Разработка и применение псевдоголографических разверток цифровых изображений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.17, кандидат физико-математических наук Урывская, Дарья Александровна

• Урывская, Дарья Александровна
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Урывская, Дарья Александровна

ВВЕДЕНИЕ.

1. МЕТОДЫ ИСЕВДОГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ РАЗВЕРТКИ ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ.

1.1. Обзор существующих методов псевдоголографической развертки и их обобщение на случай изображений произвольного размера.

1.1.1. «Регулярный» метод.

1.1.2. «Псевдослучайный» метод.

1.1.3. Метод побитовой инверсии.

1.1.4. Метод инверсной нумерации.

1.1.5. «Стохастический» метод.

1.2. Декоррелирующее свойство «регулярного» метода псевдоголографической развертки.

1.3. Псевдоголографическая развертка цифровых изображений с переменной длиной ключа.

1.4. Выводы и результаты раздела 1.

2. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПО

ФРАГМЕНТУ ПСЕВДОГОЛОГРАММЫ.

2.1. Восстановление изображений меньшего масштаба.

2.2. Восстановление изображений исходного размера с помощью интерполяционных методов.

2.3. Сравнительный анализ качества восстановленных изображений.

2.4. Выводы и результаты раздела 2.

3. ПСЕВДОГОЛОГРАФИЧЕСКОЕ КОДИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ

ИЗОБРАЖЕНИЙ.

3.1.Восстановление изображения по известному ключу при неизвестной позиции начального отсчета псевдоголограммы.

3.2. Восстановление изображения при неизвестном ключе.

3.2.1. Постановка задачи.

3.2.2. Атаки на основе корреляционного анализа.

3.2.3. Анализ экспериментальных данных.

3.3. Выводы и результаты раздела 3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и применение псевдоголографических разверток цифровых изображений»

Диссертация посвящена разработке, исследованию и анализу основных свойств псевдоголографического преобразования, а так же приложению методов псевдоголографической развертки к задачам обработки цифровых изображений, передачи и защиты информации.

Актуальность темы

Обработка цифровых изображений является одним из самых востребованных и быстро развивающихся направлений на сегодняшний день, так как находит применение во многих областях, таких как системы связи, геоинформатика, медицина, компьютерная безопасность и другие [35, 38, 58].

Во многих случаях системы, связанные с получением, обработкой, хранением и передачей данных, имеют дело с информацией, представленной в виде изображений [45, 57].

Одной из важнейших проблем работы с цифровыми изображениями является потеря или искажение данных при передаче информации через реальный канал связи. Поскольку цифровое изображение представляет собой двумерный массив, а передача данных осуществляется во многих современных системах по одномерному каналу, необходимо преобразовать изображение в одномерный сигнал. Существует много вариантов такого преобразования (развертки). Применение стандартного подхода, предполагающего построчную развертку, приводит к безвозвратной потере всего блока поврежденной информации [72].

Существуют различные методы преобразования изображений в одномерный сигнал, свободные от указанных недостатков. В частности, A.M. Брукштейном [7] предложено так называемое «голографическое» преобразование, в основе которого лежит специфический метод одномерной нумерации отсчетов изображения. Идея предложенного преобразования достаточно прозрачна: цифровое изображение разворачивается в одномерную последовательность так, чтобы «далекие» точки изображения имели «близкие» номера в одномерной последовательности. Такое преобразование позволяет по произвольному связному фрагменту полученной последовательности реконструировать уменьшенную копию исходного изображения (либо, применяя интерполяционные методы, реконструировать полномасштабную аппроксимацию исходного изображения). То есть фрагмент одномерной последовательности подобно аналоговой голограмме, содержит достаточно информации обо всем изображении в целом [85]. Подобное «голографическое» представление изображений является устойчивым по отношению к повреждениям данных, поскольку даже при потере части информации, изображение можно восстановить с определенной точностью, зависящей от размера потерь.

Следует отметить, что работа А.М. Брукштейна [7] носила эвристический характер с некоторыми приложениями к задачам численного интегрирования. В дальнейшем в ряде работ В.В. Колесова, H.H. Залогина, Г.М. Воронцова, О.П. Кузнецова, A.B. Марковского, R. Dovgard [43, 50, 8] появились методы преобразования изображений, которые также обладают внешними «голографическими» признаками.

Разнообразие методов отмеченных работ не позволяет формально определить понятие «голографической» развертки, хотя все предложенные методы обладают характерным «топографическим» свойством: любой связный фрагмент «голографической» последовательности содержит достаточно информации обо всем изображении в целом.

Класс таких разверток в работе называется «псевдоголографическими развертками».

Представленная работа с одной стороны обобщает существующие методы псевдоголографических преобразований, продолжает исследования в направлении восстановления изображений различными методами интерполяции [80], а с другой стороны предлагает совершенно новые приложения методов псевдоголографической развертки к задачам защиты информации, что делает её безусловно актуальной [76, 77, 78, 79].

Цель работы

Целью работы является разработка и исследование новых методов обработки и защиты цифровых изображений, базирующихся на специальных методах представления исходных данных («псевдоголографической развертке»).

Задачи исследований

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Обобщение существующих методов псевдоголографических разверток/преобразований на случай цифровых изображений произвольного размера.

2. Восстановление цифровых изображений при частичной потере информации при передаче данных по каналу связи с пропусками.

3. Исследование нового метода защиты цифровых изображений с помощью псевдоголографического кодирования.

4. Исследование новых стеганографических методов встраивания цифровых водяных знаков в изображение-контейнер.

Методы исследований

В диссертационной работе используются методы математического анализа и алгебры, теории вероятностей и статистического анализа, теории информации, теории цифровой обработки сигналов и изображений, численные методы.

Научная новизна работы

1. Проведено обобщение существующих методов псевдоголографических разверток на случай цифровых изображений произвольного размера.

2. Экспериментально доказана эффективность применения псевдоголографического представления цифровых изображений при передаче по каналу связи с пропусками.

3. Предложен новый метод кодирования цифровых изображений на основе псевдоголографического преобразования.

4. Предложен новый метод встраивания цифрового водяного знака в изображение с использованием псевдоголографического преобразования.

5. Предложена модификация метода замены наименьшего значащего бита встраивания цифрового водяного знака в изображение с использованием псевдоголографического преобразования.

Практическая ценность работы

Предложенные в диссертационной работе методы, могут быть использованы в базах данных изображений и в других компьютерных системах хранения, обработки и передачи визуальной информации. Разработанные методы позволяют повысить надежность передачи цифровых изображений, защитить от несанкционированного использования передаваемую информацию.

Реализация результатов работы

Результаты диссертации использованы при выполнении ряда госбюджетных и хоздоговорных ПИР в Институте систем обработки изображений РАН и ОАО «Самара-Информспутник».

Апробация работы

Основные результаты диссертации были представлены на конференциях:

- на V международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникации», Россия, Самара, 2004;

- на третьей летней школе молодых ученых по дифракционной оптике и обработке изображений, - Самара - 2005;

- на XXXVIII Международной конференции "Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе" (1Т+8ЕЛ11), Украина, Ялта-Гурзуф - 2011;

- на Научно-технической международной молодежной конференции «Системы, методы, техника и технологии обработки медиаконтента», Москва-2011;

- на Региональной научно-практической конференции, посвященной 50-летию первого полета человека в космос, Самара - 2011.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 работ [20*, 21*, 22*, 75*-80*], из них 4 [20*, 21*, 75*, 78*] в изданиях, определенных в перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК Минобрнауки России, 8 работ выполнено без соавторов.

Во всех работах автору принадлежит программная реализация и экспериментальные исследования методов и входящих в их состав алгоритмов.

В тексте диссертации ссылки на работы автора помечены звездочками (*).

Структура диссертации

Поставленные задачи определили структуру работы и содержание отдельных разделов. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников и четырех приложений. Она изложена на 111 страницах машинописного текста (без приложений), содержит 43 рисунка, 6 таблиц, список использованных источников из 85 наименований.

Заключение диссертации по теме «Теоретические основы информатики», Урывская, Дарья Александровна

Основные результаты диссертационной работы:

1. Обобщены существующие методы псевдоголографических разверток на случай изображений произвольного размера.

2. Разработаны и исследованы методы восстановления изображений по заданной доле псевдоголограммы.

3. Разработан и исследован метод псевдоголографического кодирования цифровых изображений.

4. Разработан и исследован метод встраивания цифровых водяных знаков в цифровые изображения с использованием псевдоголографического преобразования.

5. Разработана и исследована модификация метода замены наименьшего значащего бита с использованием псевдоголографического преобразования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе разработаны и исследованы методы псевдоголографической развертки, а так же предложены и исследованы приложения псевдоголографического преобразования к задачам обработки цифровых изображений, передачи и защиты информации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Урывская, Дарья Александровна, 2012 год

1. Ahmet, М. Е., Fisher, P.S. Image Quality Measures and their performance Текст. / M. E. Ahmet, P.S. Fisher // IEEE Transactions on Communications,1995. Vol,43, No. 12.- pp. 2959-2965.

2. Aura, T. Practical invisibility in digital communication Текст./ Т. Aura // Proc. Workshop Information Hiding.- 1996.- vol. 1174.- pp.265-278. Springer. Berlin, Heidelberg.

3. Bender, W., Gruhl, D., Morimoto N., Lu A. Techniques for Data Hiding Текст. / W. Bender, D. Gruhl, N. Morimoto, A. Lu // IBM Systems Journal.1996,- pp 35-41.

4. Bruckstein, A.M., Holt, R. J., and Netravali A.N., US6091394: Technique for Holographic Representation of Images Текст. / A.M. Bruckstein, R.J. Holt, A.N. Netravali // July 18.- 2000.- p.5

5. Bruckstein, A.M. Holographic image representations: the subsampling method Текст. / A.M. Bruckstein // IEEE Int. Conference on Image Processing, Santa Barbara, California, USA, October 1997.- Vol. 1. pp. 177-180.

6. Dovgard, R. Holographic image representation with reduced aliasing and noise effects Текст./ R. Dovgard // Image Processing, IEEE Transactions .-2004.-№ 13(7).-pp. 867-872.

7. Fridrich, J., Du, R., Meng, L. Steganalysis of LSB Encoding in Color Images Текст./ J.Fridrich., R. Du, L. Meng // ICME.- 2000.-New York City, July 31-August 2, New York.-p 6.

8. Johnson, N., Duric, Zoran, Jajodia, Sushil Information hiding: steganography and watermarking: attacks and countermeasures. Springer Электр. / N. Johnson, Duric, Zoran, Jajodia, Sushil. 2001.-ISBN 978-0-7923-7204-2.

9. Khalid, S. Introduction to data compression Текст., / S. Khalid // Morgan Kaufmann Publishers.- 1996.- p. 142.

10. Kutter, M., Petitcolas, F.A. A fair benchmark for image watermarking systems Текст. / M. Kutter, F.A. Petitcolas // In Security and Watermarking of Multimedia Contents.-1999.- vol. 3657.- pp. 226-239.

11. Kutter, M., Jordan, F., Bossen, F. Digital signature of color images using amplitude modulation Текст. / M. Kutter, F. Jordan, F. Bossen// Proc. of the SPIE Storage and Retrieval for Image and Video Databases V/- 1997.- pp. 157-162.

12. Matsui, K., Tanaka, K. Video-steganography: How to Secretly Embed a Signature in a Picture Текст. / К. Matsui, К. Tanaka // Proc. of IMA Intellectual Property Project.- 1994.-vol. l,No. l.-pp. 187-205.

13. Waterloo Repertoire // Compression Database Электр. URL: http :// cdb .paradice-insight.us/

14. Агибалов, Г. П. Элементы теории дифференциального криптоанализа итеративных блочных шифров с аддитивным раундовым ключом Текст. / Г.П. Агибалов // Прикладная дискретная математика.- 2008.- № 1(1).- с. 34^2.

15. Бабаш, A.B., Шанкин, Г.П. Криптография. Под редакцией В.П. Шестрюка Текст./ A.B. Бабаш, Г.П. Шанкин, и др. под редакцией В.П. Шестрюка . -М.: СОЛОН-ПРЕСС.- 2007.-c.512.

16. Баринова, Д.А. Разработка и исследование алгоритмов обработки цифровых изображений, представленных в псевдоголографических кодах Текст. / Д.А. Баринова // Компьютерная оптика. 2005. - Выпуск 27. - с. 149-154.

17. Баринова, Д.А. Анализ псевдоголографического метода с точки зрения р-адических метрик Текст. / Д.А. Баринова // Компьютерная оптика. -2005.-Выпуск 28.-с. 128-131.

18. Бахвалов, Н.С., Жидков, Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы Текст./ Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков. М.: Наука.-1987. -С.598.

19. Ван дер Варден, Б. Л. Алгебра. Определения, теории, формулы Текст./ Б. Л. Ван дер Варден.- С-Пб.: Лань.- 2004.- с. 624.

20. Вентцель, Е.С. Теория вероятностей Текст./ Е.С. Вентцель. М.: Наука.-1969.- с. 364.

21. Вентцель, Е.С., Овчаров, Л.А. Теория вероятностей. Упражнения и задачи Текст./ Е.С. Вентцель, Л.А. Овчаров. М.: Наука.- 1969.-c.238.

22. Воронин, В. В. Голографическое представление в задачах обработки изображений Текст. / В.В. Воронин // РОАИ. 2000. -N3 .- С. 237-241.

23. Гмурман, В.Е. Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистике Текст. / В.Е. Гмурман. М.: Высшая школа.-2004.-с. 405.

24. Гмурман, В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика Текст. / В.Е. Гмурман. М.: Высшая школа.- 2003. - с. 479.

25. Гнеденко, Б.В. Курс теории вероятностей Текст. / Б.В. Гнеденко. М.: Едиториал УРСС.- 2005. - с. 448.

26. Гонсалес, Р., Вудс, Р. Цифровая обработка изображений Текст. / Р. Гонсалес, Р. Вудс. М.: Техносфера.- 2005.- с. 1072.

27. Грибунин, В.Г., Оков, И.Н., Туринцев, И.В. Цифровая стеганография Текст. / В.Г. Грибунин, И.Н. Оков, И.В. Туринцев. М.: Солон-Цресс.-2002.- с.357.

28. Данилина, Н.И., Дубровская, О.П. Численные методы Текст. / Н.И. Данилина, О.П. Дубровская. -М.: Высшая школа.- 1976. с.368.

29. Добаткина, Н.В. Основы теории телекоммуникаций Текст. / Н.В. Добаткина/. М.: Интерэкомс. - 2010. - с. 176.

30. Елисеева, И.И. Теория статистики с основами теории вероятностей Текст. / И.И. Елисеева. М.: ЮНИТИ-ДАНА.-2001. - с.446.

31. Зарубин, B.C., Крищенко, А.П. Теория вероятностей Текст. / B.C. Зарубин, А.П. Крищенко. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана.- 2004. - с.456.

32. Иванов, Д.В., Хропов, A.A., Кузьмин Е.П. Алгоритмические основы растровой графики Текст. / Д.В.Иванов, A.A. Хропов, Е.П. // Учебное пособие.- 2007.- с.24.

33. Исаев, А.Б. Современные технические методы и средства защиты информации: Учебное пособие Текст. / А.Б. Исаев. М.: РУДН.- 2008. -С.253 с.

34. Калентьев, A.A., Суханов, C.B. Преддипломная практика и дипломное проектирование Текст. / A.A. Калентьев, C.B. Суханов. Куйбышев: Куйбыш. Авиац. Инст.- 1991. - с.28 с.

35. Кейперс, JL, Нидеррейтер, Г. Равномерное распределение последовательностей Текст. / JI. Кейперс, Г. Нидеррейтер .-М.: Наука.-1985.- с. 408.

36. Колемаев, В.А., Калинина В.Н., Соловьев, В.И Теория вероятностей в примерах и задачах Текст. / В.А. Колемаев, В.Н. Калинина, И.В. Соловьев // Учебное пособие. М., 2001. - с. 87 с.

37. Колесов, В.В., Залогин, H.H., Воронцов, Г.М. Метод псевдоголографического кодирования Текст. / В.В. Колесов, H.H. Залогин, Г.М. Воронцов // Институт радиотехники и электроники РАН. -2002.-с. 68-71.

38. Колмогоров, А.Н. Теория вероятностей и математическая статистика Текст./ А.Н. Колмогоров. М.: Наука.- 1975.- с. 535.

39. Комарцова, Л.Г., Максимов, A.B. Нейрокомпьютеры. Учебное пособие для вузов Текст. / Л.Г. Комарцова, A.B. Максимов- 2-е изд. М. - Изд. МГТУ им. Баумана.- 2004.- с.400.

40. Конахович, Г.Ф., Пузыренко, А.Ю. Компьютерная стеганография. Теория и практика Текст. / Г.Ф. Конахович, А.Ю. Пузыренко- Киев: МК-Пресс.- 2006.- с. 278.

41. Красильников, H.H. Цифровая обработка изображений Текст. / H.H. Красильников. -М.: Вузовская книга.- 2001.- с. 320.

42. Кремер, Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика Текст. / Н.Ш. Кремер. М.: ЮНИТИ-ДАНА.-2004. - 573 с.

43. Кузнецов, О.П., Марковский, A.B. Квазиголографический подход к поиску в массиве цифровых изображений Текст. / О.П. Кузнецов, A.B. Марковский // Искусственный интеллект. 2004.- №2.- с. 320-324.

44. Кузнецов, О.П., Марковский, A.B. Квазиголографический подход к кодированию графической информации Текст. / О.П. Кузнецов, A.B. Марковский // Искусственный интеллект 2002.-№2.- с. 474-482.

45. Культин, Н. Delphi 4. Программирование на Object Pascal Текст. / Н. Культин . Санкт - Петербург: BHV - Санкт - Петербург.- 1999. - с.480.

46. Кунцман, Ж. Численные методы. М.: Наука, 1979. - с. 159 с.

47. Любарский, Г.Я. Математика в эксперименте Текст. / Г.Я. Любарский //. М.: Наука.-1983.-С.62.

48. Луций, Петров Corel Photo-Paint 9. Руководство пользователя Текст. / Луций, Петров //. М.: ЛБЗ.- 2000. - с.448 .

49. Марковский, A.B. О квазиголографическом кодировании цифровых изображений Текст. / A.B. Марковский // Автоматика и телемеханика.-2001.-№9.- с. 163-173.

50. Методы компьютерной обработки изображений. Под редакцией В.А. Сойфера Текст. / В.М. Гашников, Н.И. Глумов, Н.Ю. Ильясова и др., под общей ред. В.А. Сойфера. М.: Физматлит, 2001. - 784 с.

51. Методы компьютерной обработки изображений. Под редакцией В.А. Сойфера Текст. / В.М. Гашников, Н.И. Глумов, Н.Ю. Ильясова и др., под ред. В.А. Сойфера.- 2-е изд., испр.- М.: Физматлит, 2001. с.784.

52. Михайленко, C.B. Численные методы: Учебное пособие по курсу прикладная математика Текст. /C.B. Михайленко. Харьков: ХАИ.-1978.-с. 126.

53. Пестунов, А.И. Оценки сложности дифференциальной атаки при различных параметрах блочного шифра Текст. / А.И. Пестунов // ПДМ.-2010.- приложение № 3.- с.25-27.

54. Письменный, Д. Конспект лекций по теории вероятностей и математической статистике Текст. / Д. Письменный М.: Айрис пресс.-2004 - С.256.

55. Понтрягин, JI.C. Обобщения чисел Текст. / J1.C. Понтрягин. М.: Наука.- 1986.-с. 120.

56. Потапов, A.A., Пахомов, A.A., Никитин, С.А. Новейшие методы обработки изображений Текст. / A.A. Потапов, A.A. Пахомов, С.А. Никитин. — М.: Физматлит.- 2008. — с. 496.

57. Постников, М.М. Лекции по геометрии. Семестр I. Аналитическая геометрия Текст. / А.Г. Постников. -М.: Наука.-1986. с.416.

58. Постников, А.Г. Введение в алгебраическую теорию чисел Текст. / А.Г. Постников. М.: Наука.- 1971. - с.239.

59. Прэтт, У. Цифровая обработка изображений, т.1 Текст. / У. Прэтт. М.: Мир.- 1982.-c.310.

60. Прэтт, У. Цифровая обработка изображений, т.2 Текст. / У. Прэтт. М.: Мир.- 1982.-c.790.

61. Рабинер, Р., Гоулд, Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов Текст. / Р. Рабинер, Б.Гоулд. М.: Мир.-1978. - с.848.

62. Самарский, A.A., Гулин, А.И. Численные методы Текст. / A.A. Самарский, А.И. Гулин . М.: Наука. - 1989. - с. 432.

63. Самохвалов, A.B. Разработка метода интерполяции полутоновых изображений с большими пустыми областями Текст. / A.B. Самохвалов // II Вестник Ижевского государственного технического университета.-2009. № 2 (42). - с. 138-141.

64. Сергеев, В.В. Обработка изображений с использованием развертки Гильберта-Пеано Текст. / В.В. Сергеев // Автометрия.- 1984.- № 2.- с. 3037.

65. Степаненко, О. С. Сканеры и сканирование. Краткое руководство Текст./ О.С. Степаненко. — М.: Диалектика, 2005. — с.288. ISBN 5-8459-0617-2

66. Стокман, Дж., Шапиро, Л. Компьютерное зрение Текст. / Дж. Стокман, Л. Шапиро .- Минск: Бином.- 2006.- с.752.

67. Урывская, Д.А. Исследование устойчивости метода псевдоголографического кодирования цифровых изображений к корреляционному анализу Текст. / Д.А. Урывская // Компьютерная оптика. 2010. - Выпуск 34, № 4. - с. 557-562.

68. Урывская, Д.А. Псевдоголографические развертки и их приложения к задачам защиты информации Текст. / Д.А. Урывская // Омский научный вестник, «Машины, техника и технологии». 2012. -№ 1(107). - с.91-97.

69. Фомичев, В.М. Дискретная математика и криптология. Курс лекций Текст. / В.М. Фомичев.- М.: ДИалог-МИФИ.- 2003.- с.397.

70. Форсайт, Д., Понс, Ж. Компьютерное зрение. Современный подход Текст. / Д. Форсайт, Ж. Понс. Вильяме.- 2004.- с.928.

71. Хорошко, В.О., Азаров, О.Д., Шелест, М.С. Основы компьютерной стеганографии Текст. /В.О. Хорошко, О.Д. Азаров, М.С. Шелест.-Винница: ВДТУ, 2003.- с. 286.

72. Чернов, В.М. Арифметические методы синтеза быстрых алгоритмов дискретных ортогональных преобразований Текст. / В.М. Чернов. М.: Физматлит.- 2007.- с. 264 .

73. Ярославский, Л.П. Цифровая обработка сигналов в оптике и голографии: Введение в цифровую оптику Текст./ Л.П. Ярославский. М.: Радио и связь,- 1987. - с. 297 .1. AFS» «Barbara»