Как защитить карту местности от взлома?

Юлия Выборнова ведёт криптографию у 4 курса ИБАС (информационная безопасность автоматизированных систем) и курирует дипломников. В декабре 2019 года девушка защитила диссертацию по теме "Метод защиты векторных данных на основе встраивания растровых цифровых водяных знаков" (научный руководитель – Владислав Сергеев) и стала первым российским учёным, кто предложил новый способ защиты авторских прав на векторные данные, стойкий ко всем типам злоумышленных атак и не искажающий точность таких данных.

Работа примечательна ещё и тем, что находится на стыке геоинформатики и информационной безопасности. Юлия рассказала о разработке, а также о том, каково это – быть девушкой-исследователем в ИТ и почему она выбрала карьеру учёного.

"В России почти нет исследований по защите векторных данных"

Учёные кафедры геоинформатики и информационной безопасности (ГИиИБ) плотно занимаются разработками в сфере геоинформатики. На базе кафедры существует центр приёма, обработки и анализа космической информации, на крыше научного корпуса – мощные антенны. Они принимают данные с нескольких спутников дистанционного зондирования Земли с радиусом зоны видимости 2,5 тыс. км. Космоснимки используются для создания картографических ИТ-продуктов, применяемых в сфере градостроительства, сельского хозяйства, транспорта, экологии, метеорологии и др.

Карты существуют в двух форматах – растровом и векторном. Растровые – это пиксельные карты, фотографии со спутника. Векторные же состоят из точек, линий, прямоугольников и многоугольников и содержат географические координаты. Они делаются вручную, считаются более точными и более дорогими из-за трудоёмкости их создания. На кафедре есть целый отдел, который занимается отрисовкой таких карт. Векторные данные более привлекательны для мошенников, которые могут их украсть и перепродать с целью материальной выгоды.

Как ни странно, исследований в сфере защиты векторных данных в России почти нет, хотя отраслей, где применяются такие карты, становится всё больше. Так оформилась задача для диссертации – найти способ защиты авторских прав на векторные данные с помощью цифровых водяных знаков, который позволит авторам доказать и отстоять свои права на интеллектуальную собственность.

"Наши цифровые водяные знаки изменяют порядок вершин полигонов"

Основная идея встраивания цифровых водяных знаков (ЦВЗ) заключается во внесении в защищаемые данные искажений. На основе этих искажений при необходимости извлекается зашифрованная информация об авторе. Эти искажения могут быть видимыми или исчезающе малыми.

Мировые исследования в этом направлении начались в 2002 году, и это были методы, которые искажают координаты. Самарские учёные предложили подход, когда ЦВЗ не встраиваются в координаты, а изменяют порядок вершин полигонов.

Полигон – это нарисованный многоугольник (например, дом) на карте. Координаты его вершин хранятся в базе данных в определённом порядке, и если его поменять, то полигон преобразится в другую фигуру. Поэтому было решено вносить ЦВЗ, сдвигая порядок вершин циклически, то есть ставить в определённое место первую вершину и от неё нумеровать следующие. Место первой вершины задаёт ЦВЗ.

Получается, что ЦВЗ – это картинка, сетка пикселей. Картинка "накладывается" на векторную карту, и центр каждого полигона попадает в определённую ячейку картинки, значение яркости пикселя которой встраивается в полигон (до 8 бит). Как правило, не все пиксели попадают в полигоны, но при извлечении картинку легко восстановить при помощи методов интерполяции.

Усилить уровень защиты помогает более сложная картинка. В нашем случае это специально сгенерированная голограмма, внутри которой есть битовая последовательность из 0 и 1. Она устойчива к искажениям, даже если вершин полигонов мало, скрытая битовая последовательность будет извлечена корректно.

Следующий шаг – запатентовать технологию

Разработанный метод подходит для защиты авторских карт, находящихся в закрытом доступе, это могут быть планы городов или границ территорий. Главное условие – наличие многоугольников. К сожалению, для карт, состоящих из незамкнутых линий, она не применима.

Пока практическое применение идеи сдерживает отсутствие законодательства в этой сфере. Не существует точного регламента, как закрепить за владельцем цифровой водяной знак, какой орган выдает лицензию на его авторство и т.д.

Но мы планируем патентовать технологию и совместно с сотрудниками кафедры продолжать разработку по защите других векторных данных – 3D-моделей, графических чертежей и т.п. Интересно продолжить исследование в направлении проверки подлинности: разработать методы, позволяющие выявить подделку векторных данных. В целом хочется разработать большой пакет методов, который позволит обеспечить защиту различных типов векторных данных от всех возможных угроз.

"Вначале учёные нам не доверяли и публикации отклонялись"

В начале исследования мы стали активно предлагать научным журналам статьи, чтобы закрепить за собой авторство на новую и перспективную идею. Но столкнулись с проблемой - у новой разработки почти нет научного бэкграунда в виде опубликованных статей, нам не доверяли, и наши материалы отклонялись либо отправлялись на доработку. В итоге, когда мы представили достаточно развернутые научные результаты, наши статьи начали публиковать в различных сборниках, и большинство из них – это довольно престижные научные издания.

Я приняла участие во множестве российских конференций, в конце 2018 года выступила с докладом в Германии. Одним из самых больших достижений стало участие в конференции SECRYPT в Праге. Это крупное научное событие в области криптографии и информационной безопасности с очень высоким рейтингом среди всех мировых конференций. Туда очень трудно попасть, все статьи серьёзно рецензируют, и возможность выступить там была для нас показателем, что мы сделали что-то стоящее!

Для защиты диссертации обычно представляют две публикации ВАК. У меня было 11 публикаций, большая часть на английском. Основные результаты диссертации опубликованы были в сборнике Communications in Computer and Information Science авторитетного зарубежного издательства Springer.

"Перед защитой диссертации я сидела за компьютером по 14-16 часов, и мне казалось, что все потеряно"

Я поступила в аспирантуру в 2015 году, когда она стала ещё одним полноценным высшим образованием, срок обучения увеличился до 4 лет, появилось много лекционных занятий, посвящённых работе в вузе: разработка учебной программы, методических пособий, регламент написания и публикации статей, в том числе в зарубежных изданиях (там и правда много нюансов), психология и педагогика. Для тех, кто планирует преподавать, эти знания не будут лишними.

Исследовательская работа идёт параллельно с посещением пар и в идеале заканчивается защитой с присвоением учёной степени и выдачей диплома преподавателя-исследователя. Но, к сожалению, многие аспиранты останавливаются на дипломе преподавателя вуза. Я считаю, что, проделав такой большой исследовательский путь, защититься всё-таки надо. Понимаю, что это непросто, перед защитой я сидела за компьютером по 14-16 часов и иногда мне казалось, что всё потеряно, но, как известно, путь к звёздам всегда тернист.

"В науке не заказчик решает, какой будет результат, а решаешь ты сам"

Студенткой мне нравилось проводить исследования в рамках НИРС. У меня не было планов на далёкое будущее, хотелось понять, к чему лежит душа. Я начала работать на ИТ-должности и вскоре определилась: буду заниматься наукой. На мой взгляд, это более творческая работа, здесь не заказчик решает, какой будет результат, а ты сам.

Научные разработки можно вести на средства государственного гранта. Оплата твоего труда зависит от размера гранта и его длительности. Сейчас я работаю по двум грантам.

"Ещё десять лет назад встретить девушку на факультете было редкостью"

В 2010 году встретить девушку на факультете информатики было большой редкостью, встречались такие преподаватели, которые к нам относились скептически и пытались понять, кто же помогает нам учиться. Сейчас некоторые группы на 50% состоят из девушек, и часто они показывают весьма хорошие результаты.

ИТ - востребованная и популярная сфера, понятно, почему она пользуется спросом и у девушек. Но каждая девочка, вступающая на ИТ-путь, должна понимать, что здесь нет графика с 8 до 17– есть дедлайны, такая работа занимает большую часть времени. К выбору профессии нужно подходить ответственно, самое главное – нужно гореть своим делом, и тогда работа станет неотъемлемой частью жизни и будет вдохновлять вас становиться лучше каждый день!

 

Татьяна Дмитриева
Фото предоставлено героем интервью