Введение к работе
Диссертация посвящена разработке, исследованию и анализу основных свойств псевдоголографического преобразования, а так же приложению методов псевдогологра-фической 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.
Во многих случаях системы, связанные с получением, обработкой, хранением и передачей данных, имеют дело с информацией, представленной в виде изображений.
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.
Существуют различные методы преобразования изображений в одномерный сигнал, свободные от указанных недостатков. В частности, A.M. Брукштейном 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. 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 (A.M. Брукштейн) носила эвристический характер с некоторыми приложениями к задачам численного интегрирования. В дальнейшем в ряде работ (В.В. Колесов, Н.Н. Залогин, Г.М. Воронцов, О.П. Кузнецов, А.В. Марковский, R. Dovgard) 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 «голографическим» 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 псевдого-лографических преобразований, продолжает исследования в направлении восстановления изображений различными методами интерполяции, а с другой стороны предлагает совершенно новые приложения методов псевдоголографической развертки к задачам защиты информации, что делает ее безусловно актуальной.
4 Цель и задачи исследования
Целью работы является разработка и исследование новых методов обработки и защиты цифровых изображений, базирующихся на специальных методах представления исходных данных («псевдоголографической развертке»).
Для достижения этой цели в диссертации решаются следующие задачи:
Обобщение существующих методов псевдоголографических разверток/преобразований на случай цифровых изображений произвольного размера.
Восстановление цифровых изображений при частичной потере информации при передаче данных по каналу связи с пропусками.
Исследование нового метода защиты цифровых изображений с помощью псевдоголографического кодирования.
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
Проведено обобщение существующих методов псевдоголографических разверток на случай цифровых изображений произвольного размера.
Экспериментально доказана эффективность применения псевдоголографического представления цифровых изображений при передаче по каналу связи с пропусками.
Предложен новый метод кодирования цифровых изображений на основе псевдоголографического преобразования.
Предложен новый метод встраивания цифрового водяного знака в изображение с использованием псевдоголографического преобразования.
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 НИР 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 изо-
5 бражений, - Самара - 2005;
на XXXVIII Международной конференции "Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе" (IT+SE' 11), 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, из них 4 в изданиях, определенных в перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК Минобрнауки России, 8 работ выполнено без соавторов.
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.
На защиту выносятся
Обобщение существующих методов псевдоголографических разверток на случай изображений произвольного размера.
Методы восстановления цифровых изображений по фрагменту псевдоголограммы.
Псевдоголографический метод кодирования цифровых изображений.
Метод встраивания цифрового водяного знака с использованием псевдоголграфического преобразования.
Модификация метода замены наименьшего значащего бита на основе псевдоголграфического преобразования.
