DE69637340T2 - Steganographisches verfahren und steganografische vorrichtung - Google Patents

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    • H04N2201/3281—Encryption; Ciphering

Description

  • Definitionen
  • In der folgenden Beschreibung treten mehrere Ausdrücke häufig auf. Diese werden für eine einfache Bezugnahme nachstehend definiert:
    "Inhalt" bezeichnet Multimedia-Inhalt. Dieser Ausdruck umfasst verschiedenartige Information, die in einem Multimedia-Unterhaltungssystem verarbeitet werden soll. Inhalt bezeichnet in Verbindung mit der vorliegenden Beschreibung digitalisierte Audio-, Video- oder Standbilddaten. Diese Information kann in Dateien eines Multimedia-Computersystems enthalten sein, wobei die Dateien ein bestimmtes Format haben, das für den Typ des Inhalts (Ton, Bilder, Bewegtbilder) oder des Systems, Computers, usw., der zum Verarbeiten des Inhalts verwendet wird, spezifisch ist.
  • "Digitalisiert" bezeichnet Inhalt, der aus diskreten digitalen Abtastwerten eines ansonsten analogen Mediums besteht, die das Medium in einem Computer oder einer anderen digitalen Vorrichtung näherungsweise darstellen. Beispielsweise soll der Schall von Musik natürlich erscheinen und durch eine Person als analoge (kontinuierliche) Schallwelle wahrgenommen werden. Der Schall oder Ton kann in einen Strom von digitalen Abtastwerten oder Zahlen digitalisiert werden, die jeweils einen Näherungswert der Amplitude der realen analogen Welle zu einem bestimmten Zeitpunkt darstellen. Diese Abtastwerte können in Dateien in einem Computer ge speichert und dann zum hochgradig präzisen Wiederherstellen der ursprünglichen Schallwelle verwendet werden.
  • Im Allgemeinen wird einem digitalen System zugeführter Inhalt durch Analog/Digital-(A/D)Wandler digitalisiert, und analoge Medien werden durch das digitale System unter Verwendung eines Digital/Analog-(D/A)Wandlers wiederhergestellt. In Verbindung mit der vorliegenden Beschreibung stellt Inhalt immer digitalisierten Inhalt dar.
  • "Kryptografie" umfasst zahlreiche Techniken zum Verschlüsseln (Scramling) von Information, durch die Nachrichten oder Meldungen übertragen werden, so dass, wenn eine Nachricht zwischen einem Absender und einem Empfänger übertragen wird, ein unberechtigter Teilnehmer, der diese Meldung abfängt, diese weder lesen noch nützliche Information davon extrahieren kann.
  • Ein "Public Key-Verschlüsselungssystem" ist ein besonderes Verschlüsselungssystem, gemäß dem alle Teilnehmer Schlüsselpaare für eine Ver- und Entschlüsselung besitzen. Teilnehmer eines derartigen Systems verteilen ihre öffentlichen Schlüssel frei, die andere Teilnehmer nutzen können, um Nachrichten an den Besitzer des öffentlichen Schlüssels zu verschlüsseln. Derartige Nachrichten werden durch den Empfänger mit einem privaten Schlüssel entschlüsselt. Private Schlüssel werden niemals verteilt. Eine mit einem öffentlichen Schlüssel verschlüsselte Nachricht kann nur mit dem entsprechenden privaten Schlüssel entschlüsselt werden, und umgekehrt. Eine mit einem privaten Schlüssel verschlüsselte Nachricht wird als durch den Besitzer dieses Schlüssels signierte Nachricht bezeichnet. Jeder, der im Besitz des öffentlichen Schlüssels ist, kann die Nachricht entschlüsseln und die durch den Besitzer des öffentlichen Schlüssels verschlüsselte und damit signierte Information extrahieren, weil nur diese den entsprechenden privaten Schlüssel besitzen.
  • "Steganografie" ist eine von Kryptografie verschiedene, jedoch damit in Beziehung stehende Technik, die zahlreiche Verfahren zum Verbergen einer Informationsnachricht in einem anderen Medium umfasst, z. B. eine andere, nicht damit in Beziehung stehende Nachricht, so dass ein unberechtigter Teilnehmer, der das Medium, über das die verborgene Nachrichtung übertragen wird, abfängt, nicht erkennt, dass es eine verborgene Nachricht enthält und damit die Information in der verborgenen Nachricht nicht extrahieren kann. D. h., durch Steganografie sollen Nachrichten in einer unverschlüsselten Darstellung verborgen werden.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In der gegenwärtigen Umgebung von Computernetzwerken und der Ausbreitung digitaler oder digitalisierter Multimedia-Inhalte, die über derartige Netzwerke verteilt werden können, ist Urheberrechtsschutz ein Schlüsselfaktor. Urheberrechtsschutz ist die Fähigkeit, die Verbreitung unberechtigter Kopien urheberrechtlich geschützter Arbeiten zu verhindern oder davor abzuschrecken. Dadurch wird eine geeignete Garantie dafür bereitgestellt, dass der Autor einer urheberrechtlich geschützten Arbeit für jede Kopie dieser Arbeit bezahlt wird.
  • Ein grundsätzliches Problem in der digitalen Welt ist, im Gegensatz zur Welt physikalischer Medien, dass eine unbegrenzte Anzahl perfekter Kopien von einem beliebigen digitalen oder digitalisierten Inhaltselement hergestellt werden kann. Eine perfekte Kopie bedeutet, dass, wenn das Original aus einem vorgegebenen Zahlenstrom besteht, die Kopie dem Original bezüglich jeder Zahl des Zahlenstroms exakt gleicht. Daher tritt während der Kopienerzeugung keine Ver schlechterung des Originalsignals auf. Bei einer analogen Kopie wird immer statistisches Rauschen induziert, wodurch die Qualität des kopierten Signals herabgesetzt wird.
  • Der Vorgang zum Herstellen unlizenzierter Kopien eines digitalen oder analogen Inhalts, z. B. von Audiodaten, Videodaten, Softwaredaten, usw. ist allgemein als Piraterie bekannt. Piraterie findet zu dem Zweck statt, entweder Profit aus dem Verkauf derartiger unlizenzierter Kopien zu ziehen, oder sich ohne Bezahlung als "Pirat" eine Kopie des Inhalts zur persönlichen Verwendung zu verschaffen.
  • Das Problem der Piraterie hat für jeglichen Inhaltstyp durch die Digitalisierung von Inhalt zugenommen. Nachdem ein Inhalt einmal digitalisiert wurde, kann ohne Qualitätseinbuße eine beliebige Anzahl von Kopien erstellt werden, wenn ein Pirat einen Weg findet, die Schutz- oder Sicherungsmaßnahme, falls überhaupt eine verwendet wird, die zum Schutz gegen derartigen Mißbrauch angewendet wurde, zu knacken. In der analogen Welt tritt mit jeder von aufeinanderfolgenden Kopien im Allgemeinen eine Qualitätseinbuße des Inhalts (Signals) auf, wodurch dem Ausmaß von Piraterie in gewissem Sinne eine natürliche Grenze gesetzt wird.
  • Gegenwärtig werden im Allgemeinen drei Verfahren zum Schützen von Urheberrechten implementiert.
    • 1) Verschlüsselung
    • 2) Kopierschutz
    • 3) Inhaltserweiterungen
  • Kopierschutz und Inhaltserweiterungen werden im Allgemeinen nur in der digitalen Welt angewendet, während ein mit Verschlüsselung in Beziehung stehendes Verfahren, das allgemein als Scrambling bezeichnet wird, auf ein analoges Signal anwendbar ist. Dieses Verfahren wird typischerweise in analogen Kabelsystemen implementiert.
  • Durch Verschlüsselung wird Inhalt gescrambelt. Bevor der Inhalt für eine Übertragung, z. B. auf eine Diskette oder über ein Netzwerk, fertiggestellt wird, muss er verschlüsselt oder gescrambelt werden. Nachdem der Inhalt verschlüsselt worden ist, kann er nicht verwendet werden, insofern er nicht entschlüsselt oder descrambelt wird. Verschlüsselte Audiodaten können Töne sein, wie beispielsweise unverständliches Kreischen, während ein verschlüsseltes Bild oder Video als zufällige Muster auf einem Bildschirm erscheinen können. Das Prinzip der Verschlüsselung besteht darin, dass jemand zwar so viele Kopien erstellten kann wie er möchte, aber keinen sinnvollen Inhalt extrahieren kann, wenn kein spezieller Schlüssel für eine Entschlüsselung verwendet wird, wobei der Schlüssel nur durch eine Bezahlung für den Inhalt erhältlich ist.
  • Bei einer Verschlüsselung treten jedoch zwei Probleme auf: 1) Historisch gesehen haben Piraten immer Wege gefunden, Verschlüsselungen zu knacken, d. h. den Schlüssel zu erhalten, ohne dafür zu zahlen; und 2) kann ein Pirat, nachdem er eine einzelne legale Kopie eines Inhalts entschlüsselt hat, nun unbegrenzt Kopien der entschlüsselten Kopie erstellen. Um eine unbegrenzte Menge einer verschlüsselten Software zu verkaufen, könnten Piraten einfach eine Kopie kaufen, die sie berechtigt sind zu entschlüsseln.
  • Kopierschutz beinhaltet verschiedene Verfahren, durch die ein Softwareentwickler die Software auf eine intelligente Weise schreiben kann, um zu bestimmen, ob sie kopiert worden ist, wobei, wenn dies der Fall ist, die Software sich von selbst deaktiviert. Außerdem sind nicht dokumentierte Änderungen des Speicherformats des Inhalts eingeschlossen. Kopierschutz wurde allgemein durch die Softwareindustrie aufgegeben, weil Piraten im Allgemeinen genauso intelligent waren wie die Softwareentwickler und Wege gefunden haben, deren Software zu modifizieren und den Schutz zu deaktivieren. Die Kosten für die Entwicklung eines derartigen Schutzes waren hinsichtlich des Ausmaßes der Piraterie, die trotz des Kopierschutzes auftrat, nicht gerechtfertigt.
  • Inhaltserweiterung bezeichnet ein beliebiges System, das Zusatzinformation an den Originalinhalt anheftet, die anzeigt, ob eine Kopie zulässig ist oder nicht. Ein Software- oder Hardwaresystem muss um dieses Schema herum spezifisch aufgebaut sein, um die Zusatzinformation zu erkennen und auf eine geeignete Weise zu interpretieren. Ein Beispiel eines derartigen Systems ist das in DAT-(Digital Audio Tape)Hardware eingebettete Serial Copyright Management System. In diesem System wird Zusatzinformation, die anzeigt, ob eine Kopie zulässig ist oder nicht, unmittelbar vor jeder Audioinhaltspur auf der Diskette oder Platte gespeichert. Die Hardware liest diese Information und verwendet sie entsprechend.
  • Ein grundsätzlichen Problem bei der Verschlüsselung und Inhaltserweiterung ist ein "schurkenhafter Entwickler". Ein Angestellter, der bei dem Design eines derartigen Systems mitwirkt, oder eine Person mit der Kenntnis und den Mitteln zum Analysieren eines derartigen Systems, kann es derart modifizieren, dass die Urheberrechtsschutzinformation insgesamt ignoriert wird, und kann unlizenzierte Kopien des Inhalts anfertigen. Kabelpiraterie ist allgegenwärtig, unterstützt durch unzulässige Decodervorrichtungen, die durch Personen hergestellt werden, die die technischen Details des Kabelverschlüsselungssystems verstehen. Obwohl die in Frage kommenden Kabelsysteme tatsächlich auf analogen HF-Signalen basierten, wird das gleiche Prinzip auch auf Digitalsignale angewendet.
  • Die in der Praxis schwachen Verschlüsselungsverfahren und "schurkenhaften Entwickler" haben dazu beigetragen, das Vertrauen in derartige Urheberrechtsschutzverfahren zu begrenzen.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bei herkömmlichen Systemen für eine digitale Verteilung auftretenden Probleme zu lösen und eine Weise zum Durchsetzen eines Urheberechtsschutzes online bereitzustellen. Die Erfindung nutzt Techniken aus zwei Bereichen, Kryptografie, d. h. eine Technik zum Verschlüsseln oder Scrambeln von Nachrichten derart, dass nur ein berechtigter Empfänger sie lesen kann, und Steganografie, ein Ausdruck, der auf verschiedene Techniken zum Verbergen von Nachrichten angewendet wird, so dass nur berechtigte Empfänger einer Nachricht überhaupt wissen, dass eine Nachricht übertragen worden ist, so dass diese Technik als Stega-Cipher-Technik bezeichnet wird. Die Stega-Cipher-Technik wird so bezeichnet, weil sie die Steganografietechnik zum Verbergen einer Nachricht in einem Multimedia-Inhalt in Kombination mit mehreren Schlüsseln verwendet, ein Konzept, das seinen Ursprung in der Kryptografie hat. Anstatt die Schlüssel zum Verschlüsseln des Inhalts zu verwenden, verwendet die Stega-Cipher-Technik diese Schlüssel zum Anordnen der verborgenen Nachricht im Inhalt. Die Nachricht selbst ist verschlüsselt, was dazu dient, die Nachricht weiter zu sichern, die Validität der Nachricht zu verifizieren und die Information auf eine zufällige Weise neu zu verteilen, so dass niemand, der versucht, die Nachricht ohne die Schlüssel zu lokalisieren, sich auf eine vorausgesetzte Kenntnis der Nachrichteninhalte als Hilfe für die Anordnung der Nachricht verlassen kann.
  • In der EP-A-0581317 sind ein Verfahren und ein System zum Einbetten von Signaturen in visuelle Bilder bei einer digitalen Darstellung sowohl eines Drucks als auch eines Films dargestellt, wobei eine Signatur in die visuellen Bilder untrennbar eingebettet wird, wobei Signaturpunkte aus Pixeln eines Originalbildes ausgewählt werden, wobei die Pixelwerte der Signaturpunkte und der umgebenden Pixel gemäß einem durch einen digitalen Scanner erfassbaren Maß eingestellt werden.
  • In Proceedings of the SPIE, Bender W. et al., SPIE, Bellingham, VA, US, Bd. 2420, 9. Februar 1995, Seiten 164 bis 173 sind Techniken zum Verbergen von Daten beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Durch die vorliegende Erfindung werden zwei Techniken kombiniert, Steganografie, d. h. Verbergen von Information, die ansonsten in einer unverschlüsselten Ansicht dargestellt wird, und Kryptografie, d. h. Scrambeln von Information, die über eine unsichere Einrichtung übertragen werden soll, derart, dass nur der berechtigte Empfänger die Information erfolgreich descrambeln kann. Der Nettoeffekt dieses Systems ist, ein Inhaltselement mit einem spezifischen Wasserzeichen zu versehen, so dass, wenn es kopiert wird, bestimmt werden kann, wer der Besitzer des Originals ist, von dem die Kopien erstellt wurden, so dass die Verantwortlichkeit für die Kopien bestimmt werden kann. Ein weiters Merkmal des Systems ist es, dass der Inhalt, auf den es angewendet wird, eindeutig identifizierbar ist.
  • Für eine umfassende Diskussion der Kryptografie, ihrer Theorie, ihrer Anwendungen und ihres spezifischen Algorithmus wird auf das Dokument APPLIED CRYPTOGRAPHY von Bruce Schneier verwiesen, wobei auf die Seiten 66–68, 378–392 dieses Dokuments hierin durch Verweis Bezug genommen wird.
  • Steganografie ist im Dokument THE CODE BREAKERS von David Kahn kurz beschrieben, wobei auf die Seiten xiii, 81–83, 522–526 und 873 dieses Dokuments hierin durch Verweis Bezug genommen wird. Eine beispielhafte Anwendung, STEGO von Romana Machado ist auch für Apple Macintosh verfügbar. STEGO kann im Internet Uniform Resource Locator (URL) "ftp://sumex-aim.stanford.edu/info-mae/stego10a2.hqx" gefunden werden. Diese Anwendung zeigt eine einfache steganografische Technik zum Codieren einer Textnachricht in ein grafisches Bild, ohne dass das Bild wesentlich verzerrt wird.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird die herkömmliche Technik verbessert, indem ein Verfahren zum Schützen des Urheberrechts im digitalen Bereich auf eine Weise bereitgestellt wird, die weder durch Steganografie noch durch Kryptografie erzielbar ist. Durch die Erfindung werden insbesondere Verbesserungen bezüglich der Steganografie bereitgestellt, indem spezielle Schlüssel verwendet werden, die exakt festlegen, an welcher Stelle einer größeren Inhalts eine Nachricht verborgen werden soll, und veranlasst wird, dass die Extraktion einer Nachricht ohne den geeigneten Schlüssel der Suche einer Nadel in einem Heuhaufen gleicht.
  • Die durch die Stega-Cipher-Technik codierte Information dient als ein Wasserzeichen, das individuelle Kopien von Inhalt identifiziert, die für spezifische Teilnehmer legal lizenziert sind. Das Wasserzeichen ist mit dem Inhalt integral. Es kann nicht durch Weglassen während einer Übertragung entfernt werden. Es fügt bei einer Signalübertragung oder -speicherung keinerlei Overhead hinzu. Es ermöglicht, dass der Inhalt ohne Modifikation oder wesentliche Qualitätsabnahme des Signals in herkömmlichen analogen und digitalen Offline-Medien gespeichert und verwendet werden kann. Diese Aspekte der Stega-Cipher-Technik stellen alle Verbesserungen bezüglich des Stands der Technik dar. D. h., seine Wirkungen würden darin bestehen, dass Piraten bei einem Versuch, das Wasserzeichen zu deaktivieren, den Inhalt zerstören würden.
  • Die hierin beschriebene Erfindung wird zum Schützen und Durchsetzen von Urheberschutzrechten in digitalen oder Online-Bereichen verwendet, wo keine physikalischen Einschrän kungen bezüglich einer Kopie von urheberrechtlich geschütztem Inhalt existieren.
  • Durch die Erfindung wird jede Kopie von durch die Erfindung erzeugtem Multimedia-Inhalt identifiziert, der aus komprimierten oder unkomprimierten digitalisierten Abtastwerten besteht, wie beispielsweise aus digitalen Standbilddaten, digitalen Audio- und digitalen Videodaten.
  • Die Erfindung ist zur Verwendung in Meterware- oder Pay-by-Use-Systemen geeignet, in denen ein Online-Benutzer jedesmal eine Gebühr entrichtet, wenn er auf ein spezifisches Inhaltselement zugreift oder einen Softwaretitel verwendet.
  • Die Erfindung ist zur Verwendung als allgemeine Verbesserung von Kryptografietechniken geeignet, um die Komplexität der Kryptoanalyse bezüglich einer vorgegebenen Verschlüsselung zu erhöhen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Schritte können modifiziert werden, um Auswirkungen von Komprimierungsverlusten auf die Abtastwerte zu berücksichtigen, wobei insbesondere Modifikationen zum Handhaben MPEG-komprimierter Audio- und Videodaten ins Auge gefasst werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können statistische Datenspreiz- und -wiedergewinnungstechniken, Fehlercodierungs- oder Spreizspektrumverarbeitungstechniken angewendet werden, um Komprimierungsverluste zu handhaben oder den Auswirkungen eines Zufallsangriffs entgegenzuwirken.
  • Die beschriebene Vorrichtung kann weiter bezüglich der Hardware spezialisiert und optimiert werden, indem Allgemeinzweck-Datenbusse und CPU- oder DSP-Steueroperationen durch eine festverdrahtete Schaltung ersetzt werden, die in einem oder mehreren Spezialzweck-ICs angeordnet ist.
  • Die Vorrichtung kann durch Software auf Allgemeinzweck-Computerplattformen modelliert und implementiert werden.
  • Die Stega-Cipher-Hardware könnte in ein Unterhaltungselektronikgerät eingebettet und nicht nur zum Identifizieren von Inhalt und Uhrheberschutzrechten, sondern auch zum Nutzen des Inhalts verwendet werden.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • I. Digital-Copyright-Stega-Cipher-Protokoll und Decodierungs-/Codierungsprogramm
  • Das hierin beschriebene Programm dient dazu, digitalen Multimedia-Inhalt für eine Verteilung zu Kunden über Online-Dienste mit einem Wasserzeichen zu versehen, derart, dass die folgenden Kriterien erfüllt sind.
  • Unter der Voraussetzung, dass ein aus digitalisierten Abtastwerten bestehendes spezifisches Multimedia-Inhaltselement gegeben ist, ist es wünschenswert, dass:
    • 1) dieses spezifische Inhaltselement von anderen Personen auf eine sichere und unbestreitbare oder eindeutige Weise eindeutig identifiziert werden kann (um z. B. zu erfassen, ob eine digitale Audioaufzeichnung "My Way" von Frank Sinatra oder "Stairway to Heaven" von Led Zeppelin darstellt), und auf eine Weise, gemäß der diese Identifizierung durch ein elektronisches Gerät oder einen elektronischen Mechanismus automatisch ausgeführt werden kann;
    • 2) der Urheberrechtinhaber des Inhalts und die Regeln, gemäß denen der Inhalt allgemein verteilt werden kann, auf eine sichere und unbestreitbare Weise eindeutig identifiziert werden kann;
    • 3) zusätzlich der lizenzierte Publisher oder Veröffentlicher, der eine bestimmte Kopie des Inhalts empfangen hat, und die Regeln, gemäß denen er die Kopie wiederverteilen oder -verkaufen kann, zu einem erforderlichen Zeitpunkt auf eine sichere und unbestreitbare Weise eindeutig identifiziert werden kann;
    • 4) zusätzlich der lizenzierte Subscriber oder Teilnehmer, der eine bestimmte Kopie des Inhalts vom unter Punkt 3) beschriebenen Veröffentlicher empfangen hat, zu einem erforderlichen Zeitpunkt auf eine sichere und unbestreitbare Weise eindeutig identifiziert werden kann.
  • Das nachstehend ausführlicher beschriebene Programm kombiniert die Techniken der Kryptografie und der Steganografie zum Verbergen eines sicher verschlüsselten, urheberrechtlich geschützten digitalen Zertifikats, das Information enthält, die die vorstehend aufgelisteten Kriterien erfüllt, derart, dass es mit dem Inhalt integral ist, wie beispielsweise ein Wasserzeichen auf Papier, so dass der Besitz des Inhalts den Besitz der Wasserzeicheninformation erzwingt. Außerdem kann das Wasserzeichen ohne Besitz der korrekten "Masken" oder Schlüssel, die nur legitim autorisierten Personen zur Verfügung stehen, d. h. Teilnehmern einer kommerziellen Transaktion, die den Verkauf einer Kopie des Inhalts beinhaltet, nicht "gefunden" oder erfolgreich decodiert werden. Schließlich wird die Berechtigung zum Verteilen eines derartigen mit Wasserzeichen versehenen Inhalts in einem System, in dem das Verfahren zum Erzeugen des Wasserzeichens implementiert wird, ohne ein erfolgreich decodiertes Wasserzeichen abgelehnt. Weil bekannte und ausgetestete Kryptografietechniken verwendet werden, um das Zertifikat selbst zu schützen, sind diese Zertifikate praktisch nicht zu fälschen. Schließlich kann das Wasserzeichen nicht gelöscht werden, ohne das der Inhalt wesentlich beschädigt wird.
  • Das Basisprogramm stellt selbst einen Schlüsselfaktor der Erfindung dar. Dieses Programm wird als das Verfahren verwendet, durch das Urheberrechtinformation auf eine integrale Weise mit dem Inhalt verknüpft wird. Dies ist ein von Kopierschutz-, Verschlüsselungs- und Inhaltserweiterungs techniken verschiedenes Konzept. Die Urheberrechtinformation selbst kann unter Verwendung von Kryptografietechniken unbestreitbar und unfälschbar gemacht werden, so dass dadurch für jede Kopie eines vorgegebenen Inhaltselements ein Audit Trail des Besitztums eingerichtet wird, wodurch jede Kopie einem spezifischen Besitzer auf eine Weise angepasst wird, durch die der Besitzer identifiziert wird.
  • Der Wert der Stega-Cipher-Technik besteht darin, dass ein Verfahren zum Versehen des Inhalts mit einem Wasserzeichen auf eine Weise bereitgestellt wird, gemäß der der Inhalt zwar geringfügig, jedoch für einen Menschen kaum wahrnehmbar, verändert wird. Außerdem wird es schwierig gemacht, das Wasserzeichen zu überwinden, weil exakt bekannt sein muss, wo die Information angeordnet ist, um sie für eine Analyse und zur Verwendung in Fälschungsversuchen zu verwenden, oder das Wasserzeichen zu entfernen, ohne dass gleichzeitig die Signalqualität beeinträchtigt wird. Um zu versuchen, die Urheberrechtinformation zu fälschen, muss eine Person zunächst in der Lage sein, die verschlüsselte Urheberrechtinformation zu analysieren, und um dies zu tun, muss diese zunächst aufgefunden werden, wofür Masken erforderlich sind.
  • II. Beispielhafte Ausführungsform einer allgemeinen Verarbeitung
  • Digitale Audiodaten werden durch eine Folge von Abtastwerten (Samples) in einer Dimension dargestellt:
    {S1, S2, S3, ... Sn}
  • Diese Folge wird auch als Abtastwertstrom bezeichnet. Der Abtastwertstrom stellt näherungsweise eine analoge Wellenform eines Schallamplitude als Funktion der Zeit dar. Jeder Abtastwert stellt einen Schätzwert der Wellenamplitude zu dem Zeitpunkt dar, zu dem der Abtastwert aufgezeichnet wird. Für monaurale Audiodaten existiert ein derartiger Abtastwertstrom. Stereo-Audiodaten bestehen aus zwei Abtastwertströmen, wobei einer den rechten und der andere den linken Kanal darstellt. Jeder Strom wird zum Ansteuern eines entsprechenden Lautsprechers zum Reproduzieren der Stereo-Audiodaten verwendet.
  • Als Audiodaten in CD-Qualität bezeichnete Audiodaten sind durch 16 Bit-(2 Byte)Stereo-Abtastwerte gekennzeichnet, die mit 44,1 kHz bzw. 44100 Abtastungen pro Sekunde in jedem Kanal aufgezeichnet werden. Der Dynamikbereich der Schallreproduktion ist der Anzahl von Bits pro Abtastwert direkt proportional. Einige Aufzeichnungen niedrigerer Qualität werden mit 8 Bits implementiert. CD-Audiodaten können unter Verwendung eines beliebigen Verfahrens gespeichert werden, gemäß dem die zwei Abtastwertströme vollständig aufgenommen werden. Wenn diese Ströme mit der gleichen Frequenz wiedergegeben werden, mit der sie aufgezeichnet wurden, werden die aufgezeichneten Audiodaten mit hoher Genauigkeit reproduziert.
  • Der Abtastwertstrom wird vom ersten bis zum letzten Abtastwert sequenziell verarbeitet. In der vorliegenden Erfindung wird der Strom in Abtastfenster getrennt, die jeweils eine feste Anzahl aufeinanderfolgender Abtastwerte aufweisen, wobei die Fenster im Abtastwertstrom sich nicht überlappen. Fenster können im Abtastwertstrom aneinandergrenzend angeordnet sein. In der vorliegenden Diskussion wird vorausgesetzt, dass jedes Fenster 128 Abtastwerte enthält und die Fenster aneinandergrenzen. Daher können die Fenster innerhalb des Stroms durch
    {[S1, S2, S3, ... S128], [S129, S130, S131, ... S256], ... [Sn-128 ... Sn]}
    dargestellt werden, wobei [...] die einzelnen Fenster bezeichnet, und wobei jegliche ungeradzahligen Abtastwerte am Ende des Stroms, die ein Fenster nicht vollständig ausfüllen, ig noriert werden können und das System einfach unmodifiziert durchlaufen können.
  • Diese Fenster werden als Eingangssignal für eine diskrete schnelle Fouriertransformation (und die inverse Operation) verwendet.
  • Fouriertransformationsverfahren basieren auf dem Prinzip, dass eine komplexe Wellenform, die als Amplitudenverlauf als Funktion der Zeit ausgedrückt und durch einen Abtastwertstrom dargestellt wird, tatsächlich der Summe aus mehreren einfachen Wellenformen entspricht, die jeweils bei verschiedenen Frequenzen oszillieren.
  • Der Ausdruck "komplex" bedeutet, dass der Wert des nächsten Abtastwertes basierend auf den Werten der letzten N Abtastwerte oder der Zeit des Abtastwertes nicht leicht vorausbestimmbar ist. Der Ausdruck "einfach" bedeutet, dass der Wert des Abtastwertes basierend auf den Werten der letzten N Abtastwerte und/oder der Zeit des Abtastwertes leicht vorausbestimmbar ist.
  • Die Summe mehrerer einfacher Wellen ist der komplexen Welle äquivalent. Durch die diskrete Fouriertransformation und ihre inverse Operation wird einfach eine begrenzte Datenmenge von einer Seite dieser Äquivalenz zur anderen Seite, d. h. zwischen der komplexen Wellenform und der Summe einfacher Wellen, umgewandelt. Die diskrete Fouriertransformation kann zum Umwandeln einer Folge von Abtastwerten, die einen zeitlichen Amplitudenverlauf darstellen (der komplexen Welle, die eine digitale Audioaufzeichnung darstellt), in die gleiche Anzahl von Abtastwerten verwendet werden, die die gesamte spektrale Energie innerhalb eines vorgegebenen Bereichs von Frequenzen (der einfachen Wellenkomponenten) zu einem bestimmten Zeitpunkt darstellen. Dieser Zeitpunkt liegt in der Mitte der ursprünglichen Amplituden-/Zeit-Abtastwerte. Durch die inverse diskrete Fouriertransformati on werden die Daten in die andere Richtung umgewandelt, um die komplexe Wellenform aus ihren einfacheren Teilen zu erzeugen.
  • Alle 128 Abtastwertfenster werden als Eingangsignale für die diskrete schnelle Fouriertransformation verwendet, wodurch 128 Bins erhalten werden, die 128 Frequenzbänder im Bereich von 0 Hz bis 22 kHz darstellen (Nyquist-Frequenz oder 1/2 Abtastrate).
  • Information kann im Frequenzbereich oder im Zeitbereich in das Audiosignal codiert werden. Im letztgenannten Fall ist keine schnelle Fouriertransformation oder inverse schnelle Fouriertransformation erforderlich. Es ist jedoch eine Codierung im Frequenzbereich empfehlenswert, weil ihre Effekte über die erhaltenen Abtastwerte im Zeitbereich verstreut werden und nicht leicht vorausbestimmbar sind. Außerdem wird es durch eine Codierung im Frequenzbereich wahrscheinlicher, dass eine Randomisierung zu erkennbaren Artefakten im erhaltenen Signal führen werden, so dass die Stega-Cipher-Verschlüsselung gegen derartige Angriffe besser geschützt ist. In Verbindung mit der vorliegenden Diskussion wird zusätzliche Information im Frequenzbereich in das Audiosignal codiert. Potentiell kann jedes Frequenzband in einer vorgegebenen Zeitscheibe zum Speichern eines kleinen Teils von dem Signal hinzuzufügender Zusatzinformation verwendet werden. Weil diese diskrete Schätzwerte darstellen, entsteht Raum für Fehler, die die wahrgenommene Qualität des durch die inverse FFT-Operation nach der Modifikation reproduzierten Signals nicht wesentlich beeinflussen werden. Tatsächlich werden absichtliche Änderungen, die von zufälligen Änderungen nicht unterscheidbar sind, im Frequenzbereich eingefügt, um zusätzliche Information im Abtastwertstrom zu speichern. Diese Änderungen sind minimal, so dass die wahrgenommene Qualität des reproduzierten Audiosignals, nachdem es auf die nachstehend beschriebene Weise mit zusätzlicher Information codiert worden ist, nicht nachteilig beeinflusst wird. Außerdem wird veranlasst, dass die Positionen, an denen diese Änderungen vorgenommen werden, praktisch unmöglich vorausbestimmbar sind, was eine Innovation darstellt, die dieses Verfahren von einfachen steganografischen Techniken unterscheidet.
  • Dieser Prozess unterscheidet sich von den US-Patenten Nr. 4979210 und 5073925 von Nagata et al., gemäß denen Information durch Modulieren eines Audiosignals im Amplituden-/Zeitbereich codiert wird. Es unterscheidet sich außerdem dahingehend, dass durch die Modulationen, die durch den von Nagata et al. beschriebenen Prozess (der bei einer sehr niedrigen Amplidude und Frequenz bezüglich der Trägerwelle ausgeführt wird, so dass sie nicht hörbar sind) eingeführt werden, nur "Kopieren"/"Nicht Kopieren"-Information bereitgestellt wird, die durch Fachleute leicht auffindbar und umgangen werden kann. Außerdem besteht keine Einschränkung im Stega-Cipher-Prozess hinsichtlich des in das Signal codierbaren Informationstyps, und es ist mehr Informationsspeicherkapazität vorhanden, weil der Codierprozess nicht durch eine spezifische Modulationsfrequenz, sondern stattdessen durch die Anzahl verfügbarer Abtastwerte begrenzt ist. Die Granularität oder Feinheit der Codierung im Stega-Cipher-Prozess ist durch die Abtastfenstergröße bestimmt, wobei potentiell 1 Bit Raum pro Abtastwert oder 128 Bits pro Fenster vorgesehen sind (bei einer sicheren Implementierung wird diese Zahl auf die Hälfte, d. h. 64 Bits, halbiert). In den Patenten von Nagata et al. ist die Granularität oder Feinheit der Codierung durch die zum Aufrechterhalten der Unhörbarkeit erforderlichen Amplituden- und Frequenzmodulationsgrenzen festgelegt. Diese Grenzen sind relativ niedrig, so dass es unpraktisch ist, mehr als eine einfache "Kopie ren"/"Nicht Kopieren"-Information unter Verwendung des von Nagata beschriebenen Prozesses zu codieren.
  • III. Beispielhafte Ausführungsform des Codier- und Decodierprozesses
  • Eine Modifikation einer vorstehend beschriebenen Standard-Steganografietechnik wird im Frequenzbereich angewendet, um zusätzliche Information in das Audiosignal zu codieren.
  • In einem für Kryptografietechniken angepassten Verfahren werden in einem realen Codier- und Decodierprozess zwei Schlüssel verwendet. In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung werden die Schlüssel als Masken bezeichnet. Ein Maske, die primäre Maske, wird auf die Frequenzachse von FFT-Ergebnissen angewendet, und die (als Faltungsmaske bezeichnete) andere Maske wird auf die Zeitachse angewendet. Die Anzahl von Bits, die die primäre Maske bilden, ist der Abtastfenstergröße bezüglich der Abtastwerte (oder der durch den FFT-Prozess berechneten Anzahl von Frequenzbändern) gleich und beträgt in Verbindung mit der vorliegenden Diskussion 128. Die Anzahl der Bits in der Faltungsmaske ist beliebig. Gemäß dieser Implementierung wird eine Zeitmaske von 1024 Bits vorausgesetzt. Im Allgemeinen gilt: je größer der Schlüssel ist, desto schwieriger ist es ihn zu erraten.
  • Vor dem Codierprozess werden die vorstehend beschriebenen primären und Faltungsmasken durch einen kryptografisch sicheren Zufallserzeugungsprozess erzeugt. Es kann eine Block-Verschlüsselung, wie beispielsweise DES, in Kombination mit einem ausreichend pseudo-zufälligen Saatwert verwendet werden, um einen kryptografisch sicheren Zufallsbitgenerator zu emulieren. Diese Schlüssel werden zusammen mit Information eingespart, die sie dem betrachteten Abtastwert strom in einer für die Decodierung verwendeten Datenbank anpasst, falls dieser Schritt erforderlich werden sollte.
  • Vor der Codierung wird in das Signal zu codierende Zusatzinformation auf eine bitadressierbare Weise (so dass sie bitweise lesbar ist) vorbereitet und für den Codierer verfügbar gemacht. Wenn die Größe des Abtastwertstroms unbekannt ist und die Effizienzcharakteristik der Stega-Cipher-Implementierung berücksichtigt wird, kann ein bekannter Grenzwert für die Menge dieser Zusatzinformation festgelegt werden.
  • Der Codierer erfasst sequenziell jeweils ein Abtastfenster vom Abtastwertstrom. Der Codierer verfolgt die sequenzielle Nummer jedes durch ihn erfassten Fensters. Das erste Fenster hat die sequenzielle Nummer 0. Wenn die Anzahl der verarbeiteten Fenster die Anzahl der Bits in der Fenstermaske minus eins erreicht, wird der nächste Wert des Fensterzählwertes auf 0 zurückgesetzt.
  • Dieser Zählwert ist der Faltungsindex oder die Faltungsphase. In der vorliegenden Implementierung wird er als einfacher Index in der Faltungsbitmaske verwendet. In vorgesehenen Weiterentwicklungen wird er zum Ausführen von Faltungsoperationen bezüglich der Faltungsmaske verwendet, um zu bestimmen, welches Bit verwendet werden soll. Beispielsweise könnte die Maske um eine der Phase entsprechende Bitzahl nach links gedreht und mit der Primärmaske XOR-verknüpft werden, um eine neue Maske zu erzeugen, die dann um die Phase verschoben ist. Für die Faltung stehen viele Möglichkeiten zur Verfügung.
  • Der Codierer berechnet die diskrete FFT des Abtastfensters.
  • Beginnend mit dem niedrigsten Frequenzband schreitet der Codierer durch jedes Band bis zum höchsten Band fort, so dass er nacheinander jedes der 128 Frequenzbänder aufsucht. Bei jedem Bandwert nimmt der Codierer das dem betrachteten Frequenzband entsprechende Bit der Primärmaske und das dem betrachteten Fenster entsprechende Bit der Faltungsmaske und übergibt diese Werte in eine Boolesche Funktion. Diese Funktion ist derart gestaltet, dass sie eine nahezu perfekt zufällige Ausgangsverteilung aufweist. Sie wird für etwa 50% ihrer Eingangspermutationen ein Signal mit dem Wert "True" und für die anderen 50% ein Signal mit dem Wert "False" zurückgeben. Der für einen vorgegebenen Satz von Eingangswerten zurückgegebene Wert ist jedoch fest, so dass für den gleichen Satz von Eingangswerten immer der gleiche Wert zurückgegeben wird.
  • Wenn die Funktion den Wert "True" zurückgibt, wird im Codierprozess das aktuelle Frequenzband im aktuellen Fenster verwendet und stellt ein im Signal codiertes gültiges Zusatzinformationselement dar. Wenn die Funktion den Wert "False" zurückgibt, wird diese Zelle, als die das Frequenzband in einem vorgegebenen Fenster bezeichnet wird, im Prozess ignoriert. Auf diese Weise ist es extrem schwierig, die codierte Information ohne Verwendung der im Codierprozess verwendeten exakten Masken vom Signal zu extrahieren. Dies ist ein Punkt, an dem der Stega-Cipher-Prozess von herkömmlichen steganografischen Implementierungen abweicht, die eine triviale Decodiermöglichkeit bieten, insofern bekannt ist, dass die Information vorhanden ist. Obwohl dadurch die Informationsspeicherkapazität des Trägersignals zunimmt, ist die Decodierung trivial und wird die Qualität des Signals weiter herabgesetzt. Es ist möglich und wünschenswert, die Flag-Funktion der Booleschen Zelle derart zu modifizieren, dass sie für weniger als 50% den Wert "True" zurückgibt. Im Allgemeinen gilt: je weniger Zellen tatsächlich bei der Codierung verwendet werden, desto schwieriger werden sie auffindbar sein, und desto weniger wird die Qualität des In halts herabgesetzt, vorausgesetzt, dass die Funktion korrekt gestaltet ist. Für diese erhöhte Sicherheit und Qualität muss offensichtlich ein Kompromiss bezüglich der Speicherkapazität gemacht werden.
  • Die Verarbeitung des Codierers schreitet auf diese Weise fort, bis eine vollständige Kopie der Zusatzinformation in das Trägersignal codiert worden ist. Es ist wünschenswert, wenn der Codierer während der Dauer des Trägersignals mehrere Kopien der Zusatzinformation kontinuierlich codiert, so dass ein vollständiges Element dieser Information von einem kleineren Segment eines größeren Signals wiedergewonnen werden kann, das in unzusammenhängende Teile geteilt oder anderweitig aufbereitet wird. Daher ist es wünschenswert, die Größe der zu codierenden Information unter Verwendung sowohl eines kompakten Designs als auch einer Vorcodierungskompression zu minimieren, um eine redundante Codierung und eine Wiedergewinnung von kleineren Segmenten zu maximieren. In einer praktischen Implementierung dieses Systems kann die Information zunächst durch ein bekanntes Verfahren komprimiert und dann unter Verwendung von Public-Key-Techniken verschlüsselt werden, bevor sie in das Trägersignal codiert wird.
  • Der Codierer wird außerdem das Zusatzinformationspaket derart vorbereiten, dass es einen einfach erkennbaren Nachrichtenstartbegrenzer aufweist, der für jede Codierung eindeutig sein kann und zusammen mit den Schlüsseln gespeichert wird, um als Synchronisationssignal für einen Decodierer zu dienen. Die Erfassung des Begrenzers in einem Decodierungsfenster bedeutet, dass der Decodierer ziemlich sicher sein kann, dass er bezüglich des Abtastwertstroms korrekt synchronisiert ist und in seiner Verarbeitung methodisch fensterweise fortschreiten kann. Für diese Begrenzer werden mehrere Bits erforderlich sein, wodurch die Wahrscheinlichkeit minimiert wird, dass diese Bitfolge bei einem Zufallsereignis nicht reproduziert wird, durch das ein unbeabsichtigter asynchroner Zustand des Decodierers verursacht wird. Es sind mindestens 256 Bits empfohlen. In der aktuellen Implementierung werden 1024 Bits zum Darstellen eines Nachrichtenstartbegrenzers verwendet. Wenn jeder Abtastwert zufällig ist, hat jedes Bit eine Wahrscheinlichkeit von 50% für eine Übereinstimmung mit dem Begrenzer, so dass die mögliche Wahrscheinlichkeit einer zufälligen Übereinstimmung 1/21024 betragen würde. In der Praxis sind die Abtastwerte möglicherweise etwas weniger als zufällig, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Übereinstimmung leicht zunimmt.
  • Im Decodierungsprozess werden die gleichen Masken auf die gleiche Weise verwendet, außer dass in diesem Fall die Information bitweise vom Trägersignal extrahiert wird.
  • Es wird vorausgesetzt, dass der Decodierer auf die geeigneten Masken Zugriff hat, die ursprünglich zum Codieren der Information verwendet wurden. Diese Masken könnten auf eine Weise, die für durch den Stega-Cipher-Prozess verursachte Modifikationen bezüglich des Inhalts unempfindlich ist, in einer Datenbank gespeichert sein, die eine Indexstruktur aufweist, die durch einen Wert oder Werte festgelegt ist, die vom Originalinhalt berechnet werden. Für ein beliebiges Inhaltselement könnte ein Decodierer zunächst den Inhalt verarbeiten, um bestimmte Schlüsselwerte zu erzeugen, und dann die den übereinstimmenden Schlüsselwerten zugeordneten Decodierungsmasken von der Datenbank abrufen. Wenn mehrere Übereinstimmungen auftreten oder keine Übereinstimmungen gefunden werden, ist es vorstellbar, dass alle Maskensätze in der Datenbank sequenziell ausprobiert werden könnten, bis eine gültige Decodierung erhalten wird oder nicht, wodurch angezeigt würde, dass keine Information vorhanden ist.
  • In der Anwendung dieses Prozesses wird vorausgesetzt, dass die Codierungsoperationen bezüglich eines Inhaltselements bis zu dreimal ausgeführt werden können, wobei jeweils neue Information hinzugefügt und neue Masken bezüglich eines Teilsegments des Inhalts verwendet werden, und dass Decodierungsoperationen selten ausgeführt werden. Es wird vorausgesetzt, dass, falls es erforderlich sein sollte, eine große Anzahl von Masken zu suchen, um eine gültige Decodierung zu implementieren, dieser Prozess unter Verwendung einer auf Close-Key-Matching basierenden Ratetechnik optimiert wird und dass dies keine zeitlich kritische Anwendung ist, so dass eine große Anzahl potenzieller Masken für eine Gültigkeit bezüglich eines vorgegebenen Inhaltselements geprüft werden kann, auch wenn ein derartiger Prozess auf leistungsstarken Computern Tage oder Wochen dauert, um eine umfassende Suche nach bekannten Maskensätzen auszuführen.
  • Der Decodierungsprozess unterscheidet sich in den folgenden Punkten geringfügig. Während der Codierungsprozess an einem beliebigen Punkt im Abtastwertstrom beginnen kann, ist im Decodierungsprozess nicht bekannt, wo der Codierungsprozess begonnen hat (der exakte Versatz der Abtastwerte beim Start des ersten Fensters). Obwohl der Codierungsprozess vereinbarungsgemäß mit dem Abtastwert 0 beginnt, besteht keine Garantie, dass der Abtastwertstrom seit der Codierung nicht aufbereitet worden ist, so dass ein Teilfenster am Beginn des Probenstroms verbleibt und der Decodierer das erste vollständige Fenster finden muss, um mit dem Decodierungsprozess zu beginnen. Daher wird der Decodierungsprozess am ersten Abtastwert beginnen, und das Fenster wird um jeweils einen Abtastwert verschoben, wobei der Fensterindex bei 0 bleibt, bis ein im Fenster codierter gültiger Decodierungsbegrenzer gefunden wird. Zu diesem Zeitpunkt erkennt der Decodierer, dass er mit dem Codierer synchronisiert ist und kann dann aufeinanderfolgende Fenster auf eine geeignetere Weise verarbeiten.
  • Nachstehend werden Beispielberechnungen basierend auf der beschriebenen Implementierung zum Hinzufügen von Urheberrechtzertifikatinformation zu digitalen Audiodaten in CD-Qualität dargestellt:
    In einem Abtastwertstrom werden jeweils 128 Abtastwerte im Mittel 64 Bits von mit einem Zertifikat in Beziehung stehender Information enthalten. Digitale Audiodaten bestehen aus 16-Bit-Abtastwerten bei 44,1 kHz oder 44100 Abtastwerte pro Sekunde. Stereo-Audiodaten weisen 2 Informationsströme mit dieser Rate, rechts und links, oder 88200 Abtastwerte pro Sekunde auf. Dadurch werden etwa 689 aufeinanderfolgende Abtastfenster (mit jeweils 128 Abtastwerten) pro Sekunde erhalten, in denen Information codiert werden soll. Es wird vorausgesetzt, dass ein Lied 4 Minuten oder 240 Sekunden lang ist. Dadurch werden 240·689 = 165360 Fenster erhalten, die jeweils im Mittel (50% Ausnutzung) 64 bits (8 Byte) Zertifikatinformation enthalten. Dadurch werden etwa 1291 kb Informationsspeicherplatz pro 4 Minuten Stereo-Lied (1,2 MB) erhalten. Es ist ausreichend Raum für eine kontinuierliche redundante Codierung von Information über die Länge des Inhalts vorhanden. Die Codierung von 8 Byte für jeweils 256 Bytes stellt 3,1% der Signalinformation dar. Unter der Voraussetzung, dass für ein Urheberrechtzertifikat höchstens etwa 2048 Byte (2K) erforderlich sind, kann das gleiche Zertifikat an 645 getrennten Stellen innerhalb der Aufzeichnung codiert werden, oder alle 37/100 Sekunden.
  • Nachstehend werden Begrenzer und Synchronisationsinformation betrachtet. Unter der Voraussetzung einer Synchronisationsmarkierung von 1024 Bits zum Vermeiden zufälliger Übereinstimmungen, könnte mit dieser 1024-Bit-Markierung jeweils ein 2K-Zertifikatblock vorangestellt werden. Zum Spei chern von 2K werden 256 Fenster benötigt, und unter Verwendung dieses vorgeschlagenen Verfahrens werden die ersten 16 Fenster für die Synchronisationsmarkierung reserviert. Ein Decodierer könnte diese Markierung durch aufeinanderfolgendes Vergleichen jedes der ersten 16 Fenster (jeweils 64 Bits) mit dem entsprechenden Abschnitt der Synchronisationsmarkierung suchen. Der Decodierer könnte die Vergleichsoperation im Verlauf des Abtastwertstroms zurücksetzen, sobald ein Fenster nicht mit der Synchronisationsmarkierung übereinstimmt, und auf diese Weise fortfahren, bis 16 aufeinanderfolgende Fenster mit der Markierung übereinstimmen, wobei zu diesem Zeitpunkt ein Synchronisationszustand eingerichtet ist.
  • Gemäß diesem Verfahren verbleiben 240 Fenster oder 1,92K zum Speichern von Zertifikatinformation, was einen geeigneten Wert darstellt.
  • IV. Mögliche Probleme, Angriffe und anschließende Abwehrmaßnahmen
  • A. Randomisierung
  • Ein Angreifer randomisiert einfach das niedrigstwertige Bit jedes Datenpunktes im Transformationspuffer, wodurch das Synchronisationssignal und das Wasserzeichen gelöscht werden. Obwohl durch einen derartigen Angriff das Wasserzeichen entfernt werden kann, wird im Bereich, in dem ein Stega-Cipher-Prozess verwendet wird, das Problem der Piraterie auf einem minimalen Pegel gehalten, der mindestens dem durch herkömmliche Medien bereitgestellten Pegel gleicht, weil das System nicht zulassen wird, dass ein nicht mit Wasserzeichen versehenes Inhaltselement mit Gewinn verkauft werden kann, und Wasserzeichen nicht ohne die geeigneten Schlüssel gefälscht werden können, die durch Brute-Force-Verfahren oder Kryptoanalyse schwer berechenbar sind. Außerdem kann, wenn die Codierung derart gehandhabt wird, dass das Änderungsmaß des Abtastwertstroms auf einen Schwellenwert maximiert wird, der gerade unterhalb der menschlichen Wahrnehmung liegt, und das Verfahren in Erwartung von Randomisierungsversuchen implementiert wird, auf ähnliche Weise wie bei einer VHS-Kassette, die bei einem minimalen Signalpegel hergestellt werden kann, erzwungen werden, dass der Randomisierungspegel den wahrnehmbaren Pegel überschreitet und zerstörerische Artefakte im Signal erzeugt werden, so dass eine einzelne Kopie zu einem nicht sehenswerten statischen Bild führt.
  • B. Bitmaps mit niedriger Bittiefe (Scharz-Weiss-Bilder)
  • Diese Bitmaps wären zu empfindlich für den Steganisationsprozess, so dass eine unzulässige Abnahme der Signalqualität erhalten würde, und sind daher keine guten Kandidaten für einen Stega-Cipher-Prozess. Dieses Problem kann durch Erweitern der Bittiefe umgangen werden, obwohl dadurch eine ineffiziente Nutzung von Raum und Bandbreite erhalten wird.
  • C. Nicht-ganzzahlige Transformationen
  • Die schnelle Fouriertransformation (FFT) wird verwendet, um Spektralenergieinformation für ein vorgegebenes Audiosignal bereitzustellen. Diese Information wird normalerweise nicht in einem ganzzahligen Format bereitgestellt. Computer verwenden für diese Fälle Näherungsverfahren zum Darstellen von realen Zahlen (ganzen Zahlen plus Bruchwerte). In Abhängigkeit vom exakten Wert der darzustellenden Zahl können kleine Fehler auftreten, die durch Runden auf die nächste reale Zahl erzeugt werden, die durch den Computer vollständig spezifizierbar ist. Dadurch wird eine gewisse Randomisierung des oder der niedrigstwertigen Bits erzeugt. D. h., die gleiche Verarbeitung bezüglich des gleichen Fensters könnte jedesmal zu geringfügig verschiedenen Transformationswerten führen. Dieses Problem kann durch Verwendung einer Modifikation der später beschriebenen einfachen LSB-Steganografietechnik umgangen werden. Anstatt das niedrigstwertige Bit (LSB) zu betrachten, kann im Stega-Cipher-Prozess an Stelle des LSB-Verfahrens eine Energiequantisierungstechnik verwendet werden. Eine Variante zum Auf- oder Abrunden der Spektralenergiewerte, wobei die Granularität größer ist als der Rundungsfehler, sollte geeignet funktionieren, ohne dass die Qualität der ausgegebenen Abtastwerte wesentlich herabgesetzt wird.
  • V. Verfahren und Protokoll für die Verwendung des Stega-Cipher-Prozesses
  • Die in den beigefügten Ansprüchen beschriebene Vorrichtung arbeitet bezüglich des Abtastwertstroms fensterweise. Sie hat keine Kenntnis über die Eigenschaften der zu codierenden spezifischen Nachricht. Sie indexiert lediglich einen Bitstrom und codiert unter Verwendung einer durch die vorgegebenen Masken bestimmten Abbildung so viele Bits wie möglich in ein vorgegebenes Abtastfenster.
  • Der Nutzen einer Codierung von Information in einem einzelnen Fenster im Abtastwertstrom unter Verwendung einer derartigen Vorrichtung ist möglicherweise nicht sofort offensichtlich, ehe man nicht die Weise untersucht, auf die diese Information verwendet wird. Das in diesem Abschnitt diskutierte Protokoll spezifiziert im Detail, wie Nachrichten, die die Codierungskapazität eines einzelnen Abtastfensters (128 Abtastwerte) überschreiten, aus kleineren Abschnitten zusammengesetzt werden können, die in einzelnen Fenstern codiert sind und zum Verteidigen von Urheberrechten in einer Online-Situation verwendet werden.
  • In jedes Fenster können im Mittel 64 Bits codiert werden, d. h. nur 8 Bytes. Nachrichten, die länger sind als 8 Bytes können durch einfaches Teilen der Nachricht und Codieren kleiner Abschnitte in eine Folge aufeinanderfolgender Fenster im Abtastwertstrom codiert werden. Weil die Schlüssel exakt bestimmen, wie viele Bits pro Fenster codiert werden und im Gegensatz zu einer perfekten Vorausbestimmbarkeit ein Zufallselement wünschenswert ist, kann eine Person nicht sicher und genau wissen, wie viele Bits in jedes Fenster codiert sind.
  • Der Beginn jeder Nachricht ist durch einen speziellen Nachrichtenstartbegrenzer markiert, der, wie vorstehend diskutiert wurde, eine Länge von 1024 Bits oder 128 Bytes hat. Daher werden, wenn exakt 8 Bytes pro Fenster codiert werden, die ersten 16 Fenster einer beliebigen nutzbaren Nachricht im hierin beschriebenen System für den Nachrichtenstartbegrenzer (SOM) reserviert. Für den Codierer stellt dieses Schema nur eine geringe Herausforderung dar. Er spezifiziert einfach das erste Abtastfenster im Abtastwertstrom als Fenster Nr. 0 und schreitet bitweise mit der Codierung des Nachrichtenbegrenzers in jedes aufeinanderfolgende Fenster fort. Sobald er das letzte Bit des SOM-Begrenzers verarbeitet hat, schreitet er folgendermaßen mit der Codierung von 32 Bits fort, die die Größe der vollständigen Nachricht in Bytes darstellen. Nachdem das 32-te und damit letzte Bit der Größe codiert wurde, wird die Nachricht selbst bitweise in jedes der aufeinanderfolgenden Fenster codiert. Einige Fenster können, festgelegt durch die Masken, mehr codierte Bits enthalten als andere. Wenn der Codierer jedes Fenster im Inhalt verarbeitet, inkrementiert er seinen Fensterzählwert. Er verwendet diesen Zählwert als Index für die Fenstermaske. Wenn die zum Codieren einer vollständigen Nachricht erforderliche Anzahl von Fenstern größer ist als die Größe dieser Maske, in diesem Fall 256 Bits oder 256 Fenster, setzt er einfach den Zählwert nach dem Fenster 255 zurück, usw., bis eine vollständige Meldung codiert wurde. Er kann dann neu beginnen oder mit einer neuen Nachricht beginnen.
  • Der Decodierer sieht sich einer größeren Herausforderung gegenüber. Dem Decodierer wird, wie dem Codiererm ein Maskensatz zugeführt. Anders als der Codierer kann der Decodierer jedoch nicht sicher sein, dass die erste Folge von 128 Abtastwerten, die er empfängt, dem durch den Codierer codierten SOM-Fenster Nr. 0 entspricht. Der durch einen Codierer ursprünglich erzeugte Abtastwertstrom kann durch zufälliges Abschneiden seiner Enden oder Zusammenfügen von Abschnitten bearbeitet worden sein. In diesem Fall ist die spezifische Kopie der abgeschnittenen Nachricht nicht wiedergewinnbar. Der Codierer hat den SOM-Begrenzer zum Codieren der Nachricht verwendet, die der Decodierer sucht. Im Anfangszustand setzt der Decodierer voraus, dass das erste Fenster, das er empfängt, das Fenster Nr. 0 ist. Er decodiert dann die durch die Masken, die er erhalten hat, festgelegte geeignete Anzahl von Bits. Er vergleicht diese Bits mit den entsprechenden Bits des SOM-Begrenzers. Wenn sie übereinstimmen, setzt der Decodierer voraus, dass er bereits synchronisiert ist, und inkrementiert den Fensterzählwert und schreitet mit der Verarbeitung fort. Wenn die Bits nicht übereinstimmen, erkennt der Decodierer, dass er nicht synchronisiert ist. In diesem Fall verschiebt er einen weiteren Abtastwert zum Ende des Abtastwertpuffers, verwirft den ersten Abtastwert und beginnt von vorne. Der Fensterzählwert wird auf 0 gesetzt. Der Decodierer sucht jedesmal einen Abtastwert für die Einrichtung eines Synchronisationszustands. Der Decodierer schreitet auf diese Weise fort, bis er eine vollständige Übereinstimmung mit dem SOM-Begrenzer decodiert hat, oder er gibt den Abtastwertstrom aus, ohne eine Nach richt zu decodieren. Wenn der Decodierer die Bitfolge des SOM-Begrenzers vollständig in Übereinstimmung bringen kann, schaltet er auf den Synchronisationsmodus. Der Decodierer wird nun jedesmal über ein vollständiges Fenster (128 Abtastwerte) durch den Abtastwertstrom fortschreiten. Er schreitet so lange fort, bis er die die Nachrichtengröße spezifizierenden 32 Bits erfasst hat. Hierfür wird im Allgemeinen nicht mehr als ein vollständiges Fenster belegt. Wenn der Decodierer auf den SOM-Begrenzer synchronisiert ist und die Nachrichtengröße decodiert hat, kann er nun fortschreiten und so viele aufeinanderfolgende zusätzliche Fenster wie notwendig decodieren, bis er eine vollständige Nachricht decodiert hat. Nachdem er eine vollständige Nachricht decodiert hat, kann der Zustand des Decodierers auf einen nicht-synchronisierten Zustand zurückgesetzt werden, und der gesamte Prozess kann beginnend mit dem nächsten Fenster (128 Abtastwerte) wiederholt werden. Auf diese Weise ist es nicht unbedingt notwendig, dass die Codierung der Fenster im Abtastwertstrom zusammenhängend erfolgt. Der Decodierer kann zufällige Intervalle zwischen dem Ende einer Nachricht und dem Beginn einer anderen handhaben.
  • Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass die Schaltung zum Codieren und Decodieren eines Abtastfensters weder die Eigenschaften der Nachricht noch irgendeine über den SOM-Begrenzer und die Nachrichtengröße hinausgehende Struktur kennen muss. Sie muss lediglich ein einzelnes Abtastfenster, ihren eigenen Zustand (ob der Decodierer unsynchronisiert ist, einen Synchronisationszustand einrichtet oder synchronisiert ist) und welche Bits codiert/decodiert werden sollen, betrachten.
  • Vorausgesetzt, dass die Stega-Cipher-Vorrichtung eine Codierung und Decodierung beliebiger Nachrichten auf diese Weise ermöglicht, stellt sich die Frage, wie diese zum Schützen von Urheberrechten verwendet werden kann.
  • Der wichtigste Aspekt des Stega-Cipher-Prozesses ist diesbezüglich die Tatsache, dass er die Nachricht mit dem Inhalt integral machen und veranlassen kann, dass sie nur schwer entfernt werden kann. Daher kann sie durch Entfernen bestimmter Information, die dem Abtastwertstrom selbst vorangestellt oder angehängt ist, nicht einfach eliminiert werden. Tatsächlich wird durch Entfernen eines beliebigen Teils von Abtastwerten der Stega-Cipher-Prozess im Allgemeinen nicht überlistet.
  • Unter der Voraussetzung, dass Information derart mit dem Inhalt selbst integriert werden kann, ergibt sich die Frage, wie diese Anordnung optimal genutzt werden kann, um Urheberrechte zu schützen.
  • In der folgenden Diskussion wird ausführlich dargestellt, wie der Stega-Cipher-Prozess verwendet wird, um Urheberrechte im digitalen Bereich zu schützen.
  • Bei einer Transaktion, die den Transfer von digitalem inhalt beinhaltet, sind mindestens drei Funktionen beteiligt:
    Eine Autorität ist ein vertrauenswürdiger vermittler zwischen den nachstehend aufgelisteten beiden anderen Funktionen, die Parteien oder Teilnehmer darstellen, die mit dem Transfer des Inhalts tatsächlich beschäftigt sind. Die Autorität hält eine Datenbank, die Information über das spezifische Inhaltselement selbst und Information über die Identität der mit dem Transfer des Inhalts beschäftigten beiden Teilnehmer enthält. Die Autorität kann einen Stega-Cipher-Codierungs- und Decodierungsprozess bezüglich des Inhalts ausführen.
  • Der Veröffentlicher oder Online-Verteiler ist eine Entität, die den urheberrechtlich geschützten Inhalt an einen anderen Teilnehmer überträgt. Der Veröffentlicher kann einen Stega-Cipher-Codierungs- und Decodierungsprozess bezüglich des Inhalts ausführen.
  • Der Kunde ist eine Person oder Entität, die den urheberrechtlich geschützten Inhalt empfängt, um ihn im Allgemeinen gegen ein Entgelt, z. B. Geld, zu tauschen. Der Kunde kann im Allgemeinen keinen Stega-Cipher-Codierungs- und Decodierungsprozess bezüglich des Inhalts ausführen.
  • Jeder dieser Teilnehmer kann unter Verwendung bekannter Public-Key-Kryptigrafietechniken an einem Nachrichtenaustauschprotokoll teilhaben. Beispielsweise könnte ein System zum Lizensieren von RSA-Public-Key-Algorithmen für einen signierten und verschlüsselten Nachrichtenaustausch verwendet werden. D. h., dass jeder Teilnehmer ein Schlüsselpaar aus einem öffentlichen Schlüssel (Public Key) und einem privaten Schlüssel (Private Key) hält, und dass der öffentliche Schlüssel jedes Teilnehmers für eine beliebige andere Partei frei verfügbar ist. Im Allgemeinen kommuniziert die Autorität über elektronische Verbindungen nur direkt mit dem Veröffentlicher, und der Kunde kommuniziert nur direkt mit dem Veröffentlicher.
  • Nachstehend wird beispielhaft beschrieben, wie das Protokoll von dem Zeitpunkt, zu dem ein Inhaltselement einem elektronischen Verteilungssystem zugeführt wird, bis zu dem Zeitpunkt arbeitet, zu dem es einem Kunden zugeführt wird.
  • Ein Urheberechtinhaber (ein selbständiger Künstler, ein Musikveröffentlicher, ein Filmstudio, usw.) möchte einen bestimmten Titel online verkaufen. Beispielsweise könnte Sire Records Company wünschen, die neueste Single von Saal, einem ihrer musikalischen Künstler, online zu vertreiben. Sire liefert eine Musterkopie dieser Single "Prager for the Dying" an die Autorität, Ethical Inc. Ethical wandelt den Titel in ein für eine elektronische Verteilung geeignetes For mat um. Diese Umwandlung kann eine Digitalisierung einer analogen Aufzeichnung beinhalten. Der Titel ist nun in Verbindung mit diesem Online-Vertriebssystem zu Inhalt geworden. Der Titel ist nun mit Ausnahme von Ethical Inc. noch für niemanden verfügbar und ist noch nicht mit dem Stega-Cipher-Wasserzeichen codiert worden. Ethical erzeugt ein Titelidentifizierungs- und Authentizitäts(TIA)zertifikat. Das Zertifikat könnte ein beliebiges Format haben. Im vorliegenden Beispiel ist es eine kurze Textdatei, die durch ein kleines Testverarbeitungsprogramm lesbar ist und Information zum Identifizieren
    des Titels;
    des Künstlers;
    des Urheberrechtinhabers;
    der juristischen Person oder Körperschaft, an die Tantiemen oder Lizenzen gezahlt werden sollen;
    der allgemeinen Vorschriften für den Vertrieb durch den Veröffentlicher; und
    jeglicher weiterer Information, die zum Identifizieren des Inhalts nützlich ist,
    enthält.
  • Ethical signiert dann das TIA-Zertifikat mit seinem eigenen privaten Schlüssel und verschlüsselt das TIA-Zertifikat plus seine Signatur mit ihrem eigenen öffentlichen Schlüssel. Dadurch kann Ethical das TIA-Zertifikat zu einem späteren Zeitpunkt entschlüsseln und in Erfahrung bringen, dass es die Nachricht erzeugt hat und dass die Inhalte der Nachricht seit der Erzeugung nicht verändert worden sind.
  • Sire Records Cpmpany, die schließlich den Vertrieb des Inhalts kontrolliert, teilt Ethical einen spezifischen Online-Veröffentlicher mit, der das Recht haben soll, diesen Inhalt zu vertreiben. Dieser Veröffentlicher ist beispielswei se Joe's Online Emporium. Die Autorität, Ethical Inc., kann eine kurze Vereinbarung, die Vertriebsvereinbarung, an den Veröffentlicher, Joe's Online Emporium, übertragen, in der aufgelistet sind:
    der Inhaltstitel;
    die Identifizierung des Veröffentlichers;
    die Vertriebsbedingungen;
    jegliches Entgelt, das für das Recht zum Vertreiben des Inhalts bezahlt wurde; und
    eine kurze Vereinbarungserklärung über alle vorstehend aufgeführten Punkte.
  • Der Veröffentlicher empfängt diese Vereinbarung und signiert sie unter Verwendung seines privaten Schlüssels. Dadurch könnte jeder Teilnehmer mit Zugriff auf den öffentlichen Schlüssel von Joe's Online Emporium verifizieren, dass Joe's Online Emporium die Vereinbarung signiert hat, und dass die Vereinbarung seitdem Joe's Online Emporium sie signiert hat, nicht geändert worden ist. Der Veröffentlicher überträgt die signierte Vertriebsvereinbarung an die Autorität, Ethical Inc.
  • Ethical Inc. kombiniert nun das signierte TIA-Zertifikat und die Vertriebsvereinbarung in eine einzelne Nachricht und signiert die gesamte Nachricht unter Verwendung ihres privaten Schlüssels. Ethical hat nun eine Veröffentlicheridentifizierungsnachricht erzeugt un kann nun in ihren eigenen Stega-Cipher-Kanal im Inhalt gehen. Ethical Inc. erzeugt nun neue Stega-Cipher-Masken und codiert diese Nachricht unter Verwendung eines Stega-Cipher-Codierers in eine Kopie des Inhalts. Die Autorität sichert die Masken als Quittung in einer Datenbank zusammen mit Information über die Details des Transfers, z. B. des Titels, des Künstlers und des Veröffentlichers.
  • Ethical überträgt dann diese mit Wasserzeichen versehene Kopie an Joe's Online Emporium, den Veröffentlicher. Zum Schützen oder Sichern des Transfers zwischen der Autorität und dem Veröffentlicher könnten bekannte Verschlüsselungsverfahren verwendet werden. Die Autorität kann nun ihre Kopie, die der Veröffentlicher empfangen hat, zerstören. Der Veröffentlicher, Joe's Online Emporium, übernimmt nun die Verantwortung für jegliche Kopien, die von seiner Version des Inhalts angefertigt werden, die eine Musterkopie des Veröffentlichers ist.
  • Schließlich möchte ein Kunde, John Q. Public, eine Kopie des Inhalts von Joe's Online Emporium kaufen. Joe's Emporium sendet John Q. Public eine kurze Vereinbarung über eine elektronische Kommunikationsverbindung, die der Vertriebsvereinbarung des Veröffentlichers ähnlich, allerdings eine Kaufvereinbarung ist, in der aufgelistet sind:
    der Inhaltstitel;
    die Kundenidentifizierung;
    die Vertriebsbedingungen;
    das Entgelt für den Inhalt; und
    eine kurze Vereinbarungserklärung mit den vorstehenden Punkten.
  • John Q. Public signiert diese Vereinbarung mit seinem privaten Schlüssel und sendet sie an Joe's Online Emporium zurück. Der Veröffentlicher, Joe's Online Emporium bereitet die Codierung seines eigenen Stega-Cipher-Wasserzeichens auf einer Kopie des Inhalts vor, indem er einen Maskensatz für den Algorithmus erzeugt. Joe's Online Emporium speichert dann diese Masken (eine Quittung) in seiner eigenen Datenbank, indexiert durch den Titel und den Kunden. Joe's Online Emporium signiert die von John Q. Public empfangene Vereinbarung mit dem privaten Schlüssel von Joe's Online Emporium und leitet sie zusammen mit einer Kopie der Masken an die Autorität, Ethical Inc., weiter. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass diese Kommunikation über einen sicheren Kanal ausgeführt werden sollte. Die Autorität verifiziert die Veröffentlicher- und Kundeninformation und fügt dem Ende der Nachricht ihre eigene Signatur hinzu, wodurch die Transaktion bestätigt und ein Kaufvertrag erzeugt wird. Die Autorität fügt ihrer Datenbank die Quittung des Veröffentlichers (Maskensatz) hinzu, indexiert durch den Titel, den Veröffentlicher und die Kundenidentifizierung. Die Autorität signiert den Kaufvertrag durch Verschlüsseln des Kaufvertrags mit ihrem privaten Schlüssel. Auf diese Weise könnte jeder, der den öffentlichen Schlüssel der Autorität besitzt (jeder Veröffentlicher) den Kaufvertrag entschlüsseln und verifizieren, nachdem er vom Inhalt extrahiert worden ist. Der Veröffentlicher überträgt dann den signierten Kaufvertrag an den Veröffentlicher zurück, der eine Stega-Cipher-Vorrichtung verwendet, um diesem Vertrag sein eigenes Wasserzeichen auf dem Inhalt aufzuprägen. Der Veröffentlicher überträgt dann die mit einem neuen Wasserzeichen versehene Kopie an den Kunden, der seine Verantwortung dafür akzeptiert. Der Veröffentlicher zerstört seine Version der Kundenkopie.
  • Wenn diese Verarbeitung für alle innerhalb eines derartigen Online-Systems verteilten Inhalte ausgeführt wird, sollte es für die Autorität möglich sein, den Eigentümer eines Inhaltselements zu identifizieren, das nicht autorisiert zu sein scheint. Die Autorität könnte einfach versuchen, das Wasserzeichen im entsprechenden Inhalt durch seine eigene Datenbank von Stega-Cipher-Schlüsseln zu decodieren. Wenn beispielsweise eine Kopie von Seals aktueller Single, die ursprünglich mit Stega-Cipher-Wasserzeichen verteilt wurde, auf einer Internet-FTP-Seite dargestellt wird, sollte die autorität in der Lage sein, eine TIA-Zertifikat- und Vertriebsvereinbarung oder einen Kaufvertrag zu extrahieren, der den verantwortlichen Teilnehmer identifiziert. Wenn ein Veröffentlicher diese spezifische Kopie einem Kunden verkauft hat, sollte der spezifische Veröffentlicher in der Lage sein, einen Kaufvertrag zu extrahieren, der die Verantwortlichkeit des Kunden bestätigt. Dies ist keine zeitkritische Anwendung, so dass sie sich lohnt, auch wenn sie Tage oder Wochen dauert.
  • Gemäß einer Modifikation des vorstehend diskutierten Protokolls könnte jeder Veröffentlicher als seine eigene Autorität wirken. In Verbindung mit Online-Diensten könnten sich hierdurch jedoch durch eine Absprache bestimmter Veröffentlicher und Kunden Betrugswege eröffnen. Unter Verwendung einer Autorität oder einer von mehreren verfügbaren Autoritäten, die Aufzeichnungen von Veröffentlicher-Kunden-Transaktionen halten und ihre Details verifizieren, nimmt die Wahrscheinlichkeit derartiger Ereignisse ab.
  • Es sollte außerdem offensichtlich sein, dass ein ähnliches System zum Erzeugen von Wasserzeichen durch eine einzelne Entität verwendet werden könnte, um ihren eigenen Inhalt für eigene Zwecke, entweder online oder auf einem physischen Medium, mit einem Wasserzeichen zu versehen. Beispielsweise könnte ein CD-Hersteller eindeutige Stega-Cipher-Wasserzeichen in spezifische Posten seiner CDs einfügen, um die Quelle eines Piratenrings zu identifizieren oder unautorisierte digitale Kopien zu identifizieren, die von ihren CDs angefertigt werden. Dies ist möglich, weil der Stega-Cipher-Codierungsprozess mit den vorhandenen Formaten digitaler Abtastwerte arbeitet und keine neuen Strukturen zu den Abtastwertdaten hinzufügt, die auf elektronischen oder mechanischen Systemen nicht handhabbar sind, die bereits vor der Verwendung der Stega-Cipher-Technik vorhanden waren.
  • VI. Erhöhung des Vertrauens in den Stega-Cipher-Prozess
  • Durch Hinzufügen eines speziellen Vorcodierungsprozesses können Stega-Cipher-Zertifikate noch sicherer und unbestreitbarer gemacht werden. Es können Hash-Werte, die mit dem das Wasserzeichen enthaltenden Inhalt exakt übereinstimmen, in die Nachricht im Wasserzeichen selbst eingefügt werden. Dadurch kann verifiziert werden, dass das decodierte Wasserzeichen durch jemanden codiert wurde, der es an der präzisen Stelle in diesem spezifischen Inhalt signiert hat.
  • Es wird vorausgesetzt, dass ein 256-Bit-(32 Byte)Hash-Wert verwendet werden soll, der durch eine sichere Einwege-Hash-Funktion über jeden Abtastwert in jedem Abtastfenster berechnet wird, das die Nachricht enthalten wird. Die Hash-Funktion startet mit einem Saatwert, und jeder Abtastwert, der durch den Codierer verarbeitet würde, wenn die Nachricht codiert wird, wird in die Hash-Funktion eingesetzt, wenn sie verarbeitet wird. Das Ergebnis ist eine aus 256 Bits bestehende Zahl, von der man hochgradig sicher sein kann, dass sie eindeutig ist, oder zumindest ausreichend selten, so dass eine absichtliche Duplizierung der Zahl mit einer anderen Folge von Abtastwerten schwierig wird.
  • Es ist wichtig, dass die Hash-Funktion bezüglich jeglichen durch den Stega-Cipher-Prozess selbst eingeführten Änderungen in den Abtastwerten unempfindlich ist. Beispielsweise könnte bei der Berechnung der Hash-Funktion das niedrigstwertige Bit jedes Abtastwertes ignoriert werden, wenn der Stega-Cipher-Prozess unter Verwendung eines LSB-(niedrigstwertiges Bit)Codierungsmodus ausgeführt wird.
  • Basierend auf der Größe der Nicht-Hash-Nachricht ist bekannt, dass die Nachricht, die einen Hash-Wert enthält, 32 oder mehr Byte Raum erfordert. Nun kann die Größe einer signierten verschlüsselten Kopie dieser Nachricht berechnet werden, indem soviele zufällige Bytes signiert und exakt verschlüsselt werden, wie in der Nachricht enthalten sind, und die Größe des Ausgangssignals in Bytes gemessen wird. Nun ist die Größe der zu codierenden Nachricht bekannt. der Abtastwertstrom kann daher folgendermaßen vorverarbeitet werden.
  • Es wird eine Verarbeitung durch die in den Patentansprüchen beschriebene Stega-Cipher-Codierungsschleife ausgeführt. Anstatt des Codierungsschritts werden jedoch Hash-Werte für jede Fensterfolge berechnet, die die Nachricht enthalten wird, wenn jeder Abtastwert verarbeitet wird. Am Ende jedes "Codierungsschritts" wird der erhaltene Hash-Wert verwendet, um eine eindeutige Kopie der Nachricht zu erzeugen, die den Hash-Wert enthält, insbesondere bezüglich den Abtastfenstern, die zum Codieren der Nachricht verwendet werden. Daraufhin wird diese Kopie der Nachricht signiert und verschlüsselt und für eine Codierung an der gleichen Stelle im Abtastwertstrom gespeichert.
  • Durch eine speichereffiziente Version dieses Verfahrens könnte die Nachricht, auf die keine Hash-Funktion angewendet wurde, gehalten werden, und, wenn jeweils eine neue Kopie erzeugt wird, im Abtastwertstrom im ersten Fenster in der Folge gesichert werden, und tatsächlich jede Nachricht codiert und anschließend vernicht werden.
  • Das wichtige Ergebnis zeigt sich beim Decodieren. Der decodierende Teilnehmer kann den gleichen Hash-Wert berechnen, der zum Codieren der Nachricht verwendet wurde, jedoch bezüglich den codierten Abtastwerten. Wenn der durch den decodierenden Teilnehmer berechnete Wert nicht mit dem in der signierten Nachricht enthaltenen Wert übereinstimmt, wird der Decodierer über die Tatsache informiert, dass dieses Wasserzeichen von irgendwo anders her transplantiert worden ist. Dies ist nur mit einer Hash-Funktion möglich, die die Änderungen ignoriert, die durch den Stega-Cipher-Prozess verursacht wurden, nachdem der Hash-Wert im Wasserzeichen erzeugt worden ist.
  • Durch dieses Verfahren ist es selbst mit den Schlüsseln des Stega-Cipher-Prozesses unmöglich, Wasserzeichen zu transplantieren.
  • Anhang – Pseudo-Code
    Figure 00410001
  • Figure 00420001
  • Figure 00430001
  • Figure 00440001
  • Die encode()-Prozedur verarbeitet einen Eingangs-Abtastwertstrom unter Verwendung der spezifizierten Frequenz- und Fenstermasken sowie eine zu codierende vorformattierte Nachricht.
  • Die encode()-Prozedur verarbeitet den Abtastwertstrom in Fenstern von WINDOW_SIZE Abtastwerten, die im Abtastwertstrom aufeinanderfolgend verteilt sind, so dass die Prozedur jeweils um WINDOW_SIZE Abtastwerte fortschreitet.
  • Für jedes Abtastfenster wird durch die encode()-Prozedur zunächst die FFT-Transformation des Fensters berechnet, wodurch Leistungsspektrum-Schätzwerte (PSEs) erhalten werden. Für jeden der Fenster-PSEs verwendet die encode()-Prozedur dann die map()-Funktion zum Bestimmen, an welcher Stelle in jedem PSE die Bits der Nachricht bitweise codiert werden sollen, die sie vom Nachrichtenpuffer liest. Jedesmal, wenn durch die map()-Funktion den Wert "True" zurückgegeben wird, wird durch die encode()-Prozedur ein anderer Abtastwert von der Nachricht verbraucht.
  • Nachdem jedes Fenster codiert worden ist, berechnet die encode()-Prozedur die inverse FFT-Transformation bezüglich jedes PSE, um ein modifiziertes Abtastfenster zu erzeugen, das dann als modifiziertes Signal ausgegeben wird. Es ist wichtig, dass die Abtastfenster sich im Abtastwertstrom nicht überlappen, weil hierdurch möglicherweise die vorangehende Codierung von Fenstern im Strom zerstört wurde.
  • Nachdem die Nachricht vollständig codiert wurde, einschließlich ihres speziellen EOM-Markierungsbitstroms, setzt die encode()-Prozedur ihre internen Variablen zurück, um mit der Codierung der Nachricht im nächsten Fenster erneut zu beginnen. Die encode()-Prozedur schreitet auf diese Weise fort, bis der zugeführte Abtastwertstrom ausgegeben wird.
  • Figure 00440002
  • Figure 00450001
  • Figure 00460001
  • Die decode()-Prozedur tastet einen Eingangs-Abtastwertstrom unter Verwendung spezifizierter Fenster- und Frequenzmasken ab, bis entweder ein gültiger Nachrichtenblock decodiert wird, der dann in einen Nachrichtenpuffer gespeichert wird, oder der Abtaststrom ausgegeben wird.
  • Die decode()-Prozedur beginnt in einem Synchronisationszustand, in dem sie nicht weiß, an welcher Stelle im Abtastwertstrom die Codierungsfenster synchronisiert sind. Die Prozedur schreitet in den Abtastfenstern abtastwertweise durch den Abtastwertstrom fort, führt die FFT-Berechnung bezüglich jedes Fensters aus und versucht, gültige Nachrichtenbits vom Fenster zu decodieren. Indem sie jedes Bit unter Verwendung der map()-Funktion extrahiert, vergleicht die decode()-Prozedur diese Bits mit der SOM-Markierung. Sobald eine Nichtübereinstimmung erfasst wird, weiß die decode()-Prozedur, dass sie noch nicht geeignet mit einem Codierungsfenster synchronisiert ist, und beendet unmittelbar die Decodierung von Bits vom aktuellen Fenster und schaltet mit einem Versatz von einem Abtastwert zum nächsten Fenster. Die decode()-Prozedur wird auf diese Weise fortgesetzt, bis erfolgreich eine Übereinstimmung mit dem vollständigen Bitstrom einer SOM-Markierung erzielt wird. Zu diesem Zeitpunkt setzt die decode()-Prozedur voraus, dass sie mit einer codierten Nachricht synchronisiert ist, und kann dann Bits schnell in den Nachrichtenpuffer decodieren, wobei das Abtastfenster bei jeder Iteration vollständig vorwärts verschiebt. Die Prozedur befindet sich nun im Synchronisationsmodus. Für jedes Bit, das sie im Synchronisationsmodus in den Nachrichtenpuffer speichert, verschiebt die decode()-Prozedur außerdem den gleichen Bitwert in das niedrigstwertige Bit des Wertes message_end_buffer. Nachdem jedes Bit im Synchronisationsmodus decodiert wurde, vergleicht die decode()-Prozedur den Wert message_end_buffer bitweise mit der Markierung msg_end_marker. Wenn eine vollständige Übereinstimmung gefunden wird, wird die decode()-Prozedur beendet und gibt einen Wert "True" zurück. Wenn der Abtastwertstrom ausgegeben wird, bevor dieses Ereignis auftritt, gibt die decode()-Prozedur den Wert "False" zurück. Wenn die decode()-Prozedur den Wert "True" zurückgibt, wird eine gültige Nachricht, einschließlich der SOM- und der EOM-Markierung im Nachrichtenpuffer gespeichert.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Identifizieren von Inhalt durch einen steganografischen Verschlüsselungsprozess, in dem eine Steganografietechnik zum Verbergen von Zusatzinformation, die ein digitales Wasserzeichen enthält, in Kombination mit einer Kryptografietechnik mit mehreren Schlüsseln verwendet wird, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Empfangen von Inhalt, der steganografisch mit Zusatzinformation zum Identifizieren des Inhalts codiert worden ist, wobei die Codierung unter Verwendung mindestens eines der mehreren Schlüssel gesteuert wird; b) Erfassen mindestens eines der mehreren Schlüssel für eine Decodierung; c) Verwenden des steganografischen Verschlüsselungsprozesses zum Lokalisieren der Zusatzinformation unter Verwendung des mindestens einen erfassten Schlüssels; d) Verwenden des steganografischen Verschlüsselungsprozesses zum Extrahieren der lokalisierten Zusatzinformation vom Inhalt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zusatzinformation mindestens eines der folgenden Elemente aufweist: den Titel des codierten Inhalts, den Verfasser des codierten Inhalts, Verteilungsregeln des codierten Inhalts, eine Rechteinhaberschaftidentifizierung, eine Urheberschaftidentifizierung des Inhalts, Publikationsrechte des codierten Inhalts, eine Eigentumsrechtidentifizierung des codierten Inhalts und den Prüfpfad oder Audit Trail des codierten Inhalts.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zusatzinformation mindestens eines der folgenden Elemente aufweist: Information für die Freigabe der Nutzung des codierten Inhalts, Zählwert-Information für die Verwendung des codierten Inhalts; Information über Zahlungen für die Verwendung des codierten Inhalts und Zahlungsinformation für einen Zugriff auf die codierte Information.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zusatzinformation an mindestens zwei Stellen des Inhalts codiert ist; und wobei das Verfahren ferner den Schritt aufweist: e) Verwenden des steganografischen Verschlüsselungsprozesses zum Lokalisieren und Extrahieren der Zusatzinformation von mindestens einer der beiden Stellen des Inhalts.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zusatzinformation den codierten Inhalt nicht wahrnehmbar beeinflusst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der codierte Inhalt mindestens eines der Elemente aufweist: eine analoge Wellenform, einen digitalisierten Datenstrom und eine komprimierte Kopie des codierten Inhalts.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wasserzeichen eine Codierungs-Prüfung mindestens eines Teils des Inhalts aufweist, und wobei das Verfahren den Schritt e) zum Erzeugen einer Decodierungs-Prüfung mindestens eines Teils des Inhalts und Vergleichen der Codierungs-Prüfung mit der Decodierungs-Prüfung aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wasserzeichen eine Codierungs-Prüfung mindestens eines Teils des Inhalts aufweist, der das Wasserzeichen enthält, wobei die Codierungs-Prüfung bezüglich der Codierung des Wasserzeichens in den Inhalt unempfindlich ist, und wobei das Verfahren ferner die Schritte zum Erzeugen einer Decodierungs-Prüfung mindestens eines Teils des Inhalts, der das Wasserzeichen enthält, und das Vergleichen der Codierungs-Prüfung mit der Decodierungs-Prüfung aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zusatzinformation ein signiertes oder verschlüsseltes Wasserzeichen enthält, das bezüglich des steganografischen Codierprozesses unempfindlich ist.
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