Пресс-релиз кандидатской диссертации - интересная идея!

В июньском номере научно-популярного журнала "Химия и Жизнь", который я давно и с удовольствием читаю, появилась небольшая статья, к химии в общем не относящаяся. А именно, в ряде европейских университетов есть традиция - каждый диссертант, помимо своей работы, пишет пресс-релиз, то есть краткое изложение работы в научно-популярном стиле и без заумных специфических терминов. Пресс-релиз должен объяснять суть вашей работы, грубо говоря, бабушкам у подъезда. Мне это показалось очень интересным - может быть, кто-нибудь ещё захочет культивировать это и в своих университетах.

Задумано это так: диссертант пишет одну или две страницы о том, что же, собственно, он такое делает. Стиль научно-популярный: без всяких там ссылок на литературу и формул, максимально доступно и для аудитории, не разбирающийся в химии, физике, математике и прочих премудростях.

Дело это хорошее и нужное, на мой взгляд. С одной стороны, это позволяет объяснить людям, с наукой не связанным, чем всё-таки занимается народ в университетах и исследовательских центрах. С другой стороны, это и диссертанту очень полезно: как говорил один человек, "вы только тогда понимаете свой предмет, когда можете объяснить его своей бабушке". В процессе написания пресс-релиза нужно всё объяснять на бытовом уровне, так что некоторые вещи становятся даже более понятны после этого.

Так или иначе, я решил эту идею воплотить в жизнь на собственном примере. Просмотрев несколько образцов, быстренько сделал LaTeX-шаблон для пресс-релиза и соответственно оформил его. Вот что из этого получилось:

Пресс-релиз
Конник Михаил Всеволодович 10 июня 2009 года



Цифровое восстановление изображений
в отображающих системах с оптическим кодированием

Аннотация
Диссертация посвящена методам цифрового восстановления изображений в оптических системах, в которых совмещается преимущества оптики и широкие возможности цифровых алгоритмов. Искажая изображение заранее известным образом и затем восстанавливая, можно получить изображения с большей глубиной резкости, компенсировать дефекты оптики или кодировать информацию. В этой работе описывается применение таких систем для надёжного шифрования текстов, напечатанных на бумаге.

В наше время цифровая фотография стала очень распространённым явлением, и даже в мобильных телефонах теперь есть цифровые камеры. Многие, наверное, замечали, что если сфотографировать какой-то предмет и при этом неправильно навести фотоаппарат на резкость, фотография получается очень размытой. На такой мутной картинке мало что можно разобрать.

Оказывается, такое размывание можно использовать, чтобы сделать картинку лучше. Для этого нужно размыть всё изображение, а потом с помощью специальных программ это искажение устранить - и получится, например, картинка с большой глубиной резкости. И теперь вы уж точно не промахнётесь с наводкой на резкость!

Казалось бы - зачем сознательно искажать фотографию, а потом её такими трудами восстанавливать? Не проще ли сразу сфотографировать нормальное изображение: взять объектив получше и фотоаппарат подороже, и проблемы нет.

Оказывается, что не проще. Объективы с большой глубиной резкости это очень дорогие, сложные и хрупкие устройства. Кроме того, оптическим системам приходится работать в жару и холод, под водой и в космосе, и сложные объективы могут не выдержать таких условий.

Поэтому вместо применения дорогих объективов мы добавляем внутрь камеры специальную искажающую пластинку для равномерного искажения снимаемой картинки. То, что вы при этом фотографируете, искажается, но искажается всюду одинаково и это искажение нам известно. После этого мы с помощью специальной программы убираем это искажение, и картинка вновь становится читаемой.

С такими пластинками некоторые из вас сталкивались в лазерных указках. Насадки на лазерные указки превращают яркую точку в какой-нибудь светящийся рисунок - и вот вместо обычной лазерной точки на стене появляется изображение черепа с костями, бабочки или сердечка. Насадка на лазерной указке перераспределяет свет из точки в картинку, записанную особым образом на прозрачной искажающей пластинке внутри насадки. То есть яркая точка становится неким узором. Такие же искажающие пластинки используем и мы в нашей системе, только не для одной точки, а для всего изображения. Фотографируемое изображение, проходя через такой оптический элемент, размывается, но это размывание мы знаем - достаточно посмотреть сквозь этот элемент на яркую точку.

В этой работе мы решили применить эту идею для систем шифрования. У каждого есть что-то, что ему бы хотелось скрыть - от фирменного рецепта яичницы до кодов запуска ракет. Нужно быстро и надёжно зашифровать напечатанный на бумаге документ, чтобы потом хранить его или передать по Интернету куда-нибудь ещё. Для этого мы освещаем листок и снимаем на цифровую камеру, в которой установлена искажающая пластинка, похожая на ту, что в лазерной указке. После этого вместо красивой картинки вы увидите размытое пятно на изображении: оно надёжно закодировано. Вся информация о том, что мы закодировали, хранится в небольших перепадах яркости размытого изображения, и можно сказать, что такой метод шифрования похож на рисование узоров на песке.

Изображение размыто, и ваш документ теперь никому не прочитать. Мы знаем, как картинка размылась, и можем это размывание убрать. Так как нельзя абсолютно точно сфотографировать реальный предмет на цифровую камеру, то дешифрованное изображение будет несколько хуже оригинала - но зато мы получаем очень надёжное шифрование.

Вскрыть такой шифр очень трудно, поскольку размывание в нашей системе очень большое: вместо картинки вы увидите яркое пятно, из которого невозможно угадать ни размер ключа, ни его элементы. Если же вы захотите перебрать все возможные комбинации, использовав для этого все суперкомпьютеры мира взятые вместе, то это будет очень долго. Вы не переберёте и 5% всех вариантов, как потухнет Солнце - после этого будет уже не до шифров.

Чтобы расшифровать такое изображение, нужно применить специальные программы-фильтры, которые компенсируют внесённые искажения в сфотографированную картинку. Эти фильтры очень похожи на те, которыми вы пользуетесь в графических редакторах, когда хотите повысить резкость изображения.

Конечно, такой способ шифрования тоже не идеален. Например, можно подложить шифровальщику специальную картинку, из которой можно выудить ключ, или посветить лазерной указкой на лист бумаги при шифровании. Но это потребует доступа к шифровальной установке, о чём злоумышленникам почти всегда приходится только мечтать.

Поэтому такие системы, сочетающие в себе оптику и цифровую обработку, очень интересны и могут найти применение во многих областях, связанных с быстрой обработкой изображений. Может быть, элементы этих систем появятся в вашей фотокамере или камере мобильного телефона!


В общем:
Идеи, пожелания и конструктивная критика, как всегда, приветствуются в комментариях.

18 комментариев: |высказаться!| RSS-лента дискуссии.|
vig комментирует...

Поздравляю с приближением к Ph.D.
Заметил в CV и "5 инструментов, без которых я не могу работать продуктивно" октаву, но ни одной статьи по ней :(

uleysky комментирует...

Вопросы:
1) Чем эта схема лучше обычного шифрования с симметричным ключом? Тем же DES или ГОСТом?
2) Можно ли противник восстановить ключ, имея оригинальное изображение и зашифрованное изображение?

z-mey.com комментирует...

Присоединяюсь к поздравлениям.
Тема диссертации очень заинтересовала, Вы будете выкладывать ее куда-то после защиты, чтобы можно было ознакомиться?
Успехов.

Alexey Romanenko комментирует...

ошибки по тексту:
"На таком мутной картинке мало что можно разобрать."
"В этой работе мы решили применить эту идею для систем шифрования" -- почему множественное лицо :)?

тема очень инетересная, Михаил, есть пара вопросов, пожалуй задам по почте!

Vass комментирует...

"размывание" - режет слух, не лучше ли все же - "размытие"? Или "размывание" это устоявшийся термин, а я тут лезу ничего не понимая?

М. Касянчук комментирует...

Отличный пресс-релиз! Поздравляю.

virens комментирует...

2 vig пишет...
Поздравляю с приближением к Ph.D.
Спасибо!

Заметил в CV и "5 инструментов, без которых я не могу работать продуктивно" октаву, но ни одной статьи по ней
Если честно, я даже не знаю, что о ней писать. Книжек по Матлабу и (меньше) по Октаве есть, вещь специфическая, моё использование Октавы - ещё специфичнее (хотя больше работаю в матлабе, естественно). Попробую, впрочем, что-нибудь написать. Но это ближе к следующему году.

2 uleysky пишет...

1) Чем эта схема лучше обычного шифрования с симметричным ключом? Тем же DES или ГОСТом?

Длииииииииинный криптографический ключ, очень большая устойчивость ко взлому (дикое число комбинаций), нельзя точно узнать, дешифровалось изображение или нет, процесс кодирования совмещён с регистрацией, нет побочных ЭМ-излучений.

2) Можно ли противник восстановить ключ, имея оригинальное изображение и зашифрованное изображение?
Может. Это одна из уязвимостей таких систем. С другой стороны, такие криптосистемы расчитаны на то, что непосредственного доступа к шифрующей установке не будет. Типа оперативное кодирование: послать приказ запустить ракеты :-) Пока то да сё, будет не до шифра.


2 z-mey.com пишет...
Тема диссертации очень заинтересовала, Вы будете выкладывать ее куда-то после защиты, чтобы можно было ознакомиться?
Буду. Мне могут не разрешить выкладывать текст - то есть будет PDF-ник, но текст выдрать из него не получится. Задача поставлена не гражданскими дядями :-)

Часть материалов диссертации (про камеры, линеаризацию, обработку изображений) уже выкладывается.

2 Alexey Romanenko пишет...
ошибки по тексту:
Большое спасибо! А то у меня глаз замыленый на этот текст, мне их трудно углядеть. Поправил в тексте.

тема очень инетересная, Михаил, есть пара вопросов, пожалуй задам по почте!
Без проблем, не стесняйтесь - пишите. Можно сразу на рабочий ящик konnik оно самое pico.mephi.РУ

2 Vass пишет...
"размывание" - режет слух, не лучше ли все же - "размытие"?
В русскоязычной литературе встречал оба варианта. Большинство работ пишу на английском, а там blur :-) Спасибо, в тексте поправил.

Собственно, идея поста была вот в чём. Мне кажется, что вот такие пресс-релизы намного лучше авторефератов в плане доходчивости написания. Решил перенять европейский опыт - они в этом плане на передовой. Ну и я стараюсь на эту передовую попасть :-)

virens комментирует...

2 М. Касянчук пишет...
Отличный пресс-релиз! Поздравляю.
Спасибо!

uleysky комментирует...

Не понял вот этого:
"нельзя точно узнать, дешифровалось изображение или нет"

Как я понял, процедура шифрования является аналоговой. Как обстоят дела с помехозащищённостью? К чему приведёт некоторое искажение формы фильтра или помехи на размытом изображении? И, не совсем по теме, можно ли построить матмодель фильтра и сделать его полностью цифровым?

Ведьмак комментирует...

Круто!
Но, я вижу только одно применение данной технологии - министерство обороны. Катать снимки со спутников, пересылать их по инету и подобные штучки, - данная технология полностью обезопасит!

Рад за Вас!

Hina-Ichigo комментирует...

Продолжаем править ошибки в тексте. Просмотрел только русский вариант, смотреть ангельский нету настроения :)

«После этого вместо красивый картинке…»
В первом предложении третьего с низу абзаца («Чтобы расшифровать такое изображение…») небольшое переполнение строки (вылезает знак переноса).

virens комментирует...

2 uleysky пишет...
Не понял вот этого:
"нельзя точно узнать, дешифровалось изображение или нет"

Я имел в виду, что при попытке взлома - если в ключе изменяется один бит, изображение немного потеряет в контрасте. Но будет читаемо. Поэтому при взломе трудно понять, это дешифрованное изображение или нет.

Как обстоят дела с помехозащищённостью?
Как только файл зарегистрирован, ему уже ничто не грозит. Система в целом устойчива к шумам, до разумных пределов. Самый неприятный шум - фотоприёмника, не очень страшно - плохие кодирующие ключи (оптические элементы плохого качества). Ну и спекл-шумы дело портят (но мы переходим на светодиоды с узким спектром).

К чему приведёт некоторое искажение формы фильтра
При декодировании - к потере контрастности и увеличению помех на восстановленном изображении. Качество дешифрованного изображения приемлемо если менять не более 5% точек на ключе.

или помехи на размытом изображении?
Внесённые сознательно - к повреждению участка восстановленного изображения.
Внесённые фотоприёмником - к снижению качества (в основном контраста) восстановленного изображения.

можно ли построить матмодель фильтра и сделать его полностью цифровым?
Конечно. Цифровая свёртка двух изображений и есть кодирование в данном случае. Тут мы кое-что об этом публиковали, и если мне удастся допинать своё разгильдяйское окружение, опубликуем ещё пару статей.

2 Ведьмак пишет...
Но, я вижу только одно применение данной технологии - министерство обороны.
Это в основном, но я вижу как минимум ещё два применения такой идеи :-)

2 Hina-Ichigo пишет...
Продолжаем править ошибки в тексте.
Спасибо. Вроде я бы всё посмотрел и всё поправил, а вот поди ж ты :-)

Английский текст - первый черновик, там полировка только впереди :-)

2 Поставщик окон пишет...
Только, только читал блог сеотекст о там как спамить в комментах на других блогах
Вот только не надо этого делать тут, ладно? Лучше где-нибудь в другом месте.

uleysky комментирует...

Если нельзя отличить точно дешифрованное изображение от неточно дешифрованного, то нельзя ли как-то сыграть на этом и получить метод для стеганографии? Не думали над таким применением?

Анонимный комментирует...

"В этой работе мы решили применить эту идею" - может лучше: "В ДАННОЙ работе мы решили применить эту идею"?
"будет PDF-ник, но текст выдрать из него не получится." - принтскрин + скан? ;)

Анонимный комментирует...

Есть некоторая неточность в терминологии. Большую глубину резкости Вам обеспечит почти любой объектив зеркальной камеры. Возьмите такой и поставьте диафрагму на минимальное число (3.5 или меньше, обеспечит максимум света), сфотографируйте что-объёмное, например портрет. Далее закройте диафрагму на максимум (22 или больше, минимум света). И сфотографируйте еще раз тот-же предмет с того же места. Разница будет очевидна.
Популярно тут: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%A0%D0%98%D0%9F
Надеюсь, Вы учтете это в своём проекте иначе можете получить массу неприятных вопросов на (пред)защите.
Удачи!

virens комментирует...

2 Анонимный пишет...

Есть некоторая неточность в терминологии. Большую глубину резкости Вам обеспечит почти любой объектив зеркальной камеры.
Наверное, мне бы стоило написать большую - это так и есть. Кодирование волнового фронта действительно может увеличить ГРИП за счёт потери части мелких деталей на том же объективе. Опять-таки, мелки детали будут утрачены, но раз нужна глубина резкости...

сфотографируйте что-объёмное, например портрет.
Да это всё понятно. Я неточно написал в пресс-релизе - большое спасибо, обязательно поправлю!

Надеюсь, Вы учтете это в своём проекте иначе можете получить массу неприятных вопросов на (пред)защите.
Я понял, что неточно выразился. Минус ещё один вопрос с предзащиты :-)

Ещё раз большое спасибо за ценное уточнение!

Анонимный комментирует...

Бестолковая идея. Напоминает архиватор, который сжимает любой файл в один байт. Информация теряется при таком кодировании.

Информацию можно восстановить только если также записать и фазу. Т.е. получится обычная голограмма.
Или же нужно использовать обращение волнового фронта.

Похожая же идея кодирования изображения реализована уже в многожильных световодах.

Pavel комментирует...

К вопросу о бестолковой идее: Анонимный почитайте (Javidi B., Zhang G., Li. J.//Experimental demonstration of the random phase encoding technique for image encryption and security verification. //Opt.Eng. - 1996. - Vol.35.-N9., pp. 2506.) это то, что предшествовало. Random phase masks заменены на "дифракционные оптические элементы" со специфическими свойствами в широком смысле этого слова. Похожих идей тьма. Противоречие последнего Вашего предложения с Первым предложением в комментах очевидно. Я возьму на себя смелость посоветовать Вам Анонимный не сужать тему - это приводит к утере смысла, который вложил автор в статью приведенную Выше. С уважением к комментатору и Автору.

Отправить комментарий

Подписаться на RSS-ленту комментариев к этому посту.