デジタル透かし

デジタル透かしは、音声、動画、画像データなどのノイズ耐性のある信号にひそかに埋め込まれた一種のマーカーです。 ^{[1]通常、このような信号の著作権の所有権を識別するために使用されます。デジタル透かしは、}搬送信号にデジタル情報を隠すプロセスです。隠された情報は、^[2]搬送信号との関係を含む必要がありますが、必ずしもそうである必要はありません。デジタル透かしは、搬送信号の真正性や整合性を検証したり、その所有者の身元を示すために使用できます。著作権侵害の追跡や紙幣の認証によく使用されます。

従来の物理的な透かしと同様に、デジタル透かしは、多くの場合、特定の条件下でのみ知覚可能であり、たとえば、何らかのアルゴリズムを使用した後などです。^[3]デジタル透かしがキャリア信号を歪めて簡単に知覚できるようにすると、その目的によっては効果が低いと見なされることがあります。^[3]従来の透かしは目に見えるメディア（画像やビデオなど）に適用できますが、デジタル透かしでは、信号はオーディオ、写真、ビデオ、テキスト、または 3D モデルです。 信号は、同時に複数の異なる透かしを運ぶことができます。キャリア信号に追加されるメタデータとは異なり、デジタル透かしはキャリア信号のサイズを変更しません。

デジタル ウォーターマークに必要なプロパティは、それが適用されるユース ケースによって異なります。メディア ファイルに著作権情報をマークするには、キャリア信号に適用できる変更に対してデジタル ウォーターマークがかなり堅牢である必要があります。一方、整合性を確保する必要がある場合は、脆弱なウォーターマークが適用されます。

ステガノグラフィと電子透かしはどちらも、ノイズの多い信号にデータを密かに埋め込むためにステガノグラフィ技術を採用しています。ステガノグラフィは人間の感覚で感知できないことを目指していますが、電子透かしは堅牢性を最優先に制御しようとします。

データのデジタル コピーはオリジナルと同じなので、デジタル ウォーターマークは受動的な保護ツールです。データにマークを付けるだけで、データの質を下げたり、データへのアクセスを制御したりすることはありません。

デジタル透かしの応用例の 1 つは、ソース追跡です。 透かしは、各配信ポイントでデジタル信号に埋め込まれます。 作品のコピーが後で見つかった場合、そのコピーから透かしを取得して、配信元を知ることができます。 この技術は、違法にコピーされた映画のソースを検出するために使用されていると言われています。

デジタル透かしという用語は、 1992年12月にアンドリュー・ティルケルとチャールズ・オズボーンによって造られました。ステガノグラフィ拡散スペクトル透かしの埋め込みと抽出に初めて成功したのは、1993年にアンドリュー・ティルケル、ジェラルド・ランキン、ロン・ヴァン・シンデル、チャールズ・オズボーンらによって実証されました。^[4]

透かしは、製紙工程で作られる識別マークです。最初の透かしは 13 世紀にイタリアで登場しましたが、その使用はヨーロッパ全土に急速に広まりました。透かしは、製紙業者や紙を製造した商人組合を識別する手段として使用されました。透かしは、紙の型に縫い付けられた針金で作られることが多かったです。透かしは、今日でも製造業者のマークとして、また偽造防止のために使用され続けています。

デジタル透かしは、次のような幅広いアプリケーションに使用できます。

• デジタルアート作品などの一部のメディアにおける著作権保護。
• ソース追跡（受信者によって透かしの入ったコンテンツが異なります）
• 放送監視（テレビニュースには国際機関からの透かし入りのビデオが含まれることが多い）
• ビデオ認証
• スクリーンキャストおよびビデオ編集ソフトウェアプログラムを機能不全に陥れるソフトウェア。これを削除するために、ユーザーにフル バージョンを購入するよう促します。
• IDカードのセキュリティ
• 詐欺および改ざんの検出。
• ソーシャルネットワーク上のコンテンツ管理^[5]

信号に埋め込まれる情報はデジタル ウォーターマークと呼ばれますが、一部の文脈では、デジタル ウォーターマークという用語は、ウォーターマークが埋め込まれた信号とカバー信号の違いを意味します。ウォーターマークが埋め込まれる信号は、ホスト信号と呼ばれます。ウォーターマーク システムは通常、埋め込み、攻撃、検出という 3 つの異なるステップに分かれています。埋め込みでは、アルゴリズムがホストと埋め込まれるデータを受け取り、ウォーターマークが埋め込まれた信号を生成します。

その後、透かしが入ったデジタル信号が送信または保存され、通常は別の人物に送信されます。この人物が変更を加えた場合、これは攻撃と呼ばれます。変更は悪意のあるものではないかもしれませんが、攻撃という用語は著作権保護アプリケーションから来ており、第三者が変更によってデジタル透かしを削除しようとする可能性があります。データの非可逆圧縮（解像度が低下する）、画像やビデオのトリミング、意図的にノイズを追加するなど、考えられる変更は多数あります。

検出(抽出とも呼ばれる) は、攻撃を受けた信号に適用され、そこから透かしを抽出しようとするアルゴリズムです。信号が送信中に変更されていない場合、透かしは依然として存在し、抽出される可能性があります。堅牢なデジタル透かしアプリケーションでは、変更が強力であっても、抽出アルゴリズムによって透かしを正しく生成できる必要があります。脆弱なデジタル透かしでは、信号に何らかの変更が加えられると、抽出アルゴリズムは失敗します。

デジタル透かしは、埋め込まれた情報が、たとえ変換によって劣化したとしても、マークされた信号から確実に検出できる場合、変換に対して堅牢であると呼ばれます。一般的な画像劣化は、JPEG 圧縮、回転、切り取り、加法性ノイズ、量子化です。^[6]ビデオコンテンツの場合、時間的な変更と MPEG 圧縮がこのリストに追加されることがよくあります。デジタル透かしは、透かしが入ったコンテンツが、元の透かしが入っていないコンテンツと知覚的に同等である場合、知覚できないと呼ばれます。 ^{[7]一般に、堅牢な透かし}または知覚できない透かしは簡単に作成できますが、堅牢で知覚できない透かしの両方を作成することは非常に困難であることが判明しています。^[2]堅牢な知覚できない透かしは、デジタルコンテンツを保護するツールとして提案されており、たとえば、プロフェッショナルなビデオコンテンツに埋め込まれたコピー禁止フラグとして使用されています。 ^[8]

デジタル透かし技術はいくつかの方法で分類できます。

デジタル透かしは、わずかな変更でも検出できない場合は脆弱であると呼ばれます。脆弱な透かしは、改ざん検出 (完全性証明) によく使用されます。明らかに目立つ元の作品への変更は、通常、透かしではなく、一般化されたバーコードと呼ばれます。

デジタル透かしは、良性変換には抵抗するが、悪性変換後には検出されなくなる場合、 半脆弱と呼ばれます。半脆弱透かしは、悪性変換を検出するためによく使用されます。

デジタル透かしは、指定されたクラスの変換に耐えられる場合、堅牢であると呼ばれます。堅牢な透かしは、コピー防止アプリケーションでコピーおよびアクセス不可の制御情報を伝えるために使用できます。

元のカバー信号とマークされた信号が知覚的に区別できない場合、 デジタル透かしは知覚できないと呼ばれます。

デジタル ウォーターマークは、マークされた信号内にその存在が目立つ場合 (ネットワーク ロゴ、コンテンツ バグ、コード、不透明な画像などのデジタル オンスクリーン グラフィックなど)、知覚可能と呼ばれます。ビデオや画像では、一部の透かしは、表示の一部をブロックするため、消費者の利便性のために透明/半透明にされており、その結果、表示品質が低下します。

これを知覚的、つまり人間の知覚の限界を利用して知覚できないようにする 透かしと混同しないでください。

埋め込まれたメッセージの長さによって、デジタル ウォーターマーク スキームの 2 つの主なクラスが決まります。

• メッセージは概念的にはゼロビット長であり、システムはマークされたオブジェクト内の透かしの有無を検出するように設計されています。この種類の透かしスキームは、通常、ゼロビット透かしスキームまたは存在透かしスキームと呼ばれます。
• メッセージは n ビット長のストリームであり、またはが透かしで変調されます。 こうした種類の方式は、通常、マルチビット透かし方式または非ゼロビット透かし方式と呼ばれます。${\displaystyle \left(m=m_{1}\ldots m_{n},\;n\in \mathbb {N} \right.}$${\displaystyle \left.n=|m|\right)}$${\displaystyle M=\{0,1\}^{n}}$

デジタル透かしの方法は、マークされた信号が加法的な変更によって得られる場合、拡散スペクトルと呼ばれます。拡散スペクトル透かしは、適度に堅牢であることが知られていますが、ホスト干渉のために情報容量が低いことも知られています。

デジタル透かし方式は、マークされた信号が量子化によって得られる場合、量子化型であると言われます。量子化透かしは堅牢性が低いですが、ホスト干渉が拒否されるため、情報容量が高くなります。

デジタル透かし方式は、マークされた信号がスペクトル拡散方式に類似した加法的な変更によって埋め込まれるが、特に空間領域に埋め込まれる場合、 振幅変調と呼ばれます。

デジタル ウォーターマーク スキームの評価は、ウォーターマーク設計者やエンド ユーザーに詳細な情報を提供する可能性があるため、さまざまな評価戦略が存在します。ウォーターマーク設計者がよく使用する方法は、たとえば改善点を示すために単一のプロパティを評価することです。ほとんどの場合、エンド ユーザーは詳細情報には興味がありません。エンド ユーザーは、特定のデジタル ウォーターマーク アルゴリズムが自分のアプリケーション シナリオに使用できるかどうか、使用できる場合はどのパラメーター セットが最適かを知りたいのです。

エプソンとコダックは、エプソン PhotoPC 3000Z やコダック DC-290 などのセキュリティ機能を備えたカメラを製造しています。どちらのカメラも、元の画像を歪ませる削除不可能な機能を写真に追加したため、法廷での法医学的証拠などの一部の用途には受け入れられませんでした。ブライスとフリドリッヒによると、「どちらのカメラも、画像の出所や作者について議論の余地のない証拠を提供することはできません」。^[9] セキュア デジタル カメラ (SDC) は、2003 年にサラジュ モハンティらによって提案され、2004 年 1 月に公開されました。これが初めて提案されたわけではありません。^[10]ブライスとフリドリッヒは、2004 年にも SDC に取り組んでおり^{[9]、ロスレス ウォーターマークを使用して}生体認証識別子を暗号ハッシュと共に埋め込むデジタル カメラを開発しました。^[11]

可逆的なデータ隠蔽とは、デジタル透かしを削除し、上書きされた画像データを置き換えることで、画像を認証し、元の形式に復元することを可能にする技術である。^[12]

リレーショナル データベースのデジタル ウォーターマークは、著作権保護、改ざん検出、不正者の追跡、リレーショナル データの整合性維持を実現する候補ソリューションとして浮上しています。これらの目的に対処するために、多くのウォーターマーク技術が文献で提案されています。現在の最先端技術の調査と、さまざまな技術をその目的、ウォーターマークの表現方法、カバー タイプ、粒度レベル、検証可能性に基づいて分類したものが、2010 年に Halder らによって Journal of Universal Computer Scienceに発表されました。^[13]

• チップアート
• 暗号化された著作権侵害対策
• コピー攻撃
• EURion星座
• パターン認識（小説）
• ステガノグラフィー
• 裏切り者の追跡
• 透かし（データファイル）
• オーディオ透かし
• デジタルオンスクリーングラフィック
• 自動コンテンツ認識

• ECRYPT レポート: オーディオ ベンチマーク ツールとステガナリシス
• ECRYPT レポート: ウォーターマークのベンチマーク
• Jana Dittmann、David Megias、Andreas Lang、Jordi Herrera-Joancomarti;オーディオ透かし方式の堅牢性、透明性、容量の三角形における実用的な評価と比較のための理論的枠組み; Transaction on Data Hiding and Multimedia Security I; Springer LNCS 4300; 編集者 Yun Q. Shi; pp. 1–40; ISBN 978-3-540-49071-5、2006 PDF 
• Smirnov, MV (2005 年 6 月1日)。「写真画像に隠れた透かしを埋め込むホログラフィック アプローチ」。Journal of Optical Technology。72 ( 6): 464–484。Bibcode :2005JOptT..72..464S。doi :10.1364/JOT.72.000464。ISSN 1070-9762  。
• Patrick Bas、Teddy Furon、François Cayre、Gwenaël Doërr、Benjamin Mathon、「ウォーターマークのセキュリティ、基礎、安全な設計と攻撃」、Springer Briefs in Electrical and Computer Engineering、2016 年、ISBN 978-9811005053 

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