Криптографический кодек для муарового маскирования изображений

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ КРИПТОГРАФИЧЕСКИЙ КОДЕК ДЛЯ МУАРОВОГО МАСКИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники(72) Авторы Борискевич Анатолий Антонович Цветков Виктор Юрьевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники(57) Криптографический кодек для муарового маскирования изображений, состоящий из кодера, включающего фазовый модулятор и блок муарового маскирования, декодера,включающего фазовый демодулятор и блок муарового демаскирования, и генератора ключевых муаровых масок, общего для кодера и декодера, причем первый вход фазового модулятора является входом кодера, выход фазового демодулятора является выходом декодера, вторые входы модулятора и демодулятора соединены с выходом генератора ключевых муаровых масок, отличающийся тем, что содержит блоки муарового маскирования и демаскирования, первый вход блока муарового маскирования соединен с выходом фазового модулятора, выход блока муарового маскирования является выходом кодера,первый вход блока муарового демаскирования является входом декодера, выход блока муарового демаскирования соединен со входом фазового демодулятора, вторые входы блоков муарового маскирования и демаскирования подключены к выходу генератора ключевых муаровых масок.(56) 1.., Мао .,С.К.3/ ,21, 2004. - . 749-761. 2. - , - ./236, 2004. - . 295-301. Полезная модель относится к области информационной безопасности и может быть использована в системах передачи и хранения данных для визуального шифрования цифровых изображений. Целью полезной модели является повышение уровня зашиты зашифрованных изображений от дешифрования, надежное визуальное маскирование высокочастотных объектов изображений и восстановление изображений без потерь в результате расшифрования. Данная цель достигается введением блоков муарового маскирования и демаскирования, а также использованием генератора ключевых муаровых масок,формируемых на основе обратимых целочисленных функций. Известен криптографический кодек изображений, использующий множество трехмерных хаотических масок и состоящий из генератора ключей, блока преобразования данных,блока наложения маски и блока нормировки 1. Однако данный кодек обладает низким быстродействием и значительной сложностью из-за итерационного характера процесса визуального шифрования изображений. Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является криптографический кодек изображений, использующий муаровые образы для восстановления изображений и состоящий из кодера, включающего фазовый модулятор, декодера, включающего сумматор и низкочастотный фильтр, и генератора двухмерных ключевых масок, общего для кодера и декодера, причем первый вход фазового модулятора является входом кодера,выход фазового модулятора является выходом кодера, первый вход сумматора является входом декодера, выход сумматора соединен со входом низкочастотного фильтра, выход которого является выходом декодера, вторые входы фазового модулятора и сумматора соединены с выходом генератора двухмерных ключевых масок 2. Однако данный кодек имеет низкий уровень защищенности зашифрованных изображений от дешифрования без знания ключа и не обеспечивает надежное муаровое маскирование высокочастотных деталей изображений из-за использования генератора двухмерных ключевых масок, формируемых на основе необратимых гармонических функций, которые не устраняют психовизуальную избыточность. Данный кодек не позволяет восстановить без потерь зашифрованное изображение из муарового образа из-за использования низкочастотного фильтра в декодере. Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, - создание криптографического кодека для шифрования изображений посредством их преобразования в муарограммы с помощью ключевых муаровых масок, формируемых на основе обратимых целочисленных функций. Техническим результатом, который может быть получен при использовании данной полезной модели, является повышение уровня защиты зашифрованных изображений от дешифрования, надежное муаровое маскирование высокочастотных деталей изображений, восстановление изображений без потерь в результате расшифрования и отсутствие эффекта размножения ошибок при передачи по каналу с помехами. Поставленная задача решается тем, что криптографический кодек для муарового маскирования изображений, состоящий из кодера, включающего фазовый модулятор и блок муарового маскирования, декодера, включающего фазовый демодулятор и блок муарового демаскирования, и генератора ключевых муаровых масок, общего для кодера и декодера,причем первый вход фазового модулятора является входом кодера, выход фазового демодулятора является выходом декодера, вторые входы модулятора и демодулятора соедине 2 56652009.10.30 ны с выходом генератора ключевых муаровых масок, отличающийся тем, что содержит блоки муарового маскирования и демаскирования, первый вход блока муарового маскирования соединен с выходом фазового модулятора, выход блока муарового маскирования является выходом кодера, первый вход блока муарового демаскирования является входом декодера, выход блока муарового демаскирования соединен со входом фазового демодулятора, вторые входы блоков муарового маскирования и демаскирования подключены к выходу генератора ключевых муаровых масок. Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что предлагаемый криптографический кодек позволяет преобразовать изображение в муарограмму и восстановить изображение без потерь из муарограммы за счет использования генератора ключевых муаровых масок, формируемых на основе обратимых целочисленных функций. Предложение иллюстрируется следующими чертежами. На фиг. 1 представлена структурная схема криптографического кодека для муарового маскирования изображений, на фиг. 2 - обратимые целочисленные функции, аппроксимирующие гармоническую функцию, на фиг. 3 - ключевые муаровые маски, на фиг. 4 - тестовое изображение, составная муаровая маска и составная муарограмма, на фиг. 5 - дешифрованные образы тестового изображения, извлеченные из муарограммы. Криптографический кодек для муарового маскирования изображений состоит из кодера (1), включающего фазовый модулятор (2) и блок муарового маскирования 3, декодера(4), включающего блок муарового демаскирования 5 и фазовый демодулятор (6), и генератора ключевых муаровых масок (7), общего для кодера и декодера, причем первый вход 8 фазового модулятора (2) является входом кодера (1), выход 12 блока муарового маскирования 3 является выходом кодера (1), первый вход 13 блока муарового демаскирования 5 является входом декодера (4), выход 17 фазового демодулятора (6) является выходом декодера (4), второй вход 9 фазового модулятора (2), второй вход 16 фазового демодулятора(6), второй вход 11 блока муарового маскирования 3 и второй вход 14 блока муарового демаскирования 5 соединены с выходом 18 генератора ключевых муаровых масок (7)(фиг. 1). В предложенном криптографическом кодеке для надежного муарового маскирования высокочастотных деталей изображения используются ключевые муаровые маски, формируемые с помощью обратимых целочисленных функций. На фиг. 2 в качестве примера представлены две обратимые целочисленные дискретные функции, аппроксимирующие гармоническую функцию, которая используется при моделировании муарэффекта (муарового образа), где- номер дискрета на периоде функции . Значения,пикселей ключевой муаровой маски могут быть вычислены с помощью соотношения параметр, характеризующий частоту муаровых полос в маске (,у,х 0,у 0,0) - структурная функция, определяющая форму муаровых полос (, ) - координаты пикселя в пространственной области 0,1 ,0,1- размер муарограммы, ключевой муаровой маски и шифруемого изображения (х 0,у 0) - координаты центра поворота структуры муаровой маски 0 - угол поворота структуры муаровой маски- значение динамического диапазона муарограммы, равное значениям динамических диапазонов шифруемого изображения и муаровой маски. Множество всех возможных значений параметров ключевой муаровой маски 0, (0, 0), 0 образуют пространство секретных ключей, размер которого определяет криптостойкость муарограммы. Целочисленные значения функции, ограниченные динамическим диапазоном , могут быть вычислены с помощью выражения(0(0,0, 0, где- операция округления до ближайшего целого- операция по модулю . Функция (х,у,х 0,у 0, 0) может быть задана,например, одним из следующих выражений 3 характер изменения структуры ключевой муаровой маски в направлениии- опера при,- размер квадратной муаровой ция вычисления абсолютного значенияпри. маски, определяемый размером большей стороны шифруемого изображения. В качестве примера на фиг. 3 приведены полутоновые изображения ключевых муаровых масок,для обратимой целочисленной функции, задаваемой выражением(0(, , х 0, 0,0, и структурной функции, задаваемой выражением (0,0,0),при 256, 030, х 00, у 00 и 0104,106,108. Защищенность зашифрованных изображений от дешифрования без знания ключа определяется количеством ключевых муаровых масок, которое зависит от чувствительности их маскирующих свойств к изменению параметров 0, (0,0) и 0 и определяется с помощью выражения,,где ,/число возможных центров поворота структуры муаровой маскишаг сдвига центра поворота структуры муаровой маски по осями 360/ - число возможных угловых ориентации структуры муаровой маски относительно центра поворота- шаг изменения угловой ориентации структуры муаровой маски( - )/ число возможных значений частотного параметраи- максимальное и минимальное значения частотного параметра- шаг изменения частотного параметра. Для полутоновых изображений размером 512512 пикселей чувствительность структуры ключевой муаровой маски к изменению начальных параметров 0, (х 0,у 0) и 0 составляет соответственно 5105 (при 0103 ,1015 ),5 (при 00,511 ,00,511 ) и 1 (при 00,360 ). Восстановление изображения невозможно, если значение хотя бы одного из секретных параметров 0, (х 0,у 0) и 0 отличается от исходного значения более чем на установленные значения ,и . Минимальное число ключевых муаровых масок для полутонового изображения с 8-битовым представлением пикселей размером 512512 пикселей составляет,381015255 из общего числа 2512512822097152 возможных двухмерных ключей. Криптографический кодек для муарового маскирования изображений работает следующим образом. При зашифровании на первый вход 8 фазового модулятора (2) поступают значения,пикселей шифруемого изображения. На второй вход 9 фазового модулятора (2) поступают значения,пикселей маски, формируемой генератором ключевых муаровых,модулированной муаровой маски, вычисляемые в соответствии с выражением 0( , ,0 ,0 ,0 ),,. При вычислении значений функциис ис,56652009.10.30 пикселей модулированной муаровой маски поступают на первый вход блока муаро,вого маскирования 3. На второй вход 11 блока муарового маскирования 3 поступают зна чения,пикселей маски, формируемой генератором ключевых муаровых масок (7) с секретными параметрами 0,(х 0,у 0),0. На выходе 12 блока муарового маскирования 3 формируются значенияпикселей муарограммы, вычисляемые в соответствии с вы,ражением,. Муарограмма передается по каналу связи или запи сывается в память. В качестве примера на фиг. 4 представлены тестовое изображение,составная ключевая муаровая маска из шести частей и соответствующая маске составная муарограмма. Составная ключевая муаровая маска сформирована с помощью структурной функции вида (0,0,0)при различных значениях частотного параметра 0 и фиксированных значениях (х 0,0) и 0. В табл. 1 приведены значения частотного параметра 0 для различных структурных частей ключевой муаровой маски и муарограммы,приведенных на фиг. 4 и определяемых координатамии . Таблица 1 Значения частотного параметра 0 103 104 106 108 2,5103 5103 При расшифровании на первый вход 13 блока муарового демаскирования 5 поступают значенияпикселей муарограммы. На второй вход 14 блока муарового демаскирова,ния 5 поступают значения,пикселей маски, формируемой генератором ключевых муаровых масок (7) с секретными параметрами 0,(х 0,у 0),0. На выходе 15 блока муарового демаскирования 5 восстанавливаются значенияпикселей модулированной муа ,ровой маски, вычисляемые в соответствии с выражением С выхода 15 блока муарового демаскирования 5 значенияпикселей восстанов ,ленной модулированной муаровой маски поступают на первый вход фазового демодулятора 6. На второй вход 16 фазового демодулятора (6) поступают значения,пикселей маски, формируемой генератором ключевых муаровых масок (блок 7) с секретными параметрами 0,(х 0,у 0),0. На выходе 17 фазового демодулятора (6) формируются значениявосстановленных пикселей изображения, вычисляемые в соответствии с выражением 1,0( , ,0 ,0 ,0 ),. При вычислении значений функциипо выражения 1,. Для полного восстановления исходного изображения и обеспечения дляравенства,необходимо знание структур, ной функции (х,у,х 0,0,0) и множества секретных параметров 0,(х 0,у 0),0. В качестве примера на фиг. 5 представлены дешифрованные образы тестового изображения, извлеченные из муарограммы, сформированной на основе обратимой целочисленной функции 56652009.10.30 следующих значениях ключевых параметров 0106, (х 00, у 00), 00 и незнании одного из параметров 0, (х 0,у 0) или 0. Ошибка дешифрования исходного изображения за висит от различий 000 ,000 ,000 и 000 значений параметров 0 , ( 0 ,0 ) и 0 , подбираемых при дешифровании, от истинных ключевыхзначений 0, (х 0,у 0) и 0. Маскирующие свойства ключевых муаровых масок по отношению к высокочастотным деталям изображений зависят от статистических характеристик масок. Дня оценки статистических характеристик ключевых муаровых масок, а также шифруемых изображений и муарограмм целесообразно использовать энтропию Н и дисперсиюэнтропии, определяемые с 10- вероятность появления -го значения интенсивности пикселей исходного изображения, ключевой муаровой маски и муарограммычисло появлений пикселей с-м значением интенсивности. В табл. 2 представлены значения статистических характеристик для тестового изображения, приведенного на фиг. 4, ключевой муаровой маски,сформированной с помощью обратимой функции(0(0,0,0 и структурной функции (0,0,0)при 0106, (00, у 00), 00, и муарограммы. Таблица 2 Статистические характеристики тестового изображения,муаровой маски и муарограммы Статистические параметры Из табл. 2 видно, что муарограмма приобретает статистические характеристики ключевой муаровой маски, свойства которой несущественно отличаются от случайного процесса, и практически не зависит от статистических характеристик шифруемого изображения. Это позволяет надежно маскировать как низкочастотные, так и высокочастотные объекты изображений. Технико-экономическое преимущество предложенного криптографического кодека для муарового маскирования изображений по сравнению с прототипом заключается в повышении уровня защищенности изображении от дешифрования за счет увеличения числа ключей, надежном маскировании высокочастотных деталей изображений за счет использования ключевых муаровых масок и муарограмм, имеющих статистические характеристики случайных процессов, и восстановлении зашифрованных изображений без потерь за счет исключения низкочастотного фильтра из декодера и использования генератора ключевых муаровых масок, формируемых с помощью обратимых целочисленных функций. Таким образом, предложенный кодек обеспечивает высокий уровень защищенности изображений от дешифрования, высокую надежность муарового маскирования высокочастотных деталей изображений, восстановление изображений без потерь в результате расшифрования и отсутствие эффекта размножения ошибок при передачи по каналу с помехами. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7