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Digital watermarking for verification of perception-based integrity of audio data

AutorZmudzinski, Sascha; Waidner, Michael; Steinebach, Martin
Datum2017
ArtDissertation, Electronic Publication
AbstraktIn bestimmten Anwen­dungs­fel­dern enthalten digitale Tonaufzeichnungen zuweilen sensible Inhalte. Beispiele hierfür sind historisches Archivmaterial, das in öffentlichen Archiven unser kulturelles Erbe bewahrt; oder Tonaufzeichnungen als Indizien im Kontext von Strafverfolgung und Zivilstreitigkeiten. Angesichts der Leistungsfähigkeit moderner Bearbeitungstools für Multimedia ist dieses Material anfällig gegenüber Manipulationen des Inhaltes und Fälschung des Ursprungs in böwilliger Absicht. Unbeabsichtigte Veränderungen aufgrund von technischem oder menschlichem Versagen können in der Praxis ebenfalls vorkommen. Die Vertrauenswürdigkeit dieses Materials im Sinne von Unverfälschtheit des Inhaltes und Echtheit der ursprünglichen Quelle sind daher kritische Faktoren. Für die Behandlung dieses Problems stellt diese Dissertation daher ein Verfahren zur Verifikation der Integrität und der Authentizität digitaler Tonaufzeichnungen vor. Es ist unempfindlich gegenüber gängigen Bearbeitungsschritten im Lebenszyklus der Audiodaten, die die subjektive Klangwahrnehmung nur unwesen­tlich oder gar nicht beeinflussen. Beispiele hierzu sind verlustbehaftete Kompression bei hoher Klangqualität oder verlustfreie Formatwandlung. Es ist das Ziel, de facto falsch-positive Detektionen in der Gegenwart dieser – legitimen – Bearbeitungsschritte zu vermeiden, wie sie bei Standardverfahren für kryptografiebasierte Echtheitsprüfungen zu erwarten wären. Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine geeignete Kombination der Tech­no­logien der ”Digitalen Wasserzeichen” mit audio-spezifischen Hashfunktionen untersucht. Hierzu wird im ersten Schritt ein geeignetes schlüsselabhängiges Audio-Hashverfahren entwickelt. Es nutzt und erweitert Erkenntnisse des sog. ”Audio-Fingerprintings” aus dem Bereich der inhaltsbasierten Audio-Identifizierungsverfahren. Der vorgestellte Algorithmus (im Folgenden bezeichnet als ”rMAC”-Authentifizierungscode) erlaubt die sog. ”wahrnehmungs-basierte” Verifikation der Integrität. Dies bedeutet, Integritätsverletzungen als solche zu klassifizieren (erst) sobald sie hörbar werden. Als weiteres Ziel werden diese Authentifizierungscodes mittels Audio-Wasserzeichen-Technologie unhörbar innerhalb der Audiodaten eingebettet und gespeichert. Dies erlaubt die Authentifizierungscodes auch über die oben erwähnten, zulässigen Bearbeitungsschritte hinweg mitzuführen und für eine spätere Integritätsprüfung verfügbar zu halten. In dieser Arbeit wird dazu ein existierendes Audiowasserzeichen-Verfahren gezielt weiterentwickelt. Die Schlüsselabhängigkeit der rMAC- und Wasserzeichen-Algorithmen erlaubt es auch, in eingeschränktem Maße, die Authentizität der geschützten Audiodaten zu prüfen. Hierzu analysiert diese Dissertation auch den Aufwand für Bruteforce-Angriffe auf das vorgestellte, schlüsselabhängige Verfahren der Echtheitsprüfung. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte Verfahren eine gute Trennschärfe bei der Klassifizierung zwischen echten und gefälschten Audioinhalten bietet. Es erlaubt weiterhin eine zeitliche Lokalisierung der Datenveränderungen innerhalb einer Datei. Die experimentelle Evaluation liefert schließlich auch Empfehlungen über geeignete technische Feineinstellungen des Verfahrens. Über die Frage der wahrnehmungsbasierten Echtheitsprüfung für Audio hinaus, liefert diese Dissertation auch neue allgemeine Erkenntnisse in den Bereichen des Audio Fingerprintings und der digitalen Wasserzeichen für sich. Die Hauptbeiträge dieser Arbeit wurden auf Fachkonferenzen der Multimedia-Sicherheit vorgestellt. Diese Publikationen wurden anschließend von einer Reihe anderer Autoren zitiert und haben daher weiterführende Arbeiten zum Thema mitbeeinflusst.
Darmstadt, TU, Diss., 2017