Theoretical foundations of digital content integrity expertise

Abstract

In the context of the rapid development of information technologies, their implementation in the process of functioning of critical infrastructure, in particular energy, of any state is extremely rele-vant. At the same time, the continuity and quality of functioning of any automated system in the digital space critically depends on ensuring the integrity of the information used. The effectiveness of digital content integrity expertise methods is determined by their theoretical foundations. Existing theoretical approaches do not allow obtaining a final solution to this problem. The aim of this work is to develop a general approach to the analysis of the state of information systems, based on the theory of matrices, for its use in the examination of the integrity of digital content. The objective was achieved by investigating the perturbation properties of singular values and singular vectors of the image (or video frame) matrix as a result of perturbation for original and non-original contents. The most important results of the work are: substantiation for non-original content of the destruction of the monotony of the trend of the func-tion of dependence of the disturbance of the singular number on its number, which takes place for orig-inal content; substantiation of the fundamental possibility of estimating the magnitude of the perturbing effect. The significance of the obtained results lies in their subsequent use for the development of uni-versal methods for examining the integrity of digital images, video, in particular steganoanalytical meth-ods, which make it possible not only to identify the fact of integrity violation, but also to assess the magnitude of the perturbing effect, which is extremely important in steganoanalysis, where this value characterizes the throughput of a hidden communication channels.

În contextul dezvoltării rapide a tehnologiilor informaționale, implementarea acestora în procesul de funcționare a infrastructurii critice, în special a energiei, a oricărui stat este extrem de relevantă. În același timp, continuitatea și calitatea funcționării oricărui sistem automatizat din spațiul digital depinde în mod critic de asigurarea integrității informațiilor utilizate. Eficacitatea metodelor de expertiză a integrității conținutului digital este determinată de bazele lor teoretice. Abordările teoretice existente nu permit obținerea unei soluții finale la această problemă. Scopul lucrări este de a dezvolta o abordare generală a analizei stării sistemelor de informare, bazată pe teoria matricelor, pentru utilizarea acesteia în examinarea integrității conținutului digital. Obiectivul a fost atins prin investigarea proprietăților de perturbare ale valorilor singulare și ale vectorilor singulari ai matricei imaginii (sau cadrul video) ca rezultat al perturbării conținutului original și neoriginal. Cele mai importante rezultate ale lucrării sunt: justificarea conținutului neoriginal pentru ruperea monotonității funcției de tendință a dependenței perturbării unui număr singular de numărul său, care apare pentru conținutul original; fundamentarea posibilităţii fundamentale de estimare a mărimii influenţei perturbatoare. Semnificația rezultatelor obținute constă în utilizarea lor ulterioară pentru dezvoltarea metodelor universale de examinare a integrității imaginilor și videoclipurilor digitale, în special metodele steganoanalitice, care fac posibilă nu numai identificarea faptului de încălcare a integrității, ci și estimarea. magnitudinea impactului perturbator, care este extrem de importantă în steganaliza, unde această valoare caracterizează lățimea de bandă a canalului de comunicație ascuns este cheia la decodificarea informațiilor secrete.

В условиях стремительного развития информационных технологий чрезвычайно актуальным является их внедрение в процесс функционирования критической инфраструктуры, в частности энергетической, любого государства. Однако все возможности, удобства, преимущества, предоставляемые современными информационными технологиями, повсеместной цифровизацией общества могут быть перечеркнуты недостаточным вниманием к проблемам информационной и кибербезопасности. Непрерывность и качество функционирования любой автоматизированной системы в цифровом пространстве критически зависит от обеспечения целостности используемой информации, защиты ее от несанкционированного доступа. Эффективность методов экспертизы целостности цифровых контентов определяется их теоретическим базисом. Существующие теоретические подходы не позволяют получить окончательное решение задачи выявления несанкционированных изменений цифровых изображений и видео, которые рассматриваются в работе. Хорошо зарекомендовал себя для решения различных задач кибербезопасности общий подход к анализу состояния информационных систем, основанный на теории матриц. Целью настоящей работы является дальнейшее развитие упомянутого подхода для его использования при экспертизе целостности цифровых контентов. Цель была достигнута путем детального исследования свойств функций зависимости возмущений сингулярных чисел и сингулярных векторов матрицы изображения/кадра видео от их номера в результате возмущающего воздействия для оригинальных и неоригинальных контентов. Наиболее важными результатами работы являются: обоснование для неоригинального контента разрушения монотонности тренда функции зависимости возмущения сингулярного числа от его номера, имеющей место для оригинального контента; обоснование принципиальной возможности оценки величины возмущающего воздействия. Значимость полученных результатов заключается в их последующем использовании для разработки универсальных методов экспертизы целостности цифровых изображений, видео, в частности стеганоаналитических методов, дающих возможность не только выявления факта нарушения целостности, но и оценки величины возмущающего воздействия, что крайне важно при стеганоанализе, где эта величина характеризует пропускную способность скрытого канала связи и является ключевой при декодировании секретной информации.