BÁO cáo đề tài đề tài robust watermarking scheme for GIS vector maps

HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÁO CÁO ĐỀ TÀI Đề tài: Robust Watermarking Scheme for GIS Vector Maps Hà Nội, – 2022 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH .3 LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm 1.1.1 Digital Map 1.1.2 Watermarking Digital 1.1.3 Watermark .5 1.2 Sơ Lược CHƯƠNG 2: CHUYỂN ĐỔI SVD 2.1 Phương Pháp Phân Tích Suy Biến (Singular Value Decomposition) .7 CHƯƠNG 3: KẾ HOẠCH WATERMARKING 3.1 Đề Xuất Kế Hoạch Watermarking .8 3.3.1 Quy Trình Ẩn (Hiding Process) 3.3.2 Khai thác Watermark 10 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 11 KẾT LUẬN 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO 15 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 3.1: Mơ hình ẩn kế hoạch đề xuất Hình 4.1: Hai mẫu đồ vecto (a) Bản đồ Hoa Kì, (b) Bản đồ Canada; 11 (a1) watermarked đồ Hoa Kì, (b1) watermarked Bản đồ Canada 11 Hình 4.2: Đánh giá độ xác dựa tương đồng cảm nhận (a) đồ gốc (b) đồ watermarked 12 LỜI MỞ ĐẦU Với tiến nhanh chóng cơng nghệ thơng tin mạng máy tính, dễ để tái tạo chia sẻ liệu geospatial kiểu kỹ thuật số Do đó, việc sử dụng liệu geospatial có nhiều vấn đề khác xác thực liệu, proffering, chép bất hợp pháp, … Những vấn đề đại diện cho thách thức lớn việc sử dụng liệu geospatial tương lai Báo cáo chúng em giới thiệu kế hoạch để đảm bảo bảo vệ bảo quyền đồ vecto kỹ thuật số Nội dung lược đồ đề xuất dựa chuyển đổi đồ kỹ thuật số thành miền thường xuyên cách sử dụng Decomposition (SVD) để xác định khu vực phù hợp để chèn liệu hình mờ Bản đồ số tách thành phần biệt lập Dữ liệu hình mờ nhúng cường độ định phần đáp ứng tiêu chí xác định Tính hiệu đề án watermarking đánh giá biện pháp thống kê dựa hai yếu tố xác tính chắn Kết cho thấy sơ đồ watermarking đề xuất đại diện cho cân lý tưởng vấn đề bất đồng số lượng biến dạng xác Ngồi ra, lược đồ đề xuất cho thấy kháng cự mạnh mẽ nhiều loại công Nội dung đề tài gồm phần: Chương 1: TỔNG QUANG Chương 2: CHUYỂN ĐỔI SVD Chương 3: KẾ HOẠCH WATERMARKING Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm 1.1.1 Digital Map Digital Map (bản đồ kỹ thuật số) loại thơng tin có tính chất quan trọng phức tạp thường sử dụng ứng dụng nghiên cứu khoa học, thương mại, xã hội, ứng dụng địa lý đồng thời thông tin liên quan đến hoạt động an ninh quốc gia Việc tạo sửa đổi đồ kỹ thuật số đắt tốn thời gian, có số yêu cầu cần thiết bao gồm thiết bị chuyên dụng để có liệu thực tế hình ảnh vệ tinh, bề mặt trái đất, … Hệ thống watermarking digital cung cấp giải pháp tối ưu cho [1] đồ kỹ thuật số 1.1.2 Watermarking Digital Watermarking Digital trình chèn nhãn vào đối tượng video, âm hình ảnh bị méo Các ứng dụng watermarking phân loại thành hai loại loại hình bảo vệ quyền xác thực nội dung kỹ thuật số [9] Việc đảm bảo nguyên nhân đối tượng kỹ thuật số mỏng áp dụng giải vấn đề quyền sở hữu Ngoài ra, phân loại khác có khả dựa tên miền chèn thông tin mờ: không gian tần suất Thông thường, digital watermarking cần phải có nhiều yêu cầu khác bao gồm imperceptibility: biến thể đối tượng gốc đối tượng tạo hình mờ khơng nhìn thấy mắt trần, xác số chất lượng đối tượng hình mờ phải đủ tốt Độ chắn(robustness): sau thơng tin hình mờ thử nghiệm cách sử dụng loại công khác dịch, mở rộng, xoay, nén, lọc, cắt, mài, làm mờ Dung lượng(capacity): đại diện cho kích thước hình mờ ẩn mà khơng có tác động đến số chất lượng [3] 1.1.3 Watermark Watermark (Hình mờ) dấu hiệu nhận biết riêng hình ảnh, text, logo, số điện thoại, hiệu dạng hình mờ,… chèn vào hình ảnh nhằm đánh dấu chủ quyền thông tin copy lan truyền từ nơi sang nơi khác 1.2 Sơ Lược Gần đây, nhiều chương trình watermarking thiết kế để bảo vệ quyền bảo đồ kỹ thuật số Năm 2013, Tawfiq et al [4] trình bày cách tiếp cận thơng minh để ẩn hình mờ vào kỹ thuật số GIS dựa việc lấy tính từ đồ vecto kỹ thuật số sau trộn đối tượng vật lý trích xuất với thông tin mờ Vào năm 2014, Lee et al [5] đề xuất kỹ công cộng nhận thức được, an tồn, cơng khai mạnh mẽ để đạt bảo vệ quyền cho đồ số vecto GIS cách sử dụng phân bố độ dài cung Các bit hình mờ chèn vào cách sửa đổi chiều dài cung nhóm thích hợp Năm 2015, Penget al [6] trình bày phương pháp zero-watermarking cho đồ kỹ thuật số vecto Các thông tin hình mờ kết hợp với tỷ lệ khoảng cách đỉnh đặc trưng để chống lại số công Vào năm 2016, Wang [7] đề nghị kế hoạch watermarking dễ vỡ đảo ngược để tìm thay đổi đường đa giác/ đa giác đồ vecto kỹ thuật số Nó dùng ngưỡng cố định để phân chia khu vực đồ vecto vào số cụm ẩn dấu vùng thành cụm tương ứng CHƯƠNG 2: CHUYỂN ĐỔI SVD 2.1 Phương Pháp Phân Tích Suy Biến (Singular Value Decomposition) Singular Value Decomposition (viết tắt SVD) phương pháp thuộc nhóm matrix factorization phát triển lần đầu nhà hình học vi phân Ban đầu mục đích phương pháp tìm phép xoay khơng gian cho tích vơ hướng vecto không thay đổi Phương pháp SVD phát triển dựa tính chất ma trận trực giao ma trận đường chéo để tìm ma trận xấp xỉ với ma trận gốc Phương pháp sau ứng dụng rộng rãi lĩnh vực hình học vi phân, hồi qui tuyến tính, xử lý hình ảnh, clustering, thuật tốn nèn giảm chiều liệu, đặc biệt hiệu toán recommendation SVD áp dụng rộng rãi kỹ thuật số năm gần thuộc tính Trong phép biến đổi SVD, đối tượng hình chữ nhật phân tích thành tích ba ma trận Với đồ kỹ thuật số với m x n ma trận A với rank = R, SVD A biểu diễn dạng toán học sau: A=USVT… Trong đó: - U(MxN) V(NxN) đại diện cho ma trận đơn - S ma trận đường chéo có bậc hai giá trị riêng từ U inV theo thứ tự giảm dần Để biết thêm chi tiết SVD tham khảo [8] CHƯƠNG 3: KẾ HOẠCH WATERMARKING 3.1 Đề Xuất Kế Hoạch Watermarking Mục tiêu lược đồ hình mờ công việc bảo vệ quyền đồ kỹ thuật số Lược đồ đề xuất gồm hai trình ẩn (Hiding Process) khai thác watermarking 3.3.1 Quy Trình Ẩn (Hiding Process) Lược đồ đề xuất dựa việc xếp đỉnh đồ SVD để chèn thông tin hình mờ vào đồ số Mơ hình ẩn kế hoạch đề xuất trình bày hình sau: Hình 3.1: Mơ hình ẩn kế hoạch đề xuất Chi tiết bước mơ hình ẩn kế hoạch đề xuất: Extraction of Vertices (Trích xuất đỉnh): Trong bước này, đồ vecto quét để trích xuất tất đỉnh tọa độ chúng mảng chiều Chiều dài mảng hai đỉnh số đồ số Mỗi đỉnh đồ biểu diễn cách sử hai vị trí mảng, vị trí để lưu tọa độ x khác để lưu theo dãy y Arranging of Vertices (Sắp xếp đỉnh): Sau đó, tất đỉnh trích xuất tổ chức mảng chiều trình bày đây: Trong đó: - n đại diện cho số đỉnh đồ kỹ thuật số - x, y đại diện cho tọa độ trục x trục y tương ứng cho đỉnh Construct Host Data (Xây dựng liệu máy chủ): Ở bước này, phân vùng áp dụng mảng tạo bước để tạo tập hợp ma trận có kích thước 8x8 Các ma trận đóng vai trị liệu máy chủ lưu trữ để ẩn thông tin hình mờ Trong số trường hợp, số lượng tọa độ khơng phải bội số 64, người ta đề xuất mở rộng tọa độ phạm vi tối thiểu Phần mở rộng thực cách thêm giá trị vào ma trận cuối Apply the SVD (Áp dụng SVD): Biến đổi SVD coi chế hiệu để phần tích đối tượng ma trận 2D Một lý quan trọng để sử dụng SVD thông qua lược đồ đề xuất việc thêm thơng tin hình mờ gây biến dạng nhỏ không ảnh hưởng đến chất lượng đồ số Trong bước này, SVD biến đổi áp dụng riêng cho ma trận phân vùng (dữ liệu máy chủ) tạo bước SVD tính cho ma trận có kích thước 8x8 để tạo ma trận đường chéo S hai ma trận đơn U V Hiding Watermarking (Che giấu): Sau áp dụng biến đổi SVD ma trận 8x8, số ma trận chọn tùy thuộc vào hệ số phức tạp để ẩn thông tin hình mờ Hình mờ thêm vào sau: - Tính tần suất giá trị khác ma trận đường chéo S cho phần Điều tính để định mức độ phức tạp cho phần - Chọn ma trận có mức độ phức tạp lớn dựa ngưỡng xác định Ngưỡng định nghĩa cách sử dụng thử nghiệm - Đối với ma trận chọn, thông tin mờ chèn vào hệ số ma trận đơn U tùy thuộc vào khóa bí mật: Uiw = Ui +KW … Trong đó: + Uiw ma trận đơn tạo hình mờ U với i-index + K khóa bí mật + W biễu diễn thơng tin hình mờ + Ma trận U sử dụng để lưu trữ thơng tin hình mờ nhằm cung cấp đồ hình mờ mạnh Inverse SVD (SVD nghịch đảo): Trong bước này, nghịch đảo SVD áp dụng cho ma trận để tái tạo ma trận hình mờ sau thơng tin hình mờ chèn vào ma trận chọn Rearranging of Vertices (Sắp xếp đỉnh): Ghi lại ma trận watermarked để tạo lại mảng đỉnh có chiều để xây dựng đồ watermark Create of Watermarked Map (Tạo đồ hình mờ): Trong bước cuối này, đồ hình mờ tạo cách trả tất đỉnh tọa độ chúng đồ kỹ thuật số Bản đồ hình mờ giữ thơng tin quyền cho chủ sở hữu đồ phân phối thơng qua mạng cơng cộng cách an tồn 3.3.2 Khai thác Watermark Trình tự bước trình khai thác hình mờ tương tự bước quy trình ẩn hình mờ với số điểm khác biệt Các bước khai thác hình mờ thực theo cách sau: đầu tiên, trích xuất đỉnh có hình mờ Thứ hai, xếp đỉnh có hình mờ Thứ ba, xây dựng ma trận với kích thức 8x8 cho đỉnh đánh dấu hình mờ Thứ tư, áp dụng SVD Cuối cùng, trích xuất thơng tin watermark từ hệ thống ma trận đơn U chọn thông qua trình ẩn watermark 10 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Các xét nghiệm 10 đồ vecto có nhiều cấu trúc khác thực để đánh giá hiệu suất lược đồ watermarking Hình cho thấy ví dụ đồ vecto với phiên watermarked tương ứng sử dụng tron thử nghiệm Hình 4.1: Hai mẫu đồ vecto (a) Bản đồ Hoa Kì, (b) Bản đồ Canada; (a1) watermarked đồ Hoa Kì, (b1) watermarked Bản đồ Canada Sau ẩn thơng tin hình mờ vào đồ vecto, hai yếu tố độ xác độ chắn xem xét đánh giá hiệu suất sơ đồ hình mờ đề xuất 4.1 Độ xác đồ vecto Thuật ngữ Fidelity (độ xác) có nghĩa giống vè mặt nhận thức đồ vecto gốc đồ vecto đánh dấu chìm Để đánh giá tính xác, hình cho thấy vùng lấy từ đồ gốc phiên watermarked 11 Theo quan sát, khơng có suy giảm hình mờ chèn vào đồ Do độ xác cao đồ không bị ảnh hưởng Hình 4.2: Đánh giá độ xác dựa tương đồng cảm nhận (a) đồ gốc (b) đồ watermarked 4.2 Độ chắn Watermark Điểm mạnh watermark khả chống lại công thông thường Yếu tố dựa việc đánh giá tỷ lệ tương đồng hình mờ gốc hình mờ trích xuất sau chuyển đổi đồ hình mờ thơng qua số công Trong công việc này, tỷ lệ lỗi bit (BER) sử dụng để đo lường mức độ chắn lực đồ watermarking đề xuất Công thức toán học cho BER định nghĩa sau [9]: Trong đó: - EB đại diện cho số bit khơng xác hình mờ đê xuất - TB đại diện cho số bit hình mờ ban đầu Trong thử nghiệm này, bốn loại công áp dụng đồ vecto hình mờ Các loại cơng hình học, cơng đỉnh, công đối tượng công cộng nhiễu Để đánh giá khả phục hồi sơ đồ watermark đề xuất cuộ cơng hình học, việc dịch, mở rộng, công luân phiên áp dụng đồ watermarked Trong cơng đỉnh, quy trình đơn giản hóa áp dụng để loại bỏ số đỉnh khỏi đồ hình mờ Ngồi ra, quy trình nội suy áp dụng thông qua thêm đỉnh vào đồ watermarked Với công đối tượng, trình xếp lại thứ tự áp dụng để thay đổi thứ tự xếp lại đỉnh đối tượng Các công bổ sung nhiễu nhằm mục đích đẩy hình mờ chèn cách thêm ngẫu nhiên đỉnh đồ hình mờ Kết đánh giá độ bền tóm tắt bảng sau: 12 Bảng 4.1: Kết đánn giá độ chắn Category Attack BRE% Geometrical Attack [10] Translation 0.0 Scaling 0.0 Rotation 0.0 Simplification 20% 3.26 Simplification 30% 6.43 Interpolation 0.36 Object Attack [6] Reordering 0.83 Noise Addition Attack [12] Noise distortion 4.52 Vertex Attack [11] Như thấy bảng, kết thử nghiệm chứng minh sơ đồ đề xuất đạt hồn hảo cho thơng tin hình mờ ban đầu sau áp dụng cơng hình học Khi xóa 20% 30% số đỉnh, lượng lỗi 0.26 0.43 Tuy nhiên, thêm số đỉnh vào đồ hình mờ, lỗi giảm xuống 0.16 Đối tượng xếp lại đỉnh có lỗi 0.53 Trong trường hợp xấu nhất, số lỗi 2.5 công bổ sung nhiễu Các kết thu xác minh rẳng chương trình đề xuất có hiệu suất chống lại cơng hình học cơng khác 13 KẾT LUẬN Trong trình bày sơ đồ watermarking mạnh mẽ để chứng minh sở hữu đồ vecto dự biến đổi SVD Một điểm mạnh lược đồ đề xuất không yêu cầu đồ gốc trích xuất hình mờ Đề án đề xuất đạt mức độ đáng tin cao chắn chống lại nhiều loại công dịch, mở rộng quy mơ, xoay vịng, đơn giản hóa, xếp lại thức tự công bổ sung nhiễu Hơn nữa, số cơng khác khơng tính đến cơng thơng đồng Ngồi ra, việc phát triển lực đồ GIS watermarking kết hợp đồ vecto với hình ảnh không Những vấn đề mục tiêu để nghiên cứu cơng trình tương lai Mặc dù cố gắng hết sức, song chắn không chánh khởi thiếu sót Em mong nhận thơng cảm bảo tận tình q thầy cô, anh chị bạn 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ahmed Abubahia and MihaelaCocea “Advancements in GIS map copyright protectionschemes - a critical review” Journal of Multimedia Tools and Applications, 76, 10, 12205-12231 2017 [2] NamitaTiwari and Sharmila “Digital Watermarking Applications, Parameter Measures and Techniques” International Journal of Computer Science and Network Security, 17.3 2017 [3] PreetiArya; DherendraTomar and DeepikaDubey “A Review on Different Digital Watermarking Techniques” International Journal of Signal Processing, Image Processing and Pattern Recognition, 8, 10,.129-136 2015 [4] A Tawfiq; Abbas and MajidJ.Jawad “Proposed an Intelligent Watermarking in GIS Environment” Journal of Earth Science Research, 1, 1-5 2013 [5] Lee; Suk-Hwan; Xiao-Jiao Huoand and Ki-Ryong Kwon “Vector Watermarking Method for Digital Map Protection Using Arc Length Distribution” IEICE Transactions on Information and Systems,.E97-D, 1,.34-42 2014 [6] YuweiPeng and MingliangYue, 2015 “A Zero-Watermarking Scheme for Vector Map Based on Feature Vertex Distance Ratio” Journal of Electrical and Computer Engineering, 2015 [7] Nana, Wang “Reversible Fragile Watermarking for Locating Tampered Polylines/Polygons in 2D Vector Maps” International Journal of Digital Crime and Forensics (IJDCF), 8, 2016 [8] Anushikha Singh; NamrataRaghuvanshi and Mala Dutta “An SVD based zero watermarking scheme for authentication of medical images for tele-medicine applications” 39thInternational Conference on Telecommunications and Signal Processing (TSP), AustriaVienna 2016 [9] F Zhang; X.Zhang and H;Zhang, “Digital image watermarking capacity and detection error rate” Pattern Recognition Letters, 28, 1, 1-10 2007 15 [10] H.-J Chang; B.-J Jang; S.-H Lee; S.-S Park and Kwon,K.-R(2010) “3D GIS Vector Map Watermarking Using Geometric Distribution” Proc of IEEE International Conference on Multimedia and Expo 1014-1017 [11] Wang, N and Men, C “Reversible fragile watermarking for locating tampered blocks in 2D vector maps”Journal Multimedia Tools and Applications Springer 67, 3, 709-739 2013 [12] Jungyeop Kim; Sungmin Won; WenjunZeng and Soohong Park “Copyright protection of vector map using digital watermarking in the spatial domain” 7th International Conference on Digital Content, Multimedia Technology and its Applications (IDCTA) 16 ... chí xác định Tính hiệu đề án watermarking đánh giá biện pháp thống kê dựa hai yếu tố xác tính chắn Kết cho thấy sơ đồ watermarking đề xuất đại diện cho cân lý tưởng vấn đề bất đồng số lượng biến... 3: KẾ HOẠCH WATERMARKING 3.1 Đề Xuất Kế Hoạch Watermarking Mục tiêu lược đồ hình mờ cơng việc bảo vệ quyền đồ kỹ thuật số Lược đồ đề xuất gồm hai trình ẩn (Hiding Process) khai thác watermarking. .. an Intelligent Watermarking in GIS Environment” Journal of Earth Science Research, 1, 1-5 2013 [5] Lee; Suk-Hwan; Xiao-Jiao Huoand and Ki-Ryong Kwon ? ?Vector Watermarking Method for Digital Map