Υδατοσήμανση: Η Τεχνολογία στην Προστασία Πνευματικών Δικαιωμάτων Ιδιοκτητών Ψηφιακού Περιεχομένου

Με την ταυτόχρονη ραγδαία εξέλιξη σε ψηφιακές συσκευές καταγραφής και αποθήκευσης ψηφιακών δεδομένων σε υψηλή ποιότητα, έγινε εφικτή η εύκολη πρόσβαση σε ψηφιακά πολυμεσικά δεδομένα, καθώς επίσης και η ευκολία αντιγραφής, αναπαραγωγής και διανομής προστατευμένων ως προς τα πνευματικά δικαιώματα τέτοιων δεδομένων.

Η ψηφιακή πληροφορία στις μέρες μας, αποτελεί το πιο πολύτιμο αγαθό της Κοινωνίας της Πληροφορίας, από την πιο απλή της μορφή, έως δεδομένα κειμένου και την πιο πολύπλοκη μορφή της ως δεδομένα πολυμέσων.

Τα τελευταία έχουν «εισβάλει» πλέον σε όλες τις πτυχές της ζωής μας, στην καθημερινή επικοινωνία μας (MMS, βιντεοτηλέφωνο, τηλεσυνδιάσκεψη), στους τρόπους διασκέδασής μας (ψηφιακά μουσικά τραγούδια (mp3s), DVDs, e-Cinema), στους τρόπους μάθησής μας (ηλεκτρονική μάθηση), υποδεικνύοντας την τεράστια χρήση του Διαδικτύου, των ψηφιακών επικοινωνιών και των δικτυακών πλέον υπηρεσιών πολυμέσων και συστημάτων. Αποτέλεσμα όλων αυτών, είναι να έχουν ανακύψει σημαντικά ζητήματα, που σχετίζονται με την αντιγραφή, αναπαραγωγή και διανομή προστατευμένου ως προς τα πνευματικά δικαιώματα, υλικού.
Και ενώ το θέμα της προστασίας των πνευματικών δικαιωμάτων του περιεχομένου υλικού μέχρι πριν κάποια χρόνια ήταν κυρίως νομικό, τώρα λόγω της μετάβασής μας στον «ψηφιακό» και ευρέως κατανεμημένο κόσμο μας, μετατράπηκε και σε τεχνολογικό θέμα. Η τεχνολογία έρχεται να συμπληρώσει και να υποβοηθήσει τη νομοθεσία και τη βέλτιστη εφαρμογή νόμων, σε περιπτώσεις καταπάτησης πνευματικών δικαιωμάτων ή αμφισβήτησης πνευματικής ιδιοκτησίας σε ψηφιακά δεδομένα.

Πώς το επιτυγχάνει αυτό; Εκτενής έρευνα [2, 6-8] καθώς και η εμφάνιση εμπορικών προϊόντων [3-5] και βιομηχανικών συμμαχιών [1], έχουν πραγματοποιηθεί τις τελευταίες δεκαετίες στις λεγόμενες ψηφιακές τεχνικές υδατοσήμανσης. Τι είναι υδατοσήμανση; Είναι η ενσωμάτωση στα αρχικά ψηφιακά δεδομένα ενός σήματος με το όνομα υδατόσημο, το οποίο μεταφέρει πληροφορία σχετική με τον ιδιοκτήτη ή τον κάτοχο πνευματικών δικαιωμάτων, με την προέλευση ή με τον αποδέκτη αυτών. Το υδατόσημο για να πετύχει αυτόν το σκοπό θα πρέπει να είναι μη αντιληπτό από οποιονδήποτε έχει πρόσβαση στα δεδομένα, αλλά να μπορεί να διαβαστεί από τους υπολογιστές, να μην αφαιρείται και να είναι ανθεκτικό σε οποιαδήποτε επεξεργασία των δεδομένων. Οι τεχνικές υδατοσήμανσης έρχονται να συμπληρώσουν τους κλασικούς μηχανισμούς ασφάλειας, όπως η κρυπτογράφηση, μιας και αυτοί οι μηχανισμοί είναι αποτελεσματικοί στη φάση της μετάδοσης των ψηφιακών δεδομένων, αλλά μόλις επιτευχθεί η αποκρυπτογράφησή τους σε τερματικά χρηστών για την προβολή ή διαχείριση των δεδομένων, τέτοιοι μηχανισμοί ασφάλειας παύουν να παρέχουν πλέον την επιθυμητή ασφάλεια.
Βασικός μηχανισμός στις τεχνικές υδατοσήμανσης, είναι η δημιουργία των υδατόσημων με τα προαναφερθέντα βασικά επιθυμητά χαρακτηριστικά. Το υδατόσημο, γενικά, είναι ένα «μυστικό» μήνυμα, το οποίο ενσωματώνεται μέσα στο αρχικό μήνυμα (αρχικά δεδομένα). Το «διάβασμα» του μυστικού μηνύματος ή, επιστημονικά, η ανίχνευση ή εξαγωγή του υδατόσημου από τα αρχικά δεδομένα, είναι επομένως δυνατή μόνο αν είναι γνωστό το «μυστικό κλειδί» που χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία του. Το μυστικό αυτό κλειδί είναι γνωστό μόνο στον πνευματικό ιδιοκτήτη των δεδομένων ή στο νόμιμο αποδέκτη αυτών (ανάλογα με την εφαρμογή). Η χορήγηση κλειδιών γίνεται από τρίτους οργανισμούς εμπιστευτικότητας.

Η [1] αναφέρει σχετικά με τα ψηφιακά υδατόσημα: «…τα ψηφιακά υδατόσημα σήμερα εφαρμόζονται σε δισεκατομμύρια ψηφιακών ηχητικών, μουσικών, οπτικοακουστικών, εικονικών δεδομένων και χρησιμοποιούνται σε εκατοντάδες εκατομμύρια εφαρμογών…»,τονίζοντας έτσι την ευρεία διάδοση και υιοθέτηση της τεχνολογίας υδατοσήμανσης.
Οι τεχνικές υδατοσήμανσης, εκτός από το πρώτο βήμα δημιουργίας μοναδικών υδατόσημων με τη χρήση μυστικών κλειδιών, εμπεριέχουν και τα βήματα ενσωμάτωσης των υδατόσημων στα αρχικά δεδομένα, καθώς και ανίχνευσης ή εξαγωγής των υδατόσημων. Η πρόκληση που πρέπει να αντιμετωπίσει η διαδικασία ενσωμάτωσης, είναι η επίτευξη της μη αντιληπτικότητας του υδατόσημου από τον άνθρωπο, ταυτόχρονα με τη μη δυνατότητα αφαίρεσης ή καταστροφής του στα υδατοσημασμένα δεδομένα. Αφαίρεση ή καταστροφή (μη αξιοπιστία) των υδατόσημων επιχειρείται συνήθως από παράνομους χρήστες ή «πειρατές», με σκοπό την παράνομη αντιγραφή και διανομή των ψηφιακών δεδομένων. Οποιαδήποτε διαδικασία αφαίρεσης ή καταστροφής των υδατόσημων, λέγεται «επίθεση» και αποτελεί θεμιτή ή μη επεξεργασία των υδατοσημασμένων δεδομένων, κατά τη χρήση τους. Από την άλλη, για την επιβεβαίωση της ταυτότητας του πνευματικού ιδιοκτήτη των ψηφιακών δεδομένων -και συνεπώς, για την προστασία των πνευματικών του δικαιωμάτων, χρησιμοποιείται διαδικασία ανίχνευσης για να ελεγχθεί αν τα εν λόγω δεδομένα είναι υδατοσημασμένα με το δικό του μυστικό κλειδί.
Για την καλύτερη κατανόηση της διαδικασίας, ας αναλύσουμε ένα απλοποιημένο σενάριο προστασίας πνευματικών δικαιωμάτων, του ιδιοκτήτη μιας ψηφιακής εικόνας της Mona Lisa.

Στην εικόνα 1, φαίνεται οπτικά η εξέλιξη αυτού του σεναρίου. Ας υποθέσουμε πως η Αλίκη, η πνευματική ιδιοκτήτρια της ψηφιακής εικόνας της Mona Lisa, θέλει να την εκθέσει σε μια ιστοσελίδα στο Διαδίκτυο, προς τέρψη των επισκεπτών της. Θέλει όμως ταυτόχρονα, να προστατέψει και τα πνευματικά της δικαιώματα και να αποτρέψει οποιαδήποτε παράνομη αντιγραφή και διανομή της εικόνας από τρίτους. Στην κατοχή της έχει φυσικά την αρχική ψηφιακή εικόνα, καθώς και το μυστικό κλειδί της, με χρήση του οποίου φτιάχνει το μοναδικό υδατόσημό της (την «υπογραφή» της). Τόσο την αρχική εικόνα όσο και το κλειδί της, τα κρατάει μυστικά για να τα προστατέψει. Στη συνέχεια, ενσωματώνει το υδατόσημό της στην αρχική εικόνα, δημιουργώντας έτσι την υδατοσημασμένη εικόνα. Αυτή πλέον μπορεί να τη δημοσιοποιήσει στην ιστοσελίδα της. Ένας επισκέπτης της ιστοσελίδας της, ο Μπομπ, αντιγράφει την ψηφιακή εικόνα και την πουλάει ως δική του. Το ερώτημα επομένως, είναι: «Πώς μπορεί η Αλίκη να αποδείξει την πνευματική ιδιοκτησία της και επομένως να αναγκάσει τον Μπομπ να της πληρώσει πολλά χρήματα;». Το πρόβλημα γίνεται πιο πολύπλοκο, αν ο Μπομπ μετά την αντιγραφή, επεξεργαστεί την εικόνα με σκοπό να αφαιρέσει ή να καταστρέψει το υδατόσημο σε αυτή και έτσι να αλλοιώσει την «υπογραφή» της Αλίκης και να της καταστήσει αδύνατο να μπορέσει αυτή να αποδείξει ότι η εικόνα είναι δική της. Την επεξεργασμένη εικόνα, τη διανείμει ο ίδιος ως δική του (ύποπτη ψηφιακή εικόνα). Η Αλίκη ανακαλύπτει την ύποπτη εικόνα και προσπαθεί να αποδείξει ότι είναι δική της, με το να ανιχνεύσει σε αυτήν το αλλοιωμένο υδατόσημό της ή να το εξαγάγει από αυτή. Η διαδικασία της ανίχνευσης ύπαρξης του υδατόσημου ή της εξαγωγής του από την επεξεργασμένη εικόνα, με τη χρήση πάντα του μυστικού κλειδιού της Αλίκης, γίνεται τώρα πιο δύσκολη. Για να προστατευτεί η Αλίκη, θα πρέπει η τεχνική υδατοσήμανσης να είναι αποτελεσματική, ώστε η τελική ανίχνευση ή εξαγωγή του υδατόσημου να αποδείξει με μεγάλη αξιοπιστία ότι η Αλίκη είναι η πνευματική ιδιοκτήτρια της εικόνας.

Οι βασικές απαιτήσεις μιας αποτελεσματικής μεθόδου υδατοσήμανσης για προστασία πνευματικών δικαιωμάτων, που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τη σχεδίαση μιας τέτοιας μεθόδου, είναι πολυάριθμες και ίδιας ζωτικής σημασίας:

• Η πρώτη απαίτηση είναι να μη γίνεται αντιληπτό το υδατόσημο (μη αντιληπτικότητα), γεγονός που σημαίνει ότι θα πρέπει να διατηρείται η ποιότητα των αρχικών δεδομένων.
• Το υδατόσημο θα πρέπει επίσης να διακρίνεται από ανθεκτικότητα σε διάφορες επιθέσεις, σκόπιμες ή όχι, οι οποίες διατηρούν ωστόσο σε κατάλληλα επίπεδα την ποιότητα των αρχικών δεδομένων. Είναι γενικά αποδεκτό, ότι η μη αντιληπτικότητα και η ανθεκτικότητα, είναι δύο αντικρουόμενες απαιτήσεις, μια που για να μην είναι αντιληπτά τα υδατόσημα θα πρέπει να είναι αρκετά μικρής ενέργειας σε σχέση με την ενέργεια των αρχικών δεδομένων, ενώ θα πρέπει να ισχύει το αντίθετο για να είναι ανθεκτικά σε επιθέσεις.
• Τα υδατόσημα, επίσης, θα πρέπει να είναι ασφαλή, εννοώντας ότι μόνο ο ιδιοκτήτης ή ο εξουσιοδοτημένος χρήστης θα είναι σε θέση να ανιχνεύει την ύπαρξη τους. Αφαίρεση του υδατόσημου ή ανίχνευση της παρουσίας του από μη εξουσιοδοτημένα άτομα, θα πρέπει να είναι αδύνατη.
• Η τεχνική υδατοσήμανσης θα πρέπει να διακρίνεται από επαρκή αξιοπιστία ανίχνευσης, δηλαδή θα πρέπει να οδηγεί σε επαρκώς μικρές πιθανότητες λανθασμένης ανίχνευσης και λανθασμένης απόρριψης.
• Η μη-αντιστρεψιμότητα ή η ημι-αντιστρεψιμότητα της διαδικασίας υδατοσήμανσης, θεωρείται επίσης μεγάλης σημασίας.
• Σε πολλές περιπτώσεις, θεωρείται αναγκαίο να μη χρησιμοποιηθούν τα αρχικά δεδομένα στη φάση της ανίχνευσης. Τέτοιες τεχνικές υδατοσήμανσης είναι γνωστές με τον όρο «τυφλές» τεχνικές.

Έχουν εμφανιστεί πολλές εφαρμογές της υδατοσήμανσης και μερικές από τις πιο πολύ χρησιμοποιούμενες είναι οι παρακάτω:

• Προστασία πνευματικών δικαιωμάτων. Ο στόχος είναι η απόδειξη ιδιοκτησίας σε δικαστήρια. Το εργαλείο της Digimarc, MarcSpider, ενσωματώνει τον αριθμό ακολουθίας του ιδιοκτήτη (serial number) σε ψηφιακές εικόνες και αναζητά στο Διαδίκτυο για κλεμμένες εικόνες.
• Αποτροπή ή έλεγχος αντιγραφής. Η συσκευή ψηφιακής αντιγραφής αποτρέπει την αντιγραφή δεδομένων, αν το ενσωματωμένο υδατόσημο υποδεικνύει ότι αυτή είναι ανεπίτρεπτη. Αυτό συμβαίνει σε επώνυμες εμπορικές συσκευές αναπαραγωγής και αντιγραφής DVD video.
• Ταυτοποίηση. Σκοπός είναι να ανιχνευθεί αν τα αρχικά δεδομένα έχουν τροποποιηθεί.
• Παρακολούθηση εκπομπών. Ο στόχος εδώ είναι να παρακολουθείται το πότε και πού το εκπεμπόμενο ψηφιακό περιεχόμενο έχει προβληθεί/μεταδοθεί. Παραδείγματα εμπορικών προϊόντων είναι τα ConfirMedia της Verance και Video WaterCast της Phillips.

Παρόλη την εκτενή έρευνα στην περιοχή και την εμφάνιση πολλών εμπορικών προϊόντων υδατοσήμανσης ψηφιακών δεδομένων, το ερώτημα παραμένει: «Μπορεί τελικά να προστατευτεί αποτελεσματικά το ψηφιακό περιεχόμενο;». Η λογική κάτω από αυτό το ερώτημα βασίζεται στην εξής αλήθεια: «Ο επίμονος «πειρατής» θα βρίσκει πάντα τρόπους για να επιτύχει αποτελεσματική αντιγραφή και παράνομη χρήση προστατευμένου περιεχομένου». Η τεχνολογία ωστόσο, μπορεί να αποτρέψει αντιγραφές μικρής κλίμακας, ενθαρρύνοντας «τους έντιμους ανθρώπους να παραμείνουν έντιμοι».

Βιβλιογραφικές Αναφορές

• Digital Watermarking Alliance, http://www.digitalwatermarkingalliance.org/
• Digital Watermarking World, http://www.watermarkingworld.org/
• Microsoft Security Research Group, http://research.microsoft.com/security/
• Phillips Content Identification, http://www.business-sites.philips.com/ contentidentification/about/index.html
• Digimarc Watermarking Commercial Solutions, http://www.digimarc.com/comm/
• Σ. Τσεκερίδου, Β. Σολαχίδης, Ν. Νικολαϊδης, Α. Νικολαϊδης, Α. Τέφας, Ι. Πήτας, "Statistical Analysis of a Watermarking System based on Bernoulli Chaotic Sequences", Signal Processing, Elsevier, Special Issue on Information Theoretic Issues in Digital Watermarking, τόμος 81, σελ. 1273-1293, 2001.
• Σ. Τσεκερίδου, Ι. Πήτας, "Embedding Self-Similar Watermarks in the Wavelet Domain", 2000 IEEE Int. Conf. on Acoustics, Systems and Signal Processing (ICASSP 2000), τόμος IV, σελ. 1967-1970, Istanbul, Τουρκία, 5-9 Ιουνίου 2000.
• Β. Μουτσελάκης, Σ. Τσεκερίδου, "A Review of Video Watermarking and a Benchmarking Framework", 3rd IFIP Conf. on Artificial Intelligence Applications & Innovations (AIAI 2006), Sp. Session on Digital Rights Management Techniques and Interoperability of Protection Tools, accepted for publication, Αθήνα, Ελλάδα, 7-9 Ιουνίου 2006.