CC BY
0
ТЕЛЕКОМУШКАЦП
УДК 621.327:681.5 ТЕХНОЛОГ1Я П1ДВИЩЕННЯ ПРОПУСКНО1 СПРОМОЖНОСТ1 ЗАХИЩЕНОГО КАНАЛУ ДОСТАВКИ В1ДЕОДАНИХ В ТЕЛЕКОМУН1КАЦ1ЙНИХ СИСТЕМАХ КРИТИЧНО! 1НФРАСТРУКТУРИ
БАРАНН1КВ.В., РЯБУХА Ю.М., ХМЕНКО В.В.,
БАРАНН1К Д.В., ПРИМЕРОВ М.В._
Розробляеться технолопя закриття вiдеопотоку, яка базуеться на виявленнi та закритп значущих струк-турних одиниць. Зазначена технолопя застосовуе впровадження маркера ознаки закриття в кодову кон-струкцш вiдеопотоку для використання його на без-пiлотних лiтальних апаратах.
Ключовi слова: вiдеопотiк, дискретно-косинусне пе-ретворення, значущi структурнi одиницi, пiкове ввдношення сигнал/шум, оперативнiсть, конфвден-цiйнiсть.
Keywords: video stream, discrete cosine transformation, significant structural units, peak signal-to-noise ratio. 1. Вступ
До недавнього часу ми бачили с^мке зростання популярност дрошв, i в И 0CH0Bi був штерес кожно! людини до польотiв. Отримання кра-сивих кадрiв з повiтря, можливiсть зшмати там, де ранiше це було неможливо, новi ракурси - все це робило технолопю затребуваною. Кшька рокiв поспiль дрони очолюють чарти найба-жанiших подарункiв. Але БПЛА - не лише хобi або селф^ дрони стають помiчниками в рiзних галузях починаючи з сшьського господарства та видобувно! промисловостi закшчуючи топо-графieю та вiйськовою розвщкою. У вiйськовiй справi БПЛА можна використо-вувати для передачi важливо! вщеошформацп. Основнi задачi, що виконують дрони у вшсь-ковiй справi - це надання шформацп про: пози-ци противника; стан та положення сво!х вiйськ; особливiсть мюцевосп, переваги яко! будуть ви-користовуватися для майбутнього наступу. Але е деяю так званi «mi^^» цих задач: по-перше, даним дроном можуть користуватися як i сво! вшська, так i ворожi. Це пов'язано з вщ-сутнiстю захищеностi.
По-друге, шформащю, яку передае цей лггаль-ний пристрiй, можна з легюстю перехопити. Але i це ще не все. Якщо БПЛА все ж таки облаштувати потрiбним рiвнем захисту, то з одного боку це приведе до непогано! завадостш-косп, а з шшого - ворожi хакери проявлять ба-жання зламати захист дрону, щоб дiзнатись, якою iнформацiею вiн володiе. Використання безпiлотних лiтальних апаратiв, на нашу думку, е одним iз провщних типiв тех-
нiки, як потрiбнi для захисту державних кор-донiв.
Адже все йде до того, що БПЛА будуть осна-щуватись рiзними типами збро! та шд час вияв-лення певного об'екта будуть робити аналiз та приймати ршення щодо атаки. Такими дронами можна керувати як з земл^ так i з повпря. Наприклад, летить лiтак, який завантажений 3-5 дронами. Пiд час виконання завдання пiлот випускае !х в повггря та починае керувати, ста-вити задачi, виконувати атаку чи стршьбу прямо з кабiни лггака.
Перспектива використання БПЛА також полягае в тому, що в нашi часи всi прагнуть перейти на автоматичш пристро!. Людство вже починае ви-користовувати рiзнi прилади та види технiки, якi здатнi працювати без втручання людей. Тому основш завдання ще! роботи полягае в шдвищенш якостi надання вiдеоiнформацiйних послуг для телекомушкацшних систем з висо-кою роздiльною здатнiстю при виконанш вщо-мчих умов по конфщенцшносп, оперативнiй до-ставцi i достовiрностi.
2. Розробка технологи п1двищення пропускноТ спроможностi захищеного каналу
Вперше розроблено технолопю формування бпового коду в селективному методi шифруван-ня вщеошформацшного ресурсу з урахуванням енергетично значущих структурних одиниць базового вщеокадру. Вiдмiнною особливiстю ще! технологи вщ стандартно! е те, що при фор-муваннi бiтового потоку для приховування вiдеоiнформацiйного ресурсу вводиться рiвень структурних одиниць в базовому вщеокадрь З них видiляються значущi структуры одиницi за ступенем семантично! i структурно! шформа-тивностi. Вони впливають на подальше формування Р i В-кадрiв. Застосування тако! технологи дозволяе приховувати значнi структурш одиницi базового вiдеокадру за допомогою впровадження маркера ознаки закриття в кодову конструкщю вiдеопотоку.
Розглянемо приклад роботи методу закриття базового вщеокадру на основi селекцi! значущих Сзн структурних одиниць.
Спочатку слiд порiвняти показник з граничними значеннями 5i 5тях :
ГПШн ШаХн
S(Uн)ф > 5таХн (1)
В результатi закриття вiдеокадрiв iз застосуван-ням методу селекци значущих Сзн структурних одиниць на основi аналiзу значень по низькоча-стотнiй складовiй отриманi результати, пред-ставленi на рис. 1, 2.
Рис. 1. Результат автоматичного закриття вщеокадру «Селекторна вщеонарада» i3 застосуванням методу селекцй значущих Сзн структурних одиниць на основi аналiзу значень пльки по низькочастотнiй складовiй,
де пороговi значення §
= 12 , dm
= 14
Рис. 2. Результат автоматичного закриття видеокадру «Вщеодокументування затримання» iз застосуванням методу селекцй' значущих Сзн структурних одиниць на основi аналiзу значень по низькочастотнiй складовш, де пороговi значення, § . = 12, § = 14
у х у min н у max„
Для визначення ефективностi технологи закриття вщео-шформацшного ресурсу з використан-ням методу селекцй значущих Сзн структурних одиниць базового вщеокадру пропонуеться порiвняти пропускну спроможнiсть вихщного вiдеопотоку з пропускною спроможнiстю закри-того вiдеоканалу в разi застосування:
1) методу !х обробки на основi стандартизованих теxнологiй MPEG;
2) методу закриття вщеоданих на основi послщовно! схеми (компресiя з подальшим шифруванням);
3) методу приховування всix вiдеоданиx пiсля дискретного косинусного перетворення блокiв базового вiдеокадру;
4) розробленого методу на основi селекцй значущих структурних одиниць базового вщеокадру- _
Оцiнка пропускно! здатностi закритого вщеока-налу у вщомчш вiдеоiнформацiйнiй системi на основi методу селекцй всix структурних одиниць
тсля етапу ДКП з урахуванням обмеження на час доставки 1тр.д. розраховуеться так:
^соз .ДСсоз), (2)
Тут f - функцiонал, що дозволяе визначити ча-стину iнтенсивностi прихованих кодованих вщеоданих при використаннi методу на основi селекцй всiх структурних одиниць, яю задо-вольняють вiдомчим вимогам по обробщ i передача
Розглянемо залежнiсть пропускно! спромож-ност закритого вiдеоканалу вiд значень шкового вiдношення сигнал / шум для рiзних методiв !х обробки. У дiаграмi, представленiй на рис. 3, вщображеш результати розрахункiв пропускно! спроможносп закритого вiдеоканалу для рiзних методiв !х обробки залежно вiд значень шкового вщношення сигнал/шум, якi вибираються вiдповiдно до типу кадру, що проводяться в таких умовах:
1) використання розмiру вiдеокадрiв 1920 х 1080;
2) при допустимих усереднених значеннях шкового вщношення сигнал / шум за вшма типами кадрiв при санкщонованому доступi на рiвнi PSNRC>21 дБ;
3) при максимальних значеннях пiкового вщно-шення сигнал / шум за вшма типами кадрiв при несанкцiонованому достуш, що не перевищують
PSNRHCд<10 дБ;
4) використання таких методiв !х обробки: технологiя обробки 1 - метод закриття вщеоданих на основi послщовно! схеми;
технологiя обробки 2 - метод приховування вшх вщеоданих тсля дискретно-косинусного перетворення блоюв базового вщеокадру; технологiя обробки 3 - розроблений метод на основi селекцй значущих структурних одиниць базового вщеокадру;
5) видшення таких характерних режишв: режим 1 - висока яюсть вщеоданих, для якого значення шкового вщношення сигнал/шум для кожного типу кадрiв вщповщають:
PSNRI = 50 дБ , PSNRР = 40 дБ , PSNRВ = 30 дБ ; режим 2 - середня якiсть вiдеоданих, для якого значення шкового вщношення сигнал/шум для кожного типу кадрiв вщповщають:
PSNRI = 45 дБ, PSNRР = 35 дБ , PSNRВ = 25 дБ ; режим 3 - низька якiсть вiдеоданих, для якого значення шкового вщношення сигнал/шум для кожного типу кадрiв вщповщають наступним: PSNRI = 40 дБ, PSNRР = 30 дБ, PSNRВ = 23 дБ .
н
н
Висновки
Результати використання розробленого методу представлеш на рис. 3.
режим I Технолог« оброёки 1 Технологи осоо&си 3
режим 2 режим *
■ Технодагч оброски 2
Рис. 3. Ддаграма залежносп пропускно! здатносп за-критого вщеоканалу ввд значень ткового ввдношення сигнал / шум для розм1ру в1деокадр1в при р1зних методах !х обробки З дiаграми на рис. 3 видно, що:
- для розробленого методу закриття вiдеопотоку формату Full HD (1920 х1080) в раз^ коли забез-печуеться нижнш рiвень пiкового вiдношення сигнал / шум, досягаеться значення пропускно! здатност закритого вiдеоканалу 381 Мбiт/с. Тут забезпечуеться виконання вимог по оперативнш передачi вiдеоiнформацiйного ресурсу в единш вiдомчiй цифровiй телекомунiкацiйнiй мереж для низькошвидюсних каналiв зв'язку;
- для розробленого методу закриття вщеопотоку формату Full HD (1920 х1080) в раз^ коли забезпечуеться верхнш рiвень пiкового вщношення сигнал/шум, пропускна здатнiсть закритого вщеоканалу становить 407 Мбiт/с (25,6 кадрiв/с в перерахунку на вихiдний вщеопотш) i 397, 5 Мбiт/с (24,9 кадрiв/с в перерахунку на вихщний вiдеопотiк) для вiдео допустимо! якосп. Це доз-воляе виконати вiдомчi вимоги щодо оператив-ностi передачi в умовах пiдвищено! частоти кадрiв. При цьому якiсть вiдновлених вщеода-них вища, нiж при використанш iнших методiв приховування. Це вщбуваеться внаслiдок того, що в процес кодування враховуеться обробка значущих структурних одиниць базового вiдео-кадру;
- у разi використання розробленого методу се-лекцi! значущих структурних одиниць базового вщеокадру для вiдеоформату Full HD (1920 х 1080) забезпечуеться виграш по пропускай здатност закритого вiдеоканалу вiд 23 до 51% в порiвняннi з методом послщовного шиф-рування (кодування вщеоданих з подальшим !х шифруванням) i вiд 26 до 42% в порiвняннi з методом селекци всiх структурних одиниць базового вщеокадру залежно вщ якостi переданих вщеоданих. Це дозволяе пщвищити яюсть надання вiдеоiнформацiйних послуг для шфоко-мунiкацiйних систем з високою роздшьною
здатнiстю при виконаннi вiдомчих умов по конфщенцшносп, оперативнiй доставцi i до-стовiрностi.
Лiтература: 1. Salomon D. Data compression, image and sound / Trans. from English by. V.V. Chepyzhova, M.: Technosphere, 2004. 368 p. 2. Kudryashov B.D. Information theory. St. Petersburg: Peter, 2009. 320 p. 3. Gonzalez R., Woods R. Digital Image Processing. M.: Technosphere, 2005. 1073 p. 4. Miano J. Formats and image compression algorithms in action. K.: Triumph, 2013. 336 p. 5. Pratt W. K., Chen W. H, Welch L. R. Slant transform image coding // Proc. Computer Processing in communications. New York: Polytechnic Press, 1969. Р. 63-84. 6. Miano J. Compressed image file formats: JPEG, PNG, GIF, XBM, BMP. 1999. 264 p. 7. Sindeev M., Konushin A., Rother C. Alpha-flow for video matting. Technical Report, 2012. Р. 41-46. 8. Wallace G. K. The JPEG Still Picture Compression Standard // Communication in ACM. 1991. Vol. 34, № 4. Р. 31-34. 9 Wang S., Zhang X., Liu X., Zhang J., Ma S. and Gao W. Utility Driven Adaptive Preprocessing for Screen Content Video Compression // IEEE Transactions on Multimedia. 2017. Vol. 19, № 3. Р. 660-667. 10. Tsai W. J. and Sun Y. C. Error-resilient video coding using multiple reference frames // IEEE International Conference on Image Processing, Melbourne, VIC, 2013. Р. 1875-1879. 11. Barannik V., Alimpiev A., Bekirov А., Barannik D., Barannik N. Detections of sustainable areas for steganographic embedding // IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS), Novi Sad, Serbia: 2017. Р. 555-558, DOI: 10.1109/EWDTS.2017.8110028. 12. Barannik V., Tupitsya I., Sidchenko S. and Tarnopolov R. The method of crypto-semantic presentation of images based on the floating scheme in the basis of the upper boundaries. Problems of Infocommunications Science and Technology (PIC S&T): 2nd Intern. scient.-pract. conf. Kharkiv: 13-15 Oct 2015. P. 248-250. DOI: 10.1109/INF0C0MMST. 2015.7357326. 13. Zhang Y., Negahdaripour S. and Li Q. Error-resilient coding for underwater video transmission // OCEANS 2016 MTS/IEEE Monterey, CA, 2016. Р. 1-7. 14 Havrulov D. The analysis of template method of video processing // Proc. IEEE AICT'2015. Р. 87 - 89. 15. Vatolin D., RatushnyakA., SmirnovM. and Yukin V. Methods of data compression. The device archiver, compression of images and videos // DIALOG MIFI. 2013. 384 p. 16. Wang, S., Kim, S. M., Yin, Z., & He, T. Encode when necessary: Correlated network coding under unreliable wireless links // ACM Transactions on Sensor Networks, 2017. Vol.13, №1. Р. 24 - 29. DOI: 10.1145/3023953. 17. Barannik V., I. Tupitsya, O. Dodukh, V. Barannik and M. Parkhomenko, The Method of Clustering Information Resource Data on the Sign of the Number of Series of Units as a Tool to improve the Statistical Coding Efficiency // 2019 IEEE 15th International Conference on the Experience of Designing and Application of CAD Systems (CADSM) February 26 - March 2, 2019 Polyana-Svalyava (Zakarpattya), Ukraine. P. 3/32-3/36. DOI: 10.1109/CADSM.2019.8779243. 18. Barannik V., Bekirov А., Lekakh A. and Barannik D. A steganographic method based on the modification of regions of the image with different saturation // Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer
Science, (TCSET'2018): XIVth Intern conf., (Lviv-Slavske, Ukraine, febr. 23-25, 2018). Lviv-Slavske: 2018. Р. 542-545. DOI:
10.1109/TCSET.2018.8336260.19.http://sipi.usc.edu/data base/database.php?volume=misc&image=12#top. 20. Lazarovych I., Melnychuk S., Kozlenko M. "Optimization of entropy estimation computing algoritm for random signals in digital communication devices," Advanced Trends in Radioelecrtronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET), 14th International Conference, 2018, pp. 1073-1078. 21. Баранник В.В. Основы теории структурно-комбинаторного стеганографического кодирования: монография / В.В. Баранник, Д.В. Баранник, А.Э. Бекиров. Х.: Издательство «Лидер», 2017. 256 с. 22. Barannik V., Tupitsya I., Shulgin S., Sidchenko S. and Larin V. The application for internal restructuring the data in the entropy coding process to enhance the information resource security // IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS), Yerevan, Armenia, 2016, pp. 561-565, DOI: 10.1109/EWDTS.2016.7807749 Transliterated bibliography:
1. Salomon D. "Data compression, image and sound", Trans. from English by V.V. Chepyzhova, M.: Technosphere, 2004, 368 p.
2. Kudryashov B.D. "Information theory," St. Petersburg, Peter, 2009, 320 p.
3. Gonzalez R., Woods R., "Digital Image Processing", M.: Technosphere, 2005, 1073 p.
4. J. Miano, "Formats and image compression algorithms in action", K.: Triumph, 2013, 336 p.
5. Pratt W. K., Chen W. H, Welch L. R., "Slant transform image coding. Proc. Computer Processing in communications." New York: Polytechnic Press, 1969, рр. 63-84.
6. Miano J., "Compressed image file formats: JPEG, PNG, GIF, XBM, BMP", 1999. 264 p.
7. Sindeev M., Konushin A., Rother C., Alpha-flow for video matting," Technical Report, 2012. pp. 41-46.
8. Wallace G. K., "The JPEG Still Picture Compression Standard," Communication in ACM, vol.34., no. 4, pp. 31-34, 1991.
9. S. Wang, X. Zhang, X Liu, J. Zhang, S. Ma and W. Gao, "Utility Driven Adaptive Preprocessing for Screen Content Video Compression," in IEEE Transactions on Multimedia, vol. 19, no. 3, pp. 660-667, 2017.
10. W. J. Tsai and Y. C. Sun, "Error-resilient video coding using multiple reference frames," IEEE International Conference on Image Processing, Melbourne, VIC, 2013, pp. 1875-1879.
11. Barannik V., Alimpiev A., Bekirov А., Barannik D., Barannik N., "Detections of sustainable areas for steganographic embedding," IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS), Novi Sad, Serbia: 2017, pp. 555-558, DOI: 10.1109/EWDTS.2017.8110028.
12. Barannik V., Tupitsya I., Sidchenko S. and Tarnopolov R. The method of crypto-semantic presentation of images based on the floating scheme in the basis of the upper boundaries // 2nd Intern. scient.-pract. conf. "Problems of Infocommunications Science and Technology (PIC S&T)". Kharkiv, Ukraine. 13-15 Oct 2015. Pp. 248-250. DOI: 10.1109/INFOCOMMST.2015.7357326.
13. Zhang Y., Negahdaripour S. and Li Q. Error-resilient coding for underwater video transmission. OCEANS 2016 MTS/IEEE Monterey, CA, 2016, pp. 1-7.
14. D. Havrulov "The analysis of template method of video processing", Proc. IEEE-2015 (AICT'2015), pp. 87 - 89, 2015.
15. Vatolin D., Ratushnyak A., Smirnov M. and Yukin V., "Methods of data compression. The device archiver, compression of images and videos," DIALOG MIFI, 2013, 384 p.
16. Wang, S., Kim, S. M., Yin, Z., & He, T, "Encode when necessary: Correlated network coding under unreliable wireless links," ACM Transactions on Sensor Networks, vol.13, no.1, pp. 24 - 29, 2017, DOI: 10.1145/3023953.
17. Barannik V., I. Tupitsya, O. Dodukh, V. Barannik and M. Parkhomenko, The Method of Clustering Information Resource Data on the Sign of the Number of Series of Units as a Tool to improve the Statistical Coding Efficiency // 2019 IEEE 15 th International Conference on the Experience of Designing and Application of CAD Systems (CADSM) February 26 - March 2, 2019 Polyana-Svalyava (Zakarpattya), Ukraine, pp. 3/32-3/36., DOI: 10.1109/CADSM.2019.8779243.
18. Barannik V., Bekirov А., Lekakh A. and Barannik D. A steganographic method based on the modification of regions of the image with different saturation Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science, (TCSET'2018): XIVth Intern conf., Lviv-Slavske, Ukraine, 23-25 Feb 2018. pp. 542545. DOI: 10.1109/TCSET.2018.8336260.
19.http://sipi.usc.edu/database/database.php?volume=mis c&image=12#top.
20. Lazarovych I., Melnychuk S., Kozlenko M. Optimization of entropy estimation computing algoritm for random signals in digital communication devices // 14th International Conference "Advanced Trends in Radioelecrtronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET)". 2018. Pp. 1073-1078.
21. Barannik V.V. Fundamentals of the theory of structurally combinatorial steganographic coding: monograph / V.V. Barannik, D.V. Barannik, A.E. Bekirov. Kharkiv: Publisher "Leader", 2017. 256 p.
22. Barannik V., Tupitsya I., Shulgin S., Sidchenko S. Larin V. The application for internal restructuring the data in the entropy coding process to enhance the information resource security // IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS). Yerevan, Armenia. 2016. Pp. 561-565. DOI: 10.1109/EWDTS.2016.7807749
Надшшла до редколеги 11.12.2019 Рецензент: д-р техн. наук, проф. Безрук В.М. Бараншк Валерш Володимирович, студент ХНУРЕ. Адреса: Укра!на, 61166, Харюв, пр. Науки, 14, e-mail: valera462000@gmail.com Рябуха Юрш Миколайович, д-р техн. наук, Харювський нацюнальний ушверситет Повггря-них Сил iм. 1вана Кожедуба. Науковi штереси: семантична обробка зображень. Адреса: Украина, 61023, Харьков, вул. Сумская, 77/79, тел. 38 063-5219089, vvbar.off@gmail.com;
orcid.org/0000-0001-9821-598х.
Хименко Викторiя В1ктор1вна, аспирантка ХНУРЕ. Адреса: Укра!на, 61166, Харкiв, пр. Науки, 14, e-mail: vika.iv55@gmail.com Баранник Дмитрий Владимирович, мапстрант ХНУРЕ. Адреса: Укра!на, 61166, Харюв, пр. Науки, 14, e-mail: d.v.barannik@gmail.com Примеров Максим Вiкторовiч, студент ХНУРЕ. Адреса: Укра!на, 61166, Харюв, пр. Науки, 14.
Barannik Valeriy, student, Kharkov National University of Radio Electronics. Address: Ukraine 61166, Kharkiv, Nauky Ave, 14, e-mail: valera462000@gmail.com
Ryabukha Yuriy, Doctor of Technical Sciences, Professor, Combat use of ASC department, Ivan Ko-
zhedub Kharkiv National Air Force University. Address: Ukraine, Kharkiv, Sumska str., 77/79, vvbar.off@gmail.com.
Himenko Viktoriya, graduate student, Kharkov National University of Radio Electronics. Address: Ukraine 61166, Kharkiv, Nauky Ave, 14, e-mail: vika.iv55@gmail.com
Barannik Dmitriy Vladimirovich, student, Kharkov National University of Radio Electronics. Address: Ukraine 61166, Kharkiv, Nauky Ave, 14, email: d.v.barannik@,gmail. com Prymierov Maksym, student, Kharkov National University of Radio Electronics. Address: Ukraine 61166, Kharkiv, Nauky Ave, 14.
