МИФИ: Система кодирования изображений, видеопотоков и цифровых данных

Основная статья: Криптография

2022: Создание системы

В Лаборатории фотоники и оптической обработки информации Института Лазерных и Плазменных технологий НИЯУ МИФИ, под руководством научного руководителя Лаборатории, профессора Н.Н. Евтихиева разработана оптико-цифровая система кодирования изображений, видеопотоков и цифровых данных. Об этом НИЯУ МИФИ сообщил 14 октября 2022 года.

Комбинирование электронных и фотонных технологий является одним из передовых направлений развития средств передачи и обработки информации. Именно тут сотрудникам НИЯУ МИФИ удалось добиться успеха, создав сверхскоростную и высокозащищённую оптико-цифровую систему кодирования.

Выглядит работа этой системы примерно так. Любой компьютерный файл по сути есть совокупность единиц и нулей. Для осуществления оптического кодирования информации необходимо вначале «визуализировать», а точнее представить файл в виде пространственного сигнала, для чего используется так называемый «пространственно-временной модулятор света», который выглядит как небольшой полупрозрачный или отражающий экран. На этом экране содержимое файла отображается в виде совокупности тёмных и светлых точек (вариантом такого представления является QR-код). Оригинальный алгоритм оптимально представляющий цифровую информацию в виде совокупности пикселов в разработанной системе создан инженером кафедры лазерной физики НИЯУ МИФИ кандидатом физико-математических наук Анной Шифриной. Экран освещается лазерным излучением. Чекап для искусственного интеллекта: зачем и как тестировать ИИ-решения?

Свет, проходящий через экран с помощью системы линз попадает на второй модулятор, на котором голографическим методом представлен кодирующий ключ и, таким образом цифровая информация последовательно получает оптическое «воплощение» и уже в таком виде подвергается кодированию. На выходе у системы получается изображение совокупности бесформенных пятен, которые и являются закодированным визуальным представлением исходной информации. Эти пятна можно сфотографировать цифровой камерой (разумеется, это должно быть сделано с высоким разрешением и малыми шумами) и дальше передать фотографию по каналу связи партнеру, не опасаясь, что по дороге она будет перехвачена третьими лицами. У корреспондента в компьютере должен быть ключ к шифру, с помощью которого он из переданного изображения бесформенных пятен путём расчёта сможет извлечь первоначальное сообщение. Методы представления ключа и регистрации выходного светового распределения системы, а главное алгоритмы восстановления данных разработаны сотрудниками Лаборатории к.ф.м.-н. Виталием Красновым и к.ф.-м.н. Павлом Черёмхиным.

Рзработка НИЯУ МИФИ обладает двумя важными плюсами. Во-первых, высокой производительностью: обработка и кодирование информации может осуществляться со скоростью во многие десятки гигабит в секунду. Второе качество связано с первым: у системы очень низкая криптографическая уязвимость, поскольку в ней используется ключ, размеры которого измеряются многими килобайтами.

По словам заведующего Лабораторией профессора Ростислава Старикова, стойкость к взлому разработанной системы кодирования сопоставима с аналогичными показателями систем квантового шифрования – с той, однако, разницей, что реально работающих систем на основе квантового кодирования в широкой практике пока не существует из-за особенности используемой при их построении элементной базы; в разработанной же оптической системе используются относительно недорогие массово доступные элементы. Для испытания криптостойкости разработанной в НИЯУ МИФИ системы специально проводят испытательные «хакерские» атаки на нее с использованием нейросетевых методов – но разработка пока что успешно выдерживает испытания.

Для создания нового «кодировщика» учёным понадобились не только разработка математических алгоритмов, но и хорошее знание того, как работают оптические системы, включая и понимание природы искажений, которые претерпевает «оптическая» информация внутри технических систем. По словам Ростислава Старикова, в основу разработки положены идеи, выдвинутые ещё в 1990-х – 2000-х годах, несколькими исследовательскими группами в мире; в частности, в России первые исследования в этом направлении выполнены именно в МИФИ. По-настоящему же реализовать подобные системы стало возможным только теперь, когда электронные и оптические технологии, а также компьютерная техника достигли достаточного уровня развития.