دانلود مقاله واترمارکینگ

پیشگفتار: کلمه واترمارک یا اثر آب، به 700 سال قبل بر می گردد که در کارخانه های سنتی تولید کاغذ، الیاف نم دار را به وسیله یک مهر سخت تحت فشار قرار می دادند تا نم الیاف بر روی کاغذ بماند.

از این روش برای حک مهر کارخانه بر روی کاغذ استفاده می شد.

اولین بار در ایتالیا از واترمارکینگ برای مشخص کردن سازنده کاغذ استفاده شد که ارزش قانونی هم داشت.

حتی در یک پرونده جنایی از همین کاغذ ها به عنوان مدرک استفاده شد.

اما با آغاز عصر ارتباطات و پیشرفت رایانه ها، واترمارکهای دیجیتال معرفی شد و به طور سریع پیشرفت کرد.

به طوری که تا سال 1995 کلا 13 مقاله در مورد واترمارکینگ وجود داشته ولی تا سال 1998 این تعداد به 107 مقاله رسید.

به طور کلی واترمارکینگ به پنهان کردن یک داده ( واترمارک) در داده پوشاننده (پوشش) به منظور اعمال حق مالکیت روی پوشش، گفته می شود.

که شباهت زیادی به استگانوگرافی دارد.

استگانوگرافی حمل مخفی یک داده در داده دیگر است.

در هر دو این روشها از افزونگی موجود در پوشش استفاده می شود.

این پوشش می­تواند صدا، تصویر، عکس و حتی متن باشد.

زیرا همانطور که می دانید این پوششها حاوی افزونگی زیادی هستند.

البته با استفاده از روش طیف گسترده می توان راز را در نویز موجود در پوشش نیز قرار داد.

از آنجایی که هر دو روش استگانوگرافی و واترمارکینگ یک داده را در داخل داده دیگری مخفی می کنند و بدین طریق یک داده را در داده دیگر حمل می کنند به هم شباهت دارند.

اما با توجه به هدف طراحی از یکدیگر متمایز می شوند.

هدف از استگانوگرافی مخفی کردن یک داده در پوشش است بطوریکه وجود داده مخفی در پوشش آشکار نشود و هدف آن مقاومت در برابر تغییرات نیست.

اما واترمارکینگ با هدف اعمال مالکیت طراحی شده است و هدف آن حمل اطلاعات نه لزوما مخفی در پوشش است بطوریکه در برابر تغییرات روی پوشش مقاوم باشد و در صورت ایجاد تغیییرات روی پوشش اطلاعات مخفی قابل بازیابی باشد.

در واترمارکینگ هدف مخفی ماندن وجود واترمارک نیست لذا امکان دارد که وجود واترمارک در پوشش کاملا قابل رویت باشد.

دسته بندی انواع روش های واترمارکینگ اگر بخواهیم یک دسته بندی روی روشهای واترمارکینگ انجام دهیم، می توان آنها را به دو دسته کلی واترمارک های آشکار و مخفی دسته بندی کرد، که هر کدام از آنها مزیت های خود را دارند.

در زیر یک نمونه از واترمارکهای آشکار آورده شده است که یک متن (واترمارک) بر روی پوششی از نوع تصویر آورده شده است.

شکل 1- تصویر با واترمارک شفاف همانطور که از شکل (1) نیز مشخص است حذف واترمارکهای آشکار کاری مشکل است و تاحدی باعث خراب شدن تصویر می شود و از طرفی وجود واترمارک و محتوای واترمارک برای همه مشخص است حتی در جایی که صاحب محصول نخواهد که محتوای واترمارک آشکار باشد.

از دیگر انواع واترمارکهای آشکار می توان به واترمارکهای سخت و غیر شفاف اشاره کرد، از جمله لوگو برنامه های تلویزیونی نمونه ای از آنها است.

اما واترمارکهای مخفی همانطور که از نام آن نیز مشخص است مخفی هستند و به آسانی نمی توان از وجود آنها آگاه شد.

از این نوع واترمارک ها می توان برای تشخیص مالکیت و همچنین تشخیص جامعیت یک تصویر استفاده کرد.

در زیر مزایای استفاده از واترمارکینگ مخفی در مقایسه با واترمارکهای آشکار برمی شماریم: خراب نکردن صورت ظاهری تصویر آسان کردن بررسی مالکیت و جستجو در شبکه: امروزه با گسترش شبکه بررسی آن به منظور یافتن تصاویری که دارای حق مالکیت هستند بیشتر شده است.

بدین منظور ماشین های جستجویی نیز طراحی شده اند و شرکتهایی هم مسئولیت بررسی شبکه به منظور پیدا کردن تصاویر داری حق مالکیت را به عهده گرفته اند.

که این روش ها معمولا به گونه ای است که می توان با محاسبات کم و دسترسی به حجم کم اطلاعات به وجود یا عدم وجود واترمارک پی برد و نیاز به پردازش تصویر برای بررسی واترمارک نیست.

نشان دادن مالکیت در مواقع مورد نیاز: گاهی اوقات ما نیاز داریم که مالکیت تصویر فقط زمانی که نیاز داریم آشکار شود نه همیشه.

برای برآورده کردن این امر استفاده از واترمارکهای مخفی ضروری به نظر می رسد.

واترمارک به نام دریافت کننده محصول: در برخی موارد نیز نیاز است که گیرنده محصول از تعلق محصول به خودش آگاه شود ولی نیاز ندارد که این موضوع برای همه مشخص باشد.

همچنین این روش به بررسی تخلف خریداران در کپی برداری از محصول نیز کمک می کند.

عنوان گذاری در یک داده: به عنوان مثالی از این نمونه می توان از قرار دادن نام خواننده و نام آلبوم و بعضی از مشخصات دیگر یک موزیک در فایل های MP3 نام برد که بدون افزایش حجم فایل صوتی مورد نظر انجام می گیرد.

به عنوان یکی دیگر از مثال ها می توان از قرار دادن اطلاعات سازنده فیلم در یک DVD نام برد، که به منظور حفظ حق مالکیت انجام می گیرد و از کپی برداری غیر مجاز از یک DVD جلوگیری می کند.

معرفی یک دسته بندی دیگر با توجه به میزان مقاومت تصویر در برابر تغییرات قابل اعمال، می توان روشهای واترمارکینگ را به سه دسته تقسیم بندی کرد که در ادامه به بررسی آنها می پردازیم.

واترمارکینگ شکننده:این واترمارک ها به گونه ای است که در اثر کوچکترین تغییر در تصویر از بین می رود لذا برای بررسی جامعیت تصویر مناسب است.

زیرا با کوچکترین تغییر در داده واترمارک شده، واترمارک از بین می رود و شخص دریافت کننده از تغییر ایجاد شده آگاه خواهد شد.

واترمارکینگ قوی: این نوع از واترمارکینگ معمولا برای اعمال مالکیت روی داده های چند رسانه ای به کار می روند و به گونه ای طراحی می شوند که در برابر تغییرات جزئی قوی باشد و به راحتی اطلاعات واترمارک از بین نرود و بتوان بعد از تغییرات هم مالک پوشش را تشخیص داد.

از انواع آن می توان به موارد زیر اشاره کرد: قوی در برابر بریدن: یعنی واترمارک در یک قسمت خاص از تصویر تنها نباشد که با بریدن آن قسمت از تصویر و حذف آن بتوان واترمارک را حذف کرد.

قوی در برابر تغییر مقیاس و چرخش: گاهی دشمن با تغییر اندازه تصویر و یا چرخش چند درجه ای غیر محسوس تصویر سعی در از بین بردن واترمارک دارد لذا واترمارک باید در برابر این تغییرات قوی باشد.

قوی در برابر انتقال: یعنی نتوان با شیفت به اندازه یک پیکسل به چپ یا راست تصویر، واترمارک را از بین برد.

قوی در برابر فشرده ساز های پر اتلاف: واترمارک باید به گونه ای باشد که اگر به عنوان مثال با فشرده ساز jpeg فشرده شد از بین نرود.

واترمارکهای نیمه شکننده: این روش واترمارکینگ به گونه ای است که در برابر بعضی تغییرات شکننده و در برابر بعضی دیگر از تغییرات مقاوم است.

به عنوان مثال چون برای انتشار تصاویر در اینترنت معمولا از فشرده ساز jpeg استفاده می شود بهتر است که واترمارک در برابر این فشرده ساز مقاوم باشد ولی در برابر دیگر تغییرات شکننده باشد.

در ادامه بیشتر به معرفی روشهای ایجاد واترمارک های قوی خواهیم پرداخت.

و توضیح خواهیم داد که چگونه می توان روشهای قوی تری را ارائه داد.

و در آخر روشی جدید برای تولید واترمارک ارائه خواهیم داد که از پوشش سیگنال صحبت استفاده می کند تکنیک های واترمارکینگ جانشینی: تکنیکهای جانشینی به جایگذاری بیتهای راز در بیتهای کم ارزش یک بخش از تصویر، تمام تصویر یا قراردادن یک بیت در یک بیت از هر بخش از تصویر می پردازد.

از آنجایی که چشم انسان قادر به تشخیص تغییر رنگ ناشی از عوض شدن بیت کم ارزش نیست این روش در پنهان کردن راز از چشم انسان موفق است.

اما این روش در برابر تغییرات بسیار حساس است و در اثر کوچکترین تغییر تصویر واترمارک از بین خواهد رفت.

در زیر دو روش از روشهای جانشینی را مورد بررسی قرار می دهیم.

جانشینی بیتی: می توان یک قالب به طول تعداد بیت های پیامی که قرار است مخفی شود اختصاص داد و هر بیت از این پیام را در بیت کم ارزش بایت مورد نظر قرار داد (شکل 2).

یا می توان بیت های پیام را به وسیله یک دنباله شبه تصادفی گسترش داد به طوری که طول آن به اندازه تعداد بایتهای پوشش شود..

شکل 2- جانشینی ساده روش دیگری که می توان استفاده کرد قرار دادن بیتهای پیام با فاصله های شبه تصادفی از هم در پوشش است.

برای این منظوراین گونه عمل می کنیم که یک دنباله شبه تصادفی ایجاد می کنیم که هر حالت از آن فاصله بیتهای واترمارک را در پوشش نشان می دهد.

به عنوان مثال اگر سه حالت اول دنباله 10،5و16 بود اولین بیت پیام را در بیت کم ارزش پنجمین بایت پوشش جایگزین می کنیم و دومین بیت را دربیت کم ارزش بایت 15 و بیت سوم پیام را در بیت کم ارزش 31 بایت پیام(شکل 3 ) جایگزین می کنیم.

شکل 3- جانشینی ساده با کلید جانشینی منطقه ای: میتوان به جای قرار دادن هر بیت از پیام در یک بایت از پوشش بدین صورت عمل کرد که پوشش را به تعداد بیت های پیام تقسیم کرده و هر بخش را یک منطقه بنامیم.

سپس توازن بیتهای کم ارزش هر منطقه را محاسبه کنیم، اگر این توازن با بیت پیام مربوط به آن منطقه یکسان بود که تغییری در بیت های منطقه نمی دهیم.

اما اگر این توازن با بیت پیام یکسان نبود به انتخاب خودمان یکی از بیت های کم ارزش آن منطقه را عوض می کنیم تا توازن آن منطقه با بیت پیام یکسان شود.

مزیت این روش نسبت به روش جانشینی بیتی این است که هر بیت از منطقه را که بخواهیم عوض می کنیم و این سبب می شود که تغییرات ناشی از اعمال پیام در پوشش کمتر قابل تشخیص باشد.

ثانیا احتمال اینکه توازن یک منطقه صفر باشد مستقل از تعداد صفر ها و یک های آن منطقه است.

واترمارکینگ سیگنال صحبت: از آنجایی که روش واترمارکینگ قوی مورد نظر ما از سیگنال صحبت به عنوان پوشش استفاده می کند در ادامه به ارائه چند روش واترمارکینگ با پوشش صحبت خواهیم پرداخت و نقاط ضعف و قوت آنرا مورد بررسی قرار می دهیم.

تکنیکهای واترمارکینگ سیگنال صحبت: اگر بخواهیم روشهای واترمارکینگ قابل اعمال بر سیگنال صحبت را تقسیم بندی کنیم می توان دسته بندی زیر را انجام داد: جانشینی تکرار صدا در زیر به طور مختصر به بررسی هر یک ازاین روشها می پردازیم.

جانشینی در صوت: در این روش ما بیت ها ی واترمارک را در بیتهای کم ارزش هر نمونه از سیگنال صحبت قرار می دهیم.

تکرار صدا: از آنجایی که گوش انسان تا یک حدی نسبت به تکرار صدا حساس است، می توان یک بخش از صدا با توجه به صفر یا یک بودن بیتهای واترمارک با تاخیر متفاوت تکرار کرد.

در شکل های(4 و 5) این روش نشان داده شده است.

شکل 4- سیگنال اصلی شکل 5 - سیگنال واترمارک شده، dt=20ms به ازای بیت صفر بازیابی واترمارک نیز به راحتی با محاسبه همبستگی از سیگنال واترمارک شده انجام می شود.

بعد از محاسبه همبستگی یک تعداد پالس در محل های تکرار خواهیم داشت که فاصله بین آنها میزان صفر یا یک بودن بیت واترمارک را مشخص می کند.

شکل (6) شکل 6- سیگنال خروجی آشکار ساز فصل دوم : استگانوگرافی پیشگفتار : استگانوگرافی ، هنر مخفی کردن یک متن در متن دیگر ، یکی از هم خانواده های Cryptography یا رمزنگاری است که امروزه بدلیل در خواست صنعت در به جا گذاشتن آثاری در فیلم های ویدئویی و صدا برای اعمال copyright استفاده فراوانی پیدا کرده است .

به عمل اضافه کردن نشانه ای در عکس ، ویدئو یا صدا برای نشان دهنده هویت آن اثر ، watermarking یا fingerprinting می گویند .

البته watermarking و fingerprinting کمی با یکدیگر تفاوت دارند ، وقتی نشانه تجاری یا مشخصه ای در یک اثر مانند عکس ، ویدئو یا صدا به شکل مخفیانه ذخیره می شود به آن watermarking می گویند ؛ اما مخفی کردن شماره سریال یا یک مشخصه از یک چیز در چیز مشابه دیگر را fingerprinting می نامند .

هر دوی این روش ها برای جلوگیری از دزدی آثار بکار می روند ، از دومی برای پیدا کردن ناقضین کپی رایت و از اولی برای اثبات آن استفاده می شود .

اما این دو روش بخشی از مطلب کلی تری به نام استگانوگرافی هستند .

هدف ما از این مقاله دادن اطلاعات کلی درباره استگانوگرافی است .

برای رسیدن به این هدف ابتدا تاریخچه ای از این عنوان را که یونان باستان باز می گردد می گوییم ، سپس روش های مختلف این کار مانند مخفی کردن اطلاعات در متن ، در عکس و یا در صدا