ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΥΔΑΤΟΓΡΑΦΙΚΟΥ ΣΧΗΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΣΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΥΔΑΤΟΓΡΑΦΙΚΟΥ ΣΧΗΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΣΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Ειρήνη Β. Γκιόξη Επιβλέπων : Κουτσούρης Δημήτριος Καθηγητής ΕΜΠ Αθήνα, Σεπτέμβριος 2010

2

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΥΔΑΤΟΓΡΑΦΙΚΟΥ ΣΧΗΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΣΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Ειρήνη Β. Γκιόξη Επιβλέπων : Κουτσούρης Δημήτριος Καθηγητής ΕΜΠ Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή την 14η Σεπτεμβρίου 2010......... Δ. Κουτσούρης Π. Τσανάκας Δ. Σούντρης Καθηγητής ΕΜΠ Καθηγητής ΕΜΠ Επίκουρος Καθηγητής ΕΜΠ Αθήνα, Σεπτέμβριος 2010 3

... Ειρήνη Β. Γκιόξη Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Ε.Μ.Π. Copyright Ειρήνη Β. Γκιόξη, 2010 Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. 4

Περίληψη Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και σχεδίαση ενός υδατογραφικού σχήματος για ηλεκτροεγκεφαλογραφικά (ΗΕΓ) σήματα επιληπτικών ασθενών. Το υδατογραφικό σχήμα που εφαρμόστηκε βασίζεται στο Μετασχηματισμό Κυματιδίων (wavelet transform) και είχε μέχρι πρότινος εφαρμοστεί μόνο σε ιατρικές εικόνες. Στόχος της ανάπτυξης του υδατογραφικού αυτού σχήματος, είναι η ενσωμάτωση πληροφοριών που έχουν μεγάλη αξία για διάγνωση και θεραπεία χωρίς όμως να αλλοιώνεται αισθητά το σήμα μετά την ενσωμάτωση των δεδομένων. Πριν την εφαρμογή όμως του υδατογραφικού μας σχήματος, απομονώνεται με έναν ειδικά σχεδιασμένο αλγόριθμο η περιοχή της επιληπτικής κρίσης γιατί είναι η περιοχή με τη μεγαλύτερη διαγνωστική αξία και στόχος είναι να παραμείνει εντελώς αναλλοίωτη. Η πρόοδος στον τομέα της τηλεϊατρικής έχει επιτρέψει τη μεταφορά ιατρικών σημάτων με στόχο τη διάγνωση και θεραπεία ασθενών που βρίσκονται σε απομακρυσμένες περιοχές. Κατά τη μεταφορά του υδατογραφημένου σήματος όμως μπορεί αυτό να υποστεί αλλοιώσεις που προέρχονται από συμπιέσεις του σήματος με σκοπό τη μείωση του μεγέθους τους, αλλά και αλλοιώσεις που προέρχονται από προσθήκη θορύβου. Για να εκτιμηθεί η αποτελεσματικότητα λοιπόν του υδατογραφικού μας σχήματος, εφαρμόζονται στο σήμα επιθέσεις συμπίεσης με διαφορετικά κατώφλια και επιθέσεις προσθήκης λευκού θορύβου με διαφορετικούς σηματοθορυβικούς λόγους SNR. Εφαρμόζοντας αυτές τις επιθέσεις, υπολογίζεται το ποσοστό ανάκτησης του υδατογραφήματος από το σήμα που έχει υποστεί επίθεση καθώς και το ποσοστό αλλοίωσης μεταξύ του αρχικού υδατογραφημένου σήματος και του υδατογραφημένου σήματος που έχει υποστεί επίθεση. Μεγαλύτερο ποσοστό ανάκτησης του υδατογραφήματος παρατηρείται όσο το κατώφλι συμπίεσης μικραίνει ενώ αντίθετα ο σηματοθορυβικός λόγος SNR μεγαλώνει. 5

6

Abstract The purpose of this thesis is the disquisition of a digital watermarking scheme for electroencephalogram (EEG) signals designed for epileptic patients. The watermarking scheme that has been applied in EEG signals is based on wavelet transform applied only in medical images. The objective implementing this digital watermarking scheme in EEG signals, is to embed important data with great significance in patient s medical history. Furthermore, the scheme can be used for: diagnosis and cure, without distort the initial signal in such a way that leads in a misdiagnosis. Prior to implementation of our watermarking scheme, the area that presents the epileptic seizure is isolated with a specific designed algorithm so as the signal in this area remains undistorted. Nowadays, modern telecommunication infrastructure supports the possibility of delivering quality health care without the physical presence of medical experts. During the telecommunication signal transfers, the watermarking signals can be distorted due to compression methods or/and addition of white noise. In order to evaluate the efficiency of watermarking scheme, the signal is subjected to different kinds of attacks, such as compression with different compression thresholds, and attacks of adding white noise with different SNR ratio. After applying these attacks to the signal, it is computed the recovery ratio of the watermark and the distortion between the initial watermarked signal and the signal that has been subjected to the attacks. Given the results, the conclusion is that the smaller the compression threshold is, the better the recovery ratio of the watermark. On the other hand, in white noise attacks, the recovery ratio increases as the SNR ratio gets higher. 7

8

Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1Αντικείμενο της εργασίας 1.2 Δομή της εργασίας Κεφάλαιο 2 Ψηφιακή υδατογραφηση 2.1 Τεχνικές απόκρυψης δεδομένων 2.2 Ψηφιακή υδατογράφηση 2.3 Εφαρμογές ψηφιακής υδατογράφησης 2.4 Γενικό πλαίσιο της ψηφιακής υδατογράφησης 2.5 Ιδιότητες υδατογραφήματος 2.6 Τύποι ψηφιακού υδατογραφήματος 2.6.1 Εύθραυστες-Ανθεκτικές τεχνικές 17 17 17 19 21 21 21 22 24 27 28 32 33 2.6.2 Μη ενημερωμένες και ενημερωμένες τεχνικές ( Blind and non blind τεχνικές) 33 2.6.3 Αντιστρέψιμες-Μη αντιστρέψιμες τεχνικές 2.7 Είδη επιθέσεων σε υδατογράφημα 2.7.1 Απλές επιθέσεις 2.7.2 Επιθέσεις εξουδετέρωσης 2.7.3 Επιθέσεις μετακίνησης 2.8 Ψηφιακή υδατογράφηση στο χώρο της ιατρικής και της τηλεϊατρικής 2.8.1 Ασφάλεια στα ιατρικά δεδομένα 35 35 36 36 36 36 37 9

2.8.2 Προοπτικές Ψηφιακής υδατογράφησης στον ιατρικό χώρο Κεφάλαιο 3 ΗΕΓ και επιληψία 3.1 Εισαγωγή στο Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (ΗΕΓ) 3.2 ΗΕΓ και Επιληψία 3.2.1 Διάγνωση επιληψίας μέσω ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος 3.3 Διαχωρισμός της επιληπτικής κρίσης από ΗΕΓ σήματα 3.4 Μετασχηματισμός Κυματιδίων (Wavelet Transform) 3.4.1 Συνεχής Μετασχηματισμός Κυματιδίων 3.4.2 Διακριτός Μετασχηματισμός Κυματιδίων 3.4.3 Ταξινόμηση των συναρτήσεων κυματιδίων 3.4.3.1 Χαρακτηριστικά των ορθογώνιων συναρτήσεων κυματιδίων 3.4.3.2 Χαρακτηριστικά των διορθογώνιων συναρτήσεων κυματιδίων 3.4.4 Οικογένειες συναρτήσεων κυματιδίων 3.5 Πλεονεκτήματα του μετασχηματισμού κυματιδίων στα ΗΕΓ σήματα 3.6 Μεθοδολογίες διαχωρισμού της επιληπτικής κρίσης από ΗΕΓ σήματα 3.7 Περιγραφή του προτεινόμενου αλγορίθμου για την ανίχνευση της επιληπτικής κρίσης Κεφάλαιο 4 Μελέτη υδατογραφικών σχημάτων 4.1Μελέτη αλγορίθμων ψηφιακής υδατογράφησης για ιατρικά σήματα 4.2 Περιγραφή του προτεινόμενου αλγορίθμου υδατογράφησης 4.3 Τύποι υδατογραφήματος που θα ενσωματωθούν 4.4 Επιλογή των επιπέδων υδατογράφησης 4.5 Περιγραφή του προτεινόμενου υδατογραφικού σχήματος 38 41 41 41 42 43 43 44 45 45 47 47 47 47 48 49 52 55 55 55 57 59 60 61 10

Κεφάλαιο 5 Δοκιμές και αποτελέσματα 5.1 Δεδομένα της μελέτης 5.2 Εφαρμογή αλγορίθμου διαχωρισμού της επιληπτικής κρίσης 5.3 Εφαρμογή του υδατογραφικού μας σχήματος 5.4 Επιθέσεις στο υδατογραφημένο σήμα 5.4.1 Επιθέσεις Συμπίεσης 5.4.2 Επιθέσεις προσθήκης λευκού θορύβου 5.5 Αποτελέσματα ενσωμάτωσης υδατογραφήματος αναφοράς Κεφάλαιο 6 Συζήτηση 6.1 Εισαγωγή 6.2 Εκτίμηση αποτελεσμάτων 6.3 Ανοιχτά θέματα για μελλοντική μελέτη Βιβλιογραφία 63 63 63 65 67 71 71 81 84 89 89 89 90 91 93 11

12

Περιεχόμενα σχημάτων Κεφάλαιο 2 Ψηφιακή υδατογραφηση Σχήμα 1: Κατηγορίες τεχνικών απόκρυψης δεδομένων. 21 21 23 Σχήμα 2: Γενικό πλαίσιο υδατογράφησης. 27 Σχήμα 3: Ενημερωμένο σύστημα υδατογράφησης. Σχήμα 4: Μη ενημερωμένο σύστημα υδατογράφησης. Σχήμα 5: Ημι-ενημερωμένο σύστημα υδατογράφησης. Κεφάλαιο 3 ΗΕΓ και επιληψία 34 34 35 41 41 Σχήμα 6: Τυποποιημένες απαγωγές με το σύστημα 10-20. 42 Σχήμα 7 : κύμα (a) κυματίδιο (wavelet) (b). Σχήμα 8: Ανάλυση με ΔΜΚ σε 3 επίπεδα. 45 46 Σχήμα 9: Ανακατασκευή τριών επιπέδων του αρχικού σήματος. 46 Σχήμα 10: Οικογένειες συναρτήσεων κυματιδίων (a) Haar (b) Daubechies 4 (c) Coiflet 1 (d) Symlet2 (e) Meyer (f) Morlet (g) Mexican Hat. 48 Σχήμα 11: Διάγραμμα ροής του αλγορίθμου. 50 Σχήμα 12: Ενδεικτική ανάλυση ΗΕΓ σήματος με Daubechies 4. 52 Σχήμα 13: Διάγραμμα ροής αλγορίθμου διαχωρισμού της κρίσης. Κεφάλαιο 4 Μελέτη υδατογραφικών σχημάτων Σχήμα 14: Διαδικασία κβαντοποίησης. Σχήμα 15: Διάγραμμα ροής αλγορίθμου υδατογραφικού σχήματος. 54 55 55 58 62 13

Κεφάλαιο 5 Δοκιμές και αποτελέσματα 63 63 Σχήμα 16: Οπτικοποίηση των ΗΕΓ των ασθενών όπως καταγράφηκαν στα διάφορα κανάλια καταγραφής. 64 Σχήμα 17: Ανίχνευση επιληπτικής κρίσης στο διάγραμμα αθροιστικών ενεργειών για το επίπεδο 2. 66 Σχήμα 18: Ανίχνευση επιληπτικής κρίσης στο δεύτερο επίπεδο ανάλυσης του σήματος. Σχήμα 19: Ανίχνευση επιληπτικής κρίσης στο αρχικό σήμα του ασθενή. Σχήμα 20: Αρχικό σήμα. Σχήμα 21: Υδατογραφημένο σήμα. Σχήμα 22: Κομμάτι αρχικού και υδατογραφημένου σήματος. Σχήμα 23: Υδατογραφημένο σήμα στο 2 ο επίπεδο ανάλυσης. Σχήμα 24: Υδατογραφημένο συμπιεσμένο σήμα στο 2 ο επίπεδο με κατώφλι συμπίεσης 5. Σχήμα 25: Υδατογραφημένο συμπιεσμένο σήμα στο 2 ο επίπεδο με κατώφλι συμπίεσης 10. Σχήμα 26: Υδατογραφημένο συμπιεσμένο σήμα στο 2 ο επίπεδο με κατώφλι συμπίεσης 20. Σχήμα 27: Υδατογραφημένο σήμα στο 3 ο επίπεδο ανάλυσης. Σχήμα 28: Υδατογραφημένο συμπιεσμένο σήμα στο 3 ο επίπεδο με κατώφλι συμπίεσης 5. Σχήμα 29: Υδατογραφημένο συμπιεσμένο σήμα στο 3 ο επίπεδο με κατώφλι συμπίεσης 10. Σχήμα 30: Υδατογραφημένο συμπιεσμένο σήμα στο 3 ο επίπεδο με κατώφλι συμπίεσης 20. Σχήμα 31: Υδατογραφημένο σήμα στο 4 ο επίπεδο ανάλυσης. 66 67 70 70 71 73 74 74 75 75 76 76 77 77 14

Σχήμα 32: Υδατογραφημένο συμπιεσμένο σήμα στο 4 ο επίπεδο με κατώφλι συμπίεσης 5. Σχήμα 33: Υδατογραφημένο συμπιεσμένο σήμα στο 4 ο επίπεδο με κατώφλι συμπίεσης 10. Σχήμα 34: Υδατογραφημένο συμπιεσμένο σήμα στο 4 ο επίπεδο με κατώφλι συμπίεσης 20. 78 78 79 Σχήμα 35: Ανίχνευση αλλοίωσης του αρχικού σήματος μέσω του υδατογραφήματος αναφοράς 1 ου επιπέδου ανάλυσης με κατώφλι 1. 84 Σχήμα 36: Ανίχνευση αλλοίωσης του αρχικού σήματος μέσω του υδατογραφήματος αναφοράς 1 ου επιπέδου ανάλυσης με κατώφλι 5. 85 Σχήμα 37: Ανίχνευση αλλοίωσης του αρχικού σήματος μέσω του υδατογραφήματος αναφοράς 1 ου επιπέδου ανάλυσης με κατώφλι 20. 85 Σχήμα 38: Ανίχνευση αλλοίωσης του αρχικού σήματος μέσω του υδατογραφήματος αναφοράς 1 ου επιπέδου ανάλυσης με λόγο SNR=3. 86 Σχήμα 39: Ανίχνευση αλλοίωσης του αρχικού σήματος μέσω του υδατογραφήματος αναφοράς 1 ου επιπέδου ανάλυσης με λόγο SNR=10. 86 Σχήμα 40: Ανίχνευση αλλοίωσης του αρχικού σήματος μέσω του υδατογραφήματος αναφοράς 1 ου επιπέδου ανάλυσης με λόγο SNR=60. 87 15

16

Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1Αντικείμενο της εργασίας Η Ψηφιακή υδατογράφηση είναι μία μέθοδος όπου μία πληροφορία ενσωματώνεται σε ψηφιακά δεδομένα με τρόπο τέτοιον που να είναι ανεπαίσθητος από έναν παρατηρητή, αλλά εύκολα ανιχνεύσιμη από τον υπολογιστή με τη χρήση ενός κατάλληλου αλγορίθμου. Τα ψηφιακά δεδομένα που ενσωματώνονται τα υδατογραφήματα με τη μορφή σημάτων είναι είτε αρχεία ήχου, βίντεο, ή ακόμη και εικόνες. Η τεχνική της υδατογράφησης χρησιμοποιείται σε πολλές εφαρμογές 17

πρόληψης αντιγραφής (copy prevention applications) και προστασίας δικαιωμάτων (copyright protection applications). Σήμερα υπάρχει ένα μεγάλο πεδίο έρευνας για την ψηφιακή υδατογράφηση στο χώρο της ιατρικής και της τηλεϊατρικής λόγω του ότι και οι δύο κλάδοι βασίζονται σε ένα μεγάλο βαθμό στη διαχείριση ψηφιακής πληροφορίας. Εκτός όμως από την εφαρμογή αυτή, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την ανταλλαγή απόψεων μεταξύ γιατρών που βρίσκονται σε διαφορετικές περιοχές. Η πρόοδος στον τομέα της τηλεϊατρικής έχει επιτρέψει τη μεταφορά ιατρικών σημάτων με στόχο τη διάγνωση και θεραπεία ασθενών που βρίσκονται σε απομακρυσμένες περιοχές. Οι περισσότερες όμως μελέτες που υπάρχουν στο χώρο της ψηφιακής υδατογράφησης αφορούν ιατρικές εικόνες και όχι ιατρικά σήματα. Ειδικά για τα ηλεκτροεγκεφαλογραφικά (ΗΕΓ) σήματα η έρευνα είναι σε πολύ αρχικό στάδιο ακόμη. Στόχος λοιπόν της δικής μας μελέτης είναι η ανάπτυξη ενός υδατογραφικού σχήματος για ΗΕΓ σήματα επιληπτικών ασθενών μέσω του οποίου θα μπορούμε να ενσωματώσουμε πληροφορίες που έχουν μεγάλη αξία για τη διάγνωση, τη θεραπεία αλλά και το ιατρικό ιστορικό του ασθενή χωρίς όμως να αλλοιώνεται αισθητά το σήμα μετά την ενσωμάτωση των δεδομένων. Το αν η αλλοίωση που έχει υποστεί το σήμα επηρεάζει τη διάγνωση, θα την κάνουν ειδικά εκπαιδευμένοι γιατροί που ασχολούνται αποκλειστικά με τη μελέτη ΗΕΓ σημάτων επιληπτικών ασθενών. Πριν την εφαρμογή όμως του υδατογραφικού μας σχήματος, απομονώνεται με έναν ειδικά σχεδιασμένο αλγόριθμο η περιοχή της επιληπτικής κρίσης γιατί είναι η περιοχή με τη μεγαλύτερη διαγνωστική αξία και στόχος είναι να παραμείνει εντελώς αναλλοίωτη. Τόσο ο αλγόριθμος διαχωρισμού της επιληπτικής κρίσης, όσο και εκείνος του υδατογραφικού σχήματος, βασίζονται στον Μετασχηματισμό Κυματιδίων (Wavelet Transform) γιατί είναι ο καταλληλότερος για την επεξεργασία μη περιοδικών σημάτων όπως τα ΗΕΓ σήματα. Εφαρμόζοντας το μετασχηματισμό κυματιδίων, το σήμα μας αναλύεται σε 4 επίπεδα, σε κάθε ένα από τα οποία θα ενσωματωθεί διαφορετικό είδος υδατογραφήματος. Για να επιλεχθούν οι κατάλληλοι συντελεστές για υδατογράφηση σε κάθε επίπεδο, χρησιμοποιείται ένα κλειδί το οποίο είναι γνωστό μόνο σε αυτόν που έχει κάνει την εισαγωγή του υδατογραφήματος. Το κλειδί αυτό εξασφαλίζει μεγαλύτερη ασφάλεια κατά τη μεταφορά του σήματος. Για να γίνει λοιπόν η εξαγωγή του υδατογραφήματος, πρέπει ο χρήστης να έχει στη διάθεση του το κλειδί που χρησιμοποιήθηκε κατά την ενσωμάτωση. Σε κάθε επίπεδο διαφέρει ο αριθμός των διαθέσιμων συντελεστών για ενσωμάτωση του υδατογραφήματος. Σύμφωνα και με τον Μετασχηματισμό Κυματιδίων, στο πρώτο επίπεδο ο αριθμός των συνολικών συντελεστών λεπτομερειών είναι ο μισός από ότι στο αρχικό σήμα και όπως αυξάνεται το επίπεδο μειώνεται ο αριθμός των συντελεστών στους μισούς σε σχέση με το προηγούμενο επίπεδο. Έτσι τη μεγαλύτερη χωρητικότητα την έχει το πρώτο επίπεδο ανάλυσης, μετά το δεύτερο,το τρίτο και τελευταίο το τέταρτο. Η ανθεκτικότητα όμως του κάθε επιπέδου είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη χωρητικότητα. Έτσι τη μεγαλύτερη χωρητικότητα την παρουσιάζει το τέταρτο επίπεδο ανάλυσης και γι αυτό σε αυτό το επίπεδο θα ενσωματωθεί το υδατογράφημα που έχει τη μεγαλύτερη κρισιμότητα ανάκτησης. Στο πρώτο επίπεδο ανάλυσης θα ενσωματωθεί ένα υδατογράφημα αναφοράς το οποίο θα χρησιμοποιηθεί για να ανιχνεύει πιθανές αλλοιώσεις που έχει υποστεί το σήμα μας. Στόχος μας είναι το υδατογραφημένο σήμα να μην έχει υποστεί αλλοιώσεις σε τέτοιο βαθμό που να οδηγήσουν σε λανθασμένη διάγνωση εκ μέρους του ειδικού γιατρού. Κατά τη διάρκεια όμως της μεταφοράς του σήματος, μπορεί να υποστεί αλλοιώσεις που προέρχονται από συμπίεση με σκοπό τη μείωση του μεγέθους τους, αλλά και αλλοιώσεις που προέρχονται από προσθήκη θορύβου. Για να εκτιμηθεί η 18

αποτελεσματικότητα λοιπόν του υδατογραφικού μας σχήματος, εφαρμόζονται στο σήμα επιθέσεις συμπίεσης με διαφορετικά κατώφλια και επιθέσεις προσθήκης λευκού θορύβου με διαφορετικούς σηματοθορυβικούς λόγους SNR. Εφαρμόζοντας αυτές τις επιθέσεις, υπολογίζεται το ποσοστό ανάκτησης του υδατογραφήματος από το σήμα που έχει υποστεί επίθεση καθώς και το ποσοστό αλλοίωσης μεταξύ του αρχικού υδατογραφημένου σήματος και του υδατογραφημένου σήματος που έχει υποστεί επίθεση. 1.2 Δομή της εργασίας Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται αναλυτικά οι βασικές αρχές και εφαρμογές της ψηφιακής υδατογράφησης. Περιγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά των υδατογραφημάτων και στη συνέχεια γίνεται ταξινόμηση των διαφόρων τεχνικών ψηφιακής υδατογράφησης. Περιγράφονται ακόμη οι βασικές απαιτήσεις ασφαλείας για τη διακίνηση της πληροφορίας μεταξύ των διαφόρων συστημάτων υγείας καθώς και οι προοπτικές εφαρμογής της ψηφιακής υδατογράφησης στο χώρο της ιατρικής. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται κάποια στοιχεία που αφορούν το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (ΗΕΓ) και τις επιληπτικές κρίσεις, προτείνεται ο καταλληλότερος μετασχηματισμός κυματιδίων για την επεξεργασία των ΗΕΓ σημάτων μας και αναπτύσσεται ο αλγόριθμος διαχωρισμού της περιοχής της επιληπτικής κρίσης. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται κάποιοι αλγόριθμοι υδατογράφησης που συναντήθηκαν κατά τη διάρκεια της έρευνας και αναπτύσσεται αναλυτικά o αλγόριθμος υδατογράφησης που τελικά μελετήθηκε. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η επιλογή των παραμέτρων που χρησιμοποιήθηκαν τόσο στον αλγόριθμο του διαχωρισμού της επιληπτικής κρίσης, όσο και στον αλγόριθμο της υδατογράφησης. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των παραπάνω αλγορίθμων. Περιγράφεται ακόμη το είδος των επιθέσεων που εφαρμόστηκαν στο υδατογραφημένο σήμα και οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτές. Παρουσιάστηκαν ακόμη τα αποτελέσματα των επιθέσεων τα οποία περιλαμβάνουν αξιολόγηση της αλλοίωσης που προκαλείται τόσο στο σήμα όσο και στο υδατογράφημα. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται μία αποτίμηση του υδατογραφικού μας σχήματος και προτείνονται προτάσεις για μελλοντικά θέματα και επεκτάσεις. 19

20

Κεφάλαιο 2 Ψηφιακή υδατογράφηση 2.1 Τεχνικές απόκρυψης δεδομένων Η απόκρυψη δεδομένων, η στεγανογραφία και η ψηφιακή υδατογράφηση είναι 3 στενά συνδεδεμένες έννοιες οι οποίες συχνά υπερκαλύπτονται σε πολλές εφαρμογές. Ωστόσο υπάρχουν βασικές και θεμελιώδεις διαφορές που επηρεάζουν τις απαιτήσεις χρήσης της κάθε μίας τεχνικής. Ο όρος απόκρυψη πληροφορίας (data hiding) είναι ένας όρος που χρησιμοποιείται γενικά για να περιγράψει μεθόδους ενσωμάτωσης δεδομένων σε ψηφιακά και μη, μέσα [1]. Η στεγανογραφία και η υδατογράφηση είναι 21

δύο βασικές υποκατηγορίες των τεχνικών απόκρυψης δεδομένων. Οι βάσεις των τεχνικών απόκρυψης δεδομένων χρονολογούνται περίπου 4000 χρόνια πριν στην αρχαία Αίγυπτο και Ελλάδα. Σε αυτές τις εποχές κρυμμένα πακέτα από πληροφορίες μεταφέρονταν σημαδεμένα με ειδικούς χαρακτήρες ή διάφορες άλλες τεχνικές κρυπτογράφησης. Ο Ηρόδοτος, ο μεγάλος Έλληνας ιστορικός, συχνά στα κείμενά του αναφέρεται σε κρυμμένες πληροφορίες που μεταφέρονταν σε κέρινες πλάκες ή κρυφά μηνύματα που χαράζονταν με την τεχνική της δερματοστιξίας στα κεφάλια αγγελιοφόρων. Η πιο δημοφιλής μέθοδος ήταν να σημαδεύεις τα αρχεία με αόρατη μυστική μελάνη όπως είναι ο χυμός λεμονιού και να κρύβεις με αυτόν τον τρόπο πληροφορίες. Άλλη μία μέθοδος ήταν το μαρκάρισμα ειδικά επιλεγμένων χαρακτήρων με μία μικρή τρύπα, δημιουργώντας με αυτόν τον τρόπο ένα μοτίβο ή μία υπογραφή. Οι παραπάνω τεχνικές ανήκουν στις τεχνικές της στεγανογραφίας. Η στεγανογραφία είναι όπως είπαμε ένας κλάδος των τεχνικών απόκρυψης δεδομένων και σημαντικό κομμάτι της κρυπτογραφίας [2]. Η βασική διαφορά της στεγανογραφίας από την κρυπτογραφία είναι ότι η πρώτη έχει σαν στόχο να επικαλύψει το περιεχόμενο των μηνυμάτων, ενώ η δεύτερη έχει σαν στόχο την προστασία τους. Η κύρια ασφάλεια ενός στεγανογραφικού σχήματος βασίζεται σε μία πολύ απλή διαδικασία. Επειδή το στεγανογραφικό μήνυμα συνενώνεται αόρατα με το μέσο που το περιέχει και καλύπτεται μέσα από άλλες αβλαβείς για το κείμενο πηγές, είναι πολύ δύσκολο να ανιχνεύσεις το μήνυμα χωρίς να γνωρίζεις την ύπαρξή του και το κατάλληλο σχήμα κωδικοποίησης. Η υδατογράφηση, η άλλη υποκατηγορία των τεχνικών απόκρυψης είναι στενά συνδεδεμένη με την ανακάλυψη της χαρτογράφησης στην Κίνα. Είχε αρχικά χρησιμοποιηθεί στον 18ο αιώνα στην Αμερική και στην Ευρώπη σα μέθοδος κατά της πλαστογράφησης στα βιβλία και στα χαρτονομίσματα. Τα τελευταία χρόνια ανεπαίσθητα στο ανθρώπινο μάτι υδατογραφήματα έχουν αναπτυχθεί για να αποδεικνύουν την αυθεντικότητα, την πρωτοτυπία και την πνευματική ιδιοκτησία και να περιπλέκουν την παράνομη διαδικασία της αναπαραγωγής και αναδιανομής. Το πιο διάσημο υδατογράφημα συναντάται κρατώντας ένα χαρτονόμισμα μπροστά στο φως. Η ψηφιακή υδατογράφηση που είναι η τελευταία μορφή υδατογράφησης, οφείλει τις βασικές αρχές της στη στεγανογραφία. 2.2 Ψηφιακή υδατογράφηση Η ψηφιακή υδατογράφηση είναι μία μέθοδος όπου μία πληροφορία ενσωματώνεται σε ψηφιακά δεδομένα με τρόπο τέτοιον που να είναι ανεπαίσθητος από έναν παρατηρητή, αλλά εύκολα ανιχνεύσιμη από τον υπολογιστή με τη χρήση ενός κατάλληλου αλγορίθμου [3]. Τα ψηφιακά δεδομένα που ενσωματώνονται τα υδατογραφήματα είναι είτε αρχεία ήχου, βίντεο, ή ακόμη και εικόνες [2]. Η τεχνική της υδατογράφησης χρησιμοποιείται σε πολλές εφαρμογές πρόληψης αντιγραφής (copy prevention applications) και προστασίας δικαιωμάτων (copyright protection applications). Στις εφαρμογές πρόληψης αντιγραφής το υδατογράφημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να πληροφορεί τις συσκευές λογισμικού ότι η αντιγραφή θα έπρεπε να περιοριστεί. Στις εφαρμογές προστασίας δικαιωμάτων το υδατογράφημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αναγνωρίσει τον κάτοχο ιδιοκτησίας και να διασφαλίσει την κατάλληλη πληρωμή για τα πνευματικά δικαιώματα. Σε γενικές γραμμές όποτε είναι χρήσιμο να συσχετίσουμε μια επιπλέον πληροφορία με μια εργασία (π.χ. εικόνα, βίντεο κ.α.), τότε αυτά τα δεδομένα μπορούν να ενσωματωθούν στην εργασία σαν υδατογράφημα. Φυσικά υπάρχουν και άλλοι τρόποι να 22

συσχετίσουμε μια πληροφορία με ένα ψηφιακό υλικό, όπως να την τοποθετήσουμε στην αρχή ενός ψηφιακού αρχείου, να την κωδικοποιήσουμε σε ένα ορατό σημείο μιας εικόνας ή και να την φωνάξουμε δυνατά σαν εισαγωγή σε ένα μουσικό αρχείο. Ένα βασικό ερώτημα λοιπόν που προκύπτει αμέσως, είναι το πότε η υδατογράφηση είναι η καλύτερη τεχνική. Η τεχνική της υδατογράφησης πλεονεκτεί στη σύγκρισή με τις άλλες τεχνικές σε τρία σημαντικά σημεία [1]: 1. Τα υδατογραφήματα είναι μη αντιληπτά. Για παράδειγμα ένα υδατογράφημα που τοποθετείται σε μία εικόνα δεν μειώνει την αισθητική της. 2. Δεύτερον, τα υδατογραφήματα αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι των αρχείων στα οποία ενσωματώνονται και δεν αφαιρούνται όταν τα αρχεία μετατρέπονται σε άλλες μορφές. 3. Τέλος τα υδατογραφήματα υποβάλλονται στους ίδιους μετασχηματισμούς που υποβάλλονται και τα αρχεία στα οποία τοποθετούνται. Αυτό σημαίνει ότι πολλές φορές είναι πιθανόν να βγουν χρήσιμα συμπεράσματα για κάποιους μετασχηματισμούς παρατηρώντας τα αποτελέσματα τους πάνω στα υδατογραφήματα. Αυτοί οι τρεις παράγοντες είναι που κάνουν την τεχνική της υδατογράφησης ανεκτίμητη για κάποιες βασικές εφαρμογές. Στο Σχήμα 1 φαίνονται σε σχηματικό διάγραμμα οι τεχνικές απόκρυψης δεδομένων και οι υποκατηγορίες τους: Απόκρυψη δεδομένων Στεγανογραφία Υδατογράφηση Μη ορατή Ορατή Ανθεκτική Εύθραυστη Μη ενημερωμένη Ενημερωμένη Σχήμα 1: Κατηγορίες τεχνικών απόκρυψης δεδομένων. 23

2.3 Εφαρμογές ψηφιακής υδατογράφησης Η ψηφιακή υδατογράφηση έχει μεγάλο εύρος εφαρμογών και μερικές από αυτές παρουσιάζονται παρακάτω: 1. Ψηφιακή υπογραφή (Digital signature): Το υδατογράφημα αναγνωρίζει τυχόν ψηφιακή υπογραφή του αυθεντικού αρχείου. Αυτή η πληροφορία μπορεί να χρησιμοποιηθεί από ένα μελλοντικό χρήστη ο οποίος ύστερα από νόμιμες διαδικασίες και αφού έχει πάρει την άδεια πνευματικής ιδιοκτησίας θα μπορεί να αντιγράψει ή να δημοσιεύσει το περιεχόμενο του αρχείου [3]. 2. Ψηφιακό αποτύπωμα (Fingerprinting): Τα υδατογραφήματα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να αναγνωρίσουν τυχόν ψηφιακό αποτύπωμα του αρχείου. Αυτό βοηθάει επίσης και στην εξιχνίαση πιθανών παράνομων αντιγράφων. Αυτή η ιδέα έχει υλοποιηθεί ευρέως στα DIVX video players όπου κάθε ένα από αυτά έχει ένα υδατογράφημα το οποίο αναγνωρίζει αν η ταινία που κάθε φορά παίζει είναι αυθεντική. 3. Έλεγχος Εκπομπής (Broadcast Monitoring): Ενσωματώνοντας ένα ή περισσότερα υδατογραφήματα σε εμπορικές διαφημίσεις μπορεί ένα αυτοματοποιημένο σύστημα ελέγχου να επαληθεύσει αν οι διαφημίσεις εκπέμπονται νόμιμα ή όχι και να αναγνωρίσει από που και πότε γίνεται η εκπομπή [1]. Ο έλεγχος εκπομπής όμως δεν αφορά μόνο τις εμπορικές διαφημίσεις αλλά και άλλα τηλεοπτικά προγράμματα τα οποία σήμερα κοστίζουν πάρα πολλά χρήματα γεγονός που τα κάνει πολύ ευάλωτα σε παραβιάσεις των πνευματικών δικαιωμάτων. Έτσι ένα σύστημα ελέγχου εκπομπής μπορεί να ελέγχει όλα τα κανάλια εκπομπής και να χρεώνει τους τηλεοπτικούς σταθμούς σύμφωνα με τα ίχνη τους. 4. Αναγνώριση Ιδιοκτησίας (Owner Identification): Πρόκειται ίσως για τη σημαντικότερη εφαρμογή της υδατογράφησης. Ο δημιουργός μιας εικόνας, ενός βίντεο ή ενός τραγουδιού αυτόματα κατέχει τα πνευματικά δικαιώματα του υλικού που δημιούργησε. Το σήμα της ιδιοκτησίας ενός υλικού, μπορεί εύκολα να αφαιρεθεί σκόπιμα ή όχι, π.χ. κόβοντας από μια εικόνα το τμήμα που το περιέχει. Έτσι κατά την μετέπειτα αντιγραφή και μεταφορά της εικόνας, ακόμα και ένας νομοταγής πολίτης δεν είναι σε θέση να γνωρίζει αν η εικόνα προστατεύεται από πνευματικά δικαιώματα. Ακόμα όμως και αν υποθέσουμε ότι μια εικόνα προστατεύεται από πνευματικά δικαιώματα, δεν είναι εύκολο να βρεθεί η ταυτότητα του δημιουργού της, από τον οποίο πρέπει να ζητηθεί η άδεια χρήσης. Το πιο γνωστό παράδειγμα είναι η φωτογραφία της Lena Sjooblom που χρησιμοποιείται ευρέως στο χώρο της ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας. Η εικόνα αρχικά είχε υποστεί περικοπή (cropping) με αποτέλεσμα να μείνει μόνο το πρόσωπο της Lena και αυτό είχε σαν αποτέλεσμα να χαθεί το σημείο που περιείχε το σήμα της ιδιοκτησίας της φωτογραφίας. Ένα ακόμα πρόβλημα με τα αποτυπώματα ιδιοκτησίας πάνω στις εικόνες είναι ότι πολλές φορές δεν είναι αισθητικά όμορφα και είναι πιθανόν να καλύπτουν ένα μεγάλο τμήμα της εικόνας. Για αυτό το λόγο προτιμάται η τεχνική της υδατογράφησης μιας και το υδατογράφημα είναι μη 24

αντιληπτό και δεν μπορεί να απομονωθεί από την εικόνα. Έτσι εάν οι χρήστες εφοδιαστούν με τους κατάλληλους ανιχνευτές υδατογραφήματος μπορούν να αναγνωρίσουν τον ιδιοκτήτη ενός υλικού, ακόμα και αν το υλικό έχει υποστεί σημαντικές τροποποιήσεις. Εικόνα 1: Lena Sjooblom 5. Απόδειξη Ιδιοκτησίας (Proof of Ownership): Αρκετές φορές δεν επαρκεί να αναγνωριστεί η ιδιοκτησία ενός υλικού αλλά και να μπορεί να αποδειχθεί στο δικαστήριο [1]. Με το σήμα ιδιοκτησίας ενός υλικού (το c) αυτό δεν είναι πάντοτε εφικτό μιας και το σήμα αυτό είναι πολύ εύκολο να πλαστογραφηθεί. Έτσι μπορεί κάποιος παράνομα να παρουσιάζει ένα υλικό ως δικό του. Το πρόβλημα της απόδειξης της ιδιοκτησίας ενός ψηφιακού υλικού είναι αρκετά πολύπλοκο και ανάγεται σε πρόβλημα ασφάλειας υδατογράφησης μιας και ακόμα και αν ο νόμιμος ιδιοκτήτης ενός υλικού χρησιμοποιήσει την τεχνική της υδατογράφησης, είναι πολύ πιθανόν ένας παράνομος χρήστης να μπορέσει να αφαιρέσει το υδατογράφημα και να τοποθετήσει στο υλικό ένα άλλο. Αυτό γίνεται για παράδειγμα αν ο παράνομος χρήστης μπορέσει να ανιχνεύσει ότι το υλικό που έφτασε στα χέρια του είναι υδατογραφημένο. Εξάλλου για την τεχνική της υδατογράφησης ισχύει το ότι οποιοσδήποτε μπορεί να ανιχνεύσει ένα υδατογράφημα, ίσως να μπορεί και να το αφαιρέσει. Γενικά για το συγκεκριμένο πρόβλημα υπάρχουν τεχνικές υδατογράφησης που το αντιμετωπίζουν. Η βασική ιδέα είναι ο νόμιμος ιδιοκτήτης ενός υλικού αντί να προσπαθεί απευθείας να αποδείξει την ιδιοκτησία του να μπορεί να αποδείξει ότι το παράνομο υλικό προέρχεται από το δικό του. 6. Ανίχνευση Συναλλαγών (Transaction Tracking/Fingerprinting): Σε αυτή την εφαρμογή της υδατογράφησης, το υδατογράφημα καταγράφει μια ή περισσότερες συναλλαγές που λαμβάνουν χώρα στην ιστορία ενός αντιγράφου του ψηφιακού υλικού στο οποίο είναι τοποθετημένο. Για παράδειγμα, το υδατογράφημα μπορεί να καταγράφει τον παραλήπτη σε κάθε νόμιμη αγορά ή διανομή του υλικού. Ο ιδιοκτήτης του υλικού τοποθετεί σε κάθε αντίγραφο ένα διαφορετικό υδατογράφημα. Εάν μετέπειτα το υλικό υποστεί κατάχρηση, τότε ο ιδιοκτήτης μπορεί να ανακαλύψει ποιος είναι υπεύθυνος. Η εφαρμογή αυτή χρησιμοποιείται κυρίως για καταστάσεις όπου κάποιοι νόμιμοι πελάτες σπάνε το συμβόλαιο τους προμηθεύοντας το υλικό, που απόκτησαν νόμιμα, σε τρίτους χωρίς να έχουν το δικαίωμα αυτό. 25

7. Πιστοποίηση Περιεχομένου (Content Authentication): Τα τελευταία χρόνια γίνεται ολοένα και ευκολότερος ο τρόπος με τον οποίο μπορεί κάποιος να αλλάζει τα ψηφιακά δεδομένα με τρόπους που είναι δύσκολο να ανιχνευτούν. Για παράδειγμα είναι πολύ εύκολο χρησιμοποιώντας ένα πρόγραμμα (όπως το Adobe Photoshop) να τροποποιήσουμε το περιεχόμενο μιας εικόνας (προσθέτοντας ή αφαιρώντας ένα αντικείμενο). Αν επιπλέον η εικόνα αυτή αποτελεί ένα σημαντικό στοιχείο για τις έρευνες της αστυνομίας τότε γίνεται εύκολα κατανοητό το πρόβλημα που προκύπτει. Το ίδιο μπορεί να συμβεί και με τα δεδομένα βίντεο και ήχου. Η προτιμότερη λύση για τέτοιες περιπτώσεις είναι η τοποθέτηση ψηφιακών υπογραφών στο υλικό με την χρήση της τεχνικής της υδατογράφησης. Αυτή η ψηφιακή υπογραφή είναι γνωστή ως υδατογράφημα πιστοποίησης (authentication mark). Τα υδατογραφήματα πιστοποίησης σχεδιάζονται με τέτοιο τρόπο ώστε να καθίστανται άκυρα με την παραμικρή τροποποίηση του υλικού. Για αυτό το λόγο ονομάζονται και εύθραυστα (fragile) υδατογραφήματα. Ένα τέτοιο υδατογράφημα υποδεικνύει εάν ένα ψηφιακό υλικό έχει υποστεί τροποποίηση και παρέχει πληροφορία σχετικά με τα σημεία που η τροποποίηση αυτή έχει λάβει χώρα. 8. Έλεγχος Αντιγραφής (Copy Control): Οι περισσότερες από της εφαρμογές της υδατογράφησης που αναλύθηκαν παραπάνω, έχουν αποτέλεσμα μόνο όταν κάποιος χρήστης έχει κάνει κάτι λάθος (σκόπιμα ή όχι) και άρα χρησιμοποιούνται για να αντιμετωπίσουν λανθασμένες καταστάσεις. Για αυτό το λόγο είναι προτιμότερο με κάποιο τρόπο να μπορούν να εμποδιστούν οι παράνομες ενέργειες. Στις εφαρμογές ελέγχου αντιγραφής, στόχος είναι να εμποδίζονται οι χρήστες από το να δημιουργούν παράνομα αντίγραφα περιεχομένου με πνευματικά δικαιώματα. Η πρώτη και καλύτερη γραμμή για την αντιμετώπιση της παράνομης αντιγραφής δόθηκε από την κρυπτογραφία. Επειδή όμως υπάρχουν αρκετοί τρόποι με τους οποίους μπορεί ο χρήστης να σπάσει ένα σύστημα κρυπτογράφησης, χρησιμοποιούμε την τεχνική της υδατογράφησης. Το βασικότερο πλεονέκτημα της τεχνικής της υδατογράφησης άλλωστε είναι ότι το υδατογράφημα τοποθετείται μέσα στο περιεχόμενο και άρα παρουσιάζεται σε κάθε αναπαράστασή του. Έτσι εάν κάθε συσκευή αντιγραφής εφοδιαστεί με έναν ανιχνευτή υδατογραφήματος, τότε θα μπορέσουν να αποτραπούν όλες οι διεργασίες αντιγραφής οποτεδήποτε ένα υδατογράφημα με σημαία μη-αντιγραφής ( never- copy watermark) ανιχνευτεί στην είσοδο των συσκευών. 9. Έλεγχος Συσκευής ( Device Control): Ο έλεγχος αντιγραφής που αναφέρθηκε παραπάνω ανήκει σε μια ευρύτερη κατηγορία εφαρμογών υδατογράφησης, που είναι γνωστή ως έλεγχος συσκευής. Υπάρχουν και άλλες πολλές περιπτώσεις που οι συσκευές αντιδρούν στα υδατογραφήματα που ανιχνεύονται στο υλικό που βρίσκεται στην είσοδο τους. Από την πλευρά του χρήστη όμως, πολλές από αυτές τις εφαρμογές είναι διαφορετικές από τον έλεγχο αντιγραφής στο ότι απλά προσπαθούν να προσθέσουν μια τιμή στο περιεχόμενο του υλικού, που ανιχνεύουν το υδατογράφημα, πάρα να περιορίσουν την χρήση του. 10. Μυστική επικοινωνία (Secret Communication): Το υδατογράφημα που ενσωματώνεται στα διάφορα ψηφιακά δεδομένα, χρησιμοποιείται πολλές φορές για να μεταδώσει μυστικές πληροφορίες από ένα άτομο σε ένα άλλο (ή 26

από έναν υπολογιστή σε κάποιον άλλο) χωρίς κάποιος από τους δύο να γνωρίζει ότι αυτή η πληροφορία έχει σταλεί. 2.4 Γενικό πλαίσιο της ψηφιακής υδατογράφησης Η υδατογράφηση είναι μία διαδικασία που συνδυάζει δύο κομμάτια πληροφορίας με τέτοιον τρόπο που το καθένα μπορεί να ανιχνευτεί με δύο διαφορετικές διαδικασίες ανίχνευσης. Στο Σχήμα 2 φαίνεται το γενικό πλαίσιο της υδατογράφησης [2]: Σχήμα 2: Γενικό πλαίσιο υδατογράφησης [3]. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 2, το ένα κομμάτι πληροφορίας είναι αυτό που προέρχεται από τα ψηφιακά δεδομένα (media signal), So όπως είναι ένα ηχητικό αρχείο, μία φωτογραφία ή μία ταινία η οποία θα ανιχνευτεί από τον παρατηρητή. Το άλλο κομμάτι της πληροφορίας είναι το υδατογράφημα που θα ενσωματωθεί, αποτελούμενο από μία αυθαίρετη ακολουθία από bits η οποία θα ανιχνευτεί από έναν ειδικά σχεδιασμένο ανιχνευτή υδατογραφήματος. Το πρώτο βήμα είναι η κωδικοποίηση της ακολουθία των bits σε μία μορφή που θα μπορεί εύκολα να συνδυαστεί με τα ψηφιακά μας δεδομένα (Media signal). Ο watermark inserter στη συνέχεια ενώνει την κωδικοποιημένη ακολουθία των bits με τα ψηφιακά δεδομένα. Αν η διαδικασία εισαγωγής του υδατογραφήματος είναι σχεδιασμένη σωστά, το αποτέλεσμα είναι τα αρχικά ψηφιακά δεδομένα που θέλουμε να υδατογραφήσουμε να εμφανίζονται πανομοιότυπα όταν παρατηρούνται από άνθρωπο αλλά που αποδίδουν την κωδικοποιημένη πληροφορία όταν επεξεργαστούν από ανιχνευτή υδατογραφήματος. 27

2.5 Ιδιότητες υδατογραφήματος Τα συστήματα υδατογράφησης μπορούν να χαρακτηριστούν από ένα μεγάλο αριθμό ιδιοτήτων (ή απαιτήσεων). Αυτές περιλαμβάνουν ότι το υδατογράφημα είναι δύσκολο να γίνει αντιληπτό, μπορεί να επιβιώσει από αλλοιώσεις, ανθίσταται σε επιθέσεις, περιλαμβάνει πολλά bits πληροφορίας, μπορεί να συνυπάρξει και με άλλα υδατογραφήματα και απαιτεί μικρούς υπολογισμούς ώστε να ενσωματωθεί ή να ανιχνευτεί. Θα πρέπει να τονίσουμε όμως ότι η σημασία που έχει κάθε μια από αυτές τις ιδιότητες εξαρτάται από τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής και τον ρόλο που παίζει το υδατογράφημα σε αυτή. Στην πραγματικότητα ακόμα και η ερμηνεία της κάθε ιδιότητας μπορεί να ποικίλλει από εφαρμογή σε εφαρμογή. Ανθεκτικότητα (Robustness): Ένα υδατογράφημα πρέπει να είναι ανθεκτικό στους διάφορους μετασχηματισμούς οι οποίοι περιλαμβάνουν τις συνηθισμένες παραμορφώσεις του σήματος, τις μετατροπές από αναλογικό σε ψηφιακό και από ψηφιακό σε αναλογικό των ψηφιακών δεδομένων και τις διάφορες συμπιέσεις που αυτά υφίστανται [3]. Για τις εικόνες και τα βίντεο συγκεκριμένα εκτός από τα παραπάνω, ένα υδατογράφημα θα πρέπει να είναι ανθεκτικό και από τις γεωμετρικές παραμορφώσεις όπως αλλαγή συντεταγμένων, αλλαγή κλίμακας και ψαλιδισμός εικόνας. Στην ουσία δηλαδή το θέμα της ανθεκτικότητας περιέχει δύο ξεχωριστά θέματα: 1) το αν τελικά το υδατογράφημα θα είναι ακόμη παρόν στα ψηφιακά δεδομένα μετά τις παραμορφώσεις και 2) αν τελικά ο ανιχνευτής υδατογραφήματος μπορεί να το ανιχνεύσει. Σε μερικές περιπτώσεις όμως η ανθεκτικότητα μπορεί να είναι εντελώς άσχετη με αυτό που θέλουμε τελικά να πετύχουμε ή ακόμη και ανεπιθύμητη. Στην πραγματικότητα ένας σημαντικός κλάδος της υδατογράφησης εστιάζει στην εύθραυστη υδατογράφηση. Το χαρακτηριστικό της εύθραυστης υδατογράφησης είναι ότι είναι σχεδιασμένη έτσι ώστε να μην είναι ανθεκτική. Για παράδειγμα ένα υδατογράφημα που έχει σχεδιαστεί για σκοπούς πιστοποίησης πρέπει να είναι εύθραυστο. Επίσης οποιαδήποτε εφαρμογή επεξεργασίας σήματος που έχει εφαρμοστεί σε εικόνα πρέπει να προκαλεί την απώλεια του υδατογραφήματος. Αποτελεσματικότητα Εισαγωγής (Embedding Effectiveness): Η αποτελεσματικότητα εισαγωγής ενός υδατογραφήματος είναι η πιθανότητα της ανίχνευσής του αμέσως μετά την ενσωμάτωση του στα ψηφιακά δεδομένα μας. Αυτό σημαίνει ότι ένα σύστημα υδατογράφησης μπορεί να έχει αποτελεσματικότητα μικρότερη από το 100%. Παρ όλο που ένα σύστημα υδατογράφησης έχει σκοπό να είναι αποτελεσματικό, αυτός ο στόχος συχνά έχει μεγάλο κόστος όσον αφορά τις άλλες ιδιότητες του υδατογραφήματος. Ανάλογα βέβαια με την εφαρμογή υδατογράφησης, κάποιες φορές είναι σκόπιμο να θυσιάσουμε λίγο από την αποτελεσματικότητα έτσι ώστε να έχουμε καλύτερη απόδοση όσον αφορά τα άλλα χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα, έστω ένα σύστημα πρέπει να τοποθετεί υδατογραφήματα σε χιλιάδες εικόνες κάθε μέρα με βασικό στόχο την απόδειξη ιδιοκτησίας (proof of ownership). Ένα τέτοιο σύστημα ίσως έχει υψηλές απαιτήσεις σε πιστότητα (η πιστότητα είναι μια ιδιότητα που θα περιγραφεί στη συνέχεια) και υπάρχει περίπτωση οι βασικές εικόνες να μην μπορούν να υδατογραφηθούν επιτυχημένα με τους υπάρχοντες περιορισμούς πιστότητας. Σε αυτή την 28

περίπτωση το σύστημα πολλές φορές είναι προτιμότερο να επιτρέπει σε μερικές εικόνες να παραμένουν χωρίς υδατογράφημα και άρα η αποτελεσματικότητα θα είναι κάτω από το 100%. Σε πολλές περιπτώσεις η αποτελεσματικότητα εισαγωγής ενός συστήματος υδατογράφησης μπορεί να καθοριστεί αναλυτικά (με την ανάλυση της λανθασμένης απόρριψης-false negative analysis) ή και να εκτιμηθεί πειραματικά εισάγοντας ένα υδατογράφημα σε πολλές εικόνες ελέγχου. Το ποσοστό των εικόνων εξόδου που οδηγούν σε θετική απόφαση προσεγγίζει την πιθανότητα της αποτελεσματικότητας εφόσον βέβαια ο αριθμός των εικόνων ελέγχου (test images) είναι αρκετά μεγάλος και ακολουθεί την ίδια κατανομή με αυτή των εικόνων της εφαρμογής. Πιστότητα (Fidelity) : Το υδατογράφημα δε θα πρέπει να είναι αντιληπτό από τον παρατηρητή και ούτε θα πρέπει να επηρεάζει την ποιότητα του περιεχομένου μέσου. Ορίζουμε την πιστότητα ενός συστήματος υδατογράφησης λοιπόν σαν την αντιληπτή ομοιότητα μεταξύ του μη υδατογραφημένου και του υδατογραφημένου ψηφιακού δεδομένου στο σημείο που αυτό φτάνει στον τελικό χρήστη. Όπως η αποτελεσματικότητα εισαγωγής, έτσι και η πιστότητα είναι μια ιδιότητα που εξαρτάται από την εκάστοτε εφαρμογή. Σε πολλές εφαρμογές επιτρέπονται υδατογραφήματα που είναι περισσότερο αντιληπτά από το ανθρώπινο μάτι (το επιθυμητό είναι το υδατογράφημα να μην είναι αντιληπτό) με αντάλλαγμα τη μεγαλύτερη ανθεκτικότητα υδατογράφησης και το χαμηλότερο κόστος. Άλλωστε στον χώρο της υδατογράφησης ψηφιακών εικόνων ισχύει ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ένταση (ή δύναμη) του υδατογραφήματος, τόσο καλύτερη είναι η ανίχνευσή του και τόσο μεγαλύτερη είναι η οπτική παραμόρφωση της αρχικής εικόνας. Για τον λόγο αυτό υπάρχει μια τεχνική, η τεχνική απόκρυψης (masking) που δίνει την δυνατότητα στα συστήματα υδατογράφησης να καλύπτουν τους περιορισμούς πιστότητας της εφαρμογής για την οποία σχεδιάστηκαν. Ευθραυστότητα (Fragility): Όπως αναφέραμε και παραπάνω, σε κάποιες περιπτώσεις θέλουμε ακριβώς το αντίθετο της ανθεκτικότητας. Σε πολλές εφαρμογές το υδατογράφημα απαιτείται να επιβιώνει συγκεκριμένους μετασχηματισμούς και να καταστρέφεται από άλλους. Για παράδειγμα ένα υδατογράφημα που είναι τοποθετημένο σε ένα νόμιμο κείμενο θα πρέπει να επιβιώνει από οποιαδήποτε αντιγραφή που δε θα αλλάζει το κείμενο αλλά θα πρέπει να καταστρέφεται αν έστω και ένα σημείο στίξης από το κείμενο μετακινηθεί. Ασφάλεια (Security): Είναι δεδομένο ότι αυτοί που θέλουν να σπάσουν το υδατογράφημα έχουν πλήρη επίγνωση της εφαρμοσμένης διαδικασίας εισαγωγής του. Παρ όλα αυτά δε θα πρέπει να είναι γνωστό το μυστικό κλειδί της υδατογράφησης. Ωστόσο ο επιτεθείς θα προσπαθήσει να επεξεργαστεί με τέτοιο τρόπο τα δεδομένα, ώστε να καταστρέψει το υδατογράφημα ή να τυπώσει και να σκανάρει το αρχικό υλικό χωρίς να χρειάζεται το κλειδί ασφαλείας της υδατογράφησης. Η ασφάλεια σχετίζεται και με την πολυπλοκότητα με τέτοιο τρόπο, ώστε με τη χρήση πολλών και 29

μεγάλων κλειδιών κατά την υδατογράφηση να αποτρέπεται η δυνατότητα σπασίματος του υδατογραφήματος. Χωρητικότητα (Capacity): Η χωρητικότητα αναφέρεται στην ποσότητα των πληροφοριών που μπορούν να αποθηκευτούν σε ένα ψηφιακό δεδομένο [2]. Όταν χρησιμοποιούμε ψηφιακή υδατογράφηση για απλό έλεγχο αντιγραφής, η χωρητικότητα ενός bit ( 1=επιτρέπεται/0=απαγορεύεται) είναι ικανοποιητική. Από την άλλη μεριά, όταν χρησιμοποιούμε το υδατογράφημα για έλεγχο πνευματικής ιδιοκτησίας οι εφαρμογές αυτές συνήθως απαιτούν περίπου 60 με 70 bit από πληροφορίες. Φορτίο δεδομένων (Data Payload): Το φορτίο δεδομένων αναφέρεται στον αριθμό των δυαδικών ψηφίων (bits) που κωδικοποιεί το υδατογράφημα μέσα σε ένα ψηφιακό μέσο. Ένα υδατογράφημα που κωδικοποιεί Ν bits ονομάζεται Ν-bit υδατογράφημα (N-bit watermark). Τέτοια συστήματα υδατογράφησης μπορούν να κωδικοποιήσουν 2Ν διαφορετικά μηνύματα. Διαφορετικές εφαρμογές απαιτούν διαφορετικά φορτία δεδομένων [1]. Για παράδειγμα εφαρμογές ελέγχου αντιγραφής μπορεί να απαιτούν 4-8 bits κωδικοποίησης, ενώ εφαρμογές ελέγχου εκπομπής τηλεόρασης 24 bits. Υπάρχουν επίσης και εφαρμογές που απαιτούν έναν ανιχνευτή που να εκτελεί δυο λειτουργίες. Η πρώτη είναι να καθορίζει εάν το ψηφιακό μας μέσο περιέχει υδατογράφημα και η άλλη να προσδιορίζει ποιο από τα 2Ν μηνύματα κωδικοποιεί. Ένας τέτοιος ανιχνευτής θα έχει 2Ν +1 πιθανές τιμές εξόδου ( 2Ν μηνύματα συν την έξοδο «μη υδατογραφημένο μέσο»). Θα πρέπει επίσης να αναφερθεί ότι στην βιβλιογραφία έχουν προταθεί πολλά συστήματα στα οποία υπάρχει ένα μόνο πιθανό υδατογράφημα και ο ανιχνευτής αποφασίζει αν το υδατογράφημα παρουσιάζεται ή όχι σε ένα ψηφιακό μέσο. Αυτά τα συστήματα πολλές φορές ονομάζονται και «ενός-ψηφίου» συστήματα υδατογράφησης γιατί υπάρχουν δυο ακριβώς πιθανές έξοδοι του ανιχνευτή (υδατογραφημένο μέσο και μη υδατογραφημένο μέσο). Επειδή όμως υπάρχει ασυμφωνία με τον προηγούμενο ορισμό, για αυτά τα συστήματα έχει προταθεί ο ορισμός «μηδενικού-ψηφίου» συστήματα υδατογράφησης επειδή έχουν 20 +1 = 2 πιθανές εξόδους. Ρυθμός Λανθασμένης Αποδοχής (False Positive Rate): Μια λανθασμένη αποδοχή (false positive) συμβαίνει όταν ο ανιχνευτής ενός συστήματος υδατογράφησης ενός ψηφιακού μέσου αποφασίσει ότι ένα μη υδατογραφημένο αρχείο περιέχει υδατογράφημα. Όταν αναφερόμαστε στο ρυθμό λανθασμένης αποδοχής, αναφερόμαστε στον αριθμό των λανθασμένων αποδοχών που περιμένουμε ότι θα συμβούν σε έναν δοσμένο αριθμό εκτελέσεων του ανιχνευτή. Ισοδύναμα μπορούμε να ορίσουμε την πιθανότητα που μπορεί να συμβεί μια λανθασμένη αποδοχή σε δοσμένο αριθμό εκτελέσεων του ανιχνευτή. Υπάρχουν δυο λεπτά διαχωριζόμενοι τρόποι να ορίσουμε αυτή την πιθανότητα και οι οποίοι πολλές φορές δημιουργούν σύγχυση. Η διαφορά τους έγκειται στο αν θεωρείται τυχαία μεταβλητή το υδατογράφημα ή το προς υδατογράφηση αρχείο. Στην πρώτη περίπτωση, η πιθανότητα λανθασμένης αποδοχής είναι η πιθανότητα ο ανιχνευτής να 30

αποφασίσει ότι ένα μη υδατογραφημένο αρχείο περιέχει ένα υδατογράφημα υποθέτοντας ότι έχουμε ένα σταθερό αρχείο και τυχαία επιλεγμένα υδατογραφήματα (random-watermark false positive probability). Τα υδατογραφήματα ακολουθούν την κατανομή που καθορίζεται από μια γεννήτρια υδατογραφημάτων. Τυπικά, τα υδατογραφήματα δημιουργούνται είτε από έναν αλγόριθμο κωδικοποίησης ψηφίου (bit encoding algorithm) είτε από μια Gaussian ανεξάρτητη γεννήτρια αριθμών. Στις περισσότερες περιπτώσεις η πιθανότητα λανθασμένης αποδοχής σύμφωνα με αυτόν τον ορισμό, είναι ανεξάρτητη από το αρχείο και εξαρτάται μόνο από την γεννήτρια των υδατογραφημάτων. Στη δεύτερη περίπτωση, η πιθανότητα λανθασμένης αποδοχής είναι η πιθανότητα ο ανιχνευτής να αποφασίσει ότι ένα μη υδατογραφημένο αρχείο περιέχει ένα υδατογράφημα υποθέτοντας ότι έχουμε ένα σταθερό υδατογράφημα και τυχαία επιλεγμένα αρχεία (randomwork false positive probability). Η κατανομή των αρχείων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την εκάστοτε εφαρμογή. Εφόσον αυτές οι κατανομές είναι τόσο διαφορετικές μεταξύ τους, είναι πολύ πιθανό να είναι αρκετά διαφορετικές και από την κατανομή που ακολουθεί η γεννήτρια υδατογραφημάτων. Επομένως οι πιθανότητες λανθασμένης αποδοχής, σύμφωνα με αυτόν τον δεύτερο ορισμό, μπορεί να είναι αρκετά διαφορετικές από αυτές που βασίζονται στον πρώτο ορισμό. Στις περισσότερες εφαρμογές δίνεται μεγαλύτερο ενδιαφέρον για το δεύτερο ορισμό της πιθανότητας λανθασμένης αποδοχής παρά για τον πρώτο. Παρ όλα αυτά, υπάρχουν και κάποιες εφαρμογές για τις οποίες ο πρώτος ορισμός είναι εξίσου σημαντικός, όπως για παράδειγμα στην εφαρμογή της ανίχνευσης συναλλαγών, στην οποία η ανίχνευση ενός τυχαίου υδατογραφήματος σε ένα δοσμένο αρχείο μπορεί να οδηγήσει σε εσφαλμένη κατηγορία κάποιου ανθρώπου. Η απαιτούμενη πιθανότητα λανθασμένης αποδοχής εξαρτάται από την εφαρμογή για την οποία υλοποιείται το σύστημα υδατογράφησης. Σε εφαρμογές απόδειξης ιδιοκτησίας όπου ο ανιχνευτής χρησιμοποιείται πολύ σπάνια μια πιθανότητα λανθασμένης αποδοχής της τάξης του 10-6 δεν δημιουργεί σημαντικά προβλήματα. Από την άλλη πλευρά σε εφαρμογές ανίχνευσης αντιγραφής, όπου εκατομμύρια ανιχνευτές υδατογραφημάτων σε όλο τον κόσμο εκτελούνται συνεχώς για εκατομμύρια ψηφιακά αρχεία η πιθανότητα λανθασμένης αποδοχής πρέπει να είναι απειροελάχιστη. Τροποποίηση υδατογραφήματος (Watermark modification) [3]: Σε κάποιες περιπτώσεις είναι επιθυμητό να αλλάξουμε το υδατογράφημα μετά την ενσωμάτωσή του στο ψηφιακό μας αρχείο. Για παράδειγμα στην περίπτωση των ψηφιακών βίντεο δίσκων, ένας δίσκος μπορεί να έχει υδατογραφηθεί με τέτοιον τρόπο ώστε να επιτρέπει να αντιγραφεί μία μόνο φορά. Από τη στιγμή που θα αντιγραφεί την πρώτη φορά είναι αναγκαίο να αλλάξει το υδατογράφημα έτσι ώστε να αποτραπούν περαιτέρω αντιγραφές. Η αλλαγή του υδατογραφήματος μπορεί να επιτευχθεί είτε με το να αφαιρέσεις το πρώτο υδατογράφημα και να προσθέσεις μετά το καινούριο, είτε με το να εισάγεις ένα δεύτερο υδατογράφημα έτσι ώστε να είναι και τα δύο αναγνώσιμα αλλά το ένα να υπερκαλύπτει το άλλο. Η πρώτη εναλλακτική δεν επιτρέπει στο υδατογράφημα να είναι τόσο ανθεκτικό μιας και υποδηλώνει ότι το υδατογράφημα μπορεί να μετακινηθεί εύκολα. Το να επιτρέπονται περισσότερα του ενός υδατογραφήματα είναι προτιμότερο, γιατί εκτός από 31

την ασφάλεια, διευκολύνει την ευθυγράμμιση του ψηφιακού περιεχομένου από την παραγωγή στην κατανάλωση καθώς σε κάθε στάδιο της παραγωγικής αλυσίδας μπορεί να ενσωματωθεί ένα διαφορετικό και μοναδικό υδατογράφημα. Υπάρχει βέβαια σε κάποιες περιπτώσεις πρόβλημα ασφαλείας με τα πολλαπλά υδατογραφήματα αν δεν παρθούν ειδικά μέτρα. Υπολογιστικό Κόστος (Cost): Από τεχνολογικής πλευράς, τα δύο πρωταρχικά θέματα ενδιαφέροντος είναι η ταχύτητα με την οποία πρέπει να εκτελούνται οι διαδικασίες εισαγωγής και ανίχνευσης και ο αριθμός των συστημάτων που πρέπει να αναπτυχθούν. Άλλα θέματα περιλαμβάνουν το αν τα συστήματα εισαγωγής και ανίχνευσης υδατογραφημάτων πρέπει να υλοποιούνται σαν ειδικού σκοπού συσκευές υλικού ή σαν εφαρμογές λογισμικού. Στις εφαρμογές ελέγχου εκπομπής, και τα συστήματα εισαγωγής (embedders) αλλά και οι ανιχνευτές (detectors), πρέπει να λειτουργούν τουλάχιστον σε πραγματικό χρόνο. Αυτό συμβαίνει γιατί τα συστήματα εισαγωγής δεν πρέπει να καθυστερούν το χρονοδιάγραμμα παραγωγής και οι ανιχνευτές πρέπει να λειτουργούν σε εκπομπές πραγματικού χρόνου. Από την άλλη πλευρά, ο ανιχνευτής ενός συστήματος απόδειξης ιδιοκτησίας μπορεί να είναι πολύτιμος ακόμη και αν κάνει πολλές μέρες να βρει το υδατογράφημα. Ένας τέτοιος ανιχνευτής χρησιμοποιείται μόνο σε περιπτώσεις αμφισβήτησης ιδιοκτησίας, οι οποίες είναι σπάνιες, και η απόφαση του είναι τόσο σημαντική για τον ιδιοκτήτη που είναι πρόθυμος να περιμένει. Επιπλέον διαφορετικές εφαρμογές απαιτούν διαφορετικό αριθμό συστημάτων εισαγωγής υδατογραφήματος και ανίχνευσης. Έτσι σε εφαρμογές ελέγχου εκπομπής απαιτούνται λίγα συστήματα εισαγωγής και μερικές εκατοντάδες ανιχνευτών σε διαφορετικές τοποθεσίες. Οι εφαρμογές ελέγχου αντιγραφής χρειάζονται μόνο λίγους εισαγωγείς, αλλά εκατομμύρια ανιχνευτών. Αντίστροφα στις εφαρμογές ανίχνευσης συναλλαγών που υλοποιούνται από την DiVX κάθε μηχανή περιέχει ένα διακριτό υδατογράφημα και άρα απαιτούνται εκατομμύρια συστήματα εισαγωγής υδατογραφημάτων και μόνο λίγοι ανιχνευτές. Γενικά, όσο περισσότερο πολυάριθμη πρέπει να είναι μια συσκευή για μια εφαρμογή τόσο λιγότερο κοστίζει. 2.6 Τύποι ψηφιακού υδατογραφήματος Στις προηγούμενες υποενότητες ταξινομήθηκαν τα υδατογραφήματα με βάση τις απαιτήσεις που έχουμε από αυτά. Ωστόσο τα ψηφιακά υδατογραφήματα και οι τεχνικές τους μπορούν να χωριστούν σε διάφορες κατηγορίες σύμφωνα με τον τύπο τους. Για παράδειγμα θα μπορούσαν να ταξινομηθούν ανάλογα με την εφαρμογή που χρησιμοποιούνται (υδατογράφηση εικόνας, βίντεο, ήχου, κειμένου ή σήματος), ανάλογα με το αν θέλουμε να είναι αντιληπτά από τον παρατηρητή ή όχι και με το ποια τεχνική έχει χρησιμοποιηθεί για να ενσωματωθεί. Μπορεί ακόμη να κατηγοριοποιηθεί ανάλογα με το αν χρησιμοποιείται στο πεδίο του χώρου ή στο πεδίο της συχνότητας ( διακριτός Μ/Σ Fourier( DFT), διακριτός Μ/Σ συνημίτονου ( DCT), wavelet Μ/Σ) ή με το αν οι τεχνικές υδατογράφησης είναι εύθραυστες ή ανθεκτικές. Επιπρόσθετα, τα ψηφιακά υδατογραφήματα μπορούν να χωριστούν και με βάση το αν θέλουμε να είναι ορατά ή όχι από τον παρατηρητή. Ορατά υδατογραφήματα είναι αυτά που βλέπουμε κάθε μέρα στην τηλεόραση σαν λογότυπα των σταθμών. Αυτά τα υδατογραφήματα μπορούν να είναι ανθεκτικά ενάντια σε διάφορες ενέργειες ή και 32

εύθραυστα όταν χρειάζεται να χρησιμοποιηθούν για έλεγχο αντιγραφής ή εφαρμογές πιστοποίησης. Ένας όμως από τους σημαντικότερους διαχωρισμούς των υδατογραφημάτων είναι το αν οι τεχνικές ανίχνευσης είναι ενημερωμένες ή όχι, δηλαδή αν κατά τη διαδικασία της εξαγωγής του υδατογραφήματος είναι γνωστό το αρχικό σήμα ή όχι. Στη συνέχεια παρουσιάζουμε τις σημαντικότερες υποκατηγορίες των τεχνικών υδατογράφησης που συναντούμε στο πεδίο της έρευνας. 2.6.1 Εύθραυστες-Ανθεκτικές τεχνικές Οι ανθεκτικές τεχνικές υδατογράφησης έχουν το χαρακτηριστικό ότι τα υδατογραφήματα που ενσωματώνονται διατηρούνται ανέπαφα ακόμη και μετά από επεξεργασίες του ψηφιακού μέσου και κακόβουλες επιθέσεις. Αντίθετα στις εύθραυστές τεχνικές τα υδατογραφήματα δεν επιβιώνουν από ανεπιθύμητους μετασχηματισμούς επιτρέποντας έτσι τον έλεγχο της ακεραιότητάς τους και την ανίχνευση των μεταβολών. 2.6.2 Μη ενημερωμένες και ενημερωμένες τεχνικές ( Blind and non blind τεχνικές) Σε μερικές εφαρμογές κατά την διάρκεια της διαδικασίας ανίχνευσης του υδατογραφήματος είναι διαθέσιμο το αρχικό μη υδατογραφημένο ψηφιακό αρχείο. Αυτή η τεχνική είναι η ενημερωμένη (non blind). Σε άλλες εφαρμογές η ανίχνευση του υδατογραφήματος είναι υποχρεωτικό να πραγματοποιείται χωρίς καμιά πρόσβαση στο αρχικό ψηφιακό αρχείο. Αυτή η τεχνική είναι η μη-ενημερωμένη τεχνική. Ο ανιχνευτής που για την ανίχνευση εκτός από το μυστικό κλειδί (secret key) απαιτεί πρόσβαση και στο αρχικό, μη υδατογραφημένο αρχείο ονομάζεται ενημερωμένος ή πληροφορημένος ανιχνευτής (non-blind ή informed detector). Αυτός ο όρος χρησιμοποιείται επίσης και για ανιχνευτές που δεν απαιτούν ολόκληρο το αρχικό, αλλά κάποια πληροφορία για αυτό. Αντίστροφα οι ανιχνευτές που δεν απαιτούν καμία πληροφορία από το αρχικό αρχείο, παρά μόνο το μυστικό κλειδί, ονομάζονται τυφλοί ή μη-ενημερωμένοι ανιχνευτές (blind detectors). Το κατά πόσο ένα σύστημα υδατογράφησης θα χρησιμοποιεί το αρχικό αρχείο κατά την διάρκεια της διαδικασίας ανίχνευσης, εξαρτάται από την εφαρμογή για την οποία υλοποιείται. Το σίγουρο είναι ότι τις περισσότερες φορές το αρχικό αρχείο δεν είναι διαθέσιμο στον ανιχνευτή και άρα τα συστήματα υδατογράφησης που βασίζονται σε μηενημερωμένους ανιχνευτές παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια. Γίνεται επίσης εύκολα αντιληπτό ότι η υλοποίηση μη-ενημερωμένων ανιχνευτών είναι αρκετά πιο πολύπλοκη διαδικασία από την υλοποίηση πληροφορημένων. Στην βιβλιογραφία της τεχνικής της υδατογράφησης τα συστήματα που χρησιμοποιούν φανερούς ανιχνευτές συχνά ονομάζονται ιδιωτικά ή ενημερωμένα συστήματα υδατογράφησης (private ή non-blind watermarking systems). Ένα τέτοιο σύστημα φαίνεται στο Σχήμα 3. Αντίθετα τα συστήματα που χρησιμοποιούν μηενημερωμένους ανιχνευτές ονομάζονται δημόσια ή μη-ενημερωμένα συστήματα υδατογράφησης (public ή blind watermarking systems). Ένα τέτοιο σύστημα παρουσιάζεται στο Σχήμα 4. Αυτή η ορολογία αναφέρεται στη γενική χρησιμότητα των συστημάτων σε εφαρμογές στις οποίες μόνο μια επιλεγμένη ομάδα ανθρώπων μπορεί να ανιχνεύσει το υδατογράφημα (private watermarking applications) ή σε εφαρμογές στις οποίες πρέπει οποιοσδήποτε να μπορεί να ανιχνεύσει το υδατογράφημα (public watermarking applications). Τέλος, σε ορισμένες περιπτώσεις 33