Защита конфиденциальных данных в традиционных носителях информации на бумажной и пластиковой основе методами цифровой голографии

М.В. Смирнов, Санкт-Петербург,
smirnoff04@mail.ru                      English

ПРОБЛЕМА. В последние годы, как у нас в стране, так и за рубежом успешно ведется разработка и внедрение электронных документов, и в частности документов с микрочипами. Цифровое представление данных, обеспечивает удобный ввод и редактирование данных, высокую помехоустойчивость записи, простоту считывания и просмотра данных. Однако подобная простота привлекательна и для взломщиков. Примеров взлома цифровых данных предостаточно. Фальсификация и подделка таких документах как паспорт, водительское удостоверение, банковские или идентификационные пластиковые карты, медицинский полис, сертификаты соответствия и др. наносит ощутимый экономический, правовой и моральный вред.
Keywords: конфиденциальные данные, персональная информация, цифровая голография, цифровые водяные знака, digital holographic watermarking, средства защиты информации, цифровая стеганография, информационная безопасность

РЕШЕНИЕ. Работа посвящена технологии Holographic WaterMark (HWM) по сокрытию и защите конфиденциальных визуальных данных в носителях информации с помощью методов цифрой голографии. Объектами применения служат как традиционные носители информации на бумажной и пластиковой основе, так и электронные документы, включая изображения на экране монитора. Визуально наблюдаемые документы и фотоизображения, в любом случае, является аналоговыми вне зависимости от того, был ли сделан снимок цифровой камерой или пленочной. Последнее утверждение так же справедливо при просмотре фотоизображений на экране мониторов. В решение проблемы положен постулат: основным препятствием для взлома, осуществляемого цифровыми средствами, служит аналоговое представление скрываемых данных в фотоносителе.

АЛГОРИТМЫ. Алгоритмы HWM обеспечивают внедрение и сохранение скрытых данных в фотоносителях на бумажной или пластиковой основе [1,2,3], занимая нишу в цифровой стеганографии. В отличии от известных технологий, объект идентификации и средство защиты образуют единый условно-зависимый объект. Обеспечивается сочетание стеганографического подхода скрытия и криптографического шифрования данных. Принятие решения о принадлежности документа основывается на визуальном восприятии восстановленных скрытых данных.

Применение технологии HWM не связано с изменением существующих технологий изготовления документов и пластиковых карт. Алгоритм HWM базируется на применении стандартной оргтехники.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ. Работа посвящена созданию технологии и программного обеспечения аналого-цифрового сокрытия и защиты данных в традиционных носителях информации, а так же электронных документах в обеспечение комплексной информационной безопасности. Пакет модулей реализован на языке программирования C++ в среде Borland Builder [6]. Также разработан серверный вариант на языке Perl для работы в режиме on-line.

Методически, технология и программное обеспечение HWM представляет собой два независимых процесса cинтеза и восстановления цифровых голограмм Фурье [4]. Первый процесс I предназначен для синтеза цифровых голограмм Фурье скрываемых данных (идентификаторов, меток), и их встраивание в аналоговые носители данных. Второй процесс II является обратным и заключается в восстановлении голограммы скрытых данных. Событие обнаружения скрытых данных служит для принятия решения о подлинности документа или прав владельца. Голографический подход и теоретическое обоснование изложены в работе [1,2], в которой установлено, что встраивание скрываемых данных в спектре изображения, эквивалентно встраиванию голограммы Фурье этих данных в изображение. На рисунке представлены два независимых процесса cинтеза и восстановления цифровых голограмм Фурье.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ.

Пример I. Встраивание скрытых идентификационных данных в печатную продукцию.

В примере, исходными данными для защиты является цифровой макет журнала, изготовленный программно для последующей печати на принтере. Данная процедура, в соответствии с элементами тракта преобразования получила название «print-scan».

Cхема преобразования «print-scan». На схеме, пункт a) - процесс встраивания скрытого идентификатора в цифровой макет и вывод результирующего изображения на печать, b) - процесс сканирования изображения со встроенным скрытым идентификатором и выполнение двухмерного преобразования Фурье в программном блоке для восстановления голограммы искомого объекта.

1) Исходная картинка для печати (цифровой макет)

Рис.1.1. Цифровой макет обложки журнала "Atlas for Men" с содержимым в виде текста, графики и фотографий.

1.2) Гистограмма яркостей исходного изображения-контейнера

Рис.1.2. Гистограмма изображения на рис.1.1 и схематичное представление процесса встраивания голограммы скрытого идентификатора в изображение-контейнер на рис.1.1.

1.3) Изображение-контейнер после встраивания идентификационного кода

Рис.1.3. Увеличенный фрагмент (300%) изображения-контейнера после встраивания в цифровой макет идентификатора в виде иероглифа
Рис.1.4. Увеличенный фрагмент (300%) изображения-контейнера со встроенным идентификатором после вывода на печать и последующего сканирования (процесс «print-scan»)

1.4) Результат восстановления голограммы скрытого идентификационного кода

Рис.1.5. Результат восстановления голограммы скрытого идентификатора в виде изображения иероглифа. Результат восстановления показан в консоли программного пакета HWM.

Пример II. Встраивание голограмм скрытых идентификаторов в художественные высококачественные репродукции

Рис.2.1. Художественная репродукция на холсте со встроенными срытыми данными в виде алфавитно-цифровых символов. Размер исходного цифрового макета 9040x4064 пикселов. Разрешение фоторегистрации 600 dpi. Процесс «print-cam», цифровая камера SM-G920F смартфона Samsung S8.
Рис.2.2. Варианты восстановления голограммы скрываемых данных. Размер области встраивания скрытых данных 128x128 пикселов.

Пример III. Встраивание голограмм скрытых идентификаторов в изображения на экране монитора

Рис.3.1. Фотоизображение со встроенной голограммой скрытых данных, полученное при фотографировании экрана с помощью смартфона. Размер фотоснимка 4208x3120 пикселов. Съемка выполнена цифровой камерой LG-E975w непосредственно с экрана монитора ПК. Процесс «screen-cam».
Рис.3.2. На рисунке представлена консоль программного пакета HWM с результатом восстановления голограммы скрытых данных в виде набор символов латиницы размером 128х128 пикселов.

Пример IV. Встраивание голограмм скрытых идентификаторов в изображения на пластике

Рис.4.1. Фотография пластиковой карты со встроенной голограммой скрытых данных в виде знака копирайта ©. Полный размер изображения-контейнера составляет 1026х1029 пикселов с пространственной плотностью записи 600dpi. Сканирование выполнялось на стандартном устройстве при dpi равным 1200. Процесс «print-scan».
Рис.4.2. Увеличенный фрагмент (400%) портрета-контейнера со встроенной голограммой.
Рис.4.3. Результат восстановления скрытых данных из изображения на пластиковой карточке.
Рис.4.4. Изображение на экране монитора HP пластиковой карточки электронного паспорта со встроенным водяным знаком.
Рис.4.5. Спектр мощности изображения со встроенными данными в пластиковой карточке электронного паспорта.

Пример V. Защита скрытыми идентификаторами документов в форматах DOC, PDF, HTML и других электронных документов

Рис.5.1. Документ в формате DOC с подложкой в виде голограммы скрытых данных (идентификатора). Рис.5.2. Фотография с экрана монитора документа DOC со встроенной голограммой скрытого идентификатора. Фотосъемка выполнена с помощью смартфона с цифровым разрешением 3120x4208 пиксесов. Рис.5.3. Результат детектирования скрытых данных при фотографировании документа DOC с экрана монитора. Результат восстановления показан в консоли программного пакета HWM.

Пример VI. Передача шифрограмм в изображениях-контейнерах

Сочетание шифрования (криптографии) и сокрытия данных в изображениях-контейнерах обеспечивает высокую защищенность передачи конфиденциальной информации по открытым каналам связи. Шифрование выполняется методами перестановки элементов бинарного изображения текстового сообщения.

Рис.6.1. Пример перестаноки элементов бинарного изображения. Ключ перестановки (закрытый ключ): [28 1 19 3 22 5 18 7 11 9 10 4 12 31 14 26 24 17 6 2 20 21 8 23 16 25 15 27 0 29 30 13].

a)

b)

Рис.6.2. Слева a) изображение-контейнер (открытый ключ) и его гистограмма яркости.
Справа b) изображение и гистограмма со встроенной голограммой текстового сообщения.

В открытый канал связи поступает изображение со встроенной голограммой (картинка справа на рис.6.2.). На стороне получателя для детектирования голограммы (картинка слева на рис.6.3.) применяется открытый ключ, а затем осуществляется дешифрирование.

a)

b)

Рис.6.3. Слева a) голограмма текстового сообщения после детектирования с помощью открытого ключа.
Справа b) результат дешифрирования и восстановления голограммы текстового сообщения.

Пример VII. Сокрытие и передача фотографий секретных объектов в изображении-контейнере

Представлены возможности стеганографии в задаче сокрытия фотографических материалов секретных объектов в изображениях-контейнерах методами цифровой голографии [5].

Рис.7.1. Фотография секретного объекта.

Рис.7.2. Изображение-контейнер со встроенной голограммой секретного объекта на рис.7.1. В левом верхнем углу показан увеличенный фрагмент с волной голограммы.

Рис.7.3. Результат восстановления цифровой голограммы секретного объекта.

Пример VIII. Голографическая фотолитография шаблонов в микроэлектронике

По мнению [3], голографическая литография радикально решает проблему проекционного объектива, поскольку для воспроизведения голографического изображения он вообще не нужен. Синтез голограммных масок (транспарантов) позволяет преодолеть многие технологические проблемы традиционной фотолитографии и предлагает радикально более простую и дешевую литографическую технологию [3,4]. В разделе "Цифровая голограммная литография" представлен пример программного решения обратной задачи для получения голограммной маски-транспаранта, которая в оптической схеме обеспечивает требуемое изображение фотошаблона на кремниевой подложке.



КОНКУРЕНЦИЯ
a) Производители защитных оптических голограмм, которые наносятся поверх документов. В концептуальном плане данная технология мало отличается от нанесения обычного печатного штампа поверх документа. Данный подход не обладает условной зависимостью по схеме "элемент защиты - защищаемый документ". В случае подделки документа, оптическая голограмма, нанесенная поверх, не будет свидетельствовать о событии фальсификации.

b) Производители интеллектуальных микро-чипов, которые могут быть имплантированы, например, в кредитные карты. Стоимость таких микро-чипов превосходит стоимость встраиваемых скрытых данных в пластик по технологии HWM на 2-3 порядка. Существует большая вероятность взлома.

РЫНОК
a). Оказание услуг печати бумажных и фотографических материалов со скрытыми идентификационными данными
b). Оказание услуг идентификации владельца полиграфической продукции
c). Гос. заказы на изготовление сертификатов, дипломов, аттестатов, паспортов, документов на пластике со встроенными скрытыми данными
d). Продажа лицензий программного продукта HWM

Партнерами по внедрению программного продукта HWM могут быть фирмы связанные с производством современной бытовой цифровой техники:

• цифровых фотокамер
• сканеров и принтеров
• цифровых сигнальных процессоров
• производители полиграфической продукции

Модель рынка PAM. Глобальный рынок, не ограниченный географией или другими факторами.

АВТОРСКОЕ ПРАВО
Публикация. Голографический подход к встраиванию скрытых водяных знаков в фотографии - Оптический журнал, том.72, №6, 2005. Смирнов М.В.

КОНТАКТЫ
Михаил Смирнов
E-mail: smirnoff04@mail.ru
http://smirnov.spb.su
Санкт-Петербург

[1] Смирнов М.В. Голографический подход к встраиванию скрытых водяных знаков в фотографии - Оптический журнал, том.72, №6, 2005
[2] M.V. Smirnov. Holographic approach to embedding hidden watermarks in a photographic image - Journal of Optical Technology Vol. 72, Issue 6, pp. 464-468 (2005)
[3] Инновационная фотолитография -
https://stimul.online/ articles/innovatsii/mikroelektronika- prosto-bystro-i-deshevo/
[4] Голографическая фотолитография - https://studfile.net/ preview/315922/page:10/