7. Zusammenfassung und Ausblick
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich makroskopisch stochastisch wirkende Strukturen basierend auf 270 Druckmuster mit Methoden aus der biometrischen Erkennung diskriminieren lassen und die zugrunde liegenden Druckprozesse stochastische Effekte erzeugen. Die Druckmusterarten eignen sich somit als Identifikationsmerkmal bzw. Teil eines Identifikationsmerkmals für industrielle Druckprodukte.
In einem ersten Schritt wurden mit Viscous Fingering und Drip-Off zwei aus der Literatur und Praxis bekannte Druckeffekte als potentiell geeignete Druckmusterarten festgelegt, welche in konventionellen Druckverfahren hergestellt werden können. Des Weiteren wurde mit Line Variation eine dritte Druckmusterart entwickelt, welche auch im Inkjetdruck stochastische Effekte erzeugt. Diese hat im Hinblick auf die aktuellen Entwicklungen in der Druckbranche hin zu kleineren und individualisierten Auflagen ein hohes Potential, für welche verstärkt der Inkjetdruck Einsatz findet. Die Druckmusterart Drip-Off bietet dagegen für den Offset eine Lösung zur Serialisierung an, welcher weiterhin das gebräuchlichste Druckverfahren im Verpackungsdruck darstellt.
Zur Identifikation der Druckmuster wurde eine Methode entwickelt, welche zunächst basierend auf der optischen Erfassung von gedruckten Flächen mit einer Größe von rund 1 cm2 Binärvektoren erzeugt. Hierfür werden in einer mehrstufigen Vorverarbeitung aus den erfassten Eingangsbildern Drehwinkel und Schnittkoordinaten ermittelt, um nach der Konvertierung in Graustufen einheitlich verarbeitete Bilddaten, sogenannte Instanzen, vorliegen zu haben. Mittels Gaborfilterung werden Merkmalsbilder aus den Instanzen extrahiert und nach weiteren Verarbeitungsschritten liegt für jede Bilddatei eines Druckmusters ein Binärvektor vor. Die Binärvektoren werden zu Datenbanken zusammengefasst und über Hamming Distanzen miteinander verglichen. Dabei werden verschiedene Kenngrößen ermittelt, welche sowohl Charakteristika der Intra- und Inter-Verteilung als auch Abstände zwischen den Inter-Verteilungen aufgreifen.
Im Zuge der Validierung der Methode wurde ein Standardparametersatz vorgestellt, welcher als Referenz für die Untersuchung einzelner Parameter dient. Unter Anwendung des Standardparametersatzes konnte gezeigt werden, dass bis auf einzelne Ausreißer von Drip-Off Druckmustern eine hinreichende Unterscheidbarkeit für alle drei Druckmusterarten gegeben ist. Dabei wurden einheitliche Parameter für die verwendete Kantenlänge und Auflösung der Instanzen sowie für Wellenlänge und Orientierung in der Gaborfilterung verwendet. Es
134 7. Zusammenfassung und Ausblick existiert somit ein Parametersatz, welcher universell für die Identifizierung der vorgestellten Druckmuster einsetzbar ist. Die im Rahmen der Methodenvalidierung gewonnenen Erkenntnisse legen jedoch den Schluss nahe, dass eine merkmalsspezifische Merkmalsextraktion die Diskriminierbarkeit weiter erhöht. Bei der Untersuchung der Auflösung und Kantenlänge fällt auf, dass maximaler Informationsgehalt im Sinne von größtmöglicher Auflösung und Kantenlänge nicht zu optimalen Resultaten hinsichtlich der Diskriminierbarkeit führt. Allgemeine Erkenntnisse können jedoch nicht abgeleitet werden, da die unterschiedlichen Druckmusterarten unterschiedlich sensitiv für Änderungen von Auflösung und Kantenlänge sind. Die Untersuchung des Einflusses von Wellenlänge und Orientierung bei der Merkmalsextraktion mit Gaborfilterung zeigt, dass die drei Druckmusterarten unterschiedlich große Prozessfenster aufweisen, in denen eine Diskriminierbarkeit gegeben ist. Die Druckmusterarten zeigen dabei unterschiedliches Verhalten. Insgesamt zeigte sich Viscous Fingering als Druckmusterart mit dem größten Prozessfenster und der höchsten Diskriminierbarkeit. Die Druckmusterart Drip-Off hingegen ist makroskopisch für Betrachter diskriminierbar, zeigt jedoch in der Methode die größte Anfälligkeit für Ausreißer und damit die geringste Robustheit gegenüber Schwankungen bei der optischen Bilderfassung.
In der abschließenden Diskussion der Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich die Methode auch auf ein anders Messsystem übertragen lässt. Versuche zeigen, dass eine Identifikation durch imitierte Druckmuster im Einzelfall möglich ist. Gleichzeitig ist es nicht gelungen, die Imitate derart zu gestalten, dass die Hamming Distanzen an jene der Originaldruckmuster heranreichen. Eine Authentifizierung kann somit unterbunden werden. Darüber hinaus sind die stochastischen Strukturen der Druckmuster feiner als gebräuchliche Inkjetdrucker zu reproduzieren in der Lage sind. Ein Beobachter kann somit makroskopisch Original von Fälschung unterscheiden. Die Methode wurde mittels quadratischer Druckmuster validiert.
Sie ist jedoch so ausgelegt, dass auch andere Farben und Formen der Druckmusterarten prinzipiell unterscheidbar sind. Erkenntnisse deuten darauf hin, dass für den Betrachter nicht makroskopisch erkennbare Strukturen eingesetzt und diese bspw. in farblich homogen wirkenden Flächen eines Druckprodukts versteckt werden können. Dabei gilt zu beachten, dass in der Praxis Identifikationsmerkmale überwiegend in Kombination mit weiteren Merkmalen verwendet werden, um Redundanzen in der Identifizierung zu erhalten. Darüber hinaus sind aus Gründen der benötigten Speicherkapazität und der Fehlerkorrektur deutlich kürzere Binärvektoren anzustreben. Die aktuellen Vektorlängen von bis zu ca. 65.000 Stellen liegen mehrere Größenordnungen über der maximalen Länge, auf welche fehlerkorrigierende Codes wie Fuzzy Extraction angewandt werden können. Ein weiteres Kriterium für den Einsatz in industriell hergestellten Druckprodukten ist die Unterscheidbarkeit von
7. Zusammenfassung und Ausblick 135 Druckmustern an identischer Stelle auf dem Druckbogen im Auflagendruck. In Stichproben konnte eine verminderte Robustheit für Viscous Fingering Druckmuster festgestellt werden.
Abschließend wurden Alternativen zur vorgestellten Methode aufgegriffen. Mit Local Features wurde eine andere Form der Merkmalsextraktion vorgestellt, welche in Voruntersuchungen ebenfalls eine Identifizierung erlaubte. Daneben kann die Robustheit der Methode durch den in der Literatur gebräuchlichen Einsatz kombinierter Gaborfilter weiter gesteigert werden. Hierfür gilt es jedoch, musterspezifisch die Parameter der Gaborfilter auszuwählen, um eine Verminderungen der Robustheit durch ungeeignete Parameterkombinationen zu vermeiden.
Ein Nachweis, dass im Druckprozess auftretende Effekte tatsächlich stochastisch sind, ist bisher nicht erbracht worden. Die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellte Methode zur Identifikation stochastischer Druckmuster bringt erstmals den Nachweis, dass die durch Betrachter makroskopisch als stochastisch empfundenen Druckmuster in Kombination mit der entsprechenden Bildverarbeitung als stochastisch interpretiert werden können. Dabei wurde die Methode mit drei unterschiedlichen Druckmusterarten validiert und kann auf weitere Druckmusterarten angewandt werden. Die Druckmusterarten lassen sich ohne Eingriffe in bestehende Druckprozesse herstellen und damit insbesondere in herkömmliche Druckprodukte integrieren. Die Voraussetzungen für eine Verwendung als Identifikations- und möglicherweise auch Sicherheitsmerkmal sind gegeben.