Створення інформаційної технології захисту цінних паперів на основі кодуючих структур Адамара

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Українська академія друкарства

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.13.06 інформаційні технології

Створення інформаційної технології захисту цінних паперів на основі кодуючих структур Адамара

Дідух Людмила Анатоліївна

Львів 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українській академії друкарства

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізикоматематичних наук, професор Шовгенюк Михайло Васильович, провідний науковий співробітник Інституту фізики конденсованих систем НАН України, професор кафедри технології додрукарських процесів Української академії друкарства

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Шевчук Анатолій Васильович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Директор банкнотної фабрики Банкнотномонетного двору Національного банку України

доктор технічних наук, професор Сікора Любомир Степанович, старший науковий співробітник Національного університету «Львівська політехніка», професор кафедри автоматизованих систем управління

Захист відбудеться « 15 » грудня 2010 р. о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.101.01 в Українській академії друкарства за адресою: 79020, м. Львів, вул. Підголоско, 19.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Української академії друкарства. 79006, м. Львів, вул. Підвальна, 17.

Автореферат розісланий « 12 » листопада 2010 р

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради Жидецький В.Ц.

1. Загальна характеристика роботи

захист графічний відбиток кодований

Актуальність теми. Сучасні поліграфічні і комп'ютерні технології стали загальнодоступними і дозволяють легко відтворювати зовнішній вигляд практично будь-якого документу. Навіть сама найскладніша поліграфія не в змозі самостійно забезпечити належний рівень захисту від підробок. У зв'язку з цим, актуальним завданням є розробка принципово нових методів захисту цінних паперів, ефективність яких пов'язана з використанням сучасної комп'ютерної техніки та її поєднанням з високоточними математичними методами обробки зображень.

В наукових працях А.В. Шевчука, Б.В. Дурняка, В.П. Музики, С.Ю. Петряєва та ін. запропоновано та розроблено теоретичні основи і практичні концепції захисту поліграфічних документів та цінних паперів. Протягом останніх років використовувався цілий ряд методів та технологій захисту цінних паперів, зокрема лінійними та точковими періодичними та випадковими структурами, криптографічними водяними знаками, формування складних гільошних захисних сіток, побудованих на основі різних теоретичних моделей лінійних структур тощо. Ряд зарубіжних фірм, таких як KBA GIORI та ORELL FUSSLI Security Printing (Швейцарія), JOHAN ENSCHEDE Security Printing (Голандія), JURA JSP (Угорщина) та ін. працює над розробкою спеціального програмного забезпечення для технологій захисту цінних паперів.

Вперше В. Пратт, Дж. Кейн, Г. Ендрюс розробили метод кодування зображень, що ґрунтується на перетворенні Адамара. Незважаючи на його ефективність, метод не вдається зреалізувати поліграфічним способом, оскільки для розпізнавання зображення необхідно виконувати двовимірне перетворення Адамара. Вирішення цієї проблеми було досягнуто в дослідженнях, проведених М.В. Шовгенюком, М.П. Козловським, Т.Є. Крохмальським. Ідея кодування базується на принципі глобальної заміни графічного зображення кодуючими впорядкованими неперіодичними структурами, побудованими на основі ортогональних матриць Адамара без жодних ознак того чи іншого кодованого зображення та можливістю розкодовувати одним ключем різноманітні кодовані зображення. Однак в них використовувалась обмежена множина матриць Адамара та було відсутнє першопринципне дослідження усіх кодуючих структур на їх основі. Існує також ряд невирішених проблем, зокрема виготовлення висвітленого кодованого зображення, відтворення двох чи більше кольорових кодованих зображень, обмеження на роздільну здатність. Таким чином, розвиток сучасного методу поліграфічного захисту цінних паперів з використанням властивостей матриць Адамара в процесі побудови кодуючих структур є актуальним завданням для пошуку принципово нових рішень в області кодування інформації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до Договору ІФКС НАН України № 19 від 05.04.2007 р. з Національною академією наук України в рамках наукового проекту на тему «Освоєння спеціалізованого програмного забезпечення та впровадження нової технології захисту цінних паперів» (№ 0107U003257) (автору належить участь у розробці нових методів та алгоритмів кодування зображень на основі ортогональних масивів Адамара, проведення експериментальних досліджень та виготовлення дослідних зразків цінних паперів з кодованим зображенням), Договору ІФКС НАН України № 27 від 28.03.2008 р. з Національною академією наук України в рамках наукового проекту на тему «Розробка нових методів цифрової обробки кольорових зображень та пакета комп'ютерних програм для виробничо-поліграфічних систем» (№ 0108U004119) (автору належить проведення технічної та технологічної апробації спеціалізованого програмного забезпечення, проведення експериментальних досліджень технологічних умов виготовлення друкарських форм, виготовлення дослідних зразків форм та відбитків).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методів формування кодуючих структур Адамара та створення на їх основі інформаційної технології захисту цінних паперів, програмна реалізація якої забезпечує високий рівень захисту.

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовано такі завдання:

ь проведення аналізу сучасного стану технології захисту цінних паперів, поліграфічних методів їх виготовлення та обґрунтування необхідності створення нових методів захисту документів;

ь здійснення повної класифікації матриць Адамара розмірності та визначення частотних характеристики матриць, що належать до різних класів матриць;

ь розроблення методів захисту від підробки цінних паперів на основі використання властивостей матриць Адамара для кодування зображень;

ь розроблення програмного забезпечення для реалізації технології захисту цінних паперів;

ь отримання фотоформ і друкарських форм та проведення технічної апробації нової технології.

Об'єктом дослідження є технологічний процес виготовлення форм кодованого зображення для технології захисту цінних паперів на основі впорядкованих неперіодичних кодуючих структур Адамара.

Предметом дослідження є методи, способи та алгоритми формування кодуючих структур Адамара, технологічні параметри та умови виготовлення форм кодованих зображень, створення нової інформаційної технології захисту цінних паперів, яка забезпечує високий рівень захисту.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети використано методи матричного аналізу, теорію подібності матриць, статистичні методи, числові методи обробки зображень, аналітичні методи, а також теоретичні та математичні моделі на основі матриць Адамара. Експериментальні дослідження проведені за допомогою програми «ГрафіКод4» та спеціальних обчислювальних програм.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Теоретично обґрунтовано необхідність використання матриць Адамара розмірності для кодування зображень, встановлено наявність та досліджено властивості чотирьох типів матриць Адамара - канонічного, «світлого», матриць «50/50» та напівканонічного.

2. Вперше здійснено класифікацію матриць Адамара розмірності з використанням критерію подібності відносно всіх можливих перестановок рядків/стовпців, сформульовано необхідну і достатню умови подібності матриць Адамара відносно матриць перестановок та показано, що кожен клас подібних матриць Адамара характеризується своїм спектром власних значень.

3. Запропоновано новий метод виготовлення кодуючих структур на основі матриць Адамара розмірності . Сформульоване головне правило кронекерового множення при формуванні кодуючих структур великих розмірів, згідно якого при довільному виборі різних типів матриць Адамара в якості множників, кодуюча структура мінімальної розмірності повинна формуватися матрицею типу М.

4. Розроблено ефективний метод кодування зображень, який полягає у виготовленні графічного елементу захисту цінних паперів, що складається з кодованого зображення та його ключа, які при накладанні відтворюють кодоване зображення з вдвічі більшою роздільною здатністю та високою точністю суміщення.

5. Розроблено нову бібліотеку кодуючих структур для комп'ютерної програми «ГрафіКод4», що дало можливість отримати кодовані зображення шляхом використання нового способу побудови графічного елементу захисту цінних паперів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці нової інформаційної технології захисту цінних паперів, в основі якої лежить спеціалізована програма «ГрафіКод4», призначена для кодування графічних символів, знаків, дво та трирівневих графічних зображень для захисту цінних паперів. Головна функція програми - виготовлення графічного елементу захисту банкнот, цінних паперів, документів. Ідея кодування базується на принципі глобальної заміни графічного зображення кодуючими впорядкованими неперіодичними структурами, побудованими на основі ортогональних матриць Адамара.

Проведена технологічна апробація програми та одержано зразки фотоформ, офсетних форм, друкарських відбитків кодованих зображень. Роботи по впровадженню нової технології захисту цінних паперів із використанням кодованого зображення проведені на виробничій базі поліграфічного комбінату «Україна». Для виробництва передано спеціалізоване програмне забезпечення та технічна документація на використання програмного забезпечення для технологічних процесів виготовлення кодованих графічних зображень, розроблено практичні рекомендації щодо суміщення кодованого зображення та його ключа. Приведені вище результати досліджень захищені патентом України («Спосіб виготовлення графічного елементу для захисту цінних паперів»).

Особистий внесок здобувача - основні ідеї та наукові дослідження, які виносяться на захист, розроблені й отримані автором самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: [1,7,9] - пошук інформації про комп'ютерні методи обробки зображень для сучасних технологій захисту цінних паперів, [2] - розробка нового методу кодування зображень на основі ортогональних матриць Адамара, [3,1114] - експериментальні дослідження з визначення частотних характеристик бінарних елементів для задач кодування зображень, [4,8,15,16] - проведення класифікації множини всіх матриць Адамара розмірності за ознакою подібності та дослідження їх властивостей, [6] - розробка нового способу кодування графічного елементу для захисту цінних паперів, формулювання нових вимог до технологічних можливостей програми «ГрафіКод4» та її модифікація.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи представлено автором на VІ Міжнародній конференції «Комп'ютерні технології друкарства» (м. Львів, 21 - 23 грудня 2006 р.), VII міжнародній науково-технічній конференції студентів і аспірантів «Друкарство молоде» (м. Київ, 28 - 29 березня 2007 р.), VIІI міжнародній науково-технічній конференції студентів і аспірантів «Друкарство молоде» (м. Київ, 16 - 18 квітня 2008 р.), Міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні засоби та технології розроблення інформаційних систем» (м. Харків, 20 - 21 листопада 2008р.), Міжнародній конференції студентів і молодих вчених «Print2009» (м. Санкт-Петербург, 22 - 24 квітня 2009 р.), звітних науково-технічних конференціях УАД за 20062010 рр.

Публікації. Результати роботи відображені у 16 опублікованих працях, у тому числі: 5 статтях у фахових виданнях (з них 1 одноосібна), отриманому патенті України, 2 препринтах, тезах 8 доповідей.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 4 розділів основного тексту, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота викладена на 142 сторінках (зі списком використаних джерел - 155 сторінок), вона містить 106 рисунків, 8 таблиць, 131 найменування у списку використаних літературних джерел.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано її мету та завдання, визначено основні методи вирішення сформульованих задач, наведено дані про наукову новизну і практичну цінність, узагальнено результати апробації роботи.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан технології захисту цінних паперів. Встановлено, що проблема удосконалення роботи з попередження підробки цінних паперів набуває останніми роками особливої актуальності. Масовий характер виготовлення підробок і складність їх виявлення свідчать про її високу суспільну небезпеку. І тому для більш ефективної протидії різного роду підробкам цінних паперів існує необхідність застосування найсучасніших досягнень науки і техніки, розробки нових методів захисту цінних паперів, пов'язаних з розвитком потужної комп'ютерної техніки та поєднанні їх з високоточними математичними методами.

На основі аналізу науково-технічної та патентної літератури досліджені характеристики відомих кодуючих структур, які використовують у сучасних технологіях захисту цінних паперів. Визначено один з найбільш перспективних напрямків, який полягає у створенні програмного забезпечення з використанням властивостей матриць Адамара при побудові кодуючих структур. Подібні способи кодування використовувалися і раніше, однак такі кодовані структури зашумлювали видиме зображення і на межі контурів кодованого зображення ставали візуально помітними. Встановлено, що заміна випадкових структур впорядкованими неперіодичними структурами суттєво покращує якість кодування зображень. В зв'язку з цим актуальною задачею є розробка сучасних методів захисту цінних паперів з використанням спеціально створених комп'ютерних програм, що базуються на формуванні кодуючих структур на основі властивості ортогональності матриць Адамара.

У другому розділі виконано дослідження властивостей матриць Адамара, які використовуються в даній роботі для кодування оптичної інформації. Встановлено, що серед множини матриць Адамара розмірності можна виділити чотири типи. До першого з них належать канонічні матриці Адамара (типу С), в яких всі елементи одного рядка і одного стовпця рівні 1. Типовим прикладом є симетрична канонічна матриця Адамара . Другий тип включає матриці Адамара «50/50» з одинаковою кількістю елементів рівних 1 і 1 (тип М). Прикладом такої матриці є подібна матриця Адамара (рис.1). Окрім вказаних двох типів існують «світлі» матриці Адамара з мінімальною кількістю елементів рівних 1. Прикладом є діагональна матриця Адамара (тип L). В роботі вперше встановлено наявність четвертого типу ортогональних матриць Адамара. За ознаками структури стовпців ці матриці відповідають канонічному типу матриць Адамара. Проте за ознаками структури рядків вони не належать до жодного з означених вище типів матриць (типу С, M та L). Перший стовпець, що містить 4 елементи, характеризується співвідношенням «3/1», тобто має 3 світлих елементи і 1 темний, а наступні три стовпці - співвідношеннями «1/3». Групу матриць з такою структурою рядків/стовпців названо в роботі «напівканонічними» матрицями Адамара (тип D) (рис. 1). Темними комірками позначені елементи 1, а елементам 1 відповідають світлі комірки.

Класифікація за ознакою подібності множини всіх ортогональних матриць Адамара розмірності дозволила виявити більш загальні властивості таких матриць для пошуку нових ефективних методів кодування графічних зображень.

Рис. 1 Типи базових матриць Адамара: а) - канонічний (); б) - «світлий» (); в) «50/50» (); г) - напівканонічний ()

З теорії матриць відомо, що матриця подібна до матриці тоді, коли існує невироджена матриця перестановок така, що виконується умова перетворення подібності (необхідна умова):

(1)

Тут матриця виконує функцію трансформуючої матриці. Тоді ми можемо досліджувати класи подібних матриць Адамара відносно всіх можливих перестановок рядків/стовпців однієї матриці Адамара. Відношення «подібна » скорочено записуємо . Перетворення подібності (1) характеризується трьома цінними властивостями:

· Матриця Адамара завжди подібна сама до себе , коли . Якщо , то виконується симетричне перетворення подібності , тобто обернене перетворення подібності

(2)

· Якщо і , то автоматично випливає, що , оскільки

(3)

Для довільної матриці Адамара розмірності побудовано характеристичну матрицю та знайдено визначник такої матриці:

(4)

Розв'язок характеристичного рівняння дозволив розрахувати спектр власних значень матриць Адамара. В результаті проведених досліджень (з використанням критерію подібності відносно всіх можливих перестановок рядків/стовпців матриць Адамара розмірності ) встановлено, що множина матриць Адамара поділяється на 10 різних класів. При цьому, множина матриць Адамара типу С, L і M поділяється на 6 класів подібних матриць, а множина матриць типу D - на 4 класи подібності. В дисертаційній роботі розраховані спектри власних значень для всіх матриць Адамара цих типів.

Рис. 2 Клас І подібних симетричних матриць Адамара

На рис.2 (у вигляді діаграм) приведено подібні матриці Адамара, які належать до класу I. Подібні діаграми інших шести класів також приведені в другому розділі дисертації. Група матриць типу D суттєво відрізняється від попередніх типів матриць Адамара. В роботі вперше досліджено характеристичні рівняння цієї групи матриць і проведено їхню класифікацію, причому кожен з 10 класів подібних матриць Адамара характеризується притаманним лише йому спектром власних значень (табл. 1).

Таблиця 1 Класифікація матриць Адамара розмірності 44.

Клас	Спектри власних значень	Типи
	1	2	3	4	С	L	M	D
І	1	1	1	1	12	6	6
ІI	1 1	1 1	1 1	1 1	4	4
ІII	1	1			12		12
ІV					12	6	6
V	1 1	1 1			24	6	24
VІ	1 1	1 1			32	8	24
D1	1	1						32
D2	1	1						96
D3								16
D4								48
Всього:	96	24	72	192

Встановлено, що множина 768 базових ортогональних матриць Адамара розмірності включає: 96 матриць Адамара (та 96 інверсних матриць) типу C; 24 матриці типу M і 24 інверсні матриці Адамара типу L; 72 матриці і 72 інверсні матриці Адамара типу M, а також 384 матриці Адамара типу D.

Експериментальним чином встановлено, що кожна із базових матиць може практично використовуватися для кодування графічних зображень, що суттєво розширює потенційні можливості запропонованого методу кодування.

На основі використання властивостей цих матриць створено ефективний метод утворення кодуючих структур шляхом кронекерового множення матриць:

, (5)

де символ кронекерового множення. В результаті множення двох матриць Адамара отримують матрицю Адамара розмірності і т.д. При множенні матриць Адамара отримують матрицю Адамара розмірності . Таким чином, використовуючи базові матриці Адамара , на основі формули (5) можуть бути сформовані матриці необхідної розмірності. Всі такі новоутворені матриці, як і базові, відносяться до класу впорядкованих неперіодичних матриць. Встановлено, що для утворення кодуючої структури достатньо знайти кронекеровий добуток чотирьох матриць розмірності . Важливим моментом для запропонованого в дисертації способу кодування є виконання головного правила множення матриць, яке полягає в тому, що під час кронекерового добутку в якості другого множника обов'язково слід використовувати одну з базових кодуючих матриць типу M. Це було встановлено шляхом експериментальних досліджень, проведених за допомогою комп'ютерної програми «ГрафіКод4».

У третьому розділі досліджено тип графічного елемента захисту цінних паперів на основі використання матриці бінарних комірок впорядкованої неперіодичної структури, побудованої із ортогональних масивів матриць Адамара. Графічний елемент складається з кодованого зображення та його ключа, які генеруються за допомогою спеціальної комп'ютерної програми “ГрафіКод4”.

Для кодування вибирається клас базових ортогональних матриць Адамара розмірності . Для кожної матриці Адамара будується відповідна їй базова кодуюча матриця за формулою

(6)

Для кодування формується матриця бінарного зображення

(7)

де два порогові значення інтенсивності півтонового зображення. Принцип кодування полягає в глобальній заміні матриці зображення (7) матрицею бінарних комірок впорядкованої неперіодичної структури, яка і служить ключем кодованого графічного зображення.

Реалізовано новий метод кодування зображень на основі кодуючих структур Адамара. Спосіб виготовлення графічного елементу захисту банкнот, цінних паперів, документів полягає в тому, що з вхідного зображення формують кодоване зображення з використанням спеціальної комп'ютерної програми, за допомогою якої вхідне зображення перетворюють у багаторівневе графічне зображення, кожен рівень якого замінюють матрицею комірок впорядкованої неперіодичної структури. Кодоване зображення друкують на об'єкті захисту, а з другого його боку інверсно друкують ключ кодованого зображення, точно сумістивши його з кодованим зображенням. Внаслідок цього у відбитому світлі на документі кодоване зображення та його ключ візуально подібні і сприймаються як нейтрально сірий чи кольорового відтінку однорідний тон. У прохідному світлі спостерігається видиме зображення закодованої фігури графічного елементу, колір якого може бути відмінний від кольорів кодованого зображення та ключа, що служить критерієм оригінальності цінного паперу (рис. 3).

Рис. 3 Принципова схема кодування зображень

Матриці комірок впорядкованої неперіодичної структури будують методом кронекерового добутку з базових ортогональних матриць Адамара розмірності , серед яких кодуюча базова ортогональна матриця Адамара в свою чергу складається з 4 базових неортогональних матриць розмірності , які мають рівну кількість елементів +1 і 1; причому матриці комірок впорядкованої неперіодичної структури служать ключем кодованого зображення. Кодоване графічне зображення сформоване заміною кожної комірки вхідного графічного зображення неортогональними матрицями розмірності таким чином, що блок комірок вхідного графічного зображення розмірності замінюється кодуючою базовою ортогональною матрицею Адамара. Дворівневе кодоване графічне зображення формують шляхом заміни першого мінімального рівня інтенсивності вхідного графічного зображення матрицею комірок ключа кодованого зображення, а другий максимальний рівень інтенсивності формують заміною на матрицю взаємодоповнюючих комірок ключа кодованого зображення. Трирівневе кодоване графічне зображення формують заміною двох рівнів вхідного графічного зображення матрицею взаємодоповнюючих комірок ключа кодованого зображення, а третього середнього рівня інтенсивності вхідного графічного зображення зсунутими на півперіод матрицями комірок впорядкованої неперіодичної структури (рис. 4).

Рис. 4 Блоксхема кодування трирівневого зображення

Кодування вхідного зображення виконується за принципом глобальної заміни рівнів багаторівневого бінаризованого зображення блоками матриць комірок з впорядкованою неперіодичною структурою. В результаті цього на кодованому зображенні різні рівні заповнюють блоками матриць комірок з відповідною впорядкованою неперіодичною структурою, яка забезпечує візуальну нерозрізнимість ліній рівнів цього зображення. Для розкодовування зображення формують ключ, який містить одну з кодуючих структур кодованого зображення. В результаті суміщення ключа з кодованим зображенням взаємодоповнюючі блоки базових матриць комірок двох кодуючих структур перекриваються пропорційно до величини рівня і таким чином відновлюється закодоване зображення із вдвічі більшою роздільною здатністю.

На рис. 5 приведено 16 опорних матриць Адамара розмірності , які складаються з 4 неортогональних базових матриць та містять однакову кількість елементів 1 та 1.

Рис. 5 Базові матриці Адамара

Зображення, яке слід закодувати, бінаризується, причому кожним чотирьом суміжним пікселам у відповідність ставиться впорядкована неперіодична структура, еквівалентна до однієї з опорних матриць Адамара розмірності , кожна з яких в свою чергу складається з 4 базових матриць розмірності .

З метою оцінки якості кодованого зображення проаналізовано властивості кодуючих структур. Для цього було використано новий метод дослідження випадкової структури, який полягає у розрахунку дискретних розподілів характерних відстаней між сусідніми елементами та визначенні середньостатистичних характеристик структури. Кожен елемент хаотичної структури оточений сусідніми елементами, розташованими від нього на різній відстані, яку можна обчислити за формулою:

, (8)

де - відстань між елементом та його найближчими «сусідами» . Для визначення характеристики впорядкованої неперіодичної структури запропоновано розрахувати дискретний розподіл характер них відстаней l між сусідніми елементами у рядках та стовпцях матрицізображення та за одержаними результатами визначити величини:

(9)

де - середньостатистична віддаль між сусідніми елементами і відповідна їм середньостатистична частота кодуючих елементів.

Проведено частотний аналіз кодованої структури, отриманої шляхом кронекерового добутку базових матриць типу M розміром елементів. Досліджено кількість періодів однакових елементів в залежності від їхнього розміру. На рис. 6а зображено графік типового розподілу невисвітленої структури, на якому зображено 4 групи характерних відстаней, які мають однаковий розподіл частот, хоча візуально є різними.

Рис. 6 Частотні розподіли кодуючих структур Адамара: а) невисвітлена; б) висвітлена другого класу універсальності

Для кількісної оцінки якості кодованого зображення такий розподіл показує співвідношення кількості подібних груп кластерів від їх розміру і характеризує якість маски (кодуючого елементу). В цьому випадку середньо статистична віддаль і, відповідно, середньостатистична частота елементів впорядкованої неперіодичної структури . Однаковий вигляд розподілів за стовпцями і рядками означає, що кодування невисвітленого дво та трирівневого зображення, згенерованого за допомогою будьякої матриці типу М, дасть задовільний результат.

Висвітлення кодуючої структури приводить до перерозподілу групи елементів на характерних відстанях і з'являються нові, більш високі періоди. За результатами досліджень встановлено, що після процедури висвітлення 72 базових матриці типу М об'єднуються в 4 класи універсальності (частотний розподіл 2 класу зображено на рис. 6б), а результат кодування висвітленого зображення залежить від того, до якого класу універсальності входять базові матриці.

У четвертому розділі описано практичну реалізацію нової технології захисту цінних паперів, основу якої складає комп'ютерна програма «ГрафіКод4», яка виконує попередню обробку: масштабування, зміну роздільної здатності, бінаризацію зображення та ін. В склад програми включена бібліотека базових впорядкованих неперіодичних матриць, на базі яких генеруються різні типи кодуючих структур на основі матриць Адамара. Програма синтезує кольори кодованого зображення та його ключа, а також результат їх накладання при друкуванні, монтаж друкарської форми, нанесення спеціальних міток, тексту і т.п. (рис. 7).



Рис. 7 Функціональна схема програми “ ҐрафіКод4”

В результаті кодування програмою створюється і виводиться на екрані монітора кодоване зображення та ключ. Алгоритми кодування зреалізовано у вигляді бібліотеки кодуючих структур Code384.dll, яка приведена в Додатку 4. В програмі передбачена можливість накладання кодованого зображення та його ключа для візуальної оцінки на моніторі якості кодуваннядекодування.

Для технологічних потреб виводу кодованого зображення та його ключа на форму розроблена спеціальна програма ComposePage. Використовуючи дану програму, оператор проводить попередню підготовку файлів кодованого зображення та його ключа, включаючи формування робочого поля форми, монтажа кодованого зображення із суміщеним інверсним зображенням ключа на формі, нанесення спеціальних міток, текстових позначень, запису сторінок кодованого зображення в форматі PostScript для виводу на формний матеріал.

В програмі “ҐрафіКод4” операція кодування базується на принципі глобальної заміни бінаризованого графічного зображення кодуючими впорядкованими неперіодичними структурами, побудованими на основі ортогональних матриць Адамара. Ця операція виконується за допомогою найважливішого фільтра Кодувати. Кодоване зображення та його ключ виводяться на екран, що дозволяє оператору оцінити якість кодування, та накласти ці зображення для отримання розкодованого зображення графічного елементу захисту (рис. 8).

Рис. 8 Вікно програми «ГрафіКод4»

Для контролю якості кодування в програмі використовуються два фільтри: Накласти, До кольору. Фільтр До кольору переводить активне чорнобіле зображення у кольоровий варіант шляхом заміни чорного чи білого кольору на заданий колір.

Програма призначена для формування сторінок коду та ключа для друку шляхом вставлення eps файлів чи тексту та додання міток з точним позиціюванням елементів для можливості точного суміщення сторінок. Вихідний результат отримується у вигляді PSфайлу або у вигляді tiffформату. У рамках дисертаційної роботи проведено виробничі випробування нової інформаційної технології. Досягнуто позитивних результатів суміщення (в межах 50 мкм) кодованого зображення та його ключа на різних типах паперу і, відповідно, якісної візуалізації розкодованого зображення. У Додатках наведено повну класифікацію симетричних подібних матриць Адамара типу С, М, L та D типу, бібліотека кодування Code384.dll програми «ГрафіКод4», акти виробничих випробувань та впровадження нової технології захисту цінних паперів.

Висновки

У дисертаційній роботі розв'язано актуальну наукову задачу створення інформаційної технології захисту цінних паперів на основі кодуючих структур Адамара, яка забезпечує високий рівень захисту. При цьому отримано наступні результати:

1. Проведено аналіз сучасного стану технології цифрової обробки оптичної інформації для захисту цінних паперів та обґрунтовано необхідність розробки елементів захисту у вигляді кодованих графічних зображень із захисними ознаками. Визначено найбільш перспективний напрямок розвитку сучасних технологій захисту цінних паперів на стадії дизайну на основі використання впорядкованих неперіодичних структур Адамара та спеціалізованого програмного забезпечення.

2. Дано обґрунтування необхідності використання ортогональних матриць Адамара розмірності для кодування зображень. Визначено чотири типи базових матриць Адамара - канонічний (тип С), «світлий» (тип L), матриці «50/50» (тип M), напівканонічний (тип D) та досліджено їх властивості. В результаті проведених досліджень вперше встановлено, що за критерієм подібності множина всіх матриць Адамара розмірності поділяється на 10 різних класів, кожен з яких характеризується спектром власних значень. Зокрема, множини матриць Адамара типів С, L, M поділяються на 6 класів подібних матриць, а множина матриць типу D - на 4 класи подібності. Встановлено, що всього існує 768 базових ортогональних матриць Адамара розмірності , серед яких 96 матриць типу С, 24 матриці типу L; 72 матриці типу M та 192 матриці Адамара типу D. Методом комп'ютерного експерименту встановлено, що кожна з матриць може практично використовуватися для кодування графічних зображень, що суттєво розширює потенційні можливості використання впорядкованих структур Адамара для задач кодування інформації.

3. Сформульоване головне правило кронекерового множення базових матриць Адамара при формуванні кодуючих структур великих розмірів, згідно якого при довільному виборі різних типів матриць Адамара в якості множників, кодуюча структура мінімальної розмірності повинна формуватися матрицею типу М. В роботі реалізовано спосіб побудови ключа кодованого зображення у вигляді матриці комірок впорядкованої неперіодичної структури і показано, що один і той самий ключ розкодовує різні кодовані графічні зображення.

4. Розроблено і реалізовано загальний алгоритм кодування трирівневого графічного зображення шляхом глобальної заміни зображення впорядкованою неперіодичною структурою Адамара, згідно якого кожен рівень інтенсивності кодованого зображення формується в результаті перетворень базових матриць Адамара відповідно до величини інтенсивності, що забезпечує високу однорідність і візуальну нерозрізнимість кодованих зображень.

5. Реалізовано новий метод кодування зображень, який полягає у виготовленні принципово нового типу графічного елементу захисту цінних паперів на основі використання матриці бінарних комірок впорядкованої неперіодичної структури Адамара. Графічний елемент складається з кодованого зображення та його ключа, які при накладанні відтворюють кодоване зображення із вдвічі більшою роздільною здатністю. Для цього методу запропоновано матриці комірок впорядкованої неперіодичної структури будувати методом кронекерового добутку з 16 базових ортогональних матриць Адамара розмірності , які в свою чергу складаються з 4 базових неортогональних матриць розмірності і містять однакову кількість елементів 1 та 1.

6. Проведено дослідження властивостей 72 базових матриць Адамара типу М, які використовуються для кодування дво та трирівневих зображень. Встановлено, що вони об'єднуються в 4 класи універсальності. Знайдені середньостатистичні віддалі між сусідніми елементами і відповідні їм середньостатистичні частоти кодуючих структур, утворених почергово з кожної із 72 матриць Адамара. Показано, що кожна з базових матриць може бути використана для кодування як дво так і трирівневого зображення. Встановлено, що результат висвітленого кодування зображень залежить від того, до якого класу універсальності входять базові матриці Адамара.

7. Розроблено спеціалізоване програмне забезпечення для реалізації методу кодування графічних зображень на основі використання кодуючих структур Адамара, описано комп'ютерну програму, яка виконує попередню цифрову обробку зображень: масштабування, зміну роздільної здатності, бінаризацію та ін. В склад програми включена бібліотека із 384 базових впорядкованих неперіодичних матриць, на основі яких генеруються різні типи кодуючих структур. Закодована інформація про вхідне зображення формується за принципом глобальної заміни кожного рівня багаторівневого вхідного зображення матрицею комірок, яка має впорядковану неперіодичну структуру високої роздільної здатності. Програма синтезує кольори кодованого зображення та його ключа, а також результат їх накладання при друкуванні, монтаж друкарської форми, нанесення спеціальних міток, тексту і т.п.

8. Створено інформаційну технологію захисту цінних паперів на основі кодуючих структур Адамара, яка включає виготовлення кодованого зображення та його ключа для двостороннього друкування суміщених зображень, кодованого зображення з автономним ключем, різних варіантів виготовлення світлого кодованого зображення, кодування двох кодованих зображень, одне з яких друкується УФфарбами разом із ключем. Для реалізації інформаційної технології захисту було виготовлено в умовах виробництва фотоформи, друкарські форми і відбитки кодованих зображень. На основі отриманих результатів випробувань встановлено, що розроблені методи кодування оптичної інформації за новою технологією дають порівняно з існуючими технологіями достатньо високу точність суміщення (в межах 50 мкм) кодованого зображення та його ключа, і відповідно, візуалізацію розкодованого зображення високої якості. Приведено матеріали випробувань, які показали, що нова інформаційна технологія захисту цінних паперів може бути рекомендована для промислового виробництва бланків цінних паперів та документів суворого обліку з високим ступенем захисту.

Основні положення дисертаційної роботи викладено в роботах

1. Дідух Л. А. Комп'ютерні методи обробки зображень для сучасних технологій захисту цінних паперів / Л. А. Дідух, М. В. Шовгенюк, Н. С. Писанчин // Комп'ютерні технології друкарства. - 2006. - № 15. - С. 175-187.

2. Шовгенюк М. В. Графічний елемент захисту цінних паперів / М. В. Шовгенюк, Л. А. Дідух // Комп'ютерні технології друкарства: зб. наук. пр. - 2006. - № 16. - С. 245-251.

3. Шовгенюк М. В. Метод кодування графічних зображень та впровадження нової технології захисту цінних паперів / М. В. Шовгенюк, Л. А. Дідух // Наука та інновації. - 2009. - Т. 5, № 1. - С. 50-60.

4. Дідух Л. А. Класи подібних матриць Адамара / Л. А Дідух, М. В. Шовгенюк // Комп'ютерні технології друкарства. - 2010. - № 22. - С. 54-64.

5. Дідух Л. А. Особливості використання комп'ютерної програми «ГрафіКод4» для кодування зображень / Л. А. Дідух // Квалілогія книги. - 2010. - № 1(17) - С. 13-21.

6. Пат. України № 49956. Спосіб виготовлення графічного елементу для захисту цінних паперів / Дідух Л. А., Шовгенюк М. В. - № u201004371; заявл. 14.04. 10; опубл. 11.05.2010, Бюл. № 9. - 8 с., іл.

7. Шовгенюк М. В. Аналіз способів цифрового растрування зображення з модульованою частотою / М. В. Шовгенюк, Н. С. Писанчин, Л. А. Дідух. - Львів, 2005. - 22 c. - (Препринт / ІФКС НАН України, ICMP0509U).

8. Шовгенюк М. В. Класи подібних матриць Адамара та їх властивості / Шовгенюк М. В., Дідух Л. А. - Львів, 2009. - 18 c. - (Препринт / ІФКС НАН України, ICMP0911U).

9. Шовгенюк М. В. Сучасні методи цифрової обробки зображень для технологій захисту цінних паперів / М.В. Шовгенюк, Л.А. Дідух, Н.С. Писанчин // Наук.техн. конф. проф.викл. складу, наук. працівн. і асп. [Укр. Акад. друкарства], 31 січня - 3 лютого 2006 р. [м. Львів]: тези доп. -- Львів: [Укр. Акад. друкарства], 2006. - С. 40.

10. Дідух Л. А. Спеціалізоване програмне забезпечення для кодування оптичної інформації / Л. А. Дідух // 7ма міжнар. наук.техн. конф. студ. і асп. «Друкарство молоде:», 28 - 29 березня 2007 р. : тези доп. -- Київ: НТУ «КПІ», 2007. - С. 104-105.

11. Дідух Л. А. Частотні характеристики бінарних елементів для задач кодування зображень / Л. А. Дідух, М. В. Шовгенюк // Наук.техн. конф. проф.викл. складу, наук. працівн. і асп. [Укр. Акад. друкарства], 48 лютого 2008 р. [м. Львів]: тези доп. - Львів: [Укр. Акад. друкарства], 2008. - С. 35.

12. Дідух Л. А. Дослідження частотних характеристик кодуючих структур / Л. А. Дідух, М. В. Шовгенюк // 8ма міжнар. наук.техн. конф. студ. і асп. «Друкарство молоде:», 16 - 18 квітня 2008 р. : тези доп. - Київ: НТУ «КПІ», 2008. - С. 78-79.

13. Шовгенюк М. В. Властивості неперіодичних структур для кодування зображень у технологіях захисту цінних паперів / М. В. Шовгенюк, Л. А. Дідух // Управління розвитком : зб. наук. робіт. - Харків, ХНЕУ, 2008. - № 15. - С. 14-15.

14. Дідух Л. А. Дослідження статистичних властивостей бінарних структур / Л. А. Дідух, М. В. Шовгенюк // Наук.техн. конф. проф.викл. складу, наук. працівн. і асп. [Укр. Акад. друкарства], 3 - 6 лютого 2009 р. [м. Львів]: тези доп. - Львів: [Укр. Акад. друкарства], 2009. - С. 23.

15. Дидух Л. А. Методы кодирования графических изображений с использованием матриц Адамара / Л. А. Дидух, М. В. Шовгенюк // Международная конференция студентов и молодых ученых Print2009, 22 - 24 апреля 2009 г. : тезисы докл. - СПб. : Петербургский инт печати, 2009. - С. 82.

16. Дідух Л. А. Класифікація матриць Адамара / Л. А. Дідух, М. В. Шовгенюк // Наук.техн. конф. проф.викл. складу, наук. працівн. і асп. [Укр. Акад. друкарства], 2 - 5 лютого 2010 р., [м. Львів] : тези доп. - Львів: [Укр. Акад. друкарства], 2010. - С. 19.

Анотація

Дідух Л.А. Створення інформаційної технології захисту цінних паперів на основі кодуючих структур Адамара. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - інформаційні технології. - Українська академія друкарства. - Львів, 2010.

Дисертація присвячена створенню інформаційної технології з використанням графічного елемента захисту, побудованого на основі кодуючих структур Адамара для забезпечення високого рівня захисту цінних паперів.

Розроблено новий метод кодування зображень, що полягає у виготовленні принципово нового типу графічного елементу захисту, який складається з кодованого зображення та його ключа, які при накладанні відтворюють кодоване зображення із вдвічі більшою роздільною здатністю. Визначено чотири типи базових матриць Адамара розмірності , вивчено їх властивості та проведено класифікацію. При формуванні кодуючих структур великих розмірів запропоноване головне правило кронекерового множення, згідно якого при довільному виборі різних типів матриць Адамара в якості множників, кодуюча структура мінімальної розмірності повинна формуватися матрицею типу М. Реалізовано виготовлення кодованого зображення та його ключа для двостороннього друкування суміщених зображень, кодованого зображення з автономним ключем, різні варіанти виготовлення світлого кодованого зображення, кодування двох графічних зображень, одне з яких друкується УФфарбами.

Розроблена комп'ютерна програма для виготовлення друкарських форм і відбитків кодованих зображень в умовах виробництва. Отримані результати випробувань показали, що нова технологія може бути рекомендована для промислового виробництва цінних паперів з високим ступенем захисту.

Ключові слова: цінні папери, матриці Адамара, кодуючі структури, кодоване зображення, інформаційна технологія захисту ціних паперів.

Аннотация

Дидух Л.А. Создание информационной технологии защиты ценных бумаг на основании кодирующих структур Адамара. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - информационные технологии. - Украинская академия печати. - Львов, 2010.

Диссертация посвящена созданию информационой технологии на основании кодирующих структур Адамара для обеспечения высокого уровня защиты ценных бумаг.

Установлено, что замена случайных структур упорядоченными непериодическими структурами существенно улучшает качество кодирования изображений. Предложен новый способ кодирования изображений, который состоит в изготовлении принципиально нового типа графического элемента защиты ценных бумаг на основании использования матрицы бинарных ячеек упорядоченной непериодической структуры, построенной из ортогональных массивов матриц Адамара. Графический элемент состоит из кодированного изображения и его ключа, которые при накладывании воспроизводят кодированное изображение с вдвое большим разрешением.

Впервые предложено определение четырех типов ортогональных матриц Адамара размерности (канонический-C, «светлый»-L, матрицы «50/50» -M, «полуканонический»-D) и исследованы их свойства. С использованием критерия подобия установлено, что множество матриц Адамара размерности содержит 10 разных классов. В частности, множество матриц Адамара типа C, L и M состоит из 6 классов подобных матриц, а множество матриц типа D - из 4 классов подобия. Показано, что каждый класс подобных матриц Адамара характеризуется присущим только ему спектром собственных значений.

Матрицы ячеек упорядоченной непериодической структуры предложено строить методом произведения Кронекера из базовых ортогональных матриц Адамара розмерностью . Для сохранения однородности кодирующих структур больших размеров впервые предложено главное правило умножения. Проведены исследования свойств 72 базовых матриц Адамара типа M, которые используются для кодирования двух и трехуровневых осветленных изображений. Установлено, что они объединяются в 4 класса универсальности.

Созданная информационная технология защиты ценных бумаг на основании кодирующих структур Адамара прошла промышленные испытания. На основании созданной компьютерной программы были изготовлены фотоформы, печатные формы и оттиски кодированных изображений в условиях производства. В состав программы включена библиотека из 384 базовых упорядоченных непериодических матриц, на основании которых генерируются различные типы кодирующих структур. Программа синтезирует цвета кодированного изображения и его ключа, результат их накладывания при печати, монтаж печатной формы, нанесение специальных меток, текста и т.п.

Полученные результаты испытаний показали, что новая технология защиты ценных бумаг может быть рекомендована для промышленного производства бланков ценных бумаг и документов строгого учета с высокой степенью защиты.

Ключевые слова: ценные бумаги, матрицы Адамара, кодирующие структуры, кодированное изображение, информационная технология защиты ценных бумаг.

Annotation

Didukh L.A. Development of information technology for protection of securities based on Hadamard coding structures. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.13.06 - information technologies. - Ukrainian Academy of Printing. - Lviv, 2010.

The dissertation is devoted to creation of information technology with a graphical element of protection, based on Hadamard coding structures to ensure a high level of protection for securities.

A new method of encoding images that is making a fundamentally new type of graphic element of protection, which consists of encoding image and its key that reflect the imposition of encoded images with double resolution. The four basic types of Hadamard matrices of dimension are determined. Their properties are studied and classified. At forming the coding structures of large sizes, it is proposed the main kroneker's multiplication rule, in accordance with which the coding structure of the minimum dimension should be formed by a matrixtype M at the arbitrary selection of different types of Hadamard matrices as factors,. Producing encoded image and its key are implemented to bilateral printing of combined images, encoded image with selfkey, different versions of light coded image producing, encoding two graphic images, one of which is printed using UV inks.

The software for producing the printing plates and prints of images coded in terms of manufacturing is developed. Test results argue that new technology can be recommended for industrial securities with a high degree of protection.

Keywords: securities, Hadamard matrices, coding structure, encoded images, information protection technology securities.

Размещено на Allbest.ru

...