Введение к работе
Актуальность работы. Видеоинформация является одним из ценнейших предметов современной жизни, основой функционирования распределенных систем мониторинга территорий, регистрации событий, ориентации и управления подвижными объектами с видеоканалом в обратной связи. Получение доступа к ней при использовании глобальных компьютерных сетей как коммуникационной среды, на которой строятся распределенные системы, стало невероятно простым. В то же время легкость и скорость такого доступа значительно повысили и угрозу нарушения безопасности видеоданных при отсутствии мер их защиты, а именно, – угрозу неавторизированного доступа, нарушения подлинности путем преднамеренного искажения и подмены, присвоения авторских прав на цифровые изображения и видеопотоки.
Преимущества представления и передачи данных в цифровом виде (легкость восстановления, высокая потенциальная помехоустойчивость, перспективы использования универсальных аппаратных и программных решений) могут быть перечеркнуты с легкостью, с которой возможны их похищение, подмена и модификация. Наиболее актуальной является задача разработки методов по преобразованию видеоинформации для подтверждения её подлинности в распределенных информационно-управляющих системах встраиваемого класса. Видеоисточник таких систем реализуется, как правило, на IP-видеосерверах, основной вычислительный ресурс и память которых заняты выполнением операций по захвату, оцифровке, формированию IP-пакетов и их передаче по сети.
Анализ показал, что большинство известных методов, использующих криптографические и стеганографические преобразования видеоинформации, представляемой по-кадрово в стандартах MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, требуют значительного вычислительного ресурса из-за больших объемов самой видеоинформации и не могут быть эффективно реализованы для таких приложений. Поэтому актуальной является задача разработки методов преобразования видеоинформации, альтернативных методам сокрытия (шифрации) информации и ориентированных на обеспечение сохранения ее подлинности и целостности с учетом особенностей цифрового представления изображений.
Анализ работ в области преобразования информации таких отечественных специалистов как Грибунин В.Г., Оков И.Н., Туринцев И.В., Смирнов М.В., Аграновский А.В., Мироновский Л.А. и другие определил следующие требования к разрабатываемым методам преобразования изображений:
-
цифровое изображение должно быть модифицировано таким образом, чтобы исключить изменение при визуальном контроле;
-
цифровое изображение должно быть устойчиво к искажениям, в том числе и умышленным. В процессе передачи изображение может претерпевать различные трансформации: уменьшение или увеличение размеров (разрешения), преобразование в другой формат, сжатие с потерей данных;
-
основные свойства цифрового изображения должны остаться неизмененными после произведенного цифрового преобразования.
Анализ работ известных зарубежных ученых, таких, как Kahn D., Wang H.-J, Cox I.J., Bao Y.-L., Zeng W., Podilchuk C. I. и другие, показал, что:
наиболее эффективной технологией преобразования видеокадров с целью подтверждения их подлинности является технология цифрового водяного знака (ЦВЗ);
наиболее эффективным методом внедрения ЦВЗ является дискретное вейвлет-преобразование;
сегодня не существует методов, выполняющих преобразование видеокадров с целью защиты их подлинности и подтверждения целостности, и, главное, учитывающих ограниченность вычислительного ресурса источника этих данных в распределенных информационно-управляющих IP-системах.
Необходимо подчеркнуть, что в данной работе не разрабатываются стеганографические средства встраивания данных для их последующей скрытой отправки. В работе разрабатывается и исследуется метод преобразования видеоданных, использующий стеганографические примитивы.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование метода преобразования видеоданных для защиты их подлинности и определения целостности с применением технологии цифрового водяного знака, обеспечивающего его качественное и визуально незаметное встраивание в кадры в реальном масштабе времени.
В связи с поставленной целью в диссертационной работе стояли следующие задачи исследования:
разработать и исследовать метод и скоростные алгоритмы внедрения и извлечения цифровых водяных знаков в кадры видеопотока;
разработать метод определения мест искажения кадра на основе анализа извлеченного из него цифрового водяного знака;
программно реализовать и исследовать совокупность алгоритмов внедрения и извлечения цифровых водяных знаков для практического подтверждения полученных результатов;
исследовать и определить наиболее эффективные методы оценки качества преобразования изображения, основанные на анализе изображения как объекта математического преобразования и как объекта, визуально воспринимаемого зрительной системой человека.
Предметом исследования является видеопоток, преобразованный по-кадрово в стандарте MPEG и передаваемый в реальном масштабе времени в цифровых открытых каналах связи.
Методы исследования. Проведенные исследования базируются на основных положениях теории дискретных преобразований, методах вычислительной математики, математического моделирования, математической статистики. В работе использованы методы дискретного вейвлет-преобразования изображений, объективные и субъективные метрики контроля качества цифровых изображений.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
предложен метод и исследован алгоритм преобразования видеокадров на основе внедрения цифровых водяных знаков, обеспечивающий защиту подлинности информации при визуально неразличимых искажениях исходного кадра;
предложен метод локализации мест искажения кадра на основе анализа извлеченного из него цифрового водяного знака;
определена совокупность метрик, обеспечивающих объективную оценку качества преобразования изображения, для использования при анализе результатов преобразования с искажениями, вносимыми внедрением ЦВЗ.
Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные алгоритмы были реализованы в программной системе передачи видеопотоков по открытым сетям, позволяющей:
уменьшить последствия преднамеренных искажений в виде подмены, повторения и искажения кадров видеопотока;
обеспечить в реальном времени локализацию областей искажения или разрушения видеокадров из-за случайных и преднамеренных искажений при передаче по открытым каналам связи и сетям общего пользования;
обеспечить сохранение авторских прав и интеллектуальной собственности на видеоматериалы при незаконном их копировании;
оценить размер искажения видеоданных из-за помех в коммуникационных каналах распределенных информационно-управляющих систем.
Достоверность результатов работы обеспечивается строгостью применения математических моделей, непротиворечивостью полученных теоретических и практических результатов, а также внедрением разработанных алгоритмов, моделей и методов в практику.
Внедрение результатов диссертационной работы. Основные результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре вычислительных систем и сетей и кафедре комплексной защиты информации ГУАП, использованы в макете системы, разработанной в рамках НИР «Исследование возможности создания защитного кодирования видеоинформации» (Шифр «Желе-ЗК»), выполненной в ЗАО «КБ Юпитер» (г. Санкт-Петербург) в 2009 г., а также в программной реализации системы передачи видеоинформации, созданной в рамках НИР «Разработка и исследование методов цифровой обработки изображений в системах потокового видео» (гос. рег. № 01201057662) в 2010 г. Внедрения подтверждаются соответствующими актами. Программные реализации разработанных алгоритмов зарегистрированы в Объединенном фонде электронных ресурсов «Наука и образование», на них получены свидетельства о регистрации электронного ресурса №16551 и №16552. На утилиты внедрения и извлечения ЦВЗ получены свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011618156 и №2011618157.
Основные положения, выносимые на защиту:
метод преобразования видеоданных, представляемых по-кадрово, для определения их подлинности и подтверждения целостности при передаче по коммуникационным каналам;
алгоритм преобразования изображений в реальном масштабе времени, основанный на использовании ЦВЗ, обеспечивающий защиту их подлинности при визуально неразличимых вносимых искажениях в исходный кадр;
алгоритм определения подлинности изображений, основанный на обнаружении и извлечении ЦВЗ из кадра с последующим определением степени его идентичности путем сравнения с эталоном;
метод определения областей повреждения изображения, основанный на специфике встраивания элементов ЦВЗ в кадр и позволяющий визуально показать поврежденные участки изображения по изменениям извлеченного из него ЦВЗ;
совокупность метрик, обеспечивающих объективную оценку качества преобразования изображения с различными искажениями, в том числе вносимыми внедрением ЦВЗ, и основанных на анализе изображения как объекта математического преобразования и как объекта, визуально воспринимаемого зрительной системой человека.
Апробация работы. Основные научные результаты работы обсуждались на научно-методических семинарах кафедры «Вычислительные системы и сети» ГУАП и докладывались на научных конференциях:
-
61-ая научная сессия ГУАП (апрель 2008, Санкт-Петербург);
-
62-ая научная сессия ГУАП (апрель 2009, Санкт-Петербург);
-
63-ая научная сессия ГУАП (апрель 2010, Санкт-Петербург).
-
64-ая научная сессия ГУАП (апрель 2011, Санкт-Петербург).
Публикации. Основные положения и выводы диссертационной работы отражены в шести статьях, в том числе в двух статьях, опубликованных в журнале, входящем в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, а также на сайте Объединенного фонда электронных ресурсов «Наука и образование».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 81 наименования и четырех приложений. Общий объем основной части работы составляет 121 страницы, в том числе 53 рисунка и 12 таблиц.
