Audio Watermarking verursacht teils hörbare Artefakte

Der Software-Ingenieur Matt Montag arbeitet bei YouTube Music, früher war er Entwickler bei Spotify. Bereits vor gut zehn Jahren fiel ihm auf, dass Plattenfirmen sogenanntes »Audio Watermarking« bei Downloads und Streaming einsetzten – mit hörbaren Artefakten. Der Gedanke: Über digitale Wasserzeichen könnten Internet-Provider eine illegale Weiterverbreitung über Peer-To-Peer-Netzwerke filtern und Marketingdaten sammeln.

Das Ergebnis offenbart einen seltsamen Gegensatz: Ein Kunde bezahlt etwa für unkomprimierte, hochauflösende Downloads deutliche Preise – und erhält, verglichen mit dem CD-Original, ein »verpanschtes« Produkt. Wie ändert sich der Klang?

Matt Montag fiel Anfang 2011 eine merkwürdige Klangveränderung bei Spotify auf: Der amerikanische Software-Ingenieur hörte Artefakte, scheinbar produziert von einem internen Algorithmus – obwohl Montag das »hochauflösende« Paket mit 320 KB/s gebucht hatte. Allzu offenkundige, »Schwimmbad-artig« gurgelnde Klangverfremdung bei hoher Datenkompression schien doch eine kurierte »Kinderkrankheit« aus Pionierzeiten zu sein. Dem wollte er auf den Grund gehen.

Montag lebt in Kalifornien, er hat Computerwissenschaften studiert, später »Music Engineering Technology «, was sich grob mit »Digitale Musiktechnologien« übersetzen lässt: »Während der High School war ich besessen davon, jede Menge klassische Musik in der Bibliothek zu hören. Ich war ›angefixt‹. Wenn du dann herausfindest, dass Software wie Winamp oder Napster mitunter nur durch ein, zwei Typen entstand, ist das eine überzeugende Einladung zu lernen, wie man coded«, erklärt er seine Leidenschaft. Montag arbeitete von 2012 bis 2018 als Software-Ingenieur bei Spotify. Seit 2020 ist er bei Google beschäftigt, als Teil eines YouTube-Music-Teams, das sich um Künstlerentwicklung auf YouTube kümmert.

Auf seinem privaten Blog befasst sich der Entwickler mit Gedanken und Konzepten, größtenteils zur Audiowelt. »Es ist eine Spielweise, auf der ich Ideen oder kleine ›Happen‹ von Wissen abladen kann und Feedback zu Projekten bekomme«, so der Entwickler. Montag thematisiert neben Datenkompression beispielsweise Binauralisierung, das Transformieren von Stimmen, Klangrestauration sowie generelle Web-Audio-Anwendungen.

Hörbares Wasserzeichen der Universal Music Group

2011 hörte er viel Musik auf Spotify, erinnert er sich. »Mir fiel ein bestimmter, rauer Sound bei einzelnen Songs auf. Bei When you’re Young der Band Three Doors Down war ich mir sicher, dass der Klang unmöglich absichtlich entstanden sein könnte, wie etwa durch ein Gitarren-Effektpedal. Das Ergebnis war schlicht zu vordergründig und unangenehm. Nachdem ich den Sound verinnerlicht hatte, fiel er mir bei anderen Songs ebenfalls auf. Anfangs dachte ich, es wäre ein hörbarer Nebeneffekt von Datenkompression, ich konnte diesen Klang allerdings nicht mit Ogg Vorbis [frei verfügbares Verfahren zur Medien-Datenkomprimierung; Anm.d.Aut.] oder einem MP3-Encoder reproduzieren.«

Kurze Zeit später stieß er auf das Thema Audio Watermarking zur Copyright- Nachverfolgung: »Ich untersuchte die Implementierungen der Technologie. Die Variante der Firma MarkAny hatte einen Eigenklang und trat nur bei Songs der Universal Music Group auf.« Das Wasserzeichen wird vom Label laut Montag in digital vertriebene Tracks eingebettet. Durch die Nutzung könnte die Musik etwa bei illegaler Verbreitung in Peer-To-Peer-Netzwerken gefiltert werden. Individuellen Kunden wird das Wasserzeichen nicht zugeordnet, sondern von der Plattenfirma generell für den jeweiligen Anbieter implementiert. Zusätzlich können darüber Daten für Marketing-Zwecke gesammelt werden. »Das einzige Wasserzeichen, das mir auffiel, ist das der UMG – ich kann also nur hierfür sprechen.« Der Katalog von Universal macht laut Montag rund ein Viertel der meisten Online-Kataloge aus, zu den UMG-Labels zählen beispielsweise Interscope, Verve, The Island Def Jam, Decca, Geffen oder Deutsche Grammophon. Auf seinem Blog nannte Montag seinerzeit beispielsweise die Anbieter Rdio, Spotify, iTunes und Tidal als Quellen, auf denen das »markierte« Material verfügbar sei. Auch auf Qobuz sei ihm vor Jahren entsprechendes Material aufgefallen, ergänzt er im Interview. Die Artefakte könnten auch beim Abspielen der Songs über UKW-Radio wahrgenommen werden.

Das digitale Wasserzeichen ist ein sogenanntes »Spread Spectrum Watermark«. »Das Schema moduliert die gesamte Energie in zwei unterschiedlichen Bändern, von 1 bis 2,3 kHz und 2,3 bis 3,6 kHz«, fasst Montag zusammen. Die Energie sei auf die Frequenzbereiche konzentriert, auf die die menschliche Wahrnehmung am empfindlichsten reagiert. Das macht es schwierig, sie ›anzugreifen‹ oder zu entfernen, ohne deutlich hörbare Verzerrung zu erzeugen«, so Montag im Blog. Tatsächlich klingt das Material wie ein »flatternder « Dynamikeffekt, ein flinkes Lo-Fi-Tremolo, das jene Frequenzbereiche knapp oberhalb der Hörschwelle betrifft. Auf der Webseite hat er einen Vergleich hochgeladen – Material mit und ohne Wasserzeichen, dazu eine »Delta«-Version, die nur das Wasserzeichen hörbar macht (www.mattmontag.com/music/universalsaudible-watermark). Zum Testhören empfiehlt er einen Kopfhörer in ruhiger Umgebung.

»Der ›Flutter-Effekt‹ kommt von sogenannter ›Patchwork-Modulation‹ der Frequenzenergie. Du brauchst keine guten Lautsprecher, um den Effekt zu hören, da er sich – wie gesagt – zwischen 1 bis 3,6 kHz abspielt. Das umfasst etwa den Bereich, wenn du einen tiefen ›Schhh‹-Laut mit dem Mund produzierst.« Das Wasserzeichen sei so entworfen, dass es auch bei starker Datenkompression – Montag führt 64 kB/s als Beispiel an – erhalten bleibe.

Hörtest mit Klangbeispielen

Auf seinem Blog ersann Montag einen Hörtest mit 16 Klangbeispielen unterschiedlicher Genres (mattmontag.com/audio-listeningtest). Seine Hypothese: Die Artefakte seien mindestens so deutlich wahrnehmbar wie MP3-Artefakte einer Auflösung von 128 KB/s, und sie überschatteten zudem Unterschiede in der Datenkompression. Den Test zog er nach wissenschaftlichen Kriterien eines viel beachteten MP3-Tests auf. Die Hörer sollten einschätzen, ob es sich um Material mit oder ohne Wasserzeichen handelt. Er wertete den Test nach 201 Teilnehmern aus und sah sich in der Annahme grundlegend bestätigt. Die Wahrnehmbarkeit hing dabei stark vom musikalischen Inhalt ab. Laut Montag ist der UMG-Wasserzeichen-Effekt am deutlichsten hörbar bei klassischer Musik sowie in Soloklavier-Aufnahmen und in Rock-Songs – weniger hingegen in Transienten-starker elektronischer Musik. Um den Effekt als unbedarfter Hörer zu entdecken, lohnt es sich, besonders auf Signal-Ausklänge oder Hallfahnen zu achten, die nicht in einem dichten Arrangement »begraben « liegen. »Der Effekt wird besonders in gleichmäßigen, vertrauten Klängen hörbar, die Energie über den betroffenen Frequenzbereich enthalten. Die Verfremdung sticht beispielsweise bei einer einzeln ausklingenden Klaviernote, einem Chor, der eine Note hält, oder bei Applaus in einem verhallten Konzertsaal heraus.«

“Ich dachte, es sei ein Nebeneffekt von Datenkompression – konnte den Klang allerdings nicht mit einem Encoder reproduzieren.”

Während es legitim ist, das eigene Produkt zu schützen, ist der Ansatz, zahlender Kundschaft ein klanglich »verpanschtes « Produkt vorzusetzen, mindestens fragwürdig. Das läuft besonders der Grundidee im High-Resolution-Bereich zuwider. »Aus meiner Sicht liegt die Wahl beim Rechteinhaber: Kunden werden sich Alternativen suchen, wenn die Verwendung tatsächlich das Produkt schädigt. Als Künstler wäre ich erst recht aufgebracht, weil ich vielleicht keinerlei Mitspracherecht habe. Unglücklicherweise waren sich die meisten Künstler und Tontechniker des Vertriebsprozesses wohl dessen nicht bewusst.

Für mich war seltsam, dass sich innerhalb der UMG niemand an dem digitalen Wasserzeichen gestört hat. Andererseits: Den meisten Menschen fällt das Wasserzeichen nicht auf, solange sie nicht darauf hingewiesen werden. Vielleicht wurde das Wasserzeichen auch nicht ausreichend mit Ravel und Debussy getestet«, meint er schmunzelnd.

Montag verfolgte immer wieder die Entwicklung am Markt, lieferte Updates: Mal schien die UMG-Musik mit den Wasserzeichen aus den virtuellen »Regalen« der Streaming- und Download-Anbieter verschwunden, später tauchten sie wieder auf. Über die Kommentarfunktion seines Blogs berichteten Nutzer zuletzt immer noch von Material mit Artefakten auf verschiedenen Portalen. Das UMG-Wasserzeichen falle ihm immer noch gelegentlich im Radio auf, meint Montag. »Ich kann mir gut vorstellen, dass auch andere Plattenfirmen digitale Wasserzeichen einsetzen – falls ja, gut für sie, weil sie offensichtlich eine subtilere Technologie gewählt haben.« Der »Audio-Betrug«, wenn man ihn so nennen will, fand indes nur bei komprimierten und unkomprimierten Downloads sowie bei Streaming statt. »Auf CDs war das Material nie enthalten, soviel ich weiß.«

Gänzlich »schadlose« Nachverfolgung ist technisch unmöglich.

Ob der Versuch, eine digitale Nachverfolgung einzubetten, so umsetzbar wäre, dass er das Audiosignal nicht beeinflusse? »Technisch gesehen, nein. Aber die Frage dreht sich eher um die Wahrnehmbarkeit. Bei digitalen Wasserzeichen handelt es sich immer um eine Abwägung zwischen geringer Wahrnehmbarkeit und Resistenz gegenüber ›Zerstörung‹. Es ist möglich, ein Wasserzeichen außerhalb des hörbaren Frequenzspektrums einzubetten, beispielsweise ein sehr schwaches Signal bei 20 kHz, aber das ließe sich einfach entfernen. Wir können nur hoffen, dass sich Rechteinhaber auf der Seite der geringen Wahrnehmbarkeit ›versündigen‹ – falls sie Watermarking nicht komplett aufgeben.«

Hersteller digitaler Wasserzeichen bieten im Netz vereinzelt Online-Anwendungen, um die Implementierung des Wasserzeichens zu überprüfen. Gibt es – von Insellösungen, die die Funktion des eigenen Wasserzeichens prüfen – verlässliche Methoden, um ein Audio-Wasserzeichen per Software zu entdecken? Darin liege das Grundproblem, meint Montag: »Generell musst du eine Menge über Watermarking wissen, um sie zuverlässig zu erkennen. Es ist kompliziert, da viele unterschiedliche Technologien existieren, nicht eine generelle Methode.«

Immer noch gängige Praxis

Das Thema ist auch nach über zehn Jahren aktuell: Im Juni 2021 postete der Berliner Anbieter Highresaudio ein englisches Statement auf Facebook, um auf die Problematik aufmerksam zu machen. Geschäftsführer Lothar Kerestedjian beschreibt darin die Verwendung von Wasserzeichen als elektronisches Identifikationsmerkmal von Copyright-Eigentumsrechten sowie für Marketingzwecke im Sinne von Data-Mining und Customer Targeting. Auf Anfrage erklärt Kerestedjian, dass alle Major-Labels Wasserzeichen verwendeten, bei der Universal Music Group würden jedoch alle priorisierten Veröffentlichungen damit versehen. Die entstehenden Artefakte beeinflussen seiner Meinung nach die Klangqualität durch Verzerrungen stark, macht er auf Facebook deutlich: »In manchen Fällen, abhängig von der verwendeten Technologie, ist die Beeinträchtigung hörbar. Aber selbst, wenn sie nicht hörbar ist, erhält der Kunde qualitätsreduziertes Quellmaterial, und jegliche Art von Weitergabe kann nachverfolgt oder für Marketingzwecke verwendet werden.« Aus dem Grund investiere Highresaudio viel Zeit und Aufwand in die eigene Qualitätskontrolle – um sicherzustellen, dass die verfügbaren Dateien von Watermarking, DRM (Digital Rights Management, was etwa die Anzahl möglicher Kopien begrenzt) und Kundendaten-Erfassung seien. »Das ist ein ernstes Problem, das niemand wirklich anspricht oder bereinigt. Es ist zeitraubend und braucht erfahrene Mitarbeiter und entsprechendes Wissen.« Fällt ihnen Materialverfremdungen auf, forderten sie neue Dateien an und stellten die Veröffentlichungen erst online, wenn die Dateien ohne Wasserzeichen vorhanden sind, so Kerestedjian auf Nachfrage. Das sei sehr aufwendig, aber im Interesse des Kunden. Fragen zu Watermarking an den Streaming-Marktführer Spotify, das Streamingund Download-Portal Qobuz sowie an den Label-Konzern Universal Music Group blieben im Rahmen der Recherche unbeantwortet.

www.mattmontag.com