Digital Watermarking for Nurbs-Based 3D CAD Models

Die vorliegende Dissertation beschreibt den theoretischen Hintergrund und Entwurf sowie die Implementierung und Anwendungsmoglichkeiten eines neuartigen Ansatzes fur ein robustes digitales Wasserzeichen in hochqualitativen, durch Non Uniform Rational B-Splines (NURBS) reprasentierten dreidimensionalen CAD-Modellen. Es wird gezeigt, wie der Erhalt der numerischen und visuellen Qualitat 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 Reprasentation von NURBS-Flachen 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 ermoglicht. In der Diskussion unterschiedlicher Konzepte fur den Schutz von Urheberrechten wird herausgearbeitet, dass digitale Wasserzeichen eine vielseitig einsetzbare und effiziente Methode darstellen um Sicherheitslucken in verteilten Arbeitsablaufen und Verteilketten fur CAD-Modelle aufzudecken. Das Aufspuren und die Ruckverfolgung von CAD-Modellen bis hin zu ihrem ursprunglichen Auslieferungspunkt werden als ein konkreter Anwendungsfall digitaler Wasserzeichen fur CAD-Modelle genauer analysiert. Der Ansatz dieser Arbeit fur 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, wahrend das semi-fragile Wasserzeichen die Form des Modells nicht verandert, sondern ausschliesslich die interne Reprasentation des Modells variiert. Das robuste Wasserzeichen kann durch einen Detektor mit Seiteninformation im Modell verifiziert werden. Das semi-fragile Wasserzeichen ist, optional durch einen Zugriffsschlussel geschutzt, 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 fur digitale Wasserzeichen direkt auf der NURBS-Reprasentation der Originalmodelle und konnen 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. Daruber hinaus wird sichergestellt, dass die geometrische Kontinuitat zwischen aneinandergrenzenden Einzelflachen des Modells exakt erhalten bleibt. Die Algorithmen werden durch einen Anwendungsrahmen kontrolliert, der die Einhaltung der Kontinuitatsbedingungen fur die Grenzregionen getrimmter und ungetrimmter Teilflachen 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 qualitatserhaltendes digitales Wasserzeichen mit den neu entwickelten Algorithmen moglich ist. Die Grenzen der Robustheit des Wasserzeichens wurden fur 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 beeintrachtigt, das robuste Wasserzeichen jedoch nicht signifikant beeinflusst.