Ocultando información con marcas de agua digitales

La vertiginosa evolución tecnológica y la facilidad de intercambio de información a través de Internet ha generado una explosión impresionante de datos, ya sea en forma de imágenes, audio o video. De acuerdo con la evaluación de CISCO Visual Networking Index, el tráfico anual en Internet sobrepasará el umbral del zettabyte (ZB) de datos a finales de 2016. Y para 2020 llegará a 2.3 ZB por año; o lo que se traduce en la generación 74 terabytes (TB) de datos por segundo, y de esto, 82 por ciento será video. Gran parte de los datos generados son propiedad de individuos o empresas que basan su actividad principal en la producción de propiedad intelectual, la cual deben proteger para salvaguardar sus intereses.

Esta imagen ha sido tomada de https://pixabay.com/en/binary-one-cyborg-cybernetics-1536649/

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La mayor parte de las técnicas de protección de datos usadas actualmente se basan principalmente en la criptografía, con la cual se cifran o codifican los datos y se busca que sólo sea posible leer la información enviada utilizando llaves apropiadas para descifrar la información. Sin embargo, así como avanzan las técnicas criptográficas para proponer métodos cada vez más seguros, también avanzan las técnicas de criptoanálisis que permiten descubrir las llaves secretas. Una desventaja de la criptografía es que, una vez que el contenido se descifra, es posible leer la información, copiarla y distribuirla sin ninguna restricción. Con el fin de combatir tal desventaja, se ha propuesto el uso de técnicas esteganográficas y de marcas de agua digitales, las cuales permiten ocultar o insertar información en un medio digital. Estas técnicas no compiten con la criptografía, sino que la complementan, y han sido explotadas relativamente poco en la práctica, probablemente debido a su reciente desarrollo. Mediante ellas se busca hacer pasar desapercibida información secreta en medios inocuos, de tal manera que no despierte interés de espías al no existir aparentemente ningún cifrado. La información secreta puede estar oculta en llamadas telefónicas, videos o cualquier dato o información enviada vía correo electrónico o en cualquier medio digital que se pueda almacenar o transmitir. Dicha información puede incluir números de serie, datos del propietario de una obra, mensajes secretos, etcétera.

Invariablemente, siempre que se inserta una marca de agua en un medio, éste sufre modificaciones que, por mínimas que sean, lo alteran. En ambientes como el  médico o el militar, es indispensable que no haya alteraciones aún cuando existan las marcas de agua. Para estos ambientes existe un tipo especial de marcas de agua, llamadas reversibles, las cuales mediante la inserción de información de control, permiten recuperar el medio original.

Hay algunas compañías como Digimarc, Technicolor, Civolution, Verimatrix, entre otras, que son miembros de la alianza de marcas de agua digitales y son los punteros a nivel mundial en la generación de soluciones para protección de información utilizando marcas de agua. Estas compañías se enfocan principalmente en aplicaciones como protección de contenido de audio y video, localización de contenidos en línea, mejora de medios para teléfonos móviles, monitoreo de difusión, integridad de datos y huellas digitales de medios. Entre los ejemplos de uso de estas soluciones están: 1) la verificación de la propiedad intelectual de cualquier obra, cuestión que puede servir en juzgados, museos o la industria del entretenimiento (música, cine, juegos, etcétera), 2) en radio y televisión para la medición de los tiempos de difusión de comerciales, que garanticen el cumplimiento de contratos y 3) recuperación/restauración de información dañada o borrada intencionalmente.

En México, en el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), hay un grupo de investigación dedicado a las marcas de agua digitales que lleva más de 10 años trabajando. Está compuesto por investigadores expertos en marcas de agua y en otras disciplinas como criptografía, compresión de datos, procesamiento digital de señales, bases de datos, cómputo evolutivo y arquitecturas hardware. Además de estudiantes de doctorado y maestría del área de Ciencias Computacionales que están actualmente llevando a cabo investigación de punta. Algunas de las investigaciones de este grupo se trabajan en conjunto con instituciones de reconocido prestigio nacional e internacional.

Durante estos años se han desarrollado en el INAOE varias técnicas de marcas de agua para ocultamiento de información en audio, video e imágenes, que  pueden utilizarse en ambientes médicos, gubernamentales, militares o de inteligencia. Estas técnicas están basadas en estrategias de procesamiento de señales y han permitido alcanzar capacidades de ocultamiento o velocidades de procesamiento superiores a lo reportado por la comunidad científica hasta el momento.

Entre los trabajos realizados de marcas de agua para video, la protección del mismo se logra generalmente ocultando una sola marca en un video completo. Cabe mencionar que un video se puede ver como una secuencia de imágenes que tienen un orden en el tiempo, es decir, una sincronía temporal. Sin embargo, cuando hay compresión de datos para disminuir el tamaño de los archivos de video, lo cual es muy común, esta marca de agua se pierde porque el video se desincroniza temporalmente. Diseñar un esquema de marcas de agua para video resistente a pérdidas de sincronización temporal es una tarea difícil sobre la cual se han alcanzado importantes logros en el INAOE.

Recientemente se otorgó al INAOE una patente sobre los resultados de esta investigación. Dicho esquema trabaja insertando en un video una secuencia de datos clave, llamados llaves, estructurada como una marca de agua y que ayuda a conservar la sincronización del mismo. En la etapa de inserción, la marca de agua se oculta en varias imágenes/cuadros del video, seleccionados al tomar en cuenta ciertas características de los mismos. Durante la etapa de extracción de la marca, el extractor toma todos los cuadros marcados con la misma llave y extrae sus características. De esta manera es posible detectar cualquier modificación que haya causado una desincronización.

Actualmente, en el INAOE se continúa investigando sobre marcas de agua para video, con temas como detección de copias ilícitas proponiendo métodos que extraen características particulares de un video y que lo identifican, llamadas huellas digitales o fingerprinting. Se busca que estos métodos demanden pocos recursos computacionales, haciéndolos más atractivos para aplicaciones prácticas. Otro trabajo en video es sobre análisis forense digital, el cual se encarga de detectar cualquier manipulación que éste haya sufrido. Además de video, también se investiga sobre audio para comunicaciones seguras utilizando marcas de agua reversibles; este desarrollo se lleva a cabo en colaboración con investigadores del Cinvestav. Y recientemente se está incursionando en investigaciones sobre marcas de agua digitales para bases de datos relacionales, ésta se desarrolla en colaboración con la Universidad de Tampere, en Finlandia. Se busca desarrollar técnicas robustas para marcar bases de datos de manera que la marca de agua permanezca, a pesar de que las bases de datos sufran actualizaciones de rutina, pero que también sean resistentes ante ataques comunes que se encuentran en datos distribuidos públicamente sobre las redes.

De esta manera, el INAOE logra colocarse a la vanguardia en investigación sobre marcas de agua a nivel internacional.

 

Más información

http://www.digitalwatermarkingalliance.org/

 

https://www.google.ch/patents/US9087377

 

http://link.springer.com/article/10.1007/s11042-016-3783-6

 

https://www.jstage.jst.go.jp/article/elex/11/9/11_11.20140223/_article

 

 

cferegrino@inaoep.mx