Metoda RAI – odporna i niewykrywalna. Publiczna obrona rozprawy doktorskiej mgr. inż. Marcina Perego
W dniu 24 czerwca 2025 roku, w murach Wydziału Cybernetyki Wojskowej Akademii Technicznej, miała miejsce publiczna obrona rozprawy doktorskiej mgr inż. Marcina Perego, zatytułowanej „Metoda steganografii wideo odporna na zniekształcenia analogowe”. Praca została przygotowana pod kierunkiem promotora dr hab. inż. Tadeusza Nowickiego, prof. WAT, przy wsparciu promotora pomocniczego dr inż. Roberta Waszkowskiego. Rozprawa została z sukcesem obroniona w dyscyplinie Informatyka Techniczna i Telekomunikacja.
Innowacja metodologiczna: RAI jako odpowiedź na wyzwania steganografii wideo
Rozprawa koncentruje się na nowatorskiej metodzie steganograficznej RAI (Robust Adaptive Incremental), opracowanej z myślą o skutecznym ukrywaniu informacji w sygnale wideo. Istota zaproponowanego podejścia polega na iteracyjnym odzyskiwaniu ukrytych danych z kolejnych klatek materiału filmowego, co umożliwia stopniową i odporną na zakłócenia rekonstrukcję pełnej treści przekazu. Celem metody było osiągnięcie dwóch kluczowych właściwości: wysokiej odporności oraz niewykrywalności. Jak zauważa autor w rozprawie, „dla zapewnienia odporności metoda została zaprojektowana tak, aby możliwe było odczytanie komunikatu nawet z silnie zdegradowanego materiału, w którym tradycyjne podejścia zawiodłyby ze względu na utratę ciągłości danych”. Równocześnie, zmiany wprowadzane w sygnale wideo są projektowane tak, aby były niezauważalne dla obserwatora, co zapewnia wysoki poziom steganograficznej transparentności.
Uzasadnienie naukowe i wyniki badań eksperymentalnych
W ramach rozprawy opracowany został formalny model metody RAI jako przykład ogólniejszej klasy metod iteracyjnych w steganografii. W steganografii istnieje fundamentalna zależność pomiędzy trzema kluczowymi cechami metod ukrywania informacji: odpornością, niewykrywalnością i pojemnością. W literaturze często przedstawia się tę relację w formie trójkąta, gdzie każdy z jego wierzchołków reprezentuje jedną z tych właściwości. Konkretna metoda steganograficzna znajduje się wewnątrz trójkąta – jej pozycja zależy od stopnia, w jakim spełnia każdą z cech. Zwiększenie jednej z właściwości, np. odporności na ataki lub modyfikacje, zazwyczaj skutkuje zmniejszeniem innych, np. pojemności (ilości możliwych do ukrycia danych) lub niewykrywalności (trudności w zauważeniu ukrycia danych). Oznacza to, że projektowanie skutecznej metody steganograficznej wymaga kompromisu – nie można maksymalizować wszystkich trzech parametrów jednocześnie. Trójkąt ten dobrze obrazuje balans i ograniczenia, z jakimi mierzy się twórca każdej techniki steganograficznej.
W metodzie RAI największy nacisk położony został na odporność i niewykrywalność, przy czym najwyższy priorytet przypisano odporności na zniekształcenia. Dzięki temu nawet intensywne zakłócenia - np. podczas wyświetlania obrazu na ekranie telewizora - nie uniemożliwiają poprawnego automatycznego odczytania ukrytej informacji. Równocześnie wprowadzone modyfikacje pozostają niewidoczne dla ludzkiego oka, co zapewnia wysoki poziom niewykrywalności. Metoda RAI obejmuje adaptacyjny algorytm kodujący oznaczony jako c-RAI, które pozwalają na osadzanie informacji w co trzeciej klatce wideo. Z drugiej strony, dekodowanie realizowane za pomocą algorytmu d-RAI wykorzystuje iteracyjny mechanizm zwiększania ilości wydobywanej informacji z każdej kolejnej zakodowanej klatki wideo, umożliwiając sukcesywne odzyskiwanie zakodowanego przekazu.
Ważnym aspektem badań było określenie granic percepcyjnych ludzkiego wzroku w kontekście niewykrywalności modyfikacji. W tym celu przeprowadzono testy na grupie badawczej, których celem było empiryczne wyznaczenie progów detekcji zmian wizualnych, co jak podkreślają recenzenci stanowi wartość dodaną do analizy jakościowej metody. Otrzymane wyniki wskazują na możliwość ukrywania danych w sposób nieodróżnialny od materiału referencyjnego, co potwierdza skuteczność podejścia przy założeniu kompromisu pomiędzy pojemnością a niewykrywalnością.
Jak zauważa prof. dr hab. inż. Krzysztof Szczypiorski z Politechniki Warszawskiej:
„Oryginalność rozprawy […] dotyczy szeregu aspektów: pierwszym, a zarazem głównym, jest zaproponowanie nowej metody steganografii wideo RAI odpowiadającej na problem zniekształceń analogowych wraz z definicją formalnego modelu. Drugim jest zaproponowanie algorytmów kodujących i dekodujących wykorzystujących koncepcję inkrementalności oraz adaptacji. Trzecim: zdefiniowanie metryk odporności, pojemności i niewykrywalności oraz ich empiryczne przebadanie”.
Potwierdzeniem naukowej wartości metody są również wyniki publikowane w czasopismach o zasięgu międzynarodowym, w tym w czasopiśmie z tak zwanej listy filadelfijskiej: Entropy („A Model and Quantitative Framework for Evaluating Iterative Steganography”, Entropy, 26(12), 2024), co świadczy o uznaniu, jakim metodologia cieszy się w środowisku badaczy zajmujących się steganografią oraz bezpieczeństwem informacji.
Odniesienie do współczesnych wyzwań technologii cyfrowych i analogowych
Jednym z istotnych elementów rozprawy jest ponowne przyjrzenie się analogowej naturze zniekształceń, często marginalizowanej w epoce dominacji technik cyfrowych. Dr hab. inż. Andrzej Paszkiewicz z Dowództwa Komponentu Wojsk Obrony Cyberprzestrzeni zauważa:
„Fundamentalnym dla konstrukcji całej rozprawy […] jest problem dobrego opisania istoty zniekształceń analogowych. Temu problemowi szczególnie dużo wysiłku poświęcono w połowie XX wieku […]. Na skutek 'zachłystnięcia się' technikami cyfrowymi niemal zaprzestano nauczania technik analogowych”.
W tym kontekście metoda RAI jest nie tylko propozycją nowego podejścia technicznego, ale również próbą ponownego zdefiniowania roli analogowych zakłóceń w bezpieczeństwie informacji ukrytej.
Z kolei dr hab. inż. Maciej Walkowiak, prof. uczelni z Politechniki Bydgoskiej, podkreśla, że:
„autor wykazał się dobrą znajomością wiedzy teoretycznej i praktycznej w reprezentowanej przez niego dyscyplinie, a także umiejętnością samodzielnego prowadzenia pracy naukowej”.
Nowy doktor nauk technicznych i perspektywy dalszego rozwoju
Zwieńczeniem prac badawczych była pozytywna ocena rozprawy przez wszystkich recenzentów oraz jednogłośne dopuszczenie pracy do publicznej obrony. Po udzieleniu odpowiedzi na pytania oraz przedstawieniu wyników, Rada Naukowa podjęła decyzję o nadaniu mgr inż. Marcinowi Peremu stopnia doktora nauk technicznych.
Metoda RAI, jako przykład zaawansowanej steganografii iteracyjnej, stanowi potencjalną bazę do dalszych prac rozwojowych i wdrożeniowych w obszarach wymagających bezpiecznego, niewidocznego przesyłania informacji w sygnale wideo zwłaszcza w warunkach zakłóceń i degradacji jakości. Gratulujemy dr. inż. Marcinowi Peremu uzyskanego stopnia naukowego i życzymy dalszych sukcesów na drodze naukowej, szczególnie w rozwijaniu obszaru steganografii jako interdyscyplinarnej dziedziny łączącej informatykę, telekomunikację oraz nowoczesne metody bezpieczeństwa informacji.
Tekst: Paweł Moszczyński, Magdalena Moszczyńska
Grafika: WCY