video marcado.
2.8.2 Datos útiles de la marca de agua
Considerando el procesamiento de las secuencias de video, un aspecto importante a tener encuentra en los datos útiles de la marca de agua en video es la granularidad de la marca de
agua. La granularidad de la marca de agua describe la cantidad de datos necesarios para insertar una unidad de información de la marca de agua. Esta unidad se define como segmento mínimo de marca de agua (WMS) [Lin2005]. En otras palabras, una unidad (una WMS) que se requiere para insertar la información completa de una marca de agua una vez, define el tamaño del grupo de cuadros sucesivos. Un tamaño grande en la WMS no es deseable debido a que la marca de agua debe de ser extraíble a partir de una fracción pequeña de la secuencia de video. Cuando alguien corta o elimina un cierto número de cuadros de la marca de agua, la información de esta no es fácil de recuperar. Por el contrario si la WMS es demasiado pequeña quizá no exista suficiente espacio para insertar la información completa de la marca de agua.
2.8.3 Llave secreta para la seguridad de la marca de agua
La medida de la seguridad de las técnicas de marca de agua puede ser iniciada de la misma manera como las consideraciones de seguridad de las técnicas de encripción. El algoritmo no es confiable si la seguridad recae en el secreto del algoritmo de la marca de agua, este debe recaer en la llave secreta de la marca de agua [Langelaar2000]. La llave secreta de la marca de agua tiene que ser difícil de predecir y criptográficamente fuerte. Esto significa que la llave debe de ser de longitud considerable (usando un numero grande de posibles llaves de la marca de agua) y debe hacerse un eficiente manejo de estas llaves.
2.8.4 Inserción y detección en tiempo real
El costo computacional de la inserción de marcas de agua es un problema para algunas aplicaciones. Si la misma marca de agua será insertada en muchas copias del video y la inserción en tiempo real no es necesaria, entonces el costo computacional para la inserción de marcas de agua sólo es necesario cuando la copia maestra es creada. De otra forma, si diferentes marcas de agua van a ser insertadas en cada una de las copias del video, o si la inserción en tiempo real es necesaria, entonces el costo computacional de inserción es mucho más grande.
En algunas aplicaciones como la producción de TV (grabación, visualización, almacenamiento entre otras) y en procesos de monitoreo, la inserción y recuperación de la marca de agua debe ser realizada en tiempo real, en estos casos el proceso de inserción debe tener un retraso menor a 80ms.
2.9 Ataques y Robustez de la Marca de Agua
El video marcado puede ser sujeto a ataques antes de ser examinado por el detector [Voloshynovskiy2001b], [Voloshynovskiy2001c], [Petitcolas1998]. Un ataque es un proceso el cual puede remover la marca de agua insertada, incrementando la dificultad en la detección o afectar la seguridad de la marca de agua. El video marcado puede ser atacado en múltiples ocasiones. Los ataques no necesariamente son maliciosos. Algunos ataques surgen del procesamiento del video marcado por usuarios sin ningún intento hostil. Por supuesto, existe la motivación por parte de los hackers y usuarios piratas para remover las marcas de agua. Si un atacante remueve exitosamente la marca de agua insertada, o la hace indetectable en el video marcado. Entonces los beneficios y protección que el marcado otorga se pierden.
La marca de agua debe ser robusta en contra de la pérdida de datos por compresión, tales como: MJPEG, MPEG-1, MPEG-2, etc. Este es uno de los requerimientos básicos para los algoritmos de marcas de agua en video, algunas de las primeras soluciones a este problema estuvieron enfocadas a este requerimiento y por consiguiente diseñadas para tener una fuerte robustez en contra de la pérdida de datos por compresión.
La robustez de las marcas de agua en contra de las conversiones de señal es también uno de los requerimientos generales que aplica al marcado en video, el cual es uno de los problemas más difíciles de resolver.
Las técnicas de marcado de agua deben ser robustas, ya que como se mencionaba anteriormente la robustez se ve afectada por las distorsiones de los datos introducidas a causa del procesamiento normal del video y los ataques. Además el marcado de video tiene sus
