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Werner Geiger
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1 Kinder-Uni Auf Spurensuche "Ich sehe was, was du nicht siehst..." Sichtbare und unsichtbare digitale Wasserzeichen zum Urheberschutz Wolfgang Heiden

Fachbereichs, Hochschule Bonn-Rhein-Sieg Forschungsgebiete: Medien für Lernen und Unterhaltung Daten aus Naturwissenschaften

2 Herzlich willkommen! Game Kinder-Uni Development Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Heiden Diplom-Biologe Dr. der Naturwissenschaften (Biologie/Chemie) Professor für, insbesondere Hypermedia- und Multimedia-Systeme Dekan des Fachbereichs, Hochschule Bonn-Rhein-Sieg Forschungsgebiete: Medien für Lernen und Unterhaltung Daten aus Naturwissenschaften und Medizin verstehen und sichtbar machen Raum C 261/C 103; Tel. -214/-200 Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 2

DWZ Verteidigung gegen digitale Angriffe Abschluss:

3 Ablauf Kinder-Uni Vorlesung: Digitale Wasserzeichen (DWZ) Vorführung: praktische Beispiele Einfügen und Auslesen von DWZ Verteidigung gegen digitale Angriffe Abschluss: Zusammenfassung Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 3

4 Worum geht s eigentlich? Game Kinder-Uni Development Was ist das? ein Geldschein sicher??? Erkennungsmerkmale für echte -Scheine u.a. Wasserzeichen Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 5

5 Ursprünge Game Kinder-Uni Development Geheime Botschaften Antike Kryptografie: unverständliche/verschlüsselte Information Steganografie: versteckte Information Wachstafeln Tätowierungen Mittelalter 20. Jh. Heute unsichtbare Tinte (z.b. Zitronensaft) echte Wasserzeichen (Papierhersteller) Microdots: Mikrofilmpunkte auf Textseiten im 2. Weltkrieg digitale Wasserzeichen für Medien und Software Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 6

6 Steganografie in der Antike Kinder-Uni Tontafeln geheime Texte auf der Tafel unter der Tonschicht Tätowierungen Texte unter Haaren Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 7

7 Echte Wasserzeichen Game Kinder-Uni Development seit dem Mittelalter 13. Jh. in Papiermühlen (Bologna) Nachweis der Papier- Herkunft Schöpfsiebe mit zusätzlichen Drähten oder Verformungen Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 8

Draht- und Schatten-Wasserzeichen Game Kinder-Uni

dünnere Papierschicht klares Bild ausgebeultes

unscharfes, schattiertes Bild Drahtwasserzeichen

8 Draht- und Schatten-Wasserzeichen Game Kinder-Uni Development Drähte auf Schöpfsieb Drahtwasserzeichen dünnere Papierschicht klares Bild ausgebeultes Schöpfsieb Schattenwasserzeichen dickere Papierschicht unscharfes, schattiertes Bild Drahtwasserzeichen Schattenwasserzeichen Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 9

9 Anforderungen an echte Wasserzeichen Game Kinder-Uni Development unsichtbar Die Wasserzeichen stören nicht den normalen Gebrauch, können aber zu Prüfzwecken sichtbar gemacht werden. sichtbar bei Durchleuchtung robust Die Wasserzeichen bleiben auch bei häufigem Gebrauch unverändert. kein Abfärben, Knittern, etc. sicher/komplex Die Wasserzeichen sind für Unbefugte schwer zu kopieren. spezielle Schöpfsiebe nötig, komplexe Muster kostengünstig Für die Hersteller entsteht kein großer Aufwand. mehrfach verwendbare Schöpfsiebe Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 10

10 Digitale Wasserzeichen (DWZ) - Watermarking - Kinder-Uni Kopierschutz Demo-/ Testversionen Verfälschungs -schutz Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 11

11 Sichtbare Digitale Wasserzeichen Kinder-Uni Voransicht für käufliche Bilder (Bsp.: Claire Shapleigh) Bildexport aus Demo- /Testversionen von kommerzieller Software (Bsp.: Lumion Architektur Renderer) Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 12

12 Beispiel (1): -Vermerk am Bildrand Kinder-Uni Angriff: Bildausschnitt Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 13

13 Beispiel (2): -Vermerk im Bild Kinder-Uni Angriff: Übermalen Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 14

14 Beispiel (3): -Vermerk unsichtbar Kinder-Uni Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 15

15 Beispiel (3a): unsichtbaren -Vermerk rekonstruieren Kinder-Uni Differenz Kopie mit Wasserzeichen Original ohne Wasserzeichen XOR Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 16

Differenz XOR Kinder-Uni Differenz: Zahlenwerte subtrahieren 10 20 10 15 5 15

XOR-Prinzip stark vereinfacht; eigentlich werden Bits verglichen und immer

16 Differenz XOR Kinder-Uni Differenz: Zahlenwerte subtrahieren = Unterschiedlichkeit: gleich oder nicht gleich? XOR = max XOR-Prinzip stark vereinfacht; eigentlich werden Bits verglichen und immer dann neu gesetzt, wenn das eine gesetzt ist und das andere nicht. Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 17

17 Beispiel (4): fragile Wasserzeichen Kinder-Uni XOR verzerrte Kopie Original mit Wasserzeichen XOR Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 18

18 Angriffe auf Wasserzeichen Freundliche Attacken (übliche Bildbearbeitung) geometrische Transformationen Translation, Rotation, Skalierung Ausschnitte Umformatierung TIF PNG GIF verlustbehaftete Kompression z.b. JPEG A/D-Wandlung Feindliche Attacken (gezielt gegen DWZ gerichtet) Tiefpass (Glättungsfilter) Verrauschen Mittelung gleicher Bilder Kinder-Uni mit verschiedenen DWZ Mosaik-Attacke IBM-Attacke Hinzufügen eines eigenen Wasserzeichens Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 19

Beispiel: Attacken (1) Game Kinder-Uni Development Geometrische Transformationen Translation (verschieben) Rotation (drehen) Skalierung (vergrößern & verkleinern

19 Beispiel: Attacken (1) Game Kinder-Uni Development Geometrische Transformationen Translation (verschieben) Rotation (drehen) Skalierung (vergrößern & verkleinern ggf. auch unterschiedlich in verschiedenen Achsen unkritisch, falls das Original ebenso transformiert wird Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 20

20 Beispiel: Attacken (2) Game Kinder-Uni Development Verlustbehaftete Kompression z.b. JPEG-Kompression mit hohem Kompressionsgrad verändert besonders hochfrequente Bildanteile (verrauscht oder viele Feinstrukturen) kritisch bei starker Kompression und DWZ in fein texturierten Bildbereichen Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 21

wegen Bildqualität) eigentlich unkritisch, weil DWZ eher wenig verrauscht,

21 Beispiel: Attacken (3) Game Kinder-Uni Development Glätten und Verrauschen Glätten Rauschen entfernen Verrauschen Rauschen hinzufügen (hochfrequent wegen Bildqualität) eigentlich unkritisch, weil DWZ eher wenig verrauscht, aber hier kritisch Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 22

Beispiel: Attacken (4) Game Kinder-Uni Development Mosaik-Attacke Zerlegen eines Bildes in viele kleine Einzelteile Zusammensetzen des Bildes über HTML kritisch, weil jedes

22 Beispiel: Attacken (4) Game Kinder-Uni Development Mosaik-Attacke Zerlegen eines Bildes in viele kleine Einzelteile Zusammensetzen des Bildes über HTML kritisch, weil jedes Einzelbild zu wenig Information enthält Bildquelle: Achziger, Roman: Digitale Wasserzeichen. Seminararbeit Uni Münster, 2003 Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 23

Game Kinder-Uni Development Bildquelle: Dittmann, Jana: Digitale Wasserzeichen - Grundlagen,

23 IBM-Attacke Beispiel: Attacken (5) Mehrfachmarkierung Wer hat das echte Original? kritisch, aber lösbar, wenn das tatsächliche Original mit einem darauf abgestimmten WZ versehen wird Game Kinder-Uni Development Bildquelle: Dittmann, Jana: Digitale Wasserzeichen - Grundlagen, Verfahren, Anwendungsgebiete. Springer, Berlin Heidelberg New York (2000) Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 24

Ausblick: Digitale WZ++ Game Kinder-Uni Development DWZ im

Wavelets Größen-unabhängige DWZ fraktale Verfahren, selbstähnlich

WZ in Videos alle Bilder einer Sequenz WZ in Tondateien Urheberrecht,

24 Ausblick: Digitale WZ++ Game Kinder-Uni Development DWZ im Frequenzbereich Datenraum-Transformation nicht Pixel-bezogen DCT und Wavelets Größen-unabhängige DWZ fraktale Verfahren, selbstähnlich robust gegen Ausschnitte und Skalierungen DWZ für dynamische Medien WZ in Videos alle Bilder einer Sequenz WZ in Tondateien Urheberrecht, z.b. MP3-Download von Amazon Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 25

25 Video-Wasserzeichen Kinder-Uni Quelle: [Stand ] Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 26

Wasserzeichen Bildquelle: Wikimedia Commons: GNU Free Documentation

26 Und das ist mit Standbildern möglich! Kinder-Uni Das ist das Bild und dies das darin versteckte Wasserzeichen Bildquelle: Wikimedia Commons: GNU Free Documentation License: : StenographyRecovered.png & StenographyOriginal.png Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 27

27 Was haben wir gelernt? Game Kinder-Uni Development Digitale Wasserzeichen (DWZ) schützen Bilder und andere Medien gegen Raubkopien Verfälschung DWZ können je nach Zweck verschiedene Eigenschaften haben: sichtbar oder unsichtbar robust oder zerbrechlich DWZ sind unterschiedlich anfällig gegen Angriffe: freundliche Angriffe unfreundliche Angriffe Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 28

28 Kostenlose Programme zur digitalen Bildbearbeitung Kinder-Uni GIMP ImageJ Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 29

29 Bildquellen Game Kinder-Uni Development Wikimedia Commons Painting by ancient greek painter Douris (about 500 BC), Museum Berlin Wachstafel mit Griffel (GNU Free Documentation License) Schöpfsieb: Paper Museum in Atlanta 160 Stich 16. Jh, Papierschöpfer: gemeinfrei Katze im Baum: StenographyRecovered.png & StenographyOriginal.png (Baum/Katze) Achziger, Roman: Digitale Wasserzeichen. Seminararbeit Uni Münster, 2003 Beispiel Mosaik-Attacke Dittmann, Jana: Digitale Wasserzeichen - Grundlagen, Verfahren, Anwendungsgebiete. Springer, Berlin Heidelberg New York (2000) Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 30

30 Informationsquellen Game Kinder-Uni Development Schock, Astrid & Schock, Sebastian: DRM. Kap. 1.5 Digitale Wasserzeichen, S ; Uni Paderborn Ludemann, Tim: Digital Watermarking. Seminararbeit Informationssicherheit, Hochschule Bonn-Rhein-Sieg, WS 2011/12 Dank an Frau Prof. Dr. Kerstin Lemke-Rust für Literaturempfehlungen! Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 31

31 Noch Fragen? Kinder-Uni Wolfgang Heiden Ich sehe was, was du nicht siehst... 32

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Aspekte der Datensicherheit: Das digitale Wasserzeichen Dr. Martin Steinebach Dolivostr.15,D-64293 Darmstadt martin.steinebach@ipsi.fraunhofer.de 06151/ 869 825 Inhalt 1. Motivation 2. Kryptografie und