Wasserzeichen aus digitalen Bildern entfernen

Ob inszenierte Einbrüche oder geplante Hackerattacken auf Computernetzwerke – offiziell herbeigeführte Ein- und Angriffe sind heutzutage ein etabliertes Mittel, um Sicherheitslücken aufzudecken. Dr. Andreas Westfeld, Mitarbeiter am Institut für Systemarchitektur der Technischen Universität Dresden, führt derzeit die Bestenliste bei einem Wettbewerb von Kryptologen zur Entfernung digitaler Wasserzeichen an. Ihm gelang es, in digitale schwarz/weiß Fotos integrierte Wasserzeichen unkenntlich zu machen und dabei die Veränderungen des Bildes möglichst gering zu halten.

Wasserzeichen sind in bestimmte Medien eingebettete Informationen, nach deren Entfernen sich das Original so verändert, dass eine weitere Verwendung nicht möglich ist. Damit sollen vor allem Urheberrechte – zum Beispiel bei Fotos von Nachrichtenagenturen – gesichert werden.

Wasserzeichen in digitalen Bildern sind meist unscheinbare Veränderungen einiger Pixel des Fotos, die mit bloßem Auge fast nicht zu erkennen sind. Im Falle des Wettbewerbes wurden einige hell/dunkel-Übergänge in den Bildern abgeschwächt oder verstärkt. Durch eine entsprechende Anzahl und Anordnung dieser Änderungen ergibt sich das fehlertolerante, robuste Wasserzeichen. Vornehmlich werden dafür kontrastreiche Bereiche von Fotos genutzt, damit die Manipulationen nicht auffallen.

Um in Bildern versteckte Wasserzeichen zu entfernen, ist es nicht notwendig, alle Änderungen aufzuheben. Es reicht, eine bestimmte Anzahl oder besonders wichtige Modifikationen zu neutralisieren. Bei dem von ECRYPT – ein durch die EU gefördertes Netzwerk von Kryptologen – ausgeschriebenen Wettbewerb, sollten aus drei Bildern die Wasserzeichen so entfernt werden, dass möglichst viel des Originalbildes erhalten bleibt, denn die Qualitätseinbuße beim Entfernen ist ein wichtiges Indiz dafür, ob ein Wasserzeichen robust genug ist.

Für seine Methode verwendete der Dresdner Informatiker die sogenannten DCT-Koeffizienten. Das sind Faktoren, die den Anteil von Videofrequenzen widerspiegeln, also die Schärfe von Kanten oder Umrissen im Bild. Die von Dr. Westfeld bearbeiteten Bilder bestanden aus etwa 250.000 dieser Koeffizienten, allein 50.000 beeinflussten das Wasserzeichen. Der Wissenschaftler ordnete die Koeffizienten nach der Größe ihres Betrages, denn je höher dieser ist, desto größer ist der Einfluss auf das Wasserzeichen. Die Idee war, durch Änderung von wenigen Koeffizienten – die allerdings maßgeblich am Wasserzeichen beteiligt sind – die Abweichung vom Original so gering wie möglich zu halten. Dr. Westfeld ließ einen Monat lang drei Computer die je 50.000 Koeffizienten vom Online-Server prüfen und identifizierte für jedes Bild einige hundert Koeffizienten, die für das Wasserzeichen maßgeblich sind. Diese manipulierte er anschließend solange, bis das Wasserzeichen verschwunden war.

Die Abweichung vom Original wird durch den PSNR-Wert (Peak-Signal-to-Noise-Ratio) ausgedrückt. Je größer dieser Wert ist, desto stärker stimmen das Bild mit zerstörtem Wasserzeichen und das mit Wasserzeichen markierte Original überein. Gefordert waren für den Wettbewerb mindestens 30 dB. Dr. Westfeld hat mittlerweile 58,07 dB erreicht, das ihm folgende Team eines New Yorker Kollegen 39,22 dB. Interessanterweise musste das unmarkierte Originalbild 25 Mal mehr verändert werden, um das Wasserzeichen zu installieren, als das Bild mit Wasserzeichen modifiziert werden musste, um die Markierung zu entfernen.

Weitere Informationen: Dr.-Ing. Westfeld Andreas, Tel. 0351 463-37918, Mobil: 0163/ 7342052, E-Mail: westfeld@inf.tu-dresden.de