авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Разработка и исследование метода преобразования видеоданных для определения их подлинности и подтверждения целостности

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Григорьян Амаяк Карэнович

Разработка и исследование метода преобразования видеоданных для определения их подлинности и подтверждения целостности

специальность 05.13.01 «Системный анализ, управление и обработка

информации (в технике и технологиях)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2012

Работа выполнена на кафедре вычислительных систем и сетей федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сергеев Михаил Борисович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Красильников Николай Николаевич кандидат технических наук, доцент Красичков Александр Сергеевич
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

Защита состоится «_21_» __февраля__ 2012 года в _14_ часов _00_ минут в аудитории 53-01 на заседании диссертационного совета Д 212.233.02 при федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу:

190000, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.

Автореферат разослан «_19_» __января___ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета
Д. 212.233.02 д-р техн. наук, профессор
Л.А. Осипов

Общая характеристика работы

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:

  1. цифровое изображение должно быть модифицировано таким образом, чтобы исключить изменение при визуальном контроле;
  2. 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;
  3. 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:

  1. 61-ая научная сессия ГУАП (апрель 2008, Санкт-Петербург);
  2. 62-ая научная сессия ГУАП (апрель 2009, Санкт-Петербург);
  3. 63-ая научная сессия ГУАП (апрель 2010, Санкт-Петербург).
  4. 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.

Содержание диссертации

Во введении обосновывается актуальность темы, определяется цель и решаемые задачи, излагаются научная новизна, практическая ценность.

В первом разделе рассматриваются проблемы защиты информации. Из существующих методов защиты цифровой информации от фальсификаций и манипуляций одни предназначаются для подтверждения подлинности цифрового содержимого, другие, использующие различные типы шифрования, для сокрытия смысла передаваемой информации. При этом цифровое содержимое необходимо защищать на всех стадиях: при формирования и первичной обработке, на стадии передачи конечному потребителю, а также при временном или постоянном хранении.

Решение проблемы безопасности потоковой видеоинформации в сетях общего пользования коррелирует с родственными проблемами безопасности цифровой информации вообще, и, естественно, имеет и определенные особенности. Такие особенности определяются в первую очередь природой преобразуемого объекта – большого объема кадров изображений, формируемых в реальном масштабе времени со скоростью 25 кадров в секунду. Также необходимо учитывать то, что устройства, формирующие видеопоток, могут накапливать в локальном хранилище лишь небольшой объем информации, а затем могут передавать его получателю по каналам связи. Объективно наиболее уязвимым звеном, с точки зрения возникновения искажений, в вышеописанной цепочке является именно процесс передачи данных.

В ходе исследования были выявлены следующие проблемы безопасности данных и, соответственно, определены возможные аспекты применения совокупности разрабатываемых в ходе диссертационной работы алгоритмов и методов:

  • уменьшение последствий преднамеренных искажений (дезинформация, подделка, повтор);
  • локализация областей разрушения изображений;
  • сохранение интеллектуальной собственности (защита от незаконного копирования, воспроизведения и т. д.);
  • оценка искажения из-за помех функционирования распределенных информационных систем.

Такие помехи функционирования систем как пропадание связи и прочие проблемы технического свойства легко решаются на протокольном уровне повтором передачи проблемного пакета. Проблемы интеллектуальной собственности необходимо рассматривать отдельно от исследуемой проблемы, т.к. они относятся к области права (нарушения прав собственности), но необходимо отметить, что доказательство фактов таких нарушений невозможно без однозначной и точной идентификации правообладателя спорного цифрового содержимого. Бесспорным идентификатором может служить, например, специальная метка – «водяной знак», который при необходимости можно «проявить» с применением заранее определенных технических и программных средств.

Цифровые водяные знаки имеют небольшой объем, однако, для их встраивания используются более сложные методы, чем для встраивания простых меток. В данной работе для маркировки изображений предлагается использовать цифровые водяные знаки в виде графического изображения, поскольку они несут смысловую нагрузку и являются целостным визуальным объектом – любое их разрушение будет заметно как при субъективном анализе («на глаз»), так и с применением объективных средств контроля.

Применительно к видеопотоку искажения могут означать следующие виды вмешательства:

  • полная подмена кадра или группы кадров, связанных по смыслу;
  • изменение изначального порядка следования кадров или групп кадров;
  • частичная подмена некоторого фрагмента как в отдельном кадре, так и в каждом кадре из определенной смысловой группы кадров.

Именно в направлении определения подлинности и обеспечения целостности такой единицы видеопотока как отдельный кадр, в разделе проводится обзорное исследование для определения и оценки имеющегося теоретического и практического опыта российских и зарубежных ученых и специалистов в этой области, включая патентный поиск. В частности, освещены известные форматные и неформатные методы преобразования видеоинформации, приведены характеристики и описание двадцати одного метода и алгоритма, ориентированных на внедрение и поиск ЦВЗ. Сравнительный анализ показал, что минимальную вычислительную мощность (и соответственно, наименьшее время выполнения) имеет алгоритм быстрого вейвлет-преобразования Хаара.

Однако, для решения поставленной в работе задачи (внедрение ЦВЗ в видеопоток, формируемый при помощи IP-видеосервера на базе сигнального процессора) на основе быстрого вейвлет-преобразования Хаара требуется разработка нового алгоритма, оптимизирующего преобразования по следующим параметрам:

  • обеспечение скоростного внедрения ЦВЗ в виде цветного изображения;
  • обеспечение устойчивости внедряемого ЦВЗ к сжатию и помехам;
  • изменение схемы внедрения ЦВЗ для выполнения преобразований в формате целых чисел, что по сравнению с вычислениями в формате с плавающей точкой значительно уменьшит временные затраты и затраты по памяти;
  • определение наиболее эффективных параметров ДВП (уровень декомпозиции и т.д.) для решения поставленной задачи.

Второй раздел посвящен теоретическим вопросам осуществления защиты видеоданных применительно к распределенным информационно-управляющим
IP-системам с ви­деоканалом в обратной связи.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.