Institut für Mikroelektronik Stuttgart

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1 Institut für Mikroelektronik Stuttgart Forschungsvorhaben Authentizität digitaler Bilder II Management Summary Juni 2007

2 Echtheitsbeweis bei digitalen Bildern Wie kann die Echtheit digital aufgezeichneter Bilder bewiesen werden? Mit dieser Frage befasste sich die Studie Authentizität digitaler Bilder, die im Auftrage des Bundeskriminalamtes vom Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen (FhG IIS) erstellt wurde. Daran anschließend folgte die Realisierung eines Demonstrators im Projekt Authentizität digitaler Bilder II durch das Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS). Vorarbeiten Das Forschungsvorhaben "Authentizität digitaler Bilder II" fußt auf einer Projektstudie des Fraunhofer-Institutes für Integrierte Schaltungen, Erlangen, aus dem Jahre Thema der Studie war die "Problematik, die durch den Übergang von herkömmlicher Bildaufnahme zur digitalen Aufzeichnung am Tatort entsteht". In der Studie wurden neben Anforderungskriterien aus Anwendersicht und Rahmenbedingungen auch Lösungsmöglichkeiten und Zukunftsperspektiven zur Authentizitäts- und Integritätsprüfung digitaler Bilddaten bereits bei der Aufnahme der Daten erörtert. Dabei wurden folgende Forderungen an eine Digitalkamera mit Signaturkomponente erhoben: Das Bild muss elektronisch unterschrieben werden, so dass es von niemandem, auch nicht vom Fotografen, unerkannt manipuliert werden kann (qualifizierte elektronische Signatur gem. Signaturgesetz). Die Entstehung des Bildes muss vom Bildsensor bis zur elektronischen Unterschrift geschützt werden. Der Fotograf identifiziert sich gegenüber der Kamera mit einer Chipkarte und einer persönlichen PIN. Realisierung eines Demonstrators Sichere Digitalkamera Für die Realisierung eines Demonstrators wurde das Institut für Mikroelektronik in Stuttgart beauftragt, das als öffentlich-rechtliche Stiftung des Landes Baden- Württemberg anwendungsorientierte Forschung und Auftragsproduktion im Bereich der Mikroelektronik betreibt. Eine herausragende Sparte des Institutes ist die Grundlagenforschung und Systementwicklung im Bereich Bildsensoren und digitale Videokameras. Ein weiteres Arbeitsgebiet ist die Entwicklung von anwenderspezifischen Mikrochips, so genannte ASICs für die mittelständische Industrie, nicht nur in Baden- Württemberg. 2

3 Digitale Signatur für digitale Bilder In Gesprächen mit dem Bedarfsträger für das aktuelle Forschungsvorhaben wurde eine Aufgabenbeschreibung erstellt, die den praktischen Aufbau eines Labormodells einer digitalen Kamera mit Signatureinheit vorsieht. In der anschließenden Realisierungsphase zeigten sich verschiedene Hemmnisse, die u.a. den zunächst vorgesehenen Einsatz der Signtrust-Signaturkarte verhinderten, auch musste bei dem dann gewählten Alternativ-Anbieter Telesec noch Überzeugungsarbeit geleistet werden, um den notwendigen Support zur Einbindung der Telesec-Signaturfunktionen in die Projekt-Anwendung zu erreichen. Schließlich konnte die zu Beginn des Projekts ausgewählte Digitalkamera der Fa. Olympus erst dann komplett in den Laboraufbau integriert werden, als zu Beginn des Jahres 2004 ein überarbeiteter Software- Development-Kit von Olympus zur Verfügung gestellt wurde. Dennoch kann festgestellt werden, dass die Vorgaben, wie sie sich aus der Studie "Authentizität digitaler Bilder I" des Fraunhofer Instituts in Erlangen stellten, vom Laboraufbau erfüllt werden. Die nachfolgende Abbildung zeigt den realisierten Laboraufbau bestehend aus Olympus-Digitalkamera, Mini-PC, Kartenleser für die Signaturkarte, USB-Speichermedium und einer Funkuhr-Zeitreferenz. Nicht abgebildet ist Laboraufbau einer digitalen Kamera mit Signatureinheit (Bild: IMS CHIPS) 3

4 das ebenfalls realisierte Modul zur Ortsbestimmung mit GPS, das über ein Datenkabel angeschlossen wird. Der Demonstrator wurde erfolgreich getestet und dem Auftraggeber für weitergehende Untersuchungen zur Verfügung gestellt. Kameramarkt im Wandel Im Lauf der Entwicklung des Demonstrators zeigte sich der enorm rasche Wandel auf dem Markt der digitalen Fotografie als eine große Herausforderung. Die Zeit zwischen dem Erscheinen eines neuen Kameramodells und dessen Ablösung durch ein Nachfolgemodell beträgt mittlerweile nur noch wenige Monate. Eine Digitalkamera, die die Anforderungen für die "Authentizität digitaler Bilder erfüllen soll, muss in der Hardware und in der Steuerungssoftware modifiziert werden, um beispielsweise einen Kartenleser für Signaturkarten einbinden zu können. Gleichzeitig muss die Kameraelektronik vor unberechtigten Modifikationen geschützt werden bzw. müssen Manipulationsversuche automatisch erkannt werden. Fazit Für die Entwicklung einer signaturgesetzkonformen Digitalkamera gilt es, trotz der kurzen Modellzyklen bei Digitalkameras, die Signaturkomponente so vorausschauend zu entwickeln, dass sie nicht an ein bestimmtes Kameramodell gebunden ist, sondern über mehrere Kameragenerationen verbaut werden kann. Technisch ist die Aufgabe lösbar. Nun sind die Hersteller von Digitalkameras gefragt, bei der Entwicklung der Signaturkomponente zu kooperieren. Die in modernen Digitalkameras eingesetzten Mikroprozessoren sind aufgrund des hohen zu verarbeitenden Datenaufkommens ohnehin sehr leistungsfähig und könnten die Signaturroutinen zusätzlich ausführen sowie mit einem Kartenleser kommunizieren. Das Ziel muss eine Signatur- Option sein, die bereits in der Kameraelektronik mitintegriert ist. Das bedeutet für die Kamerahersteller zunächst einen finanziellen Aufwand, jedoch würde die Signaturfähigkeit gerade im Bereich der professionellen Fotografie einen nicht zu vernachlässigenden Mehrwert einer derart ausgestatteten Kamera bedeuten (Stichworte: gerichtsfeste Digitalfotos, Urheber- und Verwertungsrechte). Potenzielle Anwender wären nicht nur Polizeidienststellen, sondern auch Berufsfotografen und Gutachter, bei denen der Herkunftsnachweis und eine nachvollziehbare Integritätsprüfung der Bilddaten eine besondere Bedeutung haben. 4

5 Ergänzende Informationen Authentizitätsprüfung durch Vergleich der Hash-Summen Mit Hilfe einer im Vorhaben entwickelten Software können die von der sicheren Digitalkamera elektronisch signierten Bilder jederzeit an einem PC auf ihre Echtheit überprüft werden. Das Programm erkennt dabei jede nachträgliche Manipulation am Bildmaterial und an den Begleitdaten (Zeitstempel, Ortsinformation etc.) und meldet manipulierte Bilder. Das Prüfergebnis bei einem Originalbild und bei einem manipulierten Bild wird durch ein Schlüsselsymbol dargestellt. (Bild: IMS CHIPS) 5

6 Funktionsprinzip von Digitalkameras im Vergleich Die Unterschiede zwischen herkömmlichen Digitalkamera und einer Kamera, die auf Echtheit überprüfbare Aufnahmen sind in der folgenden Grafik dargestellt. herkömmliche Digitalkamera Bildsensor Prozessor Bildspeicher Compact Flash Speicher medium Interface (z.b. USB) FhG-Kameravorschlag Uhr KryptoChip Bildsensor Prozessor Bildspeicher Speicher medium SmartCard- Leser Bereich, der vor Manipulation geschützt werden muss Oben: Prinzip einer herkömmlichen Digitalkamera Unten: Vorschlag für eine sichere Digitalkamera nach der Fraunhofer-Studie 6

7 Elektronische Signatur von Bildern Die nachfolgende Darstellung veranschaulicht die prinzipielle Funktionsweise, wie digitale Bilddaten durch eine elektronische Signatur auf ihre Authentizität hin überprüfbar werden. Hash-Funktion Hash-Funktion Hashwert der Bilddaten 4FE3 270A FE2D 51A2 Hashwert der Bilddaten 4FE3 270A FE2D 51A2 entschlüsselter Hashwert der Bilddaten 4FE3 270A FE2D 51A2 Verschlüsselung Vergleich der Hashwerte verschlüsselter Hashwert der Bilddaten = Signatur 4RR S28Q 7182 Sichere Digitalkamera beide Werte gleich: OK Werte verschieden: Fehler! Entschlüsselung Prüfsoftware für PCs Linke Seite: Erzeugung der Signaturdaten in der sicheren Digitalkamera Rechte Seite: Nachberechnung und Vergleich von Signaturdaten zur Echtheitsprüfung. 7

8 IMS CHIPS Institut für Mikroelektronik Stuttgart Allmandring Stuttgart

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