Watermarking

Watermarking è il nome generico di tutta una serie di tecniche che hanno lo scopo di nascondere delle informazioni all'interno di documenti come per esempio

file audio
immagini
video
...

lezione Watermarking
	Tipo: lezione
	Materia: Elaborazione numerica delle immagini

Volendo tradurre in italiano la parola watermarking, si può usare il termine filigrana, anche se non rende bene l'idea di fondo, cioè il fatto che l'informazione, in molti casi, deve restare segreta. Per raggiungere lo scopo che ci prefiggiamo, possiamo usare vari strumenti come la crittografia e la steganografia.

Il watermarking digitale è una materia relativamente giovane, viene studiata soltanto da circa 15 anni, e ad oggi è da considerarsi poco efficace, almeno per quanto riguarda le immagini; questo perché, mentre con audio e video si ha a disposizione una gran quantità di dati, per le immagini i dati a disposizione sono pochi, quindi non si riesce ad influire in maniera significativa (e sicura) su di essi.

Tipologie di watermarking

Al watermarking si richiede:

impercettibilità, cioè l'utente che fruisce del contenuto non deve avere una sensazione di degrado della qualità dell'immagine, della traccia audio o del video;
robustezza e sicurezza, cioè il marchio non deve poter essere rimosso, modificato o letto da chi non è autorizzato, questo nonostante la grande varietà di operazioni di filtraggio che possono essere fatte sui vari segnali.
capacità, cioè deve essere in grado di inserire nel documento una quantità di dati sufficiente almeno per lo scopo che si prefigge chi introduce il watermark.

Watermarking e crittografia non sono due scienze alternative, al contrario, esse possono essere usate (e vengono usate) sia contemporaneamente che isolate una dall'altra.

Allo stato dell'arte, almeno per quanto riguarda la ricerca pubblica, questi requisiti non possono essere massimizzati contemporaneamente, perché ognuno di essi va a danneggiare gli altri; non è tuttavia possibile sapere cosa le grandi industrie abbiano scoperto, quindi non è possibile affermare con certezza che, ad oggi, vi siano documenti trattati con watermark sicuri.

Esistono due tipi di watermarking:

cieco, blind: in questo caso, non si ha alcuna informazione sul documento originale (l'immagine, il video o la traccia audio);
non cieco: in questo caso, chi deve recuperare il watermark ha a disposizione il documento originale, o una qualche informazione utile al riguardo.

Questi due tipi di watermark rispondono a due esigenze diverse: nel primo caso, vogliamo trasmettere un'informazione che, in teoria, chiunque può leggere; nel secondo caso, invece, vogliamo non solo inserire un messaggio nel documento, ma vogliamo anche far in modo che questo sia segreto se non si ha a disposizione l'originale. Esempi di applicazione:

un corpo di polizia intercetta un file mp3 scambiato su una rete di peer to peer con un contenuto musicale protetto da copyright; nel caso di watermark cieco, sarà in grado di leggere il contenuto del watermark senza avere a disposizione l'originale.
un autore vuole pubblicare un documento di cui è autore, inserendo al suo interno le informazioni pubbliche necessarie perché chiunque sia in grado di contattarlo ed identificarlo (watermark cieco).
due persone vogliono comunicare tra di loro un messaggio cifrato attraverso un canale insicuro, facendo in modo che nessuno possa sospettare una comunicazione diversa dall'immagine o dal file audio scambiato (watermark non cieco).

Modello del watermarking

Il modello di utilizzo del watermark è in tutto e per tutto simile al modello di trasmissione dei dati in un canale; infatti, abbiamo:

una codifica di canale, l'operazione di watermarking vera e propria;
un canale rumoroso, sul quale possiamo avere del processing legittimo o degli attacchi (meno legittimi).
una decodifica di canale, cioè l'operazione di estrazione dei dati inseriti nel documento digitale.

Watermarking sulle immagini

Come si è detto, il watermarking è particolarmente debole se applicato alle immagini: infatti, esistono una gran quantità di elaborazioni che possono essere introdotte, ciascuna delle quali risulta essere distruttiva per ogni tecnica di watermarking nota.

Il watermarking dovrebbe essere resistente a ridimensionamento delle immagini, al ricampionamento, al filtraggio lineare e non lineare, alle equalizzazioni, alla rimozione di parti di immagini, eccetera: ogni tecnica di watermarking che vada a massimizzare la propria sicurezza per uno di questi aspetti, allo stato dell'arte, risulta tipicamente del tutto debole sotto molti altri fronti.

Selezione del quantizzatore

Per inserire un messaggio all'interno di un'immagine, possiamo scegliere di usare un quantizzatore diverso per ogni punto dell'immagine all'interno della quale è presente il bit significativo: con due quantizzatori diversi, si è in grado di trasmettere il messaggio lasciando l'immagine sostanzialmente immutata.

Questa semplice tecnica consiste nell'usare due quantizzatori sfasati di una quantità $\Delta$

Problemi etici legati al watermarking

Il watermarking è un insieme di tecnologie che si prefiggono degli scopi diversi; tra questi scopi, vi è anche il controllo della fruizione del materiale.

L'industria cinematografica e musicale in questi anni ha dato un grande impulso allo studio di questa scienza, allo scopo di proteggere i contenuti da un uso ritenuto improprio; questo fatto viene visto da alcuni come un tentativo di controllare gli acquirenti che si presta ad utilizzi troppo invasivi della riservatezza delle persone, e per questo viene considerato come qualcosa di negativo.

Al contrario, il watermarking può essere usato anche per scopi positivi (come mostrato negli esempi precedenti), ma questi tipi di scopi, che hanno bisogno di approcci diversi, trovano poco interesse nei grandi finanziatori della ricerca.