Verfahren zur Fälschungssicherung von Dokumenten mit einem Bild, vorzugsweise mit einem Paßbild
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fälschungssicherung von Dokumenten mit einem Bild, vorzugsweise mit einem Paßbild.
Stand der Technik
Die Echtheit von Dokumenten, die als Druckwerk wie bspw. Ausweise aller Art zur Bestätigung der eigenen Identität und/oder des Nachweises bestimmter persönlicher Fähigkeiten oder Autorisierungen dienen, ist von höchstem amtlichen, wirtschaftlichen wie auch öffentlichem Interesse, zumal das Inverkehrbringen von dies bezüglichen Fälschungen zu einem ungeahnten Sicherheitsverlust wie auch materiellen Schaden führen kann.
Beim Anbringen oder Aufdrucken von zur Authentisierung dienenden Paßbildern auf amtlichen Dokumenten muß daher sichergestellt werden, daß das Anfertigen von Fälschungen unmöglich gemacht wird. Insbesondere im Zuge der Globalisierung von Authorisierungsbereichen muß eine gesteigerte Aufmerksamkeit auf die Echtheit von Dokumenten gelegt werden.
Die bestehenden Gewährleistungen der Fälschungssicherheit durch Zertifizierung der dokumentherstellenden Instanz sowie durch Anbringen von Markierungen auf einem zu schützenden Dokument erweisen sich nach wie vor als nicht ausreichend. Zwar werden große Anstrengungen unternommen, die Fälschungsicherheit zu erhöhen, doch ist es mit den heutigen Techniken, bspw. Kopiertechniken, auch leichter möglich gedruckte Dokumente zu duplizieren und als täuschend ähnliche Kopien oder Fälschung in Umlauf zu bringen.
Jährlich entstehen dadurch z.B. der deutschen Volkswirtschaft hohe Schäden durch das Fälschen von Dokumenten, auf denen Paßbilder angebracht oder aufgedruckt werden.
Das Hauptproblem entsteht u.a. daraus, daß zwar das Verfahren des Anbringens oder Aufdruckens eines Paßbildes auf das Dokument sehr fäischungssicher ist, jedoch die Echtheit des Paßbildes selbst danach nicht mehr eindeutig 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.
Aus der britischen Druckschrift GB 2 172 850 geht ein Verfahren zur Erhöhung der Fälschungssicherheit von Unterschriften hervor, bei dem zwei linienhafte Grundmuster verwendet wird, von denen wenigstens eines ein verrauschtes bzw. gescrambeltes Überlagerungsmuster aufweist, das in aller Regel die Information der Unterschrift trägt. Betrachtet man ausschließlich das die Unterschrift enhaltende Muster, so ist man nicht in der Lage die Unterschrift zu erkennen. Erst nach Übereinanderlegen beider Muster wird die Information der Unterschrift optisch aus dem verrauschten Grundmuster gefiltert und sichtbar. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann die Unterschrift nicht ohne weiteres entziffert werden. Hierzu benötigt man das entsprechende Gegenmuster. Häufig ist es jedoch erwünscht, daß die Unterschrift für eine schnelle Kontrolle sichtbar ist, deren Nachahmung jedoch dennoch erschwert oder gar unmöglich sein soll. Eine Anwendung des bekannten Verfahrens würde beispielsweise ein Paßbild vollständig unkenntlich machen, was für den alltäglichen Gebrauch nicht praktikabel ist.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Fälschungssicherung von Dokumenten mit einem Bild, vorzugsweise mit einem Paßbild anzugeben, durch
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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 Umwelteinflüssen (Kratzern, Flecken usw.) auf das ausgedruckte Bild ist.
Die Lösung der Aufgabe ist Gegenstand des Anspruchs 1. Den Lösungsgedanken weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
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 Verfahren, 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. Wesentlicher Gesichtspunkt hierbei ist die
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Fälschungssicherheit von gedruckten Werken wie Bildern oder sonstigen graphischen Mustern.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Vefahrens bedarf es zweier Einheiten, einer schutzanbringenden Einheit und einer Überprüfungseinheit. Die schutzanbringende Einheit geht von einer digitalisierten Form des zu schützenden Druckwerkes, bspw. ein Paßbild, aus und bringt in das Paßbild mittels eines steganografischen Verfahrens ein Binärbild geringerer Auflösung in gescrambelter, d.h. verschlüsselter Form als Geheimbild derart unter, daß die Qualität des Paßbildes selbst nur geringfügig, d.h. optisch mit dem Auge nicht wahrnehmbar, 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. Ist das Geheimbild aus dem Paßbild restaurierbar, so handelt es sich um ein Original, ist es eine Fälschung, so ist das Geheimbild nicht sichtbar zu machen.
Auf diese Weise kann die Authentizität des Dokumentes nicht nur anhand des Dokumentes selbst, sondern auch anhand des angebrachten oder aufgedruckten Paßbildes verifiziert werden.
Um den Grad der Sicherheit zu erhöhen kann das Geheimbild, das in das zu schützende Paßbild intergriert wird, mit einem zusätzlichen Paßwort belegt werden, so daß ohne Vorliegen des Paßwortes ein Auslesen des Geheimbildes aus dem Paßbild nicht möglich ist. Der öffentliche Teil des Paßwortes kann in geeignter Weise auf dem zu schützenden Dokument bspw. in Form eines Barcodes untergebracht werden, der private Teil muß dem Inhaber des Dokumentes mit dem Paßbild zur Authentisierung bekannt sein
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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
In Figur 1 ist in schematisierter Blockbilddarstellung der verfahrenstechnische Vorgang der Verschlüsselung eines Paßbildes gezeigt.
Das zu schützende Paßbild liegt in hoher Auflösung in einer digitalen Bilddatei 1 vor. Entweder ist das Paßbild 1 bereits mit Hilfe digitaler Aufnahmetechnik erstellt oder ein konventionelles, auf Papier vorliegendes Paßbild 2 ist mit einem hochauflösenden Scanner 3 in eine digitale Form 1 umgesetzt worden.
In einer den Schutz auf das Paßbild 1 aufbringenden Einheit 4 wird das Paßbild mit den Informationen eines binär vorliegenden Geheimbildes 5 kombiniert. Entweder werden die Bildinformationen des Geheimbildes 5 direkt in das Paßbild 1 eingearbeitet oder das Geheimbild 5 wird zuvor einer Verschlüsselung unterzogen, so daß ein verschlüsseltes, bzw. gescrambeltes Geheimbild 6 in das Paßbild 1 eingearbeitet werden kann.
Zur Verschlüsselung der binären Bilddatei des Geiheimbildes 5, die von geringerer Auflösung ist als das digitale Paßbild 1 , d.h. die Pixelanzahl, die Auflösung und die Farbtiefe des Geheimbildes 5 sind kleiner als beim zu schützenden Paßbild 1. (typischerweise weisen Paßbilder eine Auflösung von 300dpi bei einer Größe von
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etwa 300x400 Pixel und einerFarbtiefe von 24bit; hingegen weist das Geheimbild eine Auflösung von 30dpi, eine Größe von etwa 30x30 Pixel und eine Farbtiefe von 1 bit auf) werden mittels einer Folge von Pseudozufallszahlen, die durch einen Pseudozufallszahlengenerator nach Vorgabe eines Initialisierungswertes, dem sogenannten Seed 6 erzeugt wird, Bildpositionen im Geheimbild 5 festgelegt, an denen die Bildparameter paarweise ausgetauscht werden, wodurch das Geheimbild verschlüsselt bzw. gescrambelt wird. Als Ergebnis wird ein gescrambeltes bzw. verschlüsseltes Geheimbild 7 erhalten.
Damit ist das in dem Paßbild 1 zu versteckende Geheimbild 5 nur restaurierbar, wenn die Folge von Pseudozufallszahlen durch denselben Seed erneut generiert wird und alle Vertauschungen im verschlüsselten Geheimbild 5 wieder rückgängig gemacht werden. Der Seed 6 kann optional mit einer Paßphrase 8, die über eine texteingebende Einheit 8e dem System eingegeben werden kann, durch den Dokumentinhaber ebenfalls mittels einer public-private key Technik gescrambelt werden. Der evtl. gescrambelte bzw. verschlüsselte Seed 9 dient dann als Schlüssel zur Restauration des Geheimbildes und muß einer Überprüfungseinheit, auf die weiter unten eingegangen wird, bekannt sein.
Wie im weiteren im Einzelnen noch näher zu erläutern ist werden die digitale Bilddatei des Paßbildes 1 und die des gescrambelten Geheimbildes 7 miteinander vermischt, so daß ein geschütztes Paßbild 10 erhalten wird, in dem die Information des verschlüsselten Geheimbildes 7 enthalten ist. Mit einer entsprechenden bildausgebenden Einheit 11 kann sodann das geschützte Paßbild 10 auf ein Dokument 12 aufgedruckt oder allgemein aufgebracht werden.
An dieser Stelle sei erwähnt, daß die Verschlüsselung des Geheimbildes optional erfolgen kann. Der Erfindungsgedanke zielt hauptsächlich auf die Integration der Bildinformationen eines Geheimbildes in ein zu schützendes Paßbild oder ähnliches ab.
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Bevor auf die Integrationstechnik, mit der das Geheimbild in das zu schützende Bild eingearbeitet wird, eingegangen wird, soll unter Bezugnahme auf Figur 2 kurz erläutert werden, wie das Verschlüsseln des Geheimbildes erfolgt.
Beispielsweise kann als Geheimbild 5 das Abbild des Bundesadlers verwendet werden. Der Bundesadler 5 ist ein Muster, das im Beipiel in einem qudratischen Feld bestehend aus einer Viehlzahl einzelner Bildpixel, enthalten ist.
Um das Geheimbild 5 zu verschlüsseln werden 2N Pseudozufallszahlen P1 , ...P2N mittels eines Pseudozufallszahlengenerators 14 unter Zugrundelegung eines Initialisierungswertes (Seed) 6 generiert, die die Lage von Bildpixeln 13 definieren, deren Bilparameter ausgetauscht bzw. invertiert werden. Als Ergebnis erhält man ein gescrambeltes Geheimbild 15, das ausschließlich nur unter Verwendung des Seeds 6 restauriert werden kann. Wie vorstehend bereist erwähnt kann auch der Seed mit einer Paßphrase zusätzlich verschlüsselt werden.
Unter Bezugnahme auf Figur 3 soll gezeigt werden, wie die Informationen des Geheimbildes in das zu schützende Paßbild integriert werden.
Zunächst wird die Bildfläche des Paßbildes 1 gleichmäßig in rechteckige Bereiche, den sogenannten Parkettzellen 16 unterteilt. Hierbei ist wesentlich, daß die Anzahl der Parkettzellen 16 identisch ist mit der Anzahl der einzelnen Bildpixel des Geheimbildes. Jede einzelne Parkettzelle 16 des Paßbildes 1 besteht wiederum aus einer Vielzahl einzelner Bildpixel mit jeweils unterschiedlichen Färb-, Grau-, Helligkeits-, oder Intensitätswerten, die allgemein auch als Parameterwerte bezeichnet werden. Jede einzelne Parkettzelle wird unter Zugrundelegung einer sogenannten Parameterfunktion P einem bivalenten Ergebniswert, beispielsweise NOi oder N1i zugeordnet. Ein Beispiel für eine derartige Parameterfunktion ist die Berechnung, ob die Häufigkeit, daß eine Gruppe von Bildpixeln innerhalb einer Parkettzelle von Bildpixeln innerhalb der gleichen Parkettzelle mit höherem
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Sättigungswert ihrer einzelnen Parameterwerte umgeben ist, einen bestimmten Grenzwert überschreitet oder nicht. Im Falle eines Überschreitens wird der Parkettzelle der bivalente Ergebniswert 1 zugeteilt, im Falle des Nichterreichens des Grenzwertes wird der Parkettzelle der bivalente Ergebniswert 0 zugeordet. Nach Anwendung der Parameterfunktion auf alle Parkettzellen 16 wird eine sogenannte bivalente Positionsmatrix erhalten, die als Binärbild von geringerer Auflösung als das Paßbild anzusehen ist. In Figur 3 ist die bivalente Positionsmatrix durch Quadrate nachempfunden, die in das Paßbild 1 eingetragen sind und schwarze oder nicht schwarze Parkettzellenbereiche darstellen. So sind beispielsweise die schwarz ausgefüllten Parkettzellen von der Parameterfunktion mit dem bivalenten Ergebniswert 1 bewertet worden, wohingegen die nicht schwarz ausgefüllten Parkettzellen mit 0 bewertet worden sind. Eine Anwendung der Parameterfunktion auf alle im Paßbild 1 enthaltenen Parkettzellen 16 ergibt somit eine bivalente Positionsmatrix, die ebenso als Binärbild aufgefaßt werden kann und aus den mit 0 oder 1 bewerteten Parkettzellen besteht. Ein derartiges Binärbild ist in Figur 3 als Binärbild 17 visualisiert dargestellt.
Das erfindungsgemäße Ziel ist es nun, das Binärbild 17 derart zu modifizieren, daß es exakt dem (evtl. gescrambelten) Geheimbild 15 entspricht. Hierzu ist es nötig, den Inhalt jeder einzelnen Parkettzelle 16, d.h. also die Parameterwerte der Bildpixel in jeder einzelnen Parkettzelle, derart zu modifizieren, daß nach Anwendung der Parameterfunktion auf die modifizierte Parkettzelle ein bivalenter Ergebniswert erzielt wird, der mit dem Binärwert aus dem gescrambelten Geheimbild 15 an entsprechender Position innerhalb des Bildes identisch ist.
Die Modifikation der Bildpixel einer jeden Parkettzelle erfolgt mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens, beispielsweise unter Verwendung genetischer Algorithmen, die die Parameterwerte des Paßbildes derart modifizieren, daß erstens die Modifikationen pro Parkettzelle keinen sichtbaren Einfluß auf die visuelle Qualität des gesamten Paßbildes ausüben, zweitens das Ergebnis der Anwendung der Parameterfunktion ein Binärbild liefert, das genau dem vorgegebenen, und gescrambelten Geheimbild entspricht, und drittens leichte Störungen am Paßbild
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nach erfolgter Modifikation nichts an dem modifizierten Paßbild ändern. Dies dient insbesondere der Robustheit des geschützten Paßbildes gegenüber nachträglichen Modifikationen durch Umwelteinflüsse auf das ausgedruckte Bild.
Zur Beurteilung des Grades der Erfülltheit der vorstehend genannten Kriterien werden sogenannte Meßfunktionen eingesetzt, die unter Verweis auf Figur 4 näher erläutert werden.
Das Ausgangsbild 1 stellt das Abbild des digitalen Paßbildes 1 dar, das im Wege der vorstehend beschriebenen Modifikation Mo unter Einarbeitung eines gescrambelten Geheimbildes zu einem geschützten Paßbild 12 führt. Aus dem geschützten Paßbild 12 kann unter Verwendung eines geeigneten Leseschrittes das Geheimbild 5 restauriert werden. Wird das geschützte Paßbild 12 nach dem Ausdrucken durch Umwelteinflüsse modifizie rt, so können Bildstörungen 18 auftreten, die sich in einer verminderten Bildqualität auswirken. In Figur 4 sind drei unterschiedliche, mit Bildstörungen 18 behaftete Abbilder 19 dargestellt, die jeweilt das Geheimbild 5 als Information enthalten.
Die Meßfunktion M1 ermittelt den Grad der Modifikation der visuellen Qualität des Bildes, z.B. anhand von Anzahl und Grad der modifizierten Parameterwerte einzelner Bildpositionen. Meßfunktion M1 bewertet sozusagen die Ähnlichkeit des modifizierten Bildes 12 mit dem Ausgangsbild 1. Die Meßfunktion M2 ermittelt hingegen die vollständige Übereinstimmung des bei der Modifizierung der binären Positionsmatrix erhaltenen Binärbildes mit dem vorgegebenen, verschlüsselten Geheimbild. Schließlich bildet die Meßfunktion M3 eine zufällige Modifikation der Parameterwerte eines Bildes 19 durch Umwelteinflüsse nach dem Ausdrucken nach und testet die Reproduktion des Geheimbildes auch unter diesen Umständen. Hieraus ermittelt die Meßfunktion M3 einen Robustheitsgrad der Modifikation, gemessen an einer nach oben offenen Skala. Auch können die Meßfunktion M2 und die Meßfunktion M3 zur Bewertung zusammengefaß werden.
Das Optimierungsverfahren sucht nun nach Modifikationen der Parameterwerte des Paßbildes, für die die Meßfunktion 1 einen möglichst kleinen Wert, die Meßfunktion 2
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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 der Modifikationen wird auf das Paßbild angewendet. Das derart modifizierte Bild stellt somit (evtl. zusammen mit dem evtl. verschlüsselten Seed) die Ausgabe der schutzanbringenden Einheit dar.
Figur 5 zeigt einen Ablaufplan zur Überprüfung der Echtheit eines Dokumentes 20 mit einem geschützten Paßbild. Mit Hilfe einer an sich bekannten Scannereinheit 21 wird das Abbild des Dokumentes 20 eingescannt und in eine digitale Bilddatei 20d überführt. Eine Bildextraktionseinheit 20b selektiert den Bereich des Dokumentes, in dem das geschützte Paßbild vorgesehen ist. Ferner wird, sofern vorhanden, die Information des gescrambelten Seeds 9, der als Barcode auf dem geschützten Dokument enthalten ist gelesen. Unter Verwendung der Paßphrase 8, die mittels einer texteingebenden Einheit 22 zur Decodierung des gescrambelten Seeds 9 dem System eingegeben wird, kann der Seed 6 dechiffriert werden, der zur Wiederherstellung des Geheimbiides 5 verwendet wird. Parallel dazu wird das mit dem gescrambelten Geheimbild versehene digitalisierte Paßbild 10 unter Verwendung der Parameterfunktion P bearbeitet, um das gescrambelte Geheimbild 15 zu erhalten. Wie bereits vorstehend beschrieben wird unter Zuhilfenahme des dechiffrierten Seeds 6 aus dem gescrambelten Geheimbild 15 das ursprüngliche Geheimbild 5 konstruiert, das auf einer bildausgebenden Einheit 23, beispielsweise auf einem LCD-Display visuell dargestellt wird und zu einem visuellen Vergleich 24 zur Verfügung steht. Die Übereinstimmung mit einem bekannten Bild verifiziert die Authentizität des Paßbildes mit der dokumentenausgebenden Instanz.
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Bezuqszeichenliste
Digitalisiertes Paßbild Paßbild als Foto Bildeingebende Einheit, Scanner oder Kamera Schutzanbringende Einheit Geheimbild Seed, Initialisierungswert gescrambeltes Geheimbild Paßphrase texteingebende Einheit Gescrambelter Seed Digitales Paßbild plus gescrambeltes Geheimbild Bildausgebende Einheit Geschütztes Dokument mit Paßbild Bildpixel Pseudozufallszahlengenerator Gescrambeltes Geheimbild Parkettzelle Binärbild aus den mit 0 oder 1 bewerteten Parkettzellen Bildstörung Paßbild mit Bildstörungen Dokument mit geschütztem Paßbild b Bildregion extrahierende Einheit
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b Bildregion extrahierende Einheit
d digitalisierte Bilddatei des Dokumentes
Bildeingebende Einheit, Handscanner Texteingebende Einheit
Bildausgebende Einheit, z.B. einfaches LCD-Display
Visueller Vergleich P1...PN Pseudozufallszahlen