Розробка інформаційної системи захисту інтелектуальної власності на мультимедійні дані

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розв’язанню актуального науково-прикладного завдання підвищення ефективності захисту інтелектуальної власності на мультимедійні дані шляхом побудови математичних моделей, удосконалення наявних і розроблення нових методів, що поєднують ідентифікацію правовласника, вбудовування стійких цифрових водяних знаків у зображення та аудіодані й кількісне оцінювання цілісності і подібності контенту після типових перетворень, а також їх програмної реалізації у вигляді інформаційної системи з формуванням доказових протоколів перевірки. Актуальність дослідження зумовлена стрімким зростанням обсягів цифрового мультимедійного контенту, поширенням платформ масової публікації зображень, аудіо та відео, розвитком генеративних технологій, а також збільшенням кількості випадків несанкціонованого копіювання, модифікації, повторного розміщення та комерційного використання цифрових творів без згоди правовласника. У таких умовах ефективна реалізація традиційних правових механізмів захисту авторських і суміжних прав потребує їх доповнення технічними засобами фіксації авторства, виявлення похідних копій, перевірки цілісності файлів та автоматизованого аналізу мультимедійних даних. Саме тому в дисертації запропоновано інформаційну систему, яка поєднує методи цифрового водяного маркування, перцептивного хешування, аудіовідбитків, псевдографічного аналізу аудіосигналу, метаданих, журналювання операцій і експериментальної оцінки стійкості методів. У першому розділі дисертації досліджено сутність мультимедійних даних як об'єкта інформаційного, технічного та правового захисту. Розглянуто особливості цифрових зображень, аудіофайлів та інших типів мультимедійного контенту з погляду можливості їх копіювання, трансформації, повторного стиснення, обрізання, масштабування, перекодування та поширення в мережевому середовищі. Охарактеризовано основні загрози для цифрової інтелектуальної власності, проаналізовано наукові підходи до захисту мультимедійних даних – цифрові водяні знаки, стеганографічні методи, криптографічні та перцептивні хеші, аудіофінгерпринтинг, пошук візуально подібних зображень та системи контентної ідентифікації, а також специфіку авторського права на аудіо- та відеофайли й застосування штучного інтелекту у сфері захисту мультимедійних даних. Окремо досліджено структуру мультимедійних даних як контейнерів для прихованого вбудовування інформації: визначено компоненти зображень та аудіосигналів, придатні для маркування, проаналізовано пропускну здатність каналів вбудовування, метрики оцінювання непомітності та стійкості й формальні моделі перетворень і атак. Обґрунтовано необхідність переходу від ізольованого використання окремих алгоритмів до побудови комплексної інформаційної системи та сформульовано вимоги до такої системи. У другому розділі дисертації побудовано математичні моделі та вдосконалено методи вбудовування цифрових водяних знаків у мультимедійні дані. Кожний клас методів розглянуто за єдиною аналітичною схемою: формалізація наявного методу та його математичної моделі, виявлення притаманних йому недоліків, формулювання гіпотези щодо вдосконалення, доведення відповідного твердження та експериментальна перевірка на реальних даних із конкретними кількісними показниками. Розглянуто просторові методи (LSB, статистичне patchwork-вбудовування), частотні методи на основі дискретного косинусного перетворення та QIM для зображень, методи вбудовування в модифікованому дискретному косинусному перетворенні (MDCT) для аудіосигналів, метод розширеного спектра, метод прихованого ехо та метод вбудовування через енергію підсмуг, а також окреслено перспективні напрями вдосконалення (фазове кодування, гібридні трансформні схеми DWT+SVD/DWT+DCT, нейромережеві методи). Для кількісного оцінювання ефективності вдосконалень розроблено автоматизований конвеєр порівняльного тестування; експерименти проведено на наборі зі 150 аудіофайлів за стандартизованим переліком атак (MP3-перекодування, нормалізація гучності, передискретизація, фільтрація) з використанням метрик стійкості (BER), непомітності (SNR) та обчислювальної вартості. Проаналізовано переваги та обмеження кожного класу методів, що створює теоретичну основу для авторських методів наступного розділу. У третьому розділі дисертації розроблено та формально описано два авторські методи. Для зображень вдосконалено метод DCT-QIM (wm_v2_dct_qim_profile): введено псевдовипадкову ключову вибірку позицій коефіцієнтів, пакетну надлишковість із повторенням і трирівневу схему ухвалення рішень «PASS / PARTIAL / FAIL» («Придатний / Ризик / Відмова»). Метод експериментально перевірено на наборі з 567 зображень: за середнього PSNR 55,88 дБ після JPEG-стиснення з параметром якості Q=75 отримано BER = 0,0287. Формалізована ємність методу становить до 44 байт для зображень, що задовольняють установлені вимоги до розміру контейнера. Для аудіоданих розроблено авторський псевдографічно-диференціальний метод audio_pgdiff_v2, що включає формування нормалізованого профілю та диференціальної послідовності аудіосигналу, побудову 64-бітного цифрового відбитку, абсолютне DCT-QIM-вбудовування у смугах 120–600 та 600–2400 Гц із принципом модифікації лише послабленням енергії, стабільний відбір несучих кадрів, повторення на рівні пакета з перемеженням та формалізовану чотирирівневу попередню перевірку придатності файлу. Метод забезпечує BER = 0,0100 після MP3-стиснення зі швидкістю 128 кбіт/с для контейнерів, що пройшли попередню перевірку придатності. Розділ завершується порівняльним аналізом авторських методів із класичними підходами, який підтверджує їх конкурентоспроможність за ключовими метриками та перевагу за комплексністю конвеєра. У четвертому розділі дисертації розроблено архітектуру та програмну реалізацію системи IP-Protect як модульного програмного комплексу. Система поєднує реєстр цифрових активів, модуль ліцензування та управління правами, бібліотеку цифрових водяних знаків і відбитків, підсистему поетапної верифікації (SHA-256 → відбиток → водяний знак), доказовий контур та публічний режим перевірки для незареєстрованих користувачів. Для зображень задіяно SHA-256, phash64, dhash64 та DCT/QIM-вбудовування; для аудіо інтегровано вісім методів із різною стійкістю та призначенням, об'єднаних спільним контрактом preflight → embed → self-check → delivery-check. Конфігурація методів керується через RuntimeSettings без потреби в перерозгортанні системи. Обґрунтовано конкурентні переваги IP-Protect перед DRM-системами, платформними Content ID та блокчейн-реєстрами у частині платформонезалежності, вбудованості ідентифікатора, прозорості та придатності доказових матеріалів до використання в правовому контексті. Робота розвиває підходи до захисту інтелектуальної власності на мультимедійні дані шляхом поєднання методів цифрового водяного маркування, перцептивного хешування, севдографічного аналізу аудіосигналу та програмної реалізації у вигляді єдиної інформаційної системи. Особливу увагу приділено забезпеченню практичної придатності методів: попередній оцінці придатності файлу до вбудовування, контролю якості на кожному етапі обробки та формуванню відтворюваних протоколів перевірки. Аналіз показав, що ефективний захист мультимедійних даних не може ґрунтуватися на одному ізольованому алгоритмі – криптографічний хеш, перцептивний відбиток і цифровий водяний знак виконують різні функції та мають бути інтегровані в єдиний конвеєр перевірки. Запропонована поетапна верифікація (SHA-256 → відбиток → водяний знак) дозволяє точно встановити характер модифікації: від повної заміни файлу до часткового пошкодження вбудованого ідентифікатора. Встановлено, що введення трирівневої схеми ухвалення рішень «PASS / PARTIAL / FAIL» для зображень і чотирирівневої попередньої перевірки для аудіофайлів суттєво підвищує інформативність результатів порівняно з бінарним підходом «виявлено / не виявлено». Зокрема, для методу DCT-QIM досягнуто BER = 0 після JPEG-стиснення з якістю Q=90/Q=85 та BER = 0,0287 після JPEG-стиснення з якістю Q=75 при PSNR 55,88 дБ, а метод audio_pgdiff_v2 забезпечує BER=0,0100 після перекодування MP3 128 кбіт/с та BER=0,0567 після перекодування MP3 64 кбіт/с для придатних контейнерів. Обґрунтовано, що псевдографічно-диференціальний підхід до аналізу аудіосигналу дозволяє одночасно вирішувати задачі цифрового відбитку, попередньої діагностики та водяного маркування в єдиному конвеєрі, що є якісною відмінністю від класичних методів, кожен з яких вирішує лише одну з цих задач. Інваріантність відношення енергій смуг забезпечує стійкість методу до нормалізації гучності – однієї з найпоширеніших побутових трансформацій аудіофайлів. Визначено, що конфігурація методів через RuntimeSettings без перерозгортання системи та підтримка публічного режиму перевірки для незареєстрованих користувачів суттєво розширюють практичну застосовність системи IP-Protect порівняно із закритими платформними рішеннями, DRM-системами та блокчейн-реєстрами. Результати дослідження доповнюють наявні підходи до захисту цифрового контенту, акцентуючи увагу на комплексності технічного рішення, доказовій цінності протоколів перевірки та можливості використання системи авторами, медіаорганізаціями та фахівцями з кібербезпеки в реальних сценаріях атрибуції та верифікації мультимедійних даних. Практичне значення результатів дослідження полягає у створенні програмної системи IP-Protect, яка може використовуватися авторами, правовласниками, медіаорганізаціями, освітніми установами та фахівцями з кібербезпеки для реєстрації мультимедійних об'єктів, вбудовування ідентифікаторів, перевірки походження файлів, аналізу модифікованих копій і формування звітів про результати перевірки. Запропоновані моделі, алгоритми та програмні модулі можуть бути використані як основа для подальшого розвитку систем моніторингу цифрового контенту, автоматизованої експертизи мультимедійних файлів, навчальних лабораторних робіт із цифрових водяних знаків та захисту інформаційних ресурсів. Практичну цінність дослідження підтверджують довідки та акти впровадження в діяльність ПАТ «ОДЕСКАБЕЛЬ», ТОВ «КІПСОЛІД УКРАЇНА», Державної служби спеціального зв’язку та захисту інформації України, Управління протидії кіберзлочинам в Одеській області Департаменту кіберполіції Національної поліції України (Додаток Г). Результати дослідження інтегровано в освітній процес Національного університету «Одеська юридична академія» при викладанні навчальних дисциплін «Експертиза та перевірка цілісності мультимедійних даних», «Цифрові водяні знаки», «Прикладна криптографія», «Системи аутентифікації та цифрової ідентифікації», «Адміністрування, аудит та безпека вебсистем», «Цифрові технології в бізнесі», «ІТ-маркетинг», «Основи IT бізнесу», «DevOps» та «DevOpsSec» (Додаток Г). Окремі положення дисертації, програмний прототип і методичні матеріали використовуються під час лабораторних занять, виконання індивідуальних завдань, підготовки кваліфікаційних робіт і в науково-дослідній роботі здобувачів.

Склад разової ради:

Голова ради – Соколов Артем Вікторович, д.т.н., професор, завідувач кафедри кібербезпеки Національного університету «Одеська юридична академія».

Рецензенти: Чикунов Павло Олександрович, к.т.н., доцент, доцент кафедри програмної інженерії Національного університету «Одеська юридична академія»; Трофименко Олена Григорівна, к.т.н., доцент, доцент кафедри програмної інженерії Національного університету «Одеська юридична академія».

Офіційні опоненти: Нємкова Олена Анатоліївна, д.т.н., професор, професор кафедри безпеки інформаційних технологій Національного університету «Львівська політехніка»; Удовик Ірина Михайлівна, к.т.н., доцент, завідувач кафедри програмного забезпечення комп'ютерних систем Національного технічного університету «Дніпровська політехніка».

Захист відбудеться за адресою: м. Одеса, вул. Фонтанська дорога, 23, зала засідань Вченої ради Національного університету "Одеська юридична академія". Трансляція захисту дисертації здійснюватиметься за посиланням: https://www.youtube.com/@НауковабібліотекаНУОЮА