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DE19812826C1 - Verfahren zur Fälschungssicherung von Dokumenten mit einem Bild, vorzugsweise mit einem Paßbild - Google Patents

Verfahren zur Fälschungssicherung von Dokumenten mit einem Bild, vorzugsweise mit einem Paßbild

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DE19812826C1
DE19812826C1 DE19812826A DE19812826A DE19812826C1 DE 19812826 C1 DE19812826 C1 DE 19812826C1 DE 19812826 A DE19812826 A DE 19812826A DE 19812826 A DE19812826 A DE 19812826A DE 19812826 C1 DE19812826 C1 DE 19812826C1
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DE
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Inventor
Mario Koeppen
Wolfgang Adam
Bertram Nickolay
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Fälschungssicherung von Dokumenten mit einem Bild, vorzugsweise mit einem Paßbild. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das Bild in eine digitale Bilddatei überführt wird oder als digitale Bilddatei vorliegt, in die ein binär vorliegendes Geheimbild derart eingearbeitet wird, daß die digitale Bilddatei des Bildes in Parkettzellen unterteilt wird, deren Anzahl gleich der Anzahl der Bildpunkte des Geheimbildes ist, daß eine Parameterfunktion gebildet wird, die jeder Parkettzelle auf der Basis von Parameterwerten, die jeden Bildpunkt beschreiben, einen bivalenten Ergebniswert derart zuordnet, daß die bivalenten Ergebniswerte aller Parkettzellen eine bivalente Positionsmatrix ergeben, daß mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens die Parameterwerte der Bildpunkte der einzelnen Parkettzellen derart modifiziert werden, daß zum einen die an der digitalen Bilddatei des Bildes des Dokumentes durchgeführten Änderungen keine visuell wahrnehmbaren Änderungen zur Folge haben und zum anderen das Ergebnis der Anwendung der Parameterfunktion auf die einzelnen Parkettzellen zu einer bivalenten Positionsmatrix führt, die den Binärwerten des Geheimbildes entspricht, und daß das die Informationen des Geheimbildes enthaltende Bild auf das Dokument aufgebracht oder zusammen mit dem Dokument ausgedruckt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fälschungssicherung von Dokumenten mit einem Bild, vorzugsweise mit einem Paßbild.
Stand der Technik
Beim Anbringen oder Aufdrucken von zur Authentisierung dienenden Paßbildern auf (amtlichen) Dokumenten muß sichergestellt werden, daß Fälschungen nicht möglich sind. Die bestehenden Gewährleistungen der Fälschungssicherheit durch Zertifizierung der dokumentherstellenden Instanz (z. B. Bundesdruckerei) und/oder Anbringen von Markierungen auf dem Dokument erweisen sich nach wie vor als nicht ausreichend. Jährlich entstehen z. B. der deutschen Volkswirtschaft Schäden durch das Fälschen von Dokumenten, auf denen Paßbilder angebracht oder aufgedruckt werden. Das Hauptproblem entsteht daraus, daß zwar das Verfahren des Anbringens oder Aufdruckens des Paßbildes sehr fälschungssicher ist, jedoch die Echtheit des Paßbildes selbst danach nicht mehr überprüft werden kann. Dadurch kann das vermeintlich sichere Verfahren durch Unterschieben eines falschen Paßbildes angegriffen werden. Die Problematik wird durch die zunehmende Verwendung von Paßbildern, die in digitalisierter Form vorliegen, erheblich verstärkt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Fälschungssicherung von Dokumenten mit einem Bild, vorzugsweise mit einem Paßbild anzugeben, durch das die Echtheit eines gedruckten Bildes nachgewiesen werden kann. Das Verfahren soll das Bild in einer Weise markieren, so daß die Markierung den optischen Gesamteindruck des Bildes nicht beeinträchtigt und zudem weitgehend resistent gegenüber Kopiervorgängen ist.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Fälschungssicherung von Dokumenten mit einem Bild, vorzugsweise mit einem Paßbild, dadurch ausgebildet, daß das Bild in eine digitale Bilddatei überführt wird oder als digitale Bilddatei vorliegt, in die ein binär vorliegendes Geheimbild derart eingearbeitet wird, daß die digitale Bilddatei des Bildes in Parkettzellen unterteilt wird, deren Anzahl gleich der Anzahl der Bildpunkte des Geheimbildes ist, daß eine Parameterfunktion gebildet wird, die jeder Parkettzelle auf der Basis von Parameterwerten, die jeden Bildpunkt beschreiben, einen bivalenten Ergebniswert derart zuordnet, daß die bivalenten Ergebniswerte aller Parkettzellen eine bivalente Positionsmatrix ergeben, daß mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens die Parameterwerte der Bildpunkte der einzelnen Parkettzellen derart modifiziert werden, daß zum einen die an der digitalen Bilddatei des Bildes des Dokumentes durchgeführten Änderungen keine visuell wahrnehmbare Änderungen zur Folge haben und zum anderen das Ergebnis der Anwendung der Parameterfunktion auf die einzelnen Parkettzellen zu einer bivalenten Positionsmatrix führt, die den Binärwerten des Geheimbildes entspricht, und daß das die Informationen des Geheimbildes enthaltende Bild auf das Dokument aufgebracht oder zusammen mit dem Dokument ausgedruckt wird.
Bei der hier beschriebenen Erfindung handelt es sich um ein System, das das Paßbild selbst vor Fälschungen und Manipulationen schützt. Dieser Schutz besteht auch weiter, nachdem das Paßbild auf dem Dokument angebracht oder in das Dokument gedruckt wurde. Das System besteht aus zwei Einheiten, einer schutzanbringenden Einheit und einer Überprüfungseinheit. Die schutzanbringende Einheit geht von einer digitalisierten Form des Paßbildes aus und bringt in ihr mittels eines steganografischen Verfahrens ein Binärbild geringerer Auflösung in gescrambelter Form als Geheimbild so unter, daß die Qualität des Paßbildes selbst nur geringfügig beeinflußt wird. Das ausgedruckte Paßbild mit dem Geheimbild wird auf dem Dokument angebracht, oder es wird mit dem Dokument zusammen ausgedruckt. Die Überprüfungseinheit, z. B. in Form eines Handgerätes, wird dann zu jedem beliebigen späteren Zeitpunkt benutzt, um das Geheimbild auf echten Dokumenten wieder zum Vorschein zu bringen.
Somit kann die Authentizität des Dokumentes nicht nur anhand des Dokumentes selbst, sondern auch anhand des angebrachten oder aufgedruckten Paßbildes verifiziert werden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Schematische Darstellung der schutzanbringenden Einheit,
Fig. 2 Darstellung zum verschlüsseln oder scrambeln des Geheimbildes,
Fig. 3 Darstellung der Zuordnung zwischen Parameterfunktion und Parkettzelle,
Fig. 4 Darstellung der Meßfunktionen und
Fig. 5 Darstellung der Funktionsweise der Überprüfungseinheit.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Die Funktionsweise der schutzanbringenden Einheit wird nachfolgend erläutert (siehe Fig. 1). Das Paßbild liegt in hoher Auflösung (z. B. vorab gescannt) in einer Bilddatei vor. Die Bildfläche wird gleichmäßig in quadratische Bereiche aufgeteilt (Parkettzellen). Das zu versteckende Bild liegt in geringerer Auflösung als Binärbild vor. Mittels einer Folge von Pseudozufallszahlen, die durch einen Pseudozufallszahlengenerator nach Vorgabe eines Initialisierungswertes (Seed) erzeugt wird, werden Bildpositionen festgelegt, und es werden die Bildparameter an diesen Positionen invertiert (gescrambelt, siehe Fig. 2). Damit ist das zu versteckende Bild nur restaurierbar, in dem die Folge von Pseudozufallszahlen durch denselben Seed erneut generiert wird und alle Invertierungen wieder rückgängig gemacht werden. Der Seed kann mit einer Paßphrase durch den Dokumentinhaber ebenfalls gescrambelt werden und dann z. B. in Form eines Barcodes mit auf dem Dokument aufgedruckt werden. Der entscrambelte Seed dient dann als Schlüssel zur Restauration des Geheimbildes und muß der Überprüfungseinheit bekannt sein.
Die Anzahl der Parkettzellen wird gleich der Anzahl der Pixelpositionen des zu versteckenden Bildes gewählt. Dann wird eine Parameterfunktion festgelegt, die aus den Parameterwerten (Farb- oder Grauwerte) aller Bildpositionen einer Parkettzelle auf statistische Weise einen bivalenten Ergebniswert ermittelt (z. B. die Werte 0 oder 1). Ein Beispiel für eine solche Parameterfunktion wäre die Berechnung, ob die Häufigkeit, daß eine Bildposition von Bildpositionen mit höherem Sättigungswert ihrer Parameterwerte umgeben ist, einen bestimmten Grenzwert überschreitet (Ergebnis 1) oder nicht (Ergebnis 0). Die Anwendung der Parameterfunktion auf alle Parkettzellen ergibt dann eine bivalente Positionsmatrix, die als Binärbild von geringerer Auflösung als das Paßbild behandelt werden kann (siehe Fig. 3). Nun werden mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens (z. B. genetische Algorithmen) die Parameterwerte des Paßbildes so modifiziert, daß erstens die Modifikationen keinen sichtbaren Einfluß auf die visuelle Qualität des Bildes haben, zweitens das Ergebnis der Anwendung der Parameterfunktion, als Binärbild behandelt, genau dem vorgegebenen und gescrambelten Geheimbild entspricht, und drittens leichte Störungen des Bildes nichts an diesem Ergebnisbild ändern (Robustheit). Zur Beurteilung des Grades der Erfülltheit dieser Kriterien werden Meßfunktionen eingesetzt (siehe Fig. 4).
Meßfunktion 1 ermittelt den Grad der Modifikation der visuellen Qualität des Bildes, z. B. anhand Anzahl und Grad der modifizierten Parameterwerte von Bildpositionen. Meßfunktion 2 ermittelt die vollständige Übereinstimmung von Ergebnisbild und gescrambelten Geheimbild. Meßfunktion 3 bildet die Modifikation der Parameterwerte eines Bildes durch erneutes Scannen des ausgedruckten Bildes durch Zufallsgrößen wieder und testet die Reproduktion des Geheimbildes auch unter diesen Umständen. Daraus ermittelt Meßfunktion 3 einen Robustheitsgrad der Modifikation, gemessen an einer nach oben offenen Skala. Meßfunktion 2 und Meßfunktion 3 können zusammengefaßt werden.
Das Optimierungsverfahren sucht nach Modifikationen der Parameterwerte des Paßbildes, für die Meßfunktion 1 einen möglichst kleinen Wert, Meßfunktion 2 den der exakten Übereinstimmung zugeordneten Wert und Meßfunktion 3 einen möglichst großen Wert liefert. Es können jedoch nur Lösungen akzeptiert werden, die Kriterium 2 exakt erfüllen.
Die vom Optimierungsverfahren gefundene beste Gesamtheit von Modifikationen wird auf das Paßbild angewendet. Das so modifizierte Bild stellt zusammen mit dem verschlüsselten Seed die Ausgabe der schutzanbringenden Einheit dar.
Das Geheimbild kann somit nur von dem modifizierten Bild ausgehend mit Hilfe der festgelegten Paßphrase auf dem Paßbild sichtbar gemacht werden.
Die Überprüfungseinheit (siehe Fig. 5) besteht aus einer Scannereinheit, einer Recheneinheit (z. B. Embedded-Controller-Karte), einer einfachen Texteingabeeinheit (für die Paßphrase) und einer einfachen Bildausgabeeinheit (z. B. LCD-Display, auf dem Niveau eines Tamagochi) und kann in Form eines Handgerätes, ähnlich einem Handscanner, realisiert werden. Die Überprüfungseinheit kann jedoch auch vollständig als Computerprogramm realisiert werden, an die eine bildeingebende Einheit (Scanner, hochauflösende Kamera) angeschlossen ist.
Die bildeingebende oder Scannereinheit liefert ein hochaufgelöstes digitales Bild des Bereiches auf dem Dokument, der auch das aufgebrachte oder ausgedruckte Paßbild enthält. Mittels Verfahren der digitalen Bildverarbeitung (Vorverarbeitung) wird darin der Bereich ermittelt, den die Fläche des Paßbildes einnimmt. Anschließend wird die Parameterfunktion auf diesen Bildbereich angewendet. Das Ergebnis ist das gescrambelte Geheimbild. Nun wird dem System die der Person auf dem Paßbild zugeordnete Paßphrase übergeben, um den Seedwert zu ermitteln, mit dem das Bild entscrambelt werden kann. Das so erzeugte Bild wird auf der Bildausgabeeinheit angezeigt. Die Übereinstimmung mit einem bekanntem Bild verifiziert die Authentizität des Paßbildes mit der dokumentenausgebenden Instanz.

Claims (13)

1. Verfahren zur Fälschungssicherung von Dokumenten mit einem Bild, vorzugsweise mit einem Paßbild, dadurch gekennzeichnet,
daß das Bild in eine digitale Bilddatei überführt wird oder als digitale Bilddatei vorliegt, in die ein binär vorliegendes Geheimbild derart eingearbeitet wird, daß die digitale Bilddatei des Bildes in Parkettzellen unterteilt wird, deren Anzahl gleich der Anzahl der Bildpunkte des Geheimbildes ist,
daß eine Parameterfunktion gebildet wird, die jeder Parkettzelle auf der Basis von Parameterwerten, die jeden Bildpunkt beschreiben, einen bivalenten Ergebniswert derart zuordnet, daß die bivalenten Ergebniswerte aller Parkettzellen eine bivalente Positionsmatrix ergeben,
daß mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens die Parameterwerte der Bildpunkte der einzelnen Parkettzellen derart modifiziert werden, daß zum einen die an der digitalen Bilddatei des Bildes des Dokumentes durchgeführten Änderungen keine visuell wahrnehmbare Änderungen zur Folge haben und zum anderen das Ergebnis der Anwendung der Parameterfunktion auf die einzelnen Parkettzellen zu einer bivalenten Positionsmatrix führt, die den Binärwerten des Geheimbildes entspricht, und
daß das die Informationen des Geheimbildes enthaltende Bild auf das Dokument aufgebracht oder zusammen mit dem Dokument ausgedruckt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild mittels eines Scanners in die digitale Form überführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bivalente Positionsmatrix einem Binärbild entspricht, das eine geringerer Auflösung aufweist als die Auflösung der digitalen Bilddatei des Bildes
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Optimierungsverfahren genetischer Algorithmen bedient.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameterwerte den Farb-, Grau- und/oder Sättigungswerten jedes einzelnen Bildpunktes entsprechen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der Parameterfunktion davon abhängt, ob die Häufigkeit, daß ein Bildpunkt in einer Parkettzelle von Bildpunkten in derselben Parkettzelle mit höheren Parameterwerten umgeben ist, einen bestimmten Grenzwert überschreitet oder nicht
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des Optimierungsverfahrens drei Meßfunktionen gebildet werden:
  • 1. Meßfunktion 1 dient zur Ermittlung des Grades der Modifikation der visuellen Qualität des Bildes,
  • 2. Meßfunktion 2 dient der Ermittlung der Übereinstimmung von dem Ergebnis der Anwendung und dem vorgegebenen, verschlüsselten Geheimbild sowie
  • 3. Meßfunktion 3 dient der Bestimmung der Robustheit aller durchgeführten Modifikationen des Geheimbildes.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Optimierungsverfahren derart durchgeführt wird, daß die Meßfunktion 1 einen möglichst kleinen Wert, die Meßfunktion 3 einen möglichst hohen Wert und die Meßfunktion 2 den der exakten Übereinstimmung zugeordneten Wert einnehmen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das binäre Geheimbild aus einer Vielzahl einzelner Bildpunkte zusammengesetzt ist, aus denen mittels einer Folge aus Pseudozufallszahlen, die durch einen Pseudozufallszahlengenerator nach Vorgabe eines Initialisierungswertes, gebildet werden, Bildpunkte ermittelt werden, die invertiert werden, so daß das Geheimbild verschlüsselt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Initialisierungswert in Form einer Paßphrase codiert ist und als Barcode auf dem Dokument aufgebracht wird.
11. Verfahren zur Überprüfung von Dokumenten auf Echtheit, die nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 bearbeitet worden sind, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Überprüfungseinheit das Geheimbild unter Verwendung der Parameterfunktion detektiert und auf Echtheit überprüft wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Überprüfungseinheit den Bereich des Dokuments erfaßt, in dem das Bild enthalten ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung des Initialisierungswertes das Geheimbild entschlüsselt wird und auf einer Bildausgabeeinheit dargestellt wird.
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