Математическое моделирование средств маркировки и идентификации полиграфической продукции с использованием стеганографии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат физико-математических наук Жмакин, Михаил Олегович

• Жмакин, Михаил Олегович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Жмакин, Михаил Олегович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.,.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Обзор методов защиты информации, использующих стеганографию, и их возможности.

1.2. Компьютерная стеганография. Основные принципы и области её применения.

1.3. Краткий обзор известных методов и программ компьютерной стеганографии.

1.4. Выбор направлений исследования (выводы по разделу 1).

2. МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ЗАПИСИ - СЧИТЫВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ СВОЙСТВ.

2.1. Феноменологическая модель машиночитаемой визуальной системы защиты печатной продукции, основанной на графических образах (стеганознаках).

2.2. Алгоритмы записи/считывания скрытой информации.

2.3. Устойчивость методов записи/считывания информации в изображении к шумам различного вида.

2.4. Алгоритмы прикладного характера.

2.5. Требования к аппаратным средствам (модель тракта -устройство печати - устройство сканирования).

2.6. Возможная последовательность действий злоумышленника и трудоемкость подделки.

2.7. Выводы по разделу 2.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОБНОЙ

ПЕЧАТИ СТЕГАНОГРАФИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ.

3.1. Пробная печать стеганографической записи, произведенной методом модуляции толщины.

3.2. Пробная печать стеганографической записи, произведенной методом невидимых участков.

3.3. Выводы по разделу 3.

4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ СТЕГАНОГРАФИЧЕСКИХ МЕТОДОВ МАРКИРОВКИ И ИДЕНТИФИКАЦИИ ПОЛИГРАФИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ.

4.1. Работа ПО «Замок» - «Ключ» для записи/считывания скрытой информации в изображении методом модуляции толщины.

4.2 Работа ПО «Замок» - «Ключ» для записи/считывания скрытой информации в изображении методом невидимых участков.

4.3.Программный модуль (plug-in) для редактора векторной графики Adobe Illustrator.

4.4. Выводы по разделу 4.

5. ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СТЕГАНОГРАФИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ПОЛИГРАФИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ ОТ ПОДДЕЛОК.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование средств маркировки и идентификации полиграфической продукции с использованием стеганографии»

Противодействие методам подделки и фальсификации бумажных, а в последнее время и пластиковых, документов является традиционной и актуальной задачей защиты носителей информации. Огромен экономический и правовой вред, наносимый фальсификацией и подделкой таких документов как паспорт, водительское удостоверение, кредитная или идентификационная карта, медицинский полис и других.

Существует еще класс документов и ценных бумаг, который может представлять интерес для злоумышленника. В этот класс входят: билеты, бланки, купоны, больничные листки и др.

Основная особенность данной продукции состоит:

- в небольшом сроке хождения;

- в отсутствии целесообразности, а в некоторых случаях и возможности, применять высокую степень защиты;

- применяемая защита, если она существует, в основном, полиграфическая и основана на визуальном восприятии;

- предприятие - изготовитель заинтересовано в крайне невысокой себестоимости экземпляра и применение дорогих традиционных защитных видов печати, таких как металлография или орловская печать, является, в данном случае, не рентабельным.

Тем не менее, оставлять совсем без защиты подобные документы нельзя, ведь стоимость, например, билета на культурное или спортивное мероприятие, может достигать несколько сотен, а иногда и тысяч рублей.

Разработка эффективной системы визуальной машиночитаемой защиты документов, выпускаемых Гознаком, является в настоящее время одним из важных направлений плановых исследовательских работ, выполняемых коллективом Научно-исследовательского института Гознака с участием автора.

Из изложенного со всей очевидностью вытекает актуальность данного научного исследования.

Анализ показал, что одним из возможных вариантов решения этой проблемы является использование эффективных и экономически приемлемых методов стеганографии, не применявшихся до сих пор в указанной области.

Целью диссертационной работы явилась разработка визуальной системы защиты для печатной продукции, основанной на машиночитаемых скрытых графических образах (стеганознаках). Данная цель определила следующие основные задачи исследования: создание специальных скрытых защитных образов (стеганознаков) для использования в полиграфических изделиях; разработка алгоритмов записи и считывания вносимой в графическое изображение (стегоконтейнер) посредством защитных образов скрытой информации, а также исследование их эффективности; разработка программного обеспечения, построенного на алгоритмах записи и считывания; разработка требований к аппаратным средствам для маркировки и идентификации защитных образов.

Решение перечисленных задач позволило автору сформировать методы и алгоритмы стеганографической записи/считывания информации (ключа), используя в качестве стегоконтейнера графическое изображение, а также разработать технологические рекомендации по использованию данного способа защиты в офсетной печати.

В диссертации в качестве объектов исследования и разработки выступают программные модули, построенные на алгоритмах, реализующие систему стеганографической защиты полиграфической продукции.

Предметом исследования являются теоретические и методические основы стеганографической защиты информации и применение их в формировании изображения с последующим выводом данного изображения на плоскую офсетную печать.

Информационной, теоретической и методологической основой проведенного исследования послужили труды отечественных и зарубежных авторов по вопросам защиты информации: К.Шеннон [2], В.Овсянников [15], С.Чеховский [15], В.Барсуков [16], А.Романцев [16]. Кроме того, использовались документы, опубликованные в электронных сборниках и интернет - сайтах, а также массивы патентной, реферативной и другой информации [3-14, 17-22, 31-40].

В процессе проведения настоящего исследования использовались следующие методы исследования: теория вероятности, математическая статистика и моделирование, метод экспертных оценок.

Научная новизна результатов выполненных исследований заключается в разработке новой, не применявшейся ранее для изделий, отпечатанных офсетным способом, эффективной системы их защиты от подделки. В основе разработанной системы защиты лежат принципы стеганографического сокрытия информации, а также, технологические особенности офсетной печати. Научная новизна результатов работы подтверждена патентом на изобретение №2318676 [38].

В частности, новыми научными результатами являются:

- способ защиты полиграфического изделия от подделки стеганографическим методом сокрытия информации с учетом технологических особенностей печати;

- способ записи скрытой информации в существующее изображение (стегоконтейнер);

- математическая модель и алгоритмы, описывающие процесс записи/считывания скрываемой информации;

- статистически обоснованные параметры элементов, участвующих в системе защиты печатного изделия;

- набор программных модулей, реализующих систему защиты печатного изделия.

На защиту выносятся следующие результаты:

- принцип защиты печатного изделия, основанной на стеганографическом методе сокрытия информации;

- алгоритмы формирования в защищаемом документе графических образов (стеганознаков) и методы исследования их эффективности;

- программное обеспечение, реализованное на языке высокого уровня Delphi, для записи и считывания скрываемой информации;

- программное обеспечение, реализованное на языке высокого уровня С++, в виде расширяющего модуля (plug-in) для редактора векторной графики Adobe Illustrator 10.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в следующем:

- разработаны методы, позволяющие применять стегонографическое сокрытие информации в идентификации и защите печатного документа от подделки;

- разработаны прикладное программно-математическое обеспечение и методические рекомендации, которые могут применяться специалистами в области полиграфии;

- получены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность использования методов стеганографии в полиграфии, исходя из возможностей полиграфического устройства печати и устройства сканирования изображения;

- выполнены оценки влияния возможных искажений в тракте устройство печати - устройство сканирования на качество записи и считывания;

- предложена оптимальная методика записи и конфигурации скрытого образа, позволяющая достичь максимальной скорости считывания.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались автором на научно-технических советах Научно-исследовательского института - филиала ФГУП «Гознак». Программное обеспечение и разработанные методики были использованы для выпуска опытно-промышленного образца печатной продукции на Пермской печатной фабрике - филиала ФГУП «Гознак».

Непосредственно по теме диссертации опубликовано три отчета [31-33], получен патент на изобретение [38], опубликована статья в журнале «Безопасность информационных технологий» [39, 40]. Общий объем опубликованных работ составил 240 печатных листов.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Жмакин, Михаил Олегович

4.4. Выводы по разделу 4

1. В разделе 4 изложен принцип работы алгоритмов, реализующих запись скрытого сообщения в ЖП графического образа защищаемого документа с последующим выводом этого документа на печать, и отвечающих за считывание и дешифровку скрытого сообщения из графического образа защищенного документа.

2. Рассматривались алгоритмы, реализующие два метода записи/считывания скрытого сообщения:

- метод модуляции толщины элементов ЖП графического образа;

- метод маркировки плашечной области ЖП графического образа невидимыми участками.

Также, для метода модуляции толщины элементов ЖП графического образа, рассматривалась работа программы считывания в режиме «полного восстановления информации» и в режиме «оценки наличия скрытой записи».

3. На изложенных в главе 4 принципах работы, построено ПО «Замок» - «Ключ» системы стеганографической защиты печатных документов

5. ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ

СТЕГАНОГРАФИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ПОЛИГРАФИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ ОТ ПОДДЕЛОК

В качестве перспективы дальнейших исследований и разработок в области применения стеганографии в интересах защиты информации следует указать на работы по совершенствованию методов сокрытия информации, использующих естественные технологические шумы, возникающие при печати. Также подлежат исследованию каналы передачи данных, необходимые для считывания и дешифровки вложенного сообщения. Так, в настоящей работе рассматривался только тракт устройство печати - устройство сканирования. Тем не менее, более корректным являлось бы рассмотрение системы защиты как совокупности всех элементов, входящих в ее состав. Возможно, решение проблемы лежит в объединении методов компьютерной стеганографии и криптографии.

Внедрение в настоящее время стеганографических методов в области защиты от подделки полиграфического изделия является весьма характерной тенденцией. Однако, на пути более широкого её внедрения много нерешенных проблем, связанных с появлением в мире новых моделей сканирующей и печатной техники с более высокими технологическими характеристиками. При этом, подобная техника находится в свободном обращении, а её высокие технологические характеристики требуют от методов стеганографического сокрытия информации всё большей изощрённости. В частности, информацию приходиться скрывать в высокочастотных шумах с низкой амплитудой (в нашем случае, делать шифрующие элементы все более мелкими), что в свое очередь, имеет отрицательное влияние на качество считывания. В конце концов, производители оборудования будут вынуждены остановиться в повышении технологических характеристик (по крайней мере, тех, которые негативно влияют на применении стеганографических методов в печати, например, разрешение сканирования), т.к. дальнейшее, повышение, возможно, будет выходить за рамки целесообразности.

Как показали эксперименты, прямое копирование оригинала, на современном оборудовании (бытовом или профессиональном), не позволяет получить однозначно читающуюся подделку. Тем не менее, скрытость вложенного сообщения на сегодняшний день далека от совершенства. При существующих моделях оборудования, знании злоумышленником области, в которой могут быть расположены шифрующие элементы, и применении программного обеспечения, документ может быть весьма успешно подделан.

Итак, исходя из вышеизложенного, совершенствование системы защиты документа методом стеганографии должно вестись по двум направлениям:

- техническое направление, которое бы рассматривало возможность прямого копирования, учитывало бы работу тракта устройство печати - устройство сканирования в целом, использовало бы усовершенствованные методы машинного считывания и т.д.;

- направление, рассматривающее деятельность злоумышленника.

Графическое изображение на документе не должно давать никакого намёка на записанное в нем скрытое сообщение. Например, шифрующие элементы весьма легко обнаруживались на мелованных бумагах, т.к. степень шумов (текстура, гладкость белизна и т.д.) на подобной бумаге ниже, чем на офсетной. Хотя копии на мелованной бумаге уверенно определялись «как подделки» при считывании машиной. Для выхода из положения, были увеличены натиск и накат краски, которые позволили растиснуть шифрующие элементы и придать им «форму» соответствующую естественному шуму. Т.е. должны рассматриваться характерные технологические особенности печати в каждом случае, в зависимости от материала или технологической цепочки изготовления защищаемого продукта, для оптимизации сокрытия наличия скрытого сообщения. Также в этом направлении, необходимо рассмотреть возможные каналы передачи скрытой информации, необходимой для считывания сообщения, или по возможности, разработать методы считывания, которые бы обходились без подобных данных.

Объединение этих двух направлений даст возможность получить эффективную и практичную систему защиты документа изготовленного полиграфическим способом, методами стеганографии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных в диссертационной работе исследований разработана новая, не применявшаяся ранее для изделий, отпечатанных офсетным способом, эффективная система их защиты от подделки. В основе разработанной системы защиты лежат принципы стеганографического сокрытия информации, а также, технологические особенности офсетной печати. Научная новизна результатов работы подтверждена патентом на изобретение №2318676 [ 38 ].

Основные научные и практические результаты, полученные в работе, сводятся к следующему:

- предложен и экспериментально проверен способ защиты полиграфического изделия от подделки стеганографическим методом сокрытия информации, с учетом технологических особенностей печати;

- предложен и обоснован способ записи скрытой зашифрованной информации в существующее изображение (стегоконтейнер);

- разработаны и обоснованы математическая модель и алгоритмы, описывающие процесс записи/считывания скрываемой информации;

- предложены и статистически обоснованы параметры элементов, участвующих в системе защиты печатного изделия;

- получены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность использования методов стеганографии в полиграфии;

- выполнены оценки влияния возможных искажений в тракте устройство печати - устройство сканирования на качество записи и считывания;

- спроектирован и реализован набор программных модулей, реализующих систему защиты печатного изделия;

- разработаны методики и инструкции по использованию данной системы защиты печатного изделия на предприятиях ФГУП Гознака.

Разработанное прикладное программно-математическое обеспечение и методические рекомендации могут применяться, специалистами в области полиграфии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Жмакин, Михаил Олегович, 2011 год

1. Генне О.В. "Основные положения стеганографии". - "Защита информации. Конфидент", №3, 2000

2. В. Овсянников, С. Чеховский, «Скрытая утечка информации».

3. Барсуков B.C., Романцов А.П., «Компьютерная стеганография вчера, сегодня, завтра. Технологии информационной безопасности 21 века».

4. Information Hiding: Steganography and Watermarking Attacks and Countermeasures by Neil F. Johnson, Zoran Duric, Sushil Jajodia, Kluwer Academic Publishers, 2000.

5. Information Hiding Techniques for Steganography and Digital Watermarking, edited by Stefan Katzenbeisser, Fabien A. P. Petitcolas, Artech House Books, January 2000.

6. Steganography: Seeing the Unseen by Neil F. Johnson and Sushil Jajodia. IEEE Computer, February 1998 .

7. Steganalysis of Images Created using Current Steganography Software, by Neil F. Johnson and Sushil Jajodia Workshop on Information Hiding

8. Proceedings, Portland, Oregon, USA, 15 17 April 1998. Lecture Notes in Computer Science, Vol. 1525, Springer-Verlag: 273-289.

9. Steganalysis: The Investigation of Hidden Information, by Neil F. Johnson and Sushil Jajodia. IEEE Information Technology Conference , Syracuse, New York , USA, September 1st 3rd, 1998: 113-116.

10. Steganography and Computer Forensics: The Investigation of Hidden Information, by Neil F. Johnson, Joe Giordano, and Sushil Jajodia 1999.

11. Marr D. Vision. W.H.Freeman and Co. San Francisco. CA. 1982.

12. Кендал М.Д., Стьюарт А. «Статистические выводы и связи». М.: Наука, 1973.

13. Крамер Г. «Математические методы статистики». М.: Мир, 1975.

14. Афифи А., Эйзен С. «Статистический анализ». М.: Мир, 1982.

15. Ребиндер П.А. «Поверхностные явления в дисперсных системах: Коллоидная химия». М.: Наука, 1978.

16. Де Жен П.Ж. «Успехи физ. наук». 1987. Т.51, №4, С. 619.

17. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. «Физико-химические основы смачивания и растекания». М.: Химия, 1976, 232 с.

18. Шурыгин A.M. «Прикладная стохастика: робастность, оценивание, прогноз».- М.: Финансы и статистика, 2000.

19. Губарев А.П., Жмакин М.О. и др. Отчет об опытно- конструкторской работе «Разработка оригинальной графики оттисков и скрытых графических образов, подлежащих машинной идентификации». Москва 2004г.

20. Губарев А.П., Жмакин М.О. Отчет о научно исследовательской работе «Разработка кодирования и идентификации продукции Гознака». Москва 2005г.

21. Губарев А.П., Новиков С.О., Жмакин М.О. и др. Патент на изобретение №2318676. «Способ маркировки, шифрования и дешифрования скрытой информации в печатном изображении для идентификации и подтверждения подлинности полиграфической продукции».

22. Патентообладатель: ФГУП «Гознак» (1Ш). Зарегистрировано 10 марта 2008г.

23. Жмакин М.О. «Стеганография и перспективы ее применения в защите печатных документов». Журнал «Безопасность информационных технологий» №3 (стр.74-77). Москва 2010 г.