Digital Watermarking for NURBS-based 3D CAD Models
Published on 30. December 2008
Book
Paperback/Softback
249 pages
978-3-8325-2098-4 (ISBN)
Description
Die vorliegende Dissertation beschreibt den theoretischen Hintergrund und Entwurf sowie die Implementierung und Anwendungsmöglichkeiten
eines neuartigen Ansatzes für ein robustes digitales Wasserzeichen in hochqualitativen, durch Non Uniform Rational B-Splines (NURBS)
repräsentierten dreidimensionalen CAD-Modellen. Es wird gezeigt, wie der Erhalt der numerischen und visuellen Qualität der CAD-Modelle
sinnvoll gegen die Anforderungen an die Robustheit des digitalen Wasserzeichens im Hinblick auf Verarbeitungsoperationen abgewogen
werden kann. Die in der Arbeit vorgestellten Wasserzeichen-Algorithmen nutzen die speziellen Eigenschaften der mathematischen Repräsentation
von NURBS-Flächen um den Einfluss des Wasserzeichens auf das Modell exakt zu kontrollieren und ein reversibles digitales Wasserzeichen zu realisieren, das autorisierten Instanzen eine Wiederherstellung der
Originalgeometrie aus dem markierten CAD-Modell ermöglicht.
In der Diskussion unterschiedlicher Konzepte für den Schutz von Urheberrechten wird herausgearbeitet, dass digitale Wasserzeichen eine
vielseitig einsetzbare und effiziente Methode darstellen um Sicherheitslücken in verteilten Arbeitsabläufen und Verteilketten für
CAD-Modelle aufzudecken. Das Aufspüren und die Rückverfolgung von CAD-Modellen bis hin zu ihrem ursprünglichen Auslieferungspunkt werden
als ein konkreter Anwendungsfall digitaler Wasserzeichen für CAD-Modelle genauer analysiert.
Der Ansatz dieser Arbeit für reversible digitale Wasserzeichen in NURBS-basierten CAD-Modellen kann als Kombination aus einem robusten
Wasserzeichen mit einem Bit Informationsgehalt und einem semi-fragilen Wasserzeichen mit variablem Informationsgehalt interpretiert
werden. Das robuste Wasserzeichen beruht auf minimalen Modifikationen der Geometrie des Modells, während das semi-fragile Wasserzeichen die Form des Modells nicht verändert, sondern ausschließlich die interne Repräsentation des Modells variiert. Das robuste Wasserzeichen kann
durch einen Detektor mit Seiteninformation im Modell verifiziert werden. Das semi-fragile Wasserzeichen ist, optional durch einen
Zugriffsschlüssel geschützt, ohne Seiteninformation aus dem Modell auslesbar. Die aus dem semi-fragilen Wasserzeichen gewonnene
Information kann genutzt werden um das robuste Wasserzeichen aus dem Modell zu entfernen und so die Originalgeometrie wieder herzustellen.
Die im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelten Algorithmen arbeiten im Gegensatz zu bisher bekannten Verfahren für digitale Wasserzeichen
direkt auf der NURBS-Repräsentation der Originalmodelle und können vordefinierte Toleranzschwellen (z.B. Fertigungstoleranzen) in den markierten Modellen exakt einhalten und den Einfluss des Wasserzeichens auf den visuellen Eindruck der graphischen Darstellung
der Modelle minimieren. Darüber hinaus wird sichergestellt, dass die geometrische Kontinuität zwischen aneinandergrenzenden Einzelflächen des Modells exakt erhalten bleibt. Die Algorithmen werden durch einen Anwendungsrahmen kontrolliert, der die Einhaltung der Kontinuitätsbedingungen für die Grenzregionen getrimmter und ungetrimmter Teilflächen des Modells sicherstellt.
Benutzertests mit hochqualitativen NURBS-Modellen aus einer realistischen Produktionsumgebung haben gezeigt, dass ein im Hinblick auf die subjektive Wahrnehmung der graphisch dargestellten Modelle
qualitätserhaltendes digitales Wasserzeichen mit den neu entwickelten Algorithmen möglich ist. Die Grenzen der Robustheit des Wasserzeichens
wurden für zwei typische Verarbeitungsoperationen von NURBS-basierten
CAD-Modellen, die Tesselierung und den Transfer zwischen unterschiedlichen Modellierkernen, ermittelt. Die Testresultate zeigen, dass Robustheit gegen fein tesselierte Versionen des Modells gegeben ist und der Transfer zwischen den beiden im Test verwendeten Modellierkernen zwar das semi-fragile Wasserzeichen stark beeinträchtigt, das robuste Wasserzeichen jedoch nicht signifikant beeinflusst.
eines neuartigen Ansatzes für ein robustes digitales Wasserzeichen in hochqualitativen, durch Non Uniform Rational B-Splines (NURBS)
repräsentierten dreidimensionalen CAD-Modellen. Es wird gezeigt, wie der Erhalt der numerischen und visuellen Qualität der CAD-Modelle
sinnvoll gegen die Anforderungen an die Robustheit des digitalen Wasserzeichens im Hinblick auf Verarbeitungsoperationen abgewogen
werden kann. Die in der Arbeit vorgestellten Wasserzeichen-Algorithmen nutzen die speziellen Eigenschaften der mathematischen Repräsentation
von NURBS-Flächen um den Einfluss des Wasserzeichens auf das Modell exakt zu kontrollieren und ein reversibles digitales Wasserzeichen zu realisieren, das autorisierten Instanzen eine Wiederherstellung der
Originalgeometrie aus dem markierten CAD-Modell ermöglicht.
In der Diskussion unterschiedlicher Konzepte für den Schutz von Urheberrechten wird herausgearbeitet, dass digitale Wasserzeichen eine
vielseitig einsetzbare und effiziente Methode darstellen um Sicherheitslücken in verteilten Arbeitsabläufen und Verteilketten für
CAD-Modelle aufzudecken. Das Aufspüren und die Rückverfolgung von CAD-Modellen bis hin zu ihrem ursprünglichen Auslieferungspunkt werden
als ein konkreter Anwendungsfall digitaler Wasserzeichen für CAD-Modelle genauer analysiert.
Der Ansatz dieser Arbeit für reversible digitale Wasserzeichen in NURBS-basierten CAD-Modellen kann als Kombination aus einem robusten
Wasserzeichen mit einem Bit Informationsgehalt und einem semi-fragilen Wasserzeichen mit variablem Informationsgehalt interpretiert
werden. Das robuste Wasserzeichen beruht auf minimalen Modifikationen der Geometrie des Modells, während das semi-fragile Wasserzeichen die Form des Modells nicht verändert, sondern ausschließlich die interne Repräsentation des Modells variiert. Das robuste Wasserzeichen kann
durch einen Detektor mit Seiteninformation im Modell verifiziert werden. Das semi-fragile Wasserzeichen ist, optional durch einen
Zugriffsschlüssel geschützt, ohne Seiteninformation aus dem Modell auslesbar. Die aus dem semi-fragilen Wasserzeichen gewonnene
Information kann genutzt werden um das robuste Wasserzeichen aus dem Modell zu entfernen und so die Originalgeometrie wieder herzustellen.
Die im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelten Algorithmen arbeiten im Gegensatz zu bisher bekannten Verfahren für digitale Wasserzeichen
direkt auf der NURBS-Repräsentation der Originalmodelle und können vordefinierte Toleranzschwellen (z.B. Fertigungstoleranzen) in den markierten Modellen exakt einhalten und den Einfluss des Wasserzeichens auf den visuellen Eindruck der graphischen Darstellung
der Modelle minimieren. Darüber hinaus wird sichergestellt, dass die geometrische Kontinuität zwischen aneinandergrenzenden Einzelflächen des Modells exakt erhalten bleibt. Die Algorithmen werden durch einen Anwendungsrahmen kontrolliert, der die Einhaltung der Kontinuitätsbedingungen für die Grenzregionen getrimmter und ungetrimmter Teilflächen des Modells sicherstellt.
Benutzertests mit hochqualitativen NURBS-Modellen aus einer realistischen Produktionsumgebung haben gezeigt, dass ein im Hinblick auf die subjektive Wahrnehmung der graphisch dargestellten Modelle
qualitätserhaltendes digitales Wasserzeichen mit den neu entwickelten Algorithmen möglich ist. Die Grenzen der Robustheit des Wasserzeichens
wurden für zwei typische Verarbeitungsoperationen von NURBS-basierten
CAD-Modellen, die Tesselierung und den Transfer zwischen unterschiedlichen Modellierkernen, ermittelt. Die Testresultate zeigen, dass Robustheit gegen fein tesselierte Versionen des Modells gegeben ist und der Transfer zwischen den beiden im Test verwendeten Modellierkernen zwar das semi-fragile Wasserzeichen stark beeinträchtigt, das robuste Wasserzeichen jedoch nicht signifikant beeinflusst.