Development of a New Approach to the Problem of Detecting the Integrity Violations of a Digital Image

The energy sector is an integral part of the critical infrastructure of any state and is particularly sensitive to the quality of information security systems. Due to the diversity of activities of vari-ous organizations in the energy industry, almost all threats to information security are relevant to them, in particular, unauthorized changes in information content. The aim of the work is to de-velop the new approach to the examination of the integrity of images, which will provide the possibility of building universal methods for detecting its violations, effective regardless of the strength and type of influences that change them. The aim was achieved by: introducing the concept of “frequency index” for the singular vector of the image matrix, and study of the properties of the dependence of the frequency index of a singular vector on its number. The most important result of the work is the almost constant rate of increase the trend of the studied function, which results in the linearity of the frequency index of singular vectors for digital im-ages, the integrity of which is not violated. This characteristic is sensitive to any changes in the image matrix. The significance of the obtained result lies in the fact that the use of the estab-lished properties for the function of the dependence of the frequency index of singular vectors on its number makes it possible to develop universal integrity examination methods that are ef-fective regardless of the strength and type of disturbances that violated the integrity of the im-age

Дослідження властивостей коефіцієнтів дискретного косинусного перетворення як основа метода виявлення порушення цілісності цифрового зображення

One of the most common representations of information today are digital images, unauthorized changes of which can lead to negative consequences for an individual, institution, firm, and the state as a whole, which makes the detection of digital image integrity violation one of the most urgent tasks of information security. The main drawback of the existing expert methods is their focus on detecting the results of a specific disruptive action, but in practice the expert often does not have information about the specifics of an attack on a digital image, while his set of tools is always limited, which can lead to a situation where the investigated digital image is erroneously recognized as original. The first «defense line» here should be methods that are effective regardless of the type of disruptive action, i.e. universal. At present, there are a very small number of such methods in open sources; most of them are not free from shortcomings, the main of which is a significant decrease in efficiency in conditions of minor disturbances. The aim of the paper is to develop a theoretical basis for an effective universal method of detection of digital image integrity violation, in particular, in conditions of minor disturbances. In the course of achieving the aim of the paper: the justified expediency of using a block approach when organizing an examination of the integrity of a digital image; the area of discrete cosine transformation (DCP) of the block is chosen as the area of examination; justified selection of specific DCP coefficients for organizing the detection of violations of the integrity of digital images, the values of which do not depend on the value of the quality coefficient used when obtaining the original image, as well as on the specific type of digital images; the difference in the nature of changes in the selected formal parameters during re-saving of lossy digital images, depending on whether it is original or non-original, is investigated. The obtained results of theoretical studies, which are confirmed by the results of computational experiments, constitute the theoretical basis for the development of an effective universal method of examination of the integrity of digital images, in particular, in conditions of minor disturbances.Одним з найпоширеніших представлень інформації сьогодні є цифрові зображення (ЦЗ), несанкціоновані зміни яких можуть приводити до негативних наслідків як для окремої людини, установи, фірми, так і для держави в цілому, що робить задачу виявлення порушення цілісності ЦЗ одною з найактуальніших задач інформаційної безпеки. Основним недоліком існуючих експертних методів є їх орієнтованість на виявлення результатів конкретної збурної дії, але на практиці експерт часто не володіє інформацію про конкретику атаки на ЦЗ, при цьому набір його засобів завжди є обмеженим, що може привести до ситуації, коли досліджуване ЦЗ помилково бути визнане оригінальним. Першим «ешелоном оборони» тут повинні бути методи, ефективні незалежно від виду збурної дії — універсальні. На теперішній час в відкритих джерелах представлена дуже незначна кількість таких методів, які не є вільними від недоліків, головним з яких є суттєве зниження ефективності в умовах незначних збурних дій. Метою роботи є розробка теоретичного базису для ефективного універсального методу виявлення порушення цілісності ЦЗ, зокрема, в умовах незначної збурної дії. В ході досягнення мети в роботі: обґрунтована доцільність використання блокового підходу при організації експертизи цілісності ЦЗ; область дискретного косинусного перетворення (ДКП) блоку обрана як область проведення експертизи; обґрунтований вибір конкретних коефіцієнтів ДКП для організації виявлення порушення цілісності ЦЗ, значення яких не залежать від значення коефіцієнту якості, що використовувався при отриманні оригінального зображення, а також від конкретного виду ЦЗ; досліджено відмінність в характері змін обраних формальних параметрів при перезбереженні ЦЗ з втратами залежно від того, оригінальним чи неоригінальним воно є. Отримані результати теоретичних досліджень, що підтверджуються результатами обчислювальних експериментів, складають теоретичний базис для розробки ефективного універсального методу експертизи цілісності ЦЗ, зокрема, в умовах незначної збурної дії