Водяные знаки

Водяные знаки — это видимые или слабовидимые изображения, узоры или тексты, нанесённые на бумагу, цифровые изображения, видео, аудиофайлы или другие носители с целью подтверждения подлинности, защиты от подделки, обозначения правообладателя или эстетического оформления. В зависимости от способа нанесения и среды различают физические водяные знаки (на бумаге) и цифровые водяные знаки (в электронных данных).

История

Первые водяные знаки на бумаге появились в XIII веке в Италии на бумажных мельницах Фабриано. Первоначально они использовались как клейма мастеров или производителей бумаги для идентификации партии. Знаки формировались в процессе изготовления бумаги: рельефный узор на проволочной сетке (или, позже, на валу) отпечатывался на мокрой бумажной массе. К концу Средневековья водяные знаки стали стандартным элементом высококачественной бумаги в Европе, в том числе на банкнотах, документах и почтовых марках.

В XVII–XVIII веках водяные знаки применялись для защиты денег и ценных бумаг от подделок. С изобретением литья бумажных масс на цилиндрических машинах (начало XIX века) появилась возможность наносить более сложные и детализированные знаки. В XX веке с развитием полиграфии и, особенно, цифровых технологий возникли цифровые водяные знаки.

Физические водяные знаки на бумаге

Физический водяной знак образуется за счёт разной толщины и, соответственно, оптической плотности бумаги. Существует два основных типа:

• Лицевой (тёмный) знак — выглядит более тёмным, чем фон, за счёт утолщения бумаги в месте нанесения (увеличение массы волокон).
• Обратный (светлый) знак — выглядит более светлым, так как бумага становится тоньше.

По способу изготовления:

• Ручные (по мокрой массе) — традиционный метод: рельефный штамп или сетка с рисунком вдавливается в мокрую целлюлозную массу. Применяется для коллекционных и почтовых бумаг, ценных бумаг.
• Машинные (цилиндрические) — рисунок формируется на поверхности ведущего вала бумагоделательной машины (преимущественно для банкнотной бумаги и защитной продукции).
• Накатные — наносятся валом при каландрировании сухой бумаги (дают менее стойкий, но дешёвый защитный эффект).

Области применения физических водяных знаков:

• Банкноты (например, портреты на рублях, долларах, евро).
• Паспорта, удостоверения личности, дипломы.
• Акцизные и почтовые марки.
• Документы строгой отчётности — векселя, акции, облигации.
• Защищённая бумага для чеков, конвертов, дипломов.

Цифровые водяные знаки

Цифровой водяной знак (ЦВЗ) — это встраивание в цифровое содержимое (изображение, аудио, видео, текстовый файл) дополнительной информации (авторства, лицензионных данных, контрольной суммы) методами стеганографии или обработки сигнала. ЦВЗ может быть видимым (надпись на изображении) или невидимым (встраивается в данные незаметно для восприятия).

Классификация цифровых водяных знаков

• По способу внедрения:
• Аддитивные — добавление шума к носителю (например, модификация младших битов пикселей).
• Муаровые — использование муарового эффекта.
• Частотные — внедрение в коэффициенты быстрого преобразования Фурье или вейвлетов.
• Сжатые — встраивание в поток данных JPEG, MP3.
• По устойчивости:
• Крепкие (robust) — сохраняются после операций редактирования, сжатия, преобразования.
• Хрупкие (fragile) — разрушаются при любой модификации (для подтверждения целостности).
• Полухрупкие — сохраняются при разрешённых преобразованиях (например, сжатии с потерями), но разрушаются при врезке.
• По отображению:
• Видимые — логотип, текст или полупрозрачный слой.
• Невидимые — скрыты от глаз/ушей.

Применение цифровых водяных знаков

• Защита авторских прав на изображения, музыку, видео (например, watermark в фотографиях microstock).
• Контроль распространения контента — отслеживание утечек.
• Аутентификация документов и данных — обнаружение подделок.
• В мультимедийных системах — внедрение меток времени или идентификаторов пользователя.
• В телевидении и кино — скрытый код для обозначения постановки или версии.
• В системах DRM (управление цифровыми правами).
• В криптографических приложениях — стеганографическое хранение ключей.

Сравнение физических и цифровых водяных знаков

Устройство и изготовление физических водяных знаков

Физические водяные знаки на бумаге создаются в процессе изготовления бумаги. В традиции производителей бумаги используется техника «филигрань»:

• Формование — рисунок наносят на проволочную сетку (при ручном литье) или на поверхность цилиндрического вакуумного барабана (при машинном способе). Выступающие части сетки вытесняют волокна, создавая утончённый (светлый) участок. Углубления дают более толстый (тёмный) участок.
• Оттиск — после формовки лист подвергается прессованию, при этом водяной знак окончательно фиксируется. В бумаге машинного формования рисунок повторяется через шаг барабана (с шагом клапана).
• Защитная нить — часто водяной знак комбинируется с металлической или полимерной нитью, входящей в структуру банкноты или ценной бумаги.
• Многотоновые знаки — градиент толщины бумаги достигается за счёт переменной глубины рисунка на формующей сетке.

Защита и противодействие

Физические водяные знаки широко применяются для защиты от подделки, но их можно имитировать:

• Скопировать — ксерокопирование/сканирование (часто даёт ложное изображение, но не повторяет рельефную структуру).
• Отжать — наложить фальшивый водяной знак на реальную бумагу (например, через тиснение или фотохимическое обесцвечивание).

Цифровые водяные знаки атакуются методами:

• Удаление с помощью специальных фильтров (например, low-pass фильтр для изображений).
• Атака на синхронизацию — изменение масштаба, сдвиг, поворот.
• Коллизионная атака — усреднение нескольких копий с разными знаками.
• Компрессия с потерями (например, JPEG) может ослабить скрытый знак.

Для усиления защиты используются многоуровневые системы: комбинация физического и цифрового знака, вплетение знака в микротекст или голограммы.

Интересные факты

• Самый старый сохранившийся водяной знак на бумаге — крест в круге на итальянской бумаге 1282 года.
• Венецианские купцы в XIV веке использовали водяные знаки как белый ID — для защиты своих бумаг от подделок.
• Водяные знаки на банкнотах многих стран содержат портреты политических деятелей, архитектурных памятников или животных.
• В цифровых водяных знаках часто используют метод «спред-спектр» — знак распределяется по всему изображению как шум.
• Некоторые цифровые водяные знаки могут быть обнаружены только с помощью специальных детекторов (например, в HDCP — датчике защиты копирования цифрового видео), и на обычных экранах их не видно.