Моделирование двумерно-ассоциативных механизмов маскирования стилизованных бинарных изображений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Вершинин, Игорь Сергеевич

• Вершинин, Игорь Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Вершинин, Игорь Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Распознавание стилизованных бинарных изображений в условиях помех

1.1. Рассматриваемая задача распознавания и подходы к ее решению

1.2. Проблема маскирования и основной алгоритм

1.3. Свойства алгоритма маскирования

1.4. Разрешимость проблемы маскирования

1.5. Выводы

Глава 2. Маскирование как средство противодействия несанкционированному распознаванию

2.1. Теорема маскирования

2.2. Адаптация критерия Шеннона применительно к поиску подходящей рандомизации

2.3. Несанкционированное распознавание упорядоченного множества рандомизированных по маске объектов

2.4. Несанкционированное распознавание рандомизированных по маске сцен

2.5. Выводы

Глава 3. Маскирование точечных объектов картографии

3.1. Необходимые сведения из картографии

3.2. Рассматриваемые структуры данных и вопросы кодирования

3.3. Сравнение маскирования с известными алгоритмами шифрования

3.4. Анализ стойкости замаскированных данных к несанкционированному распознаванию и активному противодействию

3.5. Выводы

Глава 4. Анализ сложности маскирования

4.1. Предельная задача оценки сложности и ее принципиальная разрешимость

4.2. Необходимость снижения требований к уровню стойкости и критерий рандомизации

4.3. Найденная оценка

4.4. Связь с проблематикой ГИС

4.5. Исследовательский Пакет прикладных программ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование двумерно-ассоциативных механизмов маскирования стилизованных бинарных изображений»

В диссертации исследуется вопрос о позитивности маскирования (целесообразность использования и достижимые результаты) при распознавании стилизованных бинарных изображений в терминах "объекты-координаты" (анализ сцен). Маскирование является непременным атрибутом ассоциативной обработки при решении арифметико-логических и символьных задач [33]. В этих случаях на каждом шаге всегда обрабатывается лишь одна информационная единица (бит либо байт) любой записи. Все другие исключаются из рассмотрения (маскируются). Но роль маскирования в процессе распознавания до сих пор была далеко не очевидной.

Можно выделить две цели маскирования в данном случае:

1) нейтрализация противодействия санкционированному распознаванию, систематического либо случайного. Это противодействие является следствием ошибок в работе систем при воспроизведении, хранении или передаче изображений. Но может быть и преднамеренным. Моделируется инверсией несвязанных подмножеств бит бинарных объектов и появлением фоновой помехи (т.н. "зернистый шум");

2) противодействие несанкционированному распознаванию.

В работе показано, что первая цель ограниченно достижима при действии систематических помех и принципиально недостижима при действии случайных. Дело в том, что для однозначной идентификации различных объектов сцены любая пара неодинаковых объектов должна удовлетворить требование дихотомизации. Это накладывает определенные ограничения на распределение маскируемых областей.

Для разрешимости задачи маскирования в общем случае целесообразно считать, что маскирование первично, а действие помех — вторично. Но тогда внесение случайных искажений в бинарное представление объекта оказывается прерогативой самого пользователя. Это может понадобиться ему только для защиты изображения от несанкционированного распознавания. Вот почему основное внимание в работе уделено исследованию достижимости второй цели.

В качестве основного метода исследований используется программное моделирование соответствующих двумерно-ассоциативных механизмов.

Актуальность.

Исследование возможностей использования двумерно-ассоциативных механизмов маскирования для целей противодействия несанкционированному распознаванию конфиденциальных данных стилизованных бинарных изображений проводится в работе впервые.

Современные симметричные одноключевые системы базируются на принципах, изложенных в работе К. Шеннона "Теория связи в секретных системах" [6]. К ним относятся криптоалгоритмы DES, IDEA, ГОСТ 2814789 и пр. Такие шифры являются универсальными и могут применяться в любой сфере человеческой деятельности, требующей криптографической защиты, тем более что при решении проблем криптографии в настоящее время наиболее часто используется принцип применения известных, исследованных с точки зрения криптографической стойкости, алгоритмов.

Однако это не исключает целесообразность изучения возможностей новых методов, адекватных определенным применениям. Разработка и исследование эффективности новых методов защиты, которые, учитывая требуемую специфику, отличались бы в то же время простотой реализации и потенциальной стойкостью, всегда актуально. Рассматриваемая в работе предметная область - картография.

Цель.

Исходя из вышеизложенного, целью диссертационной работы является исследование позитивности маскирования как средства нейтрализации противодействия санкционированному распознаванию либо противодействия несанкционированному.

Задачи.

Для достижения поставленной цели в работе исследуются и решаются следующие задачи:

1. Установление области предпочтительного использования механизмов маскирования стилизованных бинарных изображений.

2. Разработка процедуры маскирования стилизованных бинарных изображений с целью противодействия их несанкционированному распознаванию.

3. Выбор критерия эффективности и оценка эффективности развитой процедуры в смысле качества реализуемого с ее помощью противодействия по этому критерию.

4. Адаптация развиваемого подхода для случая точечных объектов картографии с учетом проблематики ГИС.

5. Оценка вычислительной сложности реализации механизмов маскирования при решении задачи противодействия несанкционированному распознаванию.

Научная новизна работы.

Предложенный двумерно-ассоциативный механизм маскирования бинарных объектов картографии отличается от известных методов защиты информации, которые по своей сути одномерны. При этом работа ведется с изображениями, что позволяет применять к ним методы ассоциативной обработки. Его принципиальная особенность по отношению к методу гаммирования состоит в том, что случайный процесс не накладывается, а внедряется в сообщение, оставляя истинным ограниченное подмножество бит в каждом объекте со случайным распределением этого подмножества по битовой сетке эталона. При этом объем ключа сравнительно невелик и не зависит от объема сообщения.

В работе выдвинута гипотеза о принципиальной достижимости безусловной стойкости предлагаемого метода маскирования. Другие безусловно стойкие методы защиты, за исключением одноразовых блокнотов Вернама, нам неизвестны.

Практическая значимость работы.

Предложенный метод после необходимых системных доработок и проведения соответствующей экспертизы может быть применен при генерации и распознавании множества тематических карт для защиты конфиденциальных данных геоинформационных систем. Его использование в реальном времени связано с применением соответствующих параллельных систем.

Результаты диссертации использованы в ГУП "Татинвестграждан-проект" (г. Казань) и в учебном процессе кафедры Компьютерных систем и информационной безопасности КГТУ им. А.Н. Туполева (КАИ).

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «IX Всероссийские Туполевские чтения студентов» (Казань, 2000г.); городском семинаре «Методы моделирования» (Казань, 2001-2004гг.); Республиканской научно-практической конференции «Интеллектуальные системы и информационные технологии» (Казань, 2001г.); XIII Международной конференции «Проблемы теоретической кибернетики» (Казань, 2002г.); V Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2002г.); 7-ой Международной конференции «Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии» (Санкт-Петербург, 2004г.); семинаре отдела автоматизации научных исследований СПИИРАН

Санкт-Петербург, 2004г.); секции НТС ФГУП «НИИ «Квант» (Москва, 2004г.).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Выявление области предпочтительного использования механизмов маскирования стилизованных бинарных изображений.

2. Основной алгоритм маскирования с целью противодействия несанкционированному распознаванию стилизованных бинарных изображений.

3. Выбор критерия эффективности и оценка эффективности развитой процедуры.

4. Адаптация развиваемого подхода для случая точечных объектов картографии.

5. Оценка вычислительной сложности реализации механизмов маскирования.

6. Разработка исследовательского Пакета прикладных программ для защиты слоев ГИС, содержащих конфиденциальную информацию.

Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 10 работах, включая 6 статей [8, 22, 34-36, 40], 3 тезиса докладов [37-39] и 1 учебное пособие [5].

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Рассматриваются следующие этапы проведенного моделирования:

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Вершинин, Игорь Сергеевич

Основные результаты диссертационной работы:

1. Установлено, что областью предпочтительного использования механизмов маскирования стилизованных бинарных изображений является противодействие несанкционированному распознаванию. Нейтрализация противодействия санкционированному распознаванию ограниченно достижима при действии систематических помех и принципиально недостижима при действии случайных.

2. Разработана процедура маскирования стилизованных бинарных изображений с целью противодействия несанкционированному распознаванию в составе:

- основной АЛГОРИТМ маскирования;

- способ рандомизации.

3. Проанализирована разрешимость задачи маскирования по основному АЛГОРИТМУ. Установлено, что для битовой сетки кадра эта задача практически неразрешима. Ее решение следует искать на пути использования дополнительной байтовой сетки.

4. Сформулирована и доказана теорема маскирования, которая положена в основу анализа стойкости предлагаемого метода.

5. Показана правомерность специфичной трактовки критерия К. Шеннона для цели оценки эффективности развитой процедуры (обеспечиваемого ею уровня стойкости) и получены оценки эффективности с позиций принятой трактовки.

6. Установлена доказуемая стойкость метода при достаточном числе типов объектов и соответствующих размерах эталонов. Выявлены случаи перехода от доказуемой стойкости к безусловной (с позиций принятой трактовки критерия К. Шеннона).

7. Развиваемый подход адаптирован к случаю точечных объектов картографии. Разработаны соответствующие практические рекомендации.

8. Сформулирована задача оценки сложности. Обоснован выбор критерия и разработан алгоритм поиска подходящей рандомизации. Программным моделированием найдена искомая оценка.

9. Разработан исследовательский Пакет прикладных программ защиты данных ГИС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Вершинин, Игорь Сергеевич, 2004 год

1. Райхлин В.А. Асинхронные цифровые схемы и модульные структуры. - Казань: КАИ им. А.Н. Туполева, 1980. 102 с.

2. Райхлин В.А. Операционные логико-запоминающие среды. Вопросы применения и синтеза //Автоматика и телемеханика. 1983. № 11. С. 161171.

3. Райхлин В.А. Об использовании аппарата двумерного ассоциативного поиска в процессе распознавания //Проблемно-ориентированные средства повышения эффективности вычислительных систем. — Казань: КАИ им. А.Н. Туполева. 1991. С.38-54.

4. Райхлин В.А. Анализ производительности процессорных матриц при распознавании двоичных образов //Автометрия. 1996. № 5. С.97-103.

5. Райхлин В.А., Вершинин И.С., Глебов Е.Е. Практикум по параллельным системам: Учебное пособие. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2003. 74 с.

6. Shannon С.Е. Communication Theory of Secrecy Systems. //Bell System Technical Journal. V. 28. 1949. №4. P. 656-715.

7. Ростовцев А.Г., Михайлова H.B. Методы криптоанализа классических шифров. М.: Наука. 1995. 208 с.

8. Райхлин В.А., Вершинин И.С., Глебов Е.Е. К решению задачи маскирования стилизованных двоичных изображений //Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2001. №1. С. 42-47.

9. Каев А. Системы координат в картографии и геодезии Интернет-адрес: http://www.firststeps.ru/gis/geodez/r.php?3

10. Ю.Дьяков Б.Н. Геодезия. Общий курс. Интернет-адрес:http://www.ssga.ru/metodich/geodesyep/index.html

11. П.Ключевский Б. Криптографические алгоритмы Интернет-адрес: http://ns.ssl.stu.neva.ru/psw/crypto/Kluchev21.html

12. Винокуров А. Шифрование и шифры Интернет-адрес:http://www.enlight.ru/ib/tech/crypto/part3.htm

13. Шнайер Б. Прикладная криптография. Протоколы, алгоритмы, исходные тексты на языке Си М.: Издательство ТРИУМФ, 2002. 816 с.

14. М.Жельников В. Криптография от папируса до компьютера. М.: ABF, 1997. 336 с.

15. Молдовян А.А., Молдовян Н.А., Советов Б.Я. Криптография СПб.: Лань. 2000. 224 с.

16. Молдовян А.А., Молдовян Н.А., Гуц Н.Д., Изотов Б.В. Криптография: скоростные шифры. СПб.: БХВ-Петербург. 2002. 496 с.

17. Винокуров А. Архитектура блочных шифров Интернет-адрес: http://alexeenko.prima.susu.ас.ru/cryptography/ib/p art4.php

18. ГОСТ 28147-89. Системы обработки информации. Защита криптографическая. Алгоритм криптографического преобразования. -М. Госстандарт СССР, 1989.

19. Осмоловский C.A. Стохастические методы защиты информации М.: Радио и связь. 2003. 320 с.

20. Райхлин В.А., Вершинин И.С. Элементы криптоанализа двумерного картографического шифра //Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2002. №4. С. 48-54.

21. Зубов А.Ю. Совершенные шифры Интернет-адрес:http://www.cryptography.ru/db/msg.html?mid=l169432& uri=introduction.html

22. Корнеев В.В. Параллельные вычислительные системы. М.: Нолидж, 1999. 320 с.

23. Основы геоинформатики и ГИС-технологий Интернет-адрес:http://cnit.pgu.serpukhov.su/win/SEMINAR/PREZ/SldOO 1 .htm

24. Лебедев В.Б., Беркович E.B. Анализ информационных ресурсов при проектировании ГИС /Новые информационные технологии и системы: Труды V Международной научно-технической конференции Пенза, ПГУ, 2002. С. 19-22.

25. ДеМерс М.Н. Географические информационные системы. Основы. М: Изд-во Дата+. 1999. 489 с.

26. Картография. Пособие. Интернет-адрес:http://kartograff.hi.ru/polka/kniga/index.php

27. Сережников C.B. Геоинформационные системы что это? - М., НТФ "Трисофт", 1997. 327 с.

28. MapInfo Professional. Руководство пользователя. Maplnfo Corporation Troy, New York. Перевод Журавлев В.И, Колотов А.Ю., Николаев В.А., 2000г. 708 с.

29. MapBasic. Среда разработки. Руководство пользователя. Maplnfo Corporation Troy, New York. Перевод Журавлев В.И, Колотов А.Ю., Николаев В.А., 2000г. 619 с.

30. MapInfo Professional v6.0 Tutorial. Электронный учебник.

31. Райхлин В.А., Борисов А.Н. Основы организации микропроцессорных систем. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 1998. 300 с.

32. Райхлин В.А., Вершинин И.С. К оценке сложности двумерного картографического шифра //Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2003. №4. С. 50-54.

33. Райхлин В.А., Морозов А.В., Вершинин И.С., Абрамов Е.В. Интеллектуальные модели синтеза //Труды конференций IEEE AIS'03, CAD-2003. М.: Физматлит, 2003. Т.2. С.158-171.

34. Вершинин И.С. Двумерно-ассоциативный механизм защиты бинарных объектов картографии //Эволюционное моделирование /Под ред. В.А. Райхлина. Труды Казанского городского семинара "Методы моделирования". Вып. 2 Казань: Изд-во "ФЭН" ("Наука"), 2004. С. 7489.

35. Вершинин И.С. Генерация рандомизированных бинарных изображений //Интеллектуальные системы и информационные технологии: Труды республиканской научно-практической конференции 30 октября 1 ноября 2001 г. Казань: Отечество, 2001. С. 54-56.

36. Райхлин В.А., Вершинин И.С. О стойкости шифра защиты данных GIS //Новые информационные технологии и системы: Труды V Международной научно-технической конференции Пенза, ПТУ, 2002. С. 17-19.