Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1 Анализ основных методов маркировки в производственном документообороте
Типичные нарушения производственного документооборота и формулирование комплекса требований к маркировке 13
Обзор известных технологий маркировки 17
Постановка задачи маркировки 34
Выводы по главе 1 44
Глава 2 Новый метод идентифицирующей маркировки графических изображений
Основы метода и определение допустимых модификаций пикселей при маркировке 45
Кодирование с помощью допустимых модификаций пикселей 60
Маркировка изображений двоичными последовательностями 64
Выводы по главе 2 90
Глава Э Математические модели нового метода идентифицирующей маркировки
3.1 Математическая модель метода при маркировке ЛСВ-изображений с
автоматической идентификацией маркера 91
Математическая модель метода при маркировке отпечатков с автоматической идентификацией маркера 101
Включение технологии маркировки документов в автоматизированную
пользовательскую систему документооборота 116
Выводы по главе 3 118
Глава 4 Экспериментальные исследования метода идентифицирующей
маркировки
4.1 Общая программа экспериментальных исследований метода
идентифицирующей маркировки 119
Результаты экспериментальных исследований метода при маркировке 24-битовых ЛСД-изображений с автоматической идентификацией маркера 122
Результаты экспериментальных исследований метода при маркировке
отпечатков с автоматической идентификацией маркера 127
Выводы по главе 4 134
Заключение 136
Список использованных источников 138
Приложение А Пример маркировки рукописных материалов 146
Приложение Б Результаты маркировки 24-битовых RGB-файлов
при размерах зоны толерантности (2x2x2) 149
Приложение В Результаты маркировки 24-битовых RGB-файлов
при размерах зоны толерантности (4x4x4) 154
Приложение Г Результаты маркировки 24-битовых RGB-файлов
при размерах зоны толерантности (8x8x8) 159
Приложение Д Результаты маркировки 24-битовых RGB-файлов
при размерах зоны толерантности (16x16x16) 164
Приложение Б Битовые карты отпечатков, полученные на принтере
HP DeskJet 560С 169
Приложение Ж Сканы отпечатков, полученных на принтере EPSON
STYLUS Photo 750 173
Приложение И Сканы отпечатков, полученных на принтере HP DeskJet
560С 177
Приложение К Расстояния между растровыми точками (EPSON STYLUS
Photo 750) 181
Приложение Л Расстояния между растровыми точками (HP DeskJet 560С)... 185
Введение к работе
Магистральное направление повышения эффективности современного промышленного производства состоит в комплексной компьютеризации всех его сфер и стадий, обеспечении унификации и стандартизации спецификаций промышленной продукции на всех этапах ее жизненного цикла. Особое место в комплексной компьютеризации по наукоемкости, сложности и трудоемкости процессов, занимает автоматизация процессов разработки, подготовки производства и освоения новой продукции. Современные CAD/CAM/CAE - системы, решающие задачи автоматизации конструкторской, технологической и производственной подготовки, радикально изменили организацию производственного процесса и в первую очередь процесс конструкторского документооборота.
Традиционный конструкторский документооборот основывался на единой системе конструкторских документов (ЕСКД). В ЕСЬСД чертежная документация описывала геометрию деталей и сборочных единиц через плоские изображения: виды, сечения, разрезы и приложенные к ним символы размеров, т. е. использовался дискретный символьный способ описания. Геометрия в плоских символах существовала всего лишь как язык, на котором конструктор передавал свое представление формы технологу, прочнисту и другим участникам процесса производства. Несовершенство и слабость такого метода очевидны: вслед за чертежом следовала его интерпретация - перевод с языка символов на язык технологии изготовления. При этом каждый участник производственного процесса неизбежно повторял труд конструктора и вносил смысловые потери и неоднозначные толкования.
В традиционном конструкторском документообороте основным информационным, учетным и технологическим документом является документ на бумажном носителе.
Документ на бумажном носителе обладает следующими важными свойствами [1]:
информация физически неотделима от носителя. Ее можно воспроизвести или повторить на таком же носителе, но это будет уже копия документа с другим правовым статусом.
подпись под документом существует отдельно от информации, то есть является буквально атрибутом носителя, а не самого документа. Процесс простановки подписи заключается в начертании автором собственного стилизованного идентификатора на материальном носителе. Авторство собственноручной подписи доказуемо вследствие физиологических особенностей каждого индивидуума, влияющих на процесс воспроизведения подписи.
Необходимый уровень конструкторской и технологической дисциплины обеспечивается строгой регламентацией бумажного документооборота: оригиналы технической документации хранятся в бюро технической документации, а в производство и службы выдаются учтенные копии документов. Изменения в документации оформляются в виде извещений и регистрируются в листах изменений. Каждая операция с документами визируется в установленном порядке уполномоченными должностными лицами. Таким образом, протоколируется история построения документа и эволюция проекта [2].
Такая технология документооборота и совокупность свойств документов на бумажном носителе позволяют при возникновении каких - либо коллизий определить и источник возникновения нештатной ситуации, и время её появления, и авторов ошибочного решения.
Современные CAD/CAM/CAE - системы (CATIA, EUCLffiD, CADDS5, Pro/Engineer, Unigraphics и др.) предполагают радикально иную систему конструкторского и производственного документооборота, использующую электронно-цифровой макет изделия. В основе электронно-цифрового макета изделия лежит твердотельное параметрическое моделирование детали, базирующееся на формировании дерева построений, отражающего этапы её формообразования [3].
CATIA - типичный представитель систем такого класса. Электронный цифровой макет изделия в системе CATIA предлагает упорядоченную логическую
6 схему: история построения - геометрия - механические связи - свойства - ссылки (стандарты, правила, технические условия) - обоснования (доказательства).
Конечным продуктом деятельности конструкторского коллектива, работающего на языке электронного цифрового макета, является не чертеж со спецификациями, а полный технологический комплект в виде системы упорядоченных множеств описания элементов создаваемого изделия:
геометрии и свойств изготавливаемых объектов;
спецификации стандартных и поставляемых извне изделий;
спецификации механических связей и условий их обеспечения;
спецификации материалов, полуфабрикатов, инструментов;
спецификации средств механизации производства и средств контроля;
обоснований (подтверждений соответствия ТЗ и стандартам, бесконфликтности, монтажной пригодности, проверочных расчетов и пр.);
ссылок на руководящие документы (стандарты, технические условия и
др-);
графических документов для производственных исполнителей операционных карт, директивных технологий и программ ЧПУ.
Проектно - конструкторскую разработку изделия - создание электронного цифрового макета - можно считать завершенной и запускать в производство только после успешного прохождения комплекса специальных проверок на комплектность (целостность) проекта, отсутствие геометрических конфликтов, технологичность, соответствие техническому заданию и принятым на предприятии нормам и правилам. Объектом защиты (внутренней сертификации) является электронный цифровой макет, а его результатом - протокол внутренней сертификации проекта в электронном и текстовом виде.
Любые графические документы - чертежи, спецификации, схемы, операционные технологии и пр. - являются лишь временными формами представления электронного цифрового макета, не обладают правами оригинала и выдаются в производство в виде распечаток к моменту изготовления каждого элемента [2].
Все временные документы выводятся на бумажный носитель в виде отпечатков, полученных на обычных струйных или лазерных принтерах, и передаются исполнителям. Какие - либо корректировки и исправления нарушений и ошибок осуществляются самими исполнителями документов в рамках установленных процедур. Такие временные, обезличенные, легко копируемые и беспрепятственно редактируемые документы не являются первоисточниками информации по изделию, не обладают свойствами документов традиционного конструкторского документооборота, не архивируются и не хранятся как оригиналы или учтенные копии. Взаимное соответствие электронных и бумажных носителей и история их эволюции целиком зависят от воли исполнителей и их добросовестности.
Временный характер обезличенных документов, выданных в производство, не гарантирует реализацию обычных требований конструкторской и технологической дисциплины (нахождение на рабочих местах производственных документов соответствующих производственному заданию по времени, принадлежности конкретному изделию, корректности содержащейся в них информации, и т. п.). Соответственно, не гарантируется обеспечение надлежащего уровня контроля и достоверности информационного обеспечения производственного процесса.
Это потенциально несет в себе существенную опасность - при возникновении каких - либо производственных коллизий, ошибочных или нештатных действий производственного персонала, аварийных ситуаций, выявление их источника и авторов ошибочного решения часто является нетривиальной задачей. Само же разбирательство происходит, как правило, постфактум после наступления события и нанесения ущерба. Например, пересортица материала крепежа рулевого механизма ВАЗа десятого семейства привела в 1995 году к отзыву на завод нескольких десятков тысяч автомобилей и многомиллионному ущербу.
Очевидное решение этой проблемы - придание документам временных форм представления электронного цифрового макета свойств, аналогичных свойствам документов традиционного конструкторского документооборота [4]. Такая модернизация свойств документов временных форм может быть осуществлена за счет их дополнительного информационного насыщения специальными цветными
8 графическими изображениями (ГИ), т. е. за счет маркировки документа. Маркировка должна обладать такими свойствами, чтобы ее применение могло существенно затруднить несанкционированное редактирование или копирование документов с использованием обычного офисного оборудования (компьютер, принтер, сканер), и создать основу для осуществления контроля подлинности, обеспечения достоверности и идентификации документов.
Процесс маркировки заключается в дополнительном информационном насыщении электронного или печатного документа временной формы представления электронного цифрового макета изделия путем внедрения в них заранее подготовленного цветного ГИ, содержащего текущую идентифицирующую информацию [5-6]. Автоматизированная идентификация производится путем чтения маркера с помощью специального программного обеспечения (из электронного документа или скана отпечатка) и сравнения его с образцом [7]. По результатам сравнения принимается решение о подлинности документа.
Известные на сегодня технические решения маркировки документов (электронная цифровая подпись, полиграфические методы, нанесение штрих - кодов и др.) решают частные задачи и не позволяют в требуемом объеме и на применяемом в оперативном производственном документообороте оборудовании создавать средства для контроля подлинности и обеспечения достоверности документов.
Перспективное направление работ по улучшению качества маркировки -подход, широко используемый в компьютерной стеганографии для охраны интеллектуальной собственности - использование для целей маркировки информационной избыточности, присущей цветным ГИ и связанной с неспособностью человеческого зрения в известных пределах различать близкие цвета. В существующей реализации этого подхода к маркировке электронных документов с помощью манипулирования младшими битами цифрового описания близких цветов, можно осуществить дополнительное информационное насыщение изображений. Такая маркировка не отличается высокой стойкостью к несанкционированному редактированию охраняемого документа. Преодоление
9 этого недостатка позволило бы использовать маркировку документов, основанную на информационной избыточности в оперативном производственном документообороте. Таким образом, исследование методов маркировки документов (электронных и печатных), основанных на использовании избыточности цветных ГИ, является актуальным.
Целью диссертационной работы является повышение достоверности информационного обеспечения производства за счет минимизации нештатного изменения или копирования электронных и печатных документов производственного документооборота.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие основные задачи:
провести анализ существующих решений в области достоверности информационного обеспечения, использующих маркировку графических изображений (ГИ);
предложить новый метод маркировки графических изображений (ММГИ), основанный на использовании избыточности ГИ;
разработать математическую модель нового ММГИ для маркировки электронных документов;
разработать математическую модель нового ММГИ для маркировки печатных документов;
разработать алгоритмы и программные средства, обеспечивающие реализацию предлагаемых математических моделей;
провести экспериментальные исследования ММГИ с целью проверки адекватности сформированных математических моделей и реализующих их программных средств.
Методы и средства исследования. При решении диссертационных задач использовались методы математического моделирования на базе алгебраических
10 структур, методы постановки и решения задач математической статистики, функциональный анализ, элементы теории цвета и численные методы растрирования и цветогенерации, методы представления и сжатия информации, программные системы, персональные компьютеры, струйные принтеры и сканеры.
Научные положения, выносимые на защиту:
Новый метод маркировки графических изображений, основанный на избыточности ГИ, заключающийся в представлении цветового пространства ГИ в виде совокупности цветонеразличимых зон, на основе которого программной модификацией по заданному алгоритму осуществляется дополнительное информационное насыщение компонентов цветных ГИ.
Математическая модель метода для маркировки ЛСВ-изображений с автоматической идентификацией маркера.
Математическая модель метода для маркировки отпечатков графических изображений с автоматической идентификацией маркера.
Алгоритмы, обеспечивающие реализацию данных моделей.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:
Предложен новый метод маркировки ГИ, основанный на избыточности ГИ, состоящий в определении для каждого компонента цветного ГИ двух новых дескрипторов (индекса цветонеразличаемой зоны и индекса компонента в цветонеразличаемой зоне), в модификации пикселя в пределах цветонеразличаемой зоны в соответствии с маркировочными данными и в последующей идентификации маркировочных данных по значению индекса модифицированного компонента и неизменному индексу цветонеразличаемой зоны.
В рамках предложенного метода:
разработана математическая модель для электронных документов; разработана математическая модель для печатных документов;
3 Разработаны алгоритмы, обеспечивающие реализацию данных моделей.
Практическая ценность работы.
Практическую ценность работы составляют:
технология маркировки на основе предложенного метода для электронных и печатных документов;
программные средства автоматизации ММГИ, включаемые как компоненты в существующие системы документооборота.
Реализация результатов работы.
На основе теоретических и экспериментальных исследований спроектирован и реализован программный продукт "Система подготовки отпечатков с идентифицирующим фоном для принтеров с точечным выводом" (фоновая идентификация - BIGr), внедренный в Орловском филиале института проблем информатики РАН. Разработанная технология маркировки документов участвовала в конкурсе Минобразования РФ "Контрольные измерительные материалы и технологическое обеспечение проведения испытаний в рамках эксперимента по единому государственному экзамену". В соответствии с решением Оргкомитета конкурса от 26 февраля 2001 г. предложенная технология маркировки рекомендована к применению при проведении единого экзамена. Результаты работы используются в учебном процессе ОрелГТУ для студентов специальностей 351400 «Прикладная информатика» и 071900 «Информационные системы в экономике».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены на Международной научной конференции «Пользовательский интерфейс в современных компьютерных системах» (г. Орел, ОрелГТУ, 1999 г.), на секции «Проблемы построения, развития и защиты телекоммуникационных систем» Всероссийской научно-технической конференции по криптографии (г. Орел, ВИПС, 2001 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике» (ВК-27-91, г. Пенза, 2001 г.), на Международной научно-практической
12 конференции «Система учета и финансового контроля на основе современных информационных технологий» (г. Орел, ОрелГТУ, 2001 г.), на 3-ей Всероссийской научной конференции «Проблемы создания и развития информационно-телекоммуникационной системы специального назначения» (г. Орел, ФАПСИ, 2003 г.) и на семинарах кафедр ПТЭиВС и ИС ОрелГТУ в 1999 - 2003 гг.
Публикации. По результатам исследований по теме диссертации опубликовано 16 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников из 111 наименований и 10 приложений. Основная часть работы изложена на 145 страницах машинописного текста, включая 69 рисунков и 8 таблиц.
