DE10151111A1 - Kennzeichnung digitaler Ton- oder Bildfolgen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Anbringung eines eine Information kodierenden digitalen Wasserzeichens bei einer zeitlichen Abfolge von Einzelbildern (Bildfolge), insbesondere bei einem Videofilm oder einer Videofilmsequenz, wobei der Abfolge ein sich über die Zeit veränderndes akustisches Signal (Tonfolge) zugeordnet sein kann, wobei die Bildfolge in mehrere Einzelbilder umfassende Teilsequenzen eingeteilt wird, wobei innerhalb einer Teilsequenz ein der Bildfolge und/oder dem zugeordneten akustischen Signal immanenter Parameter im Verhältnis zu dem zu markierenden Original verändert wird, wobei der veränderte Parameter über die gesamte Teilsequenz beibehalten wird und wobei die Information in der Folge der von Teilsequenz zu Teilsequenz variierenden Änderung des Parameters kodiert wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anbringung eines eine Information kodierenden Wasserzeichens bei einer zeitlichen Abfolge von Einzelbildern (Bildfolge), insbesondere bei einem Videofilm oder einer Videofilmsequenz, wobei der Abfolge ein sich über die Zeit veränderndes akustisches Signal (Tonfolge) zugeordnet sein kann. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Anbringung eines eine Information kodierenden Wasserzeichens bei einer in digitaler Form vorliegenden Audioaufnahme, insbesondere bei einer musikalischen oder gesprochenen Darbietung.
• Bilder, Töne und Videos werden in zunehmendem Maße digital übertragen. Dies gilt einerseits für Business-to-Consumer-Anwendungen wie beispielsweise das digitale Fernsehen oder das Internet und andererseits für Business-to-Business- Anwendungen wie Electronic Cinema. Zur Gewährleistung der Unversehrtheit von derartigen Dokumenten und zur Wahrung des das Copyrights sind verschiedene Verfahren zur Anbringung von digitalen Wasserzeichen auf den Medien bekannt. Viele der bekannten Wasserzeichenverfahren für Videos arbeiten mit dem unkomprimierten Video und sind Erweiterung von Verfahren, die zunächst für Einzelbilder entwickelt wurden. Entsprechend operieren die meisten für Höhrdaten (Audiodaten) benutzten Wasserzeichenverfahren auf den PCM Daten ("Puls Code Modulation") und nicht auf den meist zur Verbreitung eingesetzten komprimierten Formaten.
• Insbesondere an den für Bilder verwendeten Wasserzeichen ist problematisch, daß sie die statistischen Eigenschaften des Bildes meßbar verändern. Dadurch ist prinzipiell eine Angriffsmöglichkeit auf diese Wasserzeichen gegeben. Zudem sind die bekannten "Einzelbild"-Verfahren nur mit großem Aufwand auf die aus einer Vielzahl von Bildern aufgebauten Videos anzuwenden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein effizientes Verfahren zur Anbringung von Wasserzeichen auf digitalen Filmen oder Sendungen beispielsweise auf Videos zu schaffen, das sich mit einfachen Mitteln umsetzen läßt, zuverlässig sowohl mit komprimiertem als auch mit unkomprimiertem Material arbeitet und das eine hohe Sicherheit vor allem gegen Angriffe mit statistischen Methoden gewährleistet. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung ein ebensolches Verfahren für Audioaufnahmen zu schaffen.
• Diese Aufgaben werden durch Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 12 gelöst.
• Der besondere Gedanke der Erfindung liegt generell darin, das Original in "makroskopisch" lange also für den Betrachter oder Hörer differenzierbare Teilsequenzen zu zerlegen und die Information des Wasserzeichens in deren Abfolge und nicht innerhalb einer einzelnen Teilsequenz zu kodieren. Im Fall eines Videos bedeutet dies, daß die das Wasserzeichen kodierende Information nicht in einem einzelnen Bild zu finden ist, sondern in der Folge der von Teilsequenz zu Teilsequenz variierenden Änderung eines innerhalb einer Bildfolge konstanten und die Einzelbilder oder das zugeordnete Tonsignal charakterisierenden Parameters kodiert ist. Dabei macht sich die Erfindung die Tatsache zunutze, daß Video- und Audiodaten einen zeitlichen Verlauf und somit eine Zeitachse besitzen. So wird die Bildfolge erfindungsgemäß in Teilsequenzen eingeteilt, wobei eine Teilsequenz jeweils mehrere Einzelbilder umfaßt. Innerhalb einer solchen Teilsequenz wird ein oder werden mehrere der Bildfolge und/oder dem zugeordneten akustischen Signal immanente Parameter im Verhältnis zu dem zu markierenden Original verändert. Die Veränderung des oder der Parameter wird über die gesamte Teilsequenz beibehalten und die Information in der Folge der von Teilsequenz zu Teilsequenz variierenden Änderung des Parameters kodiert. Die Länge einer Teilsequenz kann dabei zunächst willkürlich gewählt werden. Sie wird letztendlich durch den Wechsel in der Änderung des Parameters definiert. Der besondere Vorteil der Erfindung resultiert daraus, daß die Veränderung sich auf das gesamte Bild oder zumindest einen großen Teilbereich des Bildes und nicht auf bestimmte Pixel bezieht. Die Änderung eines Parameters kodiert auch lediglich eine Information von ein Bit Tiefe. Somit müssen Angriffe auf das Wasserzeichen, die mit statistischen Methoden durchgeführt werden, fehlschlagen. In besonderen Ausführungsformen werden innerhalb einer Teilsequenz mehrere Parameter verändert, wobei die Veränderung von Teilsequenz zu Teilsequenz entsprechend variiert. Auf diese Weise enthalten die Wasserzeichen einen höheren Informationsgehalt.
• Grundsätzlich läßt sich das erfinderische Verfahren bei in analoger oder in digitaler Form vorliegenden Bild und/oder Tonfolgen einsetzen. Es läßt sich zudem bei Audioaufnahmen anwenden, da diese ebenso in Sequenzen teilbar sind, innerhalb derer einer oder mehrere solcher Parameter geändert werden können. Dabei haben die Teilsequenzen jeweils eine feststellbare Dauer, die vorteilhafter Weise durch das zu markierende Stück definiert werden. Die Dauer kann durch eine Strophe, einen Refrain, einen Takt oder ein Wort vorgegeben werden. Innerhalb dieser Dauer wird ein bestimmter Parameter beibehalten, der zur nächsten Teilsequenz sich ein wenig ändern kann, ohne daß dem Hörer der Wechsel auffällt.
• Als veränderbare Parameter bieten sich an eine Systemeinstellung, insbesondere die Helligkeit, die Stärke eines Farbanteils, ein Kontrast oder die Lautstärke eines Kanals, wobei die Systemeinstellung innerhalb einer Teilsequenz konstant bleibt und damit statistisch unauffällig und nicht wahrnehmbar ist. Dabei ist es besonders geschickt, wenn der Wechsel zu einer nachfolgenden Teilsequenz an einem wahrnehmbaren Schnitt des Originals, der selber eine semantische Einheit abschließt, vorgenommen wird. Zu diesem Zeitpunkt kann ein Wechsel völlig unauffällig erfolgen.
• Insbesondere wird bei den Videos die Tatsache ausgenutzt, daß bestimmte Eigenschaften einer Teilsequenz von der jeweiligen Kameraeinstellung oder von späteren Bildverbesserungen abhängig sind. Dabei sind insbesondere die Helligkeit einer Sequenz, die Stärke des Blauanteils in der Farbe oder der Kontrast zu nennen. Wenn diese Einstellungen sich über eine ganze Szene erstrecken, sind sie sowohl statistisch als auch visuell unauffällig und die entsprechenden Parameter lassen sich für die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzen. Im Fall von Audiodaten lassen sich ähnliche Eigenschaften identifizieren: So setzten sich Musikstücke aus Strophen, Refrain und Versatzlücken zusammen, die oft unterschiedliche Eigenschaften bezüglich der Tonlage, der Instrumentierung oder der Effekteinstellung aufweisen. Innerhalb der einzelnen Sequenzen bleiben diese durch Parameter charakterisierte Eigenschaften jedoch gleich. Ähnliches ist trifft für Nachrichtensendungen oder Tonspuren von Filmen zu. Dabei bewirken der Mikrophonabstand, Klangqualität, Unterlegemusik) aus. Bei den Inhalten der übertragenen Videos ist zu bemerken, daß beispielsweise bei Actionfilmen oder Musikvideos ausgefeilte Schnitt-Techniken eingesetzt werden und daß die Schnitte ideale Teilsequenzen bilden. Eine bevorzugte Ausprägung der Erfindung besteht somit darin, daß das Medium wirklich an den Schnitten in Teilsequenzen zerlegt wird. Die Teilsequenzen entsprechen den verschiedenen semantischen Bestandteilen des Gesamtwerkes.
• Um die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingebetteten Wasserzeichen abzufragen kann das nicht mit einem Wasserzeichen versehene Original zum Vergleich herangezogen werden. Dabei werden die Änderungen eines oder mehrerer Parameter in ein Verhältnis zum den entsprechenden Originalsequenzen gesetzt, so daß das digitale Wasserzeichen als Folge "absoluter" Größen bestimmt ist. In besonderen Anwendungen kann es auch möglich sein, das digitale Wasserzeichen als Folge sich zueinander ändernder Größen auszulesen, so daß sich das Wasserzeichen als Folge "relativer" Größen darstellt. Der erfindungsgemäße Wasserzeichenansatz kann beim Ein- und Auslesen einen geheimen Schlüssel verwenden und ist nach Möglichkeit invertierbar. Wenn die aufgetragene Sequenz subtrahiert wird, ist das Originalvideo abgesehen von Rundungsfehlern wieder hergestellt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich bei unkomprimierten und bei komprimierten Daten einsetzen. Als Übertragungscodecs kommen dabei MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 (MPEG Motion (Moving) Pictures Expert Group) und weitere proprietäre Codes zum Einsatz. Bei MPEG-1 und MPEG-2 werden die Daten dabei wie folgt komprimiert: Zunächst wird ein Vollbild mit allen Bildinformationen übertragen, das ähnlich wie im JPEG-Standard DCT-transformiert und quantisiert wurde (I-Frame). Darauf folgt eine Reihe von Differenzbildern, bei denen nur die Differenz des neuen Bildes zum vorhergehenden Bild übertragen wird. Bei MPEG- 2 kommt noch eine Bewegungsschätzung für die einzelnen 8 × 8-Blöcke hinzu, um die Differenzbilder klein zu halten. Parallel dazu werden die Audiodaten anhand eines psychoakustischen Modells und einer Filterbank mittels verlustbehafteter Kompression auf eine festgelegte Datenrate reduziert. Bezüglich Komprimierung und Dekomprimierung weisen die erfindungsgemäßen Verfahren eine hohe Robustheit auf.
• Ein Wechsel von einer Teilsequenz zur nächsten Teilsequenz wird vorteilhafter Weise durch einen I-Frame eingeleitet, wobei jede Teilsequenz eine definierte Anzahl von I-Frames aufweist. Dann fällt der Wechsel am wenigsten auf. Dazu kann das Video nach einer festen Zahl von I-Frames in GOPs (Group of Pictures,) zerlegt werden. Dies steigert die Effizienz des Verfahrens. Als zusätzliches Merkmal kann hier ein weicher Übergang zwischen den einzelnen GOPs implementiert werden, z. B. durch stufenweise Veränderung der Helligkeit in den letzten Frames der i-ten Teilsequenz und in den ersten Frames der (i + 1)-ten Teilsequenz. Audiodaten können analog dazu in Gruppen mit einer festen Anzahl von Frames unterteilt werden. Auch hier steigt die Effizienz beträchtlich. Die Wahl der Anzahl der Frames führt dabei direkt zur Steuerung der resultierenden Transparenz.
• Mit den erfindungsgemäßen Verfahren werden neben der hohen Sicherheit gegen statistische Angriff auch eine hohe eine hohe Transparenz, eine große Robustheit und eine hohe Sicherheit gegen Koalitionsangriffe erreicht. Die Transparenz kann über einen großen Bereich an die visuelle Qualität angepaßt werden. Die erfindungsgemäßen Veränderungen sind somit für den Betrachter respektive den Hörer nicht wahrnehmbar. Dabei läßt sich das Verfahren mit einfachen Mitteln umsetzen und bietet u. U. sogar die Möglichkeit einer besonders schnellen "online" Markierung. Zudem kann eine kundenindividuelle Kennzeichnung (Digitaler Fingerprint) vorgenommen werden. Der wichtige Aspekt im Bereich Security für Fingerprintwasserzeichen ist die genannte Robustheit gegenüber einem Koalitionsangriff. Die Fingerprintbits werden in den gleichen Markierungs-I- Frames eingebettet. Für jeden Kunden werden die Szenen zwar unterschiedlich markiert, aber mehrere Kunden haben ausreichend gleich markierte Szenen gemeinsam, so daß auch nach einem Koalitionsangriffes eine Schnittmenge erhalten bleibt, aus der die Piraten ermittelt werden.
• In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Änderungen der Parameter im unkomprimierten Medium vorgenommen. Anschließend wird das modifizierte Medium wieder komprimiert. Durch die Komprimierung geht das Wasserzeichen nicht verloren. Es ist auch besonders vorteilhaft, ehedem modifizierte und nicht "originale" Parameter zu verändern. Solche Parameter wurden schon bei der Aufbereitung der Uraufnahme zum fertigen Produkt modifiziert. Eine nochmalige kleine Änderung in der Modifikation bleibt daher unauffällig. Generell bietet es sich an, solche "unauffälligen" Größen, die meist bei einer Aufbereitung modifiziert werden, wie beispielsweise das Weiß der Zähne des Nachrichtensprechers, als Parameter zu verändern. Als Original wird dann bei der Abfrage des Wasserzeichens nicht die Uraufnahme sondern die aufbereitete Aufnahme zugrunde gelegt.
• Das erfindungsgemäße Verfahrens läßt sich folgendermaßen zusammenfassen: Ein individuelles Wasserzeichen ("digitaler Fingerabdruck") wird beispielsweise wie folgt in ein Medium eingebracht:
  
• 1. Das Medium wird in t Teilsequenzen zerlegt.
• 2. Für jede dieser Teilsequenzen stehen n Parameter (Helligkeit, Blauanteil, Kontrast etc. für Video und Lautstärke, Tonlage, Tonalität etc. für Audio . . .), und für jeden Parameter i stehen k(i) mögliche Werte, um die dieser Parameter geändert werden darf, zur Verfügung. Insgesamt können so in eine Teilsequenz einer von k = k(1) x k(2) x . . . x k(n) verschiedenen Werten eingebettet werden.
• 3. Die Teilsequenzen werden wieder zusammengefügt, und man erhält so ein markiertes Medium, in das einer von t.k verschiedenen Werten eingefügt wurde.

Claims (14)

1. Verfahren zur Anbringung eines eine Information kodierenden digitalen Wasserzeichens bei einer zeitlichen Abfolge von Einzelbildern (Bildfolge), insbesondere bei einem Videofilm oder einer Videofilmsequenz, wobei der Abfolge ein sich über die Zeit veränderndes akustisches Signal (Tonfolge) zugeordnet sein kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildfolge in mehrere Einzelbilder umfaßende Teilsequenzen eingeteilt wird, wobei innerhalb einer Teilsequenz ein der Bildfolge und/oder dem zugeordneten akustischen Signal immanenter Parameter im Verhältnis zu dem zu markierenden Original verändert wird, wobei der veränderte Parameter über die gesamte Teilsequenz beibehalten wird und wobei die Information in der Folge der von Teilsequenz zu Teilsequenz variierenden Änderung des Parameters kodiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Teilsequenz mehrere Parameter verändert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Veränderung für den Betrachter respektive den Hörer nicht wahrnehmbar ist.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter eine Eigenschaft der in Teilsequenz vorliegenden Bild- oder Tonfolge betrifft, die vorher bei der Aufbereitung der ursprünglichen Aufnahme modifiziert worden ist oder hätte modifiziert werden können.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter eine Systemeinstellung, insbesondere die Helligkeit, die Stärke eines Farbanteils, einen Kontrast oder die Lautstärke eines Kanals, betrifft, wobei die Systemeinstellung innerhalb einer Teilsequenz konstant bleibt und damit statistisch unauffällig und nicht wahrnehmbar ist.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anbringung des Wasserzeichens am Originalzustand der Bild- und/oder Tonfolge vorgenommen und diese nachfolgend komprimiert wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anbringung des Wasserzeichens in einem komprimierten Zustand der Bild- und/oder Tonfolge vorgenommen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechsel von einer Teilsequenz zur nächsten Teilsequenz durch einen I-Frame eingeleitet wird, wobei jede Teilsequenz eine definierte Anzahl von I-Frames aufweist.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechsel zu einer nachfolgenden Teilsequenz an einem wahrnehmbaren Schnitt des Originals, der eine semantische Einheit abschließt, vorgenommen wird.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Parameter derart geändert werden, daß die Folgen der Änderungen einen Koalitionsangriff vereiteln.

11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelbilder und/oder die Tonfolge in digitaler Form vorliegt.

12. Verfahren zur Anbringung eines eine Information kodierenden digitalen Wasserzeichens bei einer Audioaufnahme, insbesondere bei einer musikalischen oder gesprochenen Darbietung, dadurch gekennzeichnet, daß die Audioaufnahme in mehrere Teilsequenzen eingeteilt wird, wobei eine Teilsequenz mindestens eine für den Höhrer differenzierbare Dauer aufweist, wobei innerhalb einer Teilsequenz ein der Aufnahme immanenter Parameter im Verhältnis zu der zu markierenden Originalaufnahme verändert wird, wobei der veränderte Parameter über die gesamte Teilsequenz beibehalten wird und wobei die Information in der Folge der von Teilsequenz zu Teilsequenz variierenden Änderung des Parameters kodiert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer einen Takt, eine Strophe oder ein Wort umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Darbietung in digitaler Form vorliegt.