fakultät informatik institut für system architektur die...

Fakultät Informatik Institut für System Architektur

Die ‘Dresden Image Database’ für die Entwicklungund Validierung von Methoden der digitalenBildforensik

Thomas Gloe

[email protected]

39. Jahrestagung der GI, Workshop Digitale Multimedia-Forensik

Lübeck, 28. September 2009

Überblick

1. Einführung und Motivation

2. ‘Dresden Image Database’ Inhalt und Struktur

3. Beispielanwendung

4. Zusammenfassung und Ausblick

Lübeck, 28.09.2009 ‘Dresden Image Database’ Folie 2 von 26

Einführung

Authentizität digitaler Bilder?

. Wo kommt das Bild her?

. Ist das Bild unbearbeitet?

Ansätze• Digitale Wasserzeichen . müssen dem Bild „aktiv“ hinzugefügt werden

• Digitale Bildforensik

– Bestimmung und Auswertung digitaler Spuren in digitalen Bildern. setzt keinerlei Kenntnis des Originalbildes voraus. basiert auf einer (statistischen) Analyse der digitalen Bilddaten


Einführung

Vielzahl von Methoden bekannt auf Basis von . . .• Besonderheiten des Dateiformats, z. B.

Metadaten · Vorschaubilder

• Spuren von Bildbearbeitungsoperationen, z. B.Resampling · Copy & Paste · Inkonsistenzen in der Beleuchtung · FehlerhafteGlanzlichter · Doppelte JPEG Kompression

• Charakteristiken des Bildeingabegeräts, am Bsp. einer Digitalkamera

Lins

e

Filte

r

G

R G

BSensor

Farb-interpolation

Bild-verarbeitung

Szene

Abbildungs-fehler

FehlerhafteSensorelemente,Sensorrauschen

Interpolations-schema

Quantisierungs-tabelle

Black Box Model, Camera Response Functiongespeichertesdigitales Bild


Motivation

• Forschung basiert meist auf selbst erstellten, nicht öffentlich zugänglichenTestdaten

. Verwendung unterschiedlicher Testdaten lässt einen direkten Vergleich mitanderen Publikationen nicht zu

• Lösung? Algorithmen nachvollziehen und neu implementieren?

. Problem I – Neue eigene Testdaten machen . . .. Überprüfung der eigenen Implementierung auf Fehlerfreiheit schwierig. Reproduktion der bekannten Forschungsergebnisse schwierig

. Problem II – Umsetzung mehrerer Algorithmen zur Lösung eines Problemsaufwendig

• generell hoher Bedarf an Ressourcen für die Erstellung von Testdaten(Beschaffung verschiedener Geräte, Zeit für die Erstellung der Bilder)

• hohe Komplexität bei der Erstellung von Testdaten aufgrund unterschiedlicherFaktoren, die die Untersuchungsergebnisse beeinflussen können(Geräteeigenschaften, Aufnahmeeigenschaften, Szeneneigenschaften)


Komplexität der Erstellung von Testdaten

künstl. 3D Szene

Szene

Analoge 2D-Vorlage

Texturierung

Digitalisierung Bild(er) digital

Manipulation

Rendering

Ausgabe

Re-Digitalisierung

Bild(er) analog



künstl. 3D Szene

Szene

Analoge 2D-Vorlage

Texturierung

Digitalisierung

Bild(er) digital

Manipulation

Rendering

Ausgabe

Re-Digitalisierung

Bild(er) analog



künstl. 3D Szene

Szene

Analoge 2D-Vorlage

Texturierung


Manipulation

Rendering

Ausgabe

Re-Digitalisierung

Bild(er) analog



künstl. 3D Szene

SzeneBeleuchtung,

Schatten

Analoge 2D-Vorlage

Texturierung


Manipulation

Rendering

Ausgabe

Re-Digitalisierung

Bild(er) analog



künstl. 3D Szene

SzeneBeleuchtung,

Schatten

Analoge 2D-Vorlage

Material-charakteristiken

Texturierung


Manipulation

Rendering

Ausgabe

Re-Digitalisierung

Bild(er) analog



künstl. 3D Szene

SzeneBeleuchtung,

Schatten

Analoge 2D-Vorlage


Texturierung

Digitalisierung

Geräte-charakteristiken

Bild(er) digital

Manipulation

Rendering

Ausgabe

Re-Digitalisierung

Bild(er) analog



künstl. 3D Szene

SzeneBeleuchtung,

Schatten

Analoge 2D-Vorlage


Texturierung

Digitalisierung


Bild(er) digital

Dateiformat

Manipulation

Rendering

Ausgabe

Re-Digitalisierung

Bild(er) analog



künstl. 3D Szene

SzeneBeleuchtung,

Schatten

Analoge 2D-Vorlage


Texturierung

Digitalisierung


Bild(er) digital

Dateiformat

Manipulation

Manipulations-artefakte

Rendering

Ausgabe

Re-Digitalisierung

Bild(er) analog



künstl. 3D Szene

SzeneBeleuchtung,

Schatten

Analoge 2D-Vorlage


Texturierung

Digitalisierung


Bild(er) digital

Dateiformat

Manipulation


Rendering

Ausgabe


Re-Digitalisierung

Bild(er) analog



künstl. 3D Szene

SzeneBeleuchtung,

Schatten

Analoge 2D-Vorlage


Texturierung

Digitalisierung


Bild(er) digital

Dateiformat

Manipulation


Rendering

fehlendeGeräte-

charakteristiken

Ausgabe


Re-Digitalisierung

Bild(er) analog


Motivation

• Forschung basiert meist auf selbst erstellten, nicht öffentlich zugänglichenTestdaten

. Verwendung unterschiedlicher Testdaten lässt einen direkten Vergleich mitanderen Publikationen nicht zu

• Lösung? Algorithmen nachvollziehen und neu implementieren?

. Problem I – Neue eigene Testdaten machen . . .. Überprüfung der eigenen Implementierung auf Fehlerfreiheit schwierig. Reproduktion der bekannten Forschungsergebnisse schwierig

. Problem II – Umsetzung mehrerer Algorithmen zur Lösung eines Problemsaufwendig

• generell hoher Bedarf an Ressourcen für die Erstellung von Testdaten(Beschaffung verschiedener Geräte, Zeit für die Erstellung der Bilder)

• hohe Komplexität bei der Erstellung von Testdaten aufgrund unterschiedlicherFaktoren, die die Untersuchungsergebnisse beeinflussen können(Geräteeigenschaften, Aufnahmeeigenschaften, Szeneneigenschaften)


Motivation

Allgemein zugängliche Datenbasis notwendig!

Idealerweise Zugang zu Analyseergebnissen!

(gilt im wesentlichen für alle forensischen Disziplinen [Garfinkel et al., 2009])

Vorteile. qualitative und quantitative Verbesserung von Forschungsergebnissen

. Vereinfachung der Ausbildung


http://www.dfrws.org/2009/proceedings/p2-garfinkel.pdf

Motivation

Lösung I: Verwendung von Foto-Communities im Internet

. Bilder sind frei zugänglich, Links und Linklisten können prinzipiellveröffentlicht und getauscht werden

. Historie der Bilder ist unbekannt (unverändert, neu komprimiert, skaliert,beschnitten, Inhalte manipuliert oder . . . )

. meist nur wenige Bilder pro Gerät verfügbar

. Verfügbarkeit der Bilder unter den bekannten Links nicht sichergestellt

. mögliche Verletzung der Persönlichkeitsrechte von abgebildeten Personen

Lösung II: Erstellung spezialisierter Bilddatenbanken

• Bilddatensatz von Hsu und Chang für Image Splicing [Hsu & Chang 2006]

• ‘Dresden Image Database’


http://www.ee.columbia.edu/ln/dvmm/downloads/authsplcuncmp/

‘Dresden Image Database’

• spezialisierte Bilddatenbank fokussiert auf die Untersuchung vonDigitalkameraaufnahmen

• Digitalkameras stellen gebräuchlichste Klasse von Geräten für die Erstellungdigitaler Bilder

• Ziel – Bereitstellung von ausreichend Bildern für Untersuchungen zurBestimmung des Bildursprungs

. Bilder von verschiedenen Kameramodellen und mehreren Geräten proKameramodell

. Bilder jeder Szene von möglichst vielen Geräten

• bereitgestellte Bilder können Grundlage für Untersuchungen im Hinblick aufBildmanipulationen bilden, bspw. [Kirchner & Gloe, 2009]

• zusätzliche Bilder für die Untersuchung der JPEG-Kompression und desSensorrauschens


http://dud.inf.tu-dresden.de/~gloe

Einschub: Bestimmung des BildursprungsZuordnung eines Bildes zur verwendeten Geräteklasse, zum verwendetenGerätemodell / Gerätehersteller, oder zum verwendeten Gerät

?

?


‘Dresden Image Database’

• spezialisierte Bilddatenbank fokussiert auf die Untersuchung vonDigitalkameraaufnahmen

• Digitalkameras stellen gebräuchlichste Klasse von Geräten für die Erstellungdigitaler Bilder

• Ziel – Bereitstellung von ausreichend Bildern für Untersuchungen zurBestimmung des Bildursprungs

. Bilder von verschiedenen Kameramodellen und mehreren Geräten proKameramodell

. Bilder jeder Szene von möglichst vielen Geräten

• bereitgestellte Bilder können Grundlage für Untersuchungen im Hinblick aufBildmanipulationen bilden, bspw. [Kirchner & Gloe, 2009]

• zusätzliche Bilder für die Untersuchung der JPEG-Kompression und desSensorrauschens



Erstellung der Bilddatenbank

verfügbare Kameras

2

2

Informatik 2009

2A

3

3

Multimediaforensik

3A

4

4

Informatik 2009

4A

5

5

Multimediaforensik

5A

6

6

Informatik 2009

6A

7

7

Multimediaforensik

7A

8

8

Informatik 2009

8A

9

9

Multimediaforensik

9A . . .

• Aufnahme unterschiedlicher Szenen im Innen- und Außenbereich• Aufbau von 2 Stativen pro Standort zur Aufnahme von 2 Szenen• Verwendung von 3 verschiedenen Brennweiten pro Szene und Gerät• Verwendung der Blitzautomatik, bei Auslösen des Blitzes Erstellung einer

zusätzlichen Aufnahme ohne Blitz


Inhalt der BilddatenbankHersteller, Modelle, Geräte, . . .

• 73 Geräte und 23 Kameramodelle von 14namhaften Kameraherstellern

• Kameramodelle sowohl aus dem ConsumerBereich als auch aus demsemi-professionellen SLR Bereich

• meist mehrere Geräte eines Modells (2-5)

• teilweise mehrere Modelle pro Hersteller

. Anzahl der Geräte und Modelle ermöglichtdie spezifische Analyse von hersteller-,modell- und geräteabhängigenCharakteristiken

• insgesamt mehr als 14.000 Bilderaufgenommen und bereitgestellt


Inhalt der BilddatenbankDetails

Kamera Modell Anzahl Geräte max. Auflösung Sensorgröße Brennweite Anzahl Bilder Set A Anzahl Bilder Set B[Bildpunkte] [inch] [mm] (Blitz aus/an) (Blitz aus/an)

AgfaPhoto DC-504 1 4032×3024 - 7.1 84 (70/14) 80 (70/10)AgfaPhoto DC-733s 1 3072×2304 - 6.2−18.6 151 (130/21) 166 (163/3)AgfaPhoto DC-830i 1 3264×2448 - 6.2−18.6 183 (132/51) 217 (183/34)AgfaPhoto Sensor 505-X 1 2592×1944 - 7.5 87 (76/11) 104 (95/9)AgfaPhoto Sensor 530s 1 4032×3024 - 6.1−18.3 199 (149/50) 198 (160/38)Canon Ixus 55 1 2592×1944 1/2.5” 5.8−17.4 186 (143/43) -Canon Ixus 70 3 3072×2304 1/2.5” 5.8−17.4 542 (428/114) -Casio EX-Z150 5 3264×2448 1/2.5” 4.65−18.6 925 (748/177) -Fujifilm FinePix J50 3 3264×2448 1/2.5” 6.2−31.0 - 495 (433/62)Kodak M1063 5 3664×2748 1/2.33” 5.7−17.1 999 (692/307) 1161 (920/241)Nikon Coolpix S710 5 4352×3264 1/1.72” 6.0−21.6 916 (743/173) -Nikon D70/D70s 2/2 3008×2000 23.7×15.6 mm 18−200 715 (637/78) -Nikon D200 Lens A/B 2 3872×2592 23.6×15.8 mm 18− 135/17− 55 712 (633/79) -Olympus µ1050SW 5 3648×2736 1/2.33” 6.7−20.1 1027 (686/341) -Panasonsic DMC-FZ50 3 3648×2736 1/1.8” 7.4−88.8 - 561 (493/68)Pentax Optio A40 4 4000×3000 1/1.7” 7.9−23.7 - 629 (540/89)Pentax Optio W60 1 3648×2736 1/2.3” 5.0−25.0 - 146 (129/17)Praktica DCZ 5.9 5 2560×1920 1/2.5” 5.4−16.2 973 (706/267) -Ricoh Capilo GX100 5 3648×2736 1/1.75” 5.1−15.3 - 715 (632/83)Rollei RCP-7325XS 3 3072×2304 1/2.5” 5.8−17.4 581 (433/148) -Samsung L74wide 3 3072×2304 1/2.5” 4.7−16.7 562 (425/137) -Samsung NV15 3 3648×2736 1/1.8” 7.3−21.9 566 (456/110) -Sony DSC-H50 2 3456×2592 1/2.3” 5.2−78.0 - 308 (284/24)Sony DSC-T77 4 3648×2736 1/2.3” 6.18−24.7 - 565 (506/59)Sony DSC-W170 2 3648×2736 1/2.3” 5.0−25.0 - 272 (246/26)P

73 9408 (7287/2121) 5617 (4854/763)


Inhalt der BilddatenbankZusätzliche Aufnahmen

• Möglichkeit zur Untersuchung desgeräteabhängigen Sensorrauschmustersanhand von Dunkel- und Hellaufnahmenjedes Geräts

• Möglichkeit zur Untersuchung desmodellabhängigen JPEGKompressionsalgorithmus’ unabhängig vomSzeneninhalt (Aufnahmen einer einfachenund einer komplexen Szene für jedeQualitätseinstellung jedes Kameramodellsin der Bilddatenbank verfügbar)


Organisation der Datenbank

Standort Motiv

Typ Umgebung

Stativ

1 N Bild

Id

Digest

VisuelleQualität

Aufnahme

Brennweite

Blitz

Objektiv

1 N

Merkmal Name

Analyse Wert

1

N

Gerät

Modell

Hersteller

Ursprung

1

11


Beispiel AnwendungenKameramodellidentifikation

[Kharrazi, Sencar & Memon 2004]

• 34 verschiedene Merkmale zur Charakterisierung von Bildern, die mit demselben Kameramodell erstellt wurden

• Merkmale des Farbraums und des Waveletraums sowie ‘Image QualityMetrics’ zur groben Beschreibung des Sensorrauschens und derSzenenwiedergabe

. Hinzunahme zusätzlicher Merkmale des Farbraums und des Waveletraums[Gloe, Borowka & Winkler 2009]

Lins

e

Filte

r

G

R G

BSensor

Farb-interpolation

Bild-verarbeitung

Szene

Image Qua-lity Metrics

Image Quality Metrics,Wavelet Statistiken Farbfeatures Farbfeatures

gespeichertesdigitales Bild


http://sharif.edu/~kharrazi/pubs/icip04_1.pdf


KameramodellidentifikationÄhnlichkeit von Modellen und Geräten


KameramodellidentifikationKlassifikationsergebnisse

• nur Kameramodelle mit mehr als einem Gerät verwendet

• Verwendung von 60% der Bilder eines Gerät für das Training und aller Bildervon anderen Geräten für das Testen

. Gesamtergebnis für die richtige Identifikation aller Kameramodelle 96,42 %

Identified asCamera model S DT DS DSs DC FZ H T W E F G I L M N O R µ

Coolpix S710 S 100,00 - - - - - - - - - - - - - - - - - -D200 DT - 93,73 - - - 0,52 0,10 - 0,05 2,77 - - 2,61 - - - 0,05 - 0,16D70 DS - - 84,57 15,43 - - - - - - - - - - - - - - -D70s DSs - 0,11 67,51 30,90 - - - - - 0,85 - - 0,63 - - - - - -DCZ 5.9 DC - - 0,72 0,64 98,42 - - - - 0,12 - - - - - - - - 0,10DMC-FZ50 FZ - 1,14 - - - 97,31 0,50 0,58 0,32 - 0,06 - - - - 0,09 - - -DSC-H50 H - - - - - 0,20 98,23 0,20 1,28 - - 0,10 - - - - - - -DSC-T77 T - 0,74 - - - 3,43 2,04 91,90 1,81 - - 0,09 - - - - - - -DSC-W170 W - 0,65 - - - - 0,52 0,26 98,06 - - 0,52 - - - - - - -EX-Z150 E - - 0,19 0,08 - - - - - 99,71 - - - 0,03 - - - - -FinePixJ50 F - - - - - 0,06 - - - - 99,94 - - - - - - - -GX100 G - - - - - - - - - - - 100,00 - - - - - - -Ixus70 I - - 0,79 0,47 - - - - - - - - 98,26 0,42 - - - - 0,05L74wide L - - 0,04 0,04 - - - - - - - - 1,25 98,66 - - - - -M1063 M 0,07 0,67 - 0,01 - 0,01 - - - 0,04 - - 0,01 - 99,19 - - - -NV15 N 0,47 0,47 - - - 4,07 - - 0,05 - - - 0,05 - - 92,85 0,09 - 1,96OptioA40 O 3,97 0,13 0,09 - - 0,17 - 0,13 - 0,52 - 0,22 0,17 - 0,09 2,28 90,86 - 1,38RCP-7325XS R - - - - 0,21 - - - - - - - - - - - - 99,79 -µ1050SW µ - 0,29 - - - 0,12 - - - - - - 0,14 0,10 - 0,38 0,02 - 98,95


Zusammenfassung und Ausblick• Sammlung von Testdaten und Analyseergebnissen ist eine wichtige

Voraussetzung für die effiziente Entwicklung von neuen Methoden im Bereichder digitalen (Bild-)Forensik

. zusätzliche Bereitstellung von Analyseergebnissen vereinfacht den Vergleichunterschiedlicher Methoden

• ‘Dresden Image Database’ stellt eine Vielzahl von Kameraaufnahmen bereit. ideale Basis für die Untersuchung von hersteller-, modell- und

geräteabhängigen Charakteristiken• Organisation der Bilddatenbank ist erweiterbar und soll zusätzlich mit

Analyseergebnissen ausgestattet werden. Updates und Informationen unter folgenden Adresse:




Fakultät Informatik Institut für System Architektur

Danke für Ihre Aufmerksamkeit

Fragen? Anmerkungen?

Thomas Gloe

[email protected]


Die Erstellung der Bilddatenbank wurde durch die Leihe von Geräten der Mitarbeiter der Fakultät Informatik, desAVMZ und folgender Kamerahersteller unterstützt (in alphabetischer Reihenfolge): AgfaPhoto & Plawa, Casio,FujiFilm, Kodak, Nikon, Olympus, Pentax, Praktica, Ricoh, Rollei, Samsung und Sony. Weiterhin möchte ich michfür die erteilten Aufnahmegenehmigungen im Zwinger der Stadt Dresden, in den Skulpturensammlungen und inder Orangerie von Schloß Pillnitz bedanken.

Lübeck, 28.09.2009


Quellennachweis

• Kamera 1, Scanner, Monitor, Drucker, 3D Szenenbeschreibunghttp://commons.wikimedia.org/wiki/Crystal_Clear

• Kamera 2 http://commons.wikimedia.org/wiki/Camera• Kamera 3 http://commons.wikimedia.org/wiki/GNOME_Desktop_icons• Video Kamera, Farbpalette

http://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Crystal_Project• Beamer http://www.oxygen-icons.org• Blender http://commons.wikimedia.org/wiki/Blender_(software)• Zeitung http://commons.wikimedia.org/wiki/Nuvola/apps• Wetterdaten von http://www.wetter.com


http://commons.wikimedia.org/wiki/Crystal_Clear

http://commons.wikimedia.org/wiki/Camera

http://commons.wikimedia.org/wiki/GNOME_Desktop_icons

http://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Crystal_Project

http://www.oxygen-icons.org

http://commons.wikimedia.org/wiki/Blender_(software)

http://commons.wikimedia.org/wiki/Nuvola/apps

http://www.wetter.com

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Crystal_Clear_device_camera.png

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Crystal_Clear_device_scanner.png

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Crystal_128_display.png

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Crystal_Clear_action_fileprint.png

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Crystal_Clear_app_3d.png

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Camera_icon.svg

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gnome-camera-photo.svg

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Crystal_Project_video_camera.png

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Crystal_Project_colors.png

http://www.nuno-icons.com

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Blender.svg

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nuvola_apps_knewsticker.png

Inhalt der Bilddatenbank‘Umgebungsbedingungen’

• Innenaufnahmen beiRaumtemperaturen zwischen 21◦Cund 14◦C aufgenommen

• Außenaufnahmen bei deutlichgeringeren Temperaturen

Tag

1.1. 11.1. 21.1. 31.1. 10.2. 20.2.Te

mpe

ratu

r[◦

C]

-20

-16

-12

-8

-4

0

4

8


Qualitative Betrachtung

• geringe Anzahl von gesättigten Bildpunkten pro Aufnahme

gesättigte Bildpunkte pro Bild [%]

0 5 10 15 20

Ant

eild

erB

ilder

[%]

0

10

20

30

40

50

60


fakultät informatik institut für system architektur die...

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