Nghiên cứu kỹ thuật bảo vệ bản quyền các sản phẩm đồ họa véc tơ

1 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục i Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt .iv Danh mục bảng .v Danh mục hình (hình vẽ, hình chụp, đồ thị) iv MỞ ĐẦU: 1 ĐẶT VẤN ĐỀ MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN .2 BỐ CỤC LUẬN VĂN .3 NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 1.1 Các khái niệm giấu tin 1.1.1 Định nghĩa: 1.1.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin 1.1.3 Vài nét lịch sử giấu tin 1.1.4 Các yêu cầu giấu tin cho ảnh 10 1.1.5 Mô hình kỹ thuật giấu tin 12 1.1.6 Các ứng dụng kỹ thuật giấu tin .13 1.1.7 Các kiểu đánh dấu ẩn 15 1.2 Giấu tin ảnh đặc trưng tính chất 15 1.2.1 Giấu tin ảnh 15 1.2.2 Những đặc trưng tính chất .16 1.2.3 Các phương pháp giấu tin 19 1.3 Kết luận chương .21 CHƯƠNG 2: GIẤU TIN TRONG BẢN ĐỒ VÉC TƠ 23 2.1 Bản đồ .23 2.2 Thủy vân đồ véc tơ 25 2.3 Đặc điểm riêng thủy vân đồ Véc tơ 27 2.3.1 Dữ liệu đồ véc tơ 27 2.3.2 Độ xác đồ véc tơ 28 2.3.3 Các khả giấu tin 29 2.3.3.1 Giấu tin hình học 29 2.3.3.2 Giấu tin vào đỉnh 30 2.3.3.3 Sắp xếp đối tượng .30 2.3.3.4 Giảm nhiễu .30 2.4 Thuật toán thủy vân .31 2.4.1 Thuật toán miền không gian 31 2.4.2 Thuật toán miền biến đổi (miền tần số) 36 2.4.2.1 Miền DFT : 37 2.4.2.2 Miền DWT : 39 2.4.2.3 Miền DCT 41 2.4.3 Thuật toán nhận từ mô hình ba chiều 41 2.6 Kết luận chương .42 CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN GIẤU VÀ TÁCH TIN TRONG BẢN ĐỒ VÉC TƠ 43 3.1 Giấu tin ảnh đen trắng 43 3.1.1 Thuật toán giấu tin sở .43 a Tiền xử lí 43 b Quá trình thực giấu tin .43 3.1.2 Thuật toán trích tin .45 a Tiền xử lí: 45 b Quá trình trích tin: .45 3.2 Biến đổi Fourier .45 a Biến đổi Fourier 45 b Biến đổi Fourier liên tục 47 c Biến đổi Fourier rời 49 3.2.1 Những biến đổi Fourier véc tơ 51 3.3 Kết luận chương .51 CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 52 4.1 Mô tả toán thử nghiệm 52 4.2 Định dạng cấu trúc tệp Shapefile 53 4.2.1 Tổ chức liệu khuôn mẫu Shapefile 54 4.2.2 Quy ước tên tệp .54 4.2.3 Kiểu liệu 55 4.2.4 Cấu trúc Main file 55 4.2.5 Cấu trúc tệp số (Index file) 64 4.2.6 Cấu trúc tệp chứa sở liệu 65 4.3 Quy trình giấu thông tin 65 a Phân tích thuật toán 65 b Giấu thông tin 66 4.4 Quy trình tách thông tin 69 4.5 Kết luận chương .70 KẾT LUẬN 71 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Mô tả Header tệp 64 Mô tả Header ghi .66 Nội dung bảng điểm 67 Nội dung bảng ghi đa điểm 67 Nội dung ghi đường 69 Nội dung ghi vùng 71 Mô tả ghi tệp số 72 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tên hình Ý nghĩa Hình 1.1 Phân loại kỹ thuật giấu tin (Fabien A.P Petitcolaset al., 1999) Hình 1.2 Quá trình giấu tin tách tin Hình 2.1 Các lớp đồ phân lớp đối tượng Hình 2.2 Thế giới thực đồ vectơ Hình 4.1 Cấu trúc tệp Hình 4.2 Cấu trúc tệp số Hình 4.3 Mô tả đồ vector đơn giản Hình 4.4 Giao diện chương trình DEMO DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt DCT IDCT DFT IDFT DWT Diễn giải Ý nghĩa Discrete Cosine Transform Invert Discrete Cosine Transform Discrete Fourier Transform Invert Discrete Fourier Transform Discrete Wavelet Transform Steganography Intrinsic Steganography Pure Steganography Watermarking Biến đổi Cosin rời rạc Biến đổi ngược DCT Biến đổi Forier rời rạc Biến đổi ngược DFT Watermark IDWT PN FFT GIS PRNS FT MỞ ĐẦU: Biến đổi Wavelet rời rạc Giấu tin, Viết phủ Giấu tin có xử lý Giấu tin đơn Đánh dấu ẩn, thủy vân, thủy ấn Mã dấu quyền, mẫu tin mật Wavelet Biến đổi ngược DWT Invert Discrete Transform Pseudo Noise Fast fourier transfer Geographic Information System Pseudo random number sequence Fourier Transfer giả nhiễu Biến đổi Fourier nhanh Hệ thống thông tin địa lý Dãy số giả ngẫu nhiên Biến đổi Fourier ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, với đời phát triển mạng Internet Mọi người kết nối vào Internet, tìm kiếm thông tin cách dễ dàng thông qua nhà cung cấp dịch vụ mạng Sự phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật nhiều lĩnh vực đặc biệt lĩnh vực đa phương tiện (multimedia) làm cho sản xuất, quản lý phân phối sản phẩm này: hình ảnh, âm thanh… dễ dàng Cùng với phổ biến rộng rãi mạng internet tốc độ cao làm cho trình phân phối chúng trở nên nhanh chóng, dễ dàng, đem lại thuận lợi to lớn thông qua hệ thống thương mại điện tử Với môi trường mở tiện nghi thế, hệ thống mạng đại trở thành phương tiện phân phối tài liệu cách nhanh chóng kinh tế Tuy nhiên, việc phân phối cách phổ biến tài nguyên mạng gặp phải vấn nạn chép sử dụng không hợp pháp như: Xâm phạm quyền, truy cập trái phép, xuyên tạc, giả mạo thông tin… Đi đôi với phát triển công nghệ máy tính tình trạng sử dụng bất hợp pháp sản phẩm số (tệp tin tài liệu, chương trình, âm hình ảnh ) ngày tăng, tệp tin số chép dễ dàng máy tính Dẫn đến tình trạng vi phạm quyền số xảy hàng ngày, hàng khắp giới Nhằm bảo vệ sản phẩm số không bị sử dụng trái phép, song song với việc kêu gọi ý thức tự giác thực thi luật quyền, công ty công nghệ lớn giới thực giải pháp kỹ thuật kiểm soát quyền số Một vấn đề đặt bảo vệ quyền sở hữu sản phẩm đa phương tiện Đứng trước tình hình vấn đề bảo mật thông tin nhận quan tâm đặc biệt nhiều lĩnh vực Từ xa xưa có nhiều cách để bảo mật thông tin, phương pháp dùng sớm để bảo vệ quyền sở hữu nội dung sản phẩm đa phương tiện mã hoá Nội dung sản phẩm mã hoá gửi cho người sử dụng Người sử dụng đọc thông tin nhận khoá để giải mã kèm Phương pháp mã hoá hiệu việc truyền thông tin không hiệu việc bảo vệ quyền sở hữu Sau người sử dụng giải mã nhân phân phối lại sản phẩm Ngày phương pháp giấu thông tin sản phẩm đa phương tiện dùng phổ biến vấn đề bảo mật bảo vệ quyền, chống nhân bất hợp pháp, chống truy cập trái phép, chống xuyên tạc, chống giả mạo thông tin… Giải pháp bảo mật thông tin sử dụng phổ biến dùng hệ mật mã [1], [3] Với giải pháp này, thông tin ban đầu mã hóa thành mật mã mang giá trị “vô nghĩa” Chính điều làm nảy sinh nghi ngờ người sử dụng tìm cách thám mã Ngược lại, đem thông tin giấu vào đối tượng khác, ảnh F chẳng hạn, thu ảnh F’ không sai khác với F nhìn mắt thường Đây ý tưởng phương pháp giấu tin (data hiding) môi trường ảnh, giấu tin mật [5], [6], đánh dấu quyền [7], [8], nhiều ứng dụng khác … MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN Giấu tin lĩnh vực rộng lớn, luận văn nghiên cứu kỹ thuật giấu tin ảnh áp dụng cho đồ, vấn đề ứng dụng rộng rãi Để thực việc giấu tin đồ, ý tưởng biến đổi số thuộc tính điểm đồ theo số thuật toán 10 định, nhằm đảm bảo liệu đồ, mặt thị giác, không sai khác so với đồ gốc, đồng thời, sau nhận đồ đích, sử dụng quy trình giải mã với khóa phù hợp, ta trích thông tin cần dấu Nội dung luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp giấu tin ảnh bitmap, ảnh vector, phương pháp thủy vân số [14], [15], số phương pháp giấu tin dựa vào phép biến đổi DCT, DFT, DWT BỐ CỤC LUẬN VĂN Luận văn gồm trang, trình bày chương, có phần mở đầu, phần kết luận, phần mục lục, phần tài liệu tham khảo Các nội dung luận văn trình bày theo cấu trúc sau: Chương 1: Tổng quan giấu tin Trình bày tổng quan giấu tin, phân tích yêu cầu giấu tin cho ảnh, trình bày số loại hình giấu tin yêu cầu giấu tin ảnh Bên cạnh trình bày số mô hình giấu tin ứng dụng chúng, đặc trưng tính chất giấu tin ảnh Ngoài ra, nội dung quan trọng chương phương pháp giấu tin thuật toán giấu tin Chương : Các kỹ thuật giấu tin ảnh Tập trung phân tích, đánh giá thuật toán giấu tin ảnh, kỹ thuật biến đổi Fourier Biến đổi Fourier ảnh vector, thuật toán giấu tách thông tin ảnh vector Chương 3: Xây dựng chương trình Trình bày cấu trúc đồ dạng shapefile biến đổi DFT, xây dựng thuật toán nhúng tách watermark 67 • Kiểu Point ( Điểm): Mỗi điểm cặp tọa độ theo thứ tự X, Y có kiểu Double Point { Double X; // toạ độ X Double Y; // toạ độ Y } Bảng Nội dung bảng điểm Position Byte Byte Byte 12 Field Shape Type X Y Value X Y Type Integer Double Double Number 1 Byte order Little Little Little • Kiểu MultiPoint ( Tập hợp điểm): MultiPoint { Double[4] Box // Hình chữ nhật bao đối tượng Integer NumPoints // số lượng điểm Point[ NumPoint ] Points // Mảng chứa danh sách điểm } Giá trị mảng Box xếp theo thứ tự Xmin, Ymin, Xmax, Ymax Bảng Nội dung bảng ghi đa điểm Position Byte Byte Byte 36 Field Shape Type Box NumPoints Value Box NumberPoint Type Integer Double Integer Number Byte order Little Little Little 68 Byte 40 Points Points Point NumPoint Little • Kiểu Arc ( đường ): Khái niệm đường shapefile bao gồm nhiều Polyline không thiết phải liên kết với Mỗi Polyline tập có thứ tự điểm xem phần đường Arc { Double[4] Box // hình chữ nhật bao đối tượng Integer NumParts // số PolyLines Integer NumPoints // tổng số điểm đường Integer[NumParts] Parts // mảng số tới điểm Polylines Point[NumPoints] Points // mảng điểm tất Polylines } Các trường arc mô tả sau: Box: Hình chữ nhật bao đường, giá trị mảng lưu trữ theo thứ tự : Xmin, Ymin, Xmax,Ymax NumParts: Số lượng polylines đối tượng đường NumPoints: Tổng số điểm tất Polylines Parts: Mảng kiểu Integer có độ lớn NumParts, lưu trữ số điểm mảng Points Polylines Chỉ số mảng Points Mảng kiểu Point có độ lớn NumPoints Các điểm Polylines đường lưu trữ nối tiếp Các điểm Polyline2 điểm Polyline1, Mảng Parts giữ 69 số điểm Polyline Như vậy, không cần đánh dấu ngăn cách hai Polyline ta tách điểm Polyline để xử lý riêng Bảng Nội dung ghi đường Byte order Position Field Value Type Number Byte Shape Type Integer Little Byte Box Box Double Little Byte 36 NumParts NumParts Integer Little Byte 40 NumPoints NumPoints Integer Little Byte 44 Parts Parts Integer NumParts Little Byte X Points Points Point NumPoints Little Note : X=44 + * Numparts 70 • Kiểu Polygon ( Vùng ): Một vùng bao gồm số đa giác khép kín, không giau Một vùng chứa nhiều đa giác phức ( đa giác gồm hai vòng lồng nhau) Thứ tự đỉnh định hướng cho đa giác cho biết mặt đa giác bên vùng Nếu ta dọc theo biên đa giác theo thứ tự đỉnh (trong mảng Points) đa giác phần bên tay phải phần nằm bên vùng cần biểu diễn Nếu vùng có đa giác đơn thứ tự đỉnh theo chiều kim đồng hồ Mỗi đa giác xem phần vùng Cấu trúc vùng mô tả sau : Polygon { Double[4] Box // hình chữ nhật bao đối tượng Integer NumParts // số đa giác vùng Integer NumPoints // tổng số điểm vùng Integer[NumParts] Parts // mảng số tới điểm đa Points // mảng điểm tất đa giác giác Point[NumPoints] } Các trường Polygon mô tả sau: Box: Hình chữ nhật bao vùng, giá trị mảng lưu trữ theo thứ tự : Xmin, Ymin, Xmax,Ymax NumParts: Số lượng đa giác đối tượng vùng NumPoints: Tổng số điểm tất đa giác Parts: Mảng kiểu Integer có độ lớn NumParts, lưu trữ số 71 điểm mảng Points đa giác Chỉ số mảng Mảng kiểu Point có độ lớn NumPoints Các điểm đa giác vùng lưu trữ nối tiếp Các điểm đa giác điểm đa giác 1, Mảng Parts giữ số điểm đa giác Như vậy, không cần đánh dấu ngăn cách hai đa giác ta tách điểm đa giác để xử lý riêng Points Bảng Nội dung ghi vùng Position Field Value Type Number Byte order Byte Byte Byte 36 Byte 40 Byte 44 Byte X Shape Type Box NumParts NumPoints Parts Points Box NumParts NumPoints Parts Points Integer Double Integer Integer Integer Point 1 NumParts NumPoints Little Little Little Little Little Little Note : X=44 + * Numparts 4.2.5 Cấu trúc tệp số (Index file) Tệp số bao gồm 100 byte ghi thông tin header tệp số, tiếp sau ghi có độ dài cố định, ghi có độ dài byte Header tệp số Bản ghi Bản ghi Bản ghi Bản ghi 72 Bản ghi Hình 4.23 Cấu trúc tệp số  Cấu trúc header tệp số tương tự header tệp chính, khác giá trị trường file length Giá trị file độ lớn tệp số theo đơn vị từ (word) 16 bit Độ lớn tệp số 50 (word) header cộng với lần số lượng ghi  Các ghi tệp số: Bản ghi thứ i tệp số lưu trữ vị trí (offset ) độ lớn ghi thứ i tệp Vị trí ghi tệp số lượng word tính từ đầu tệp byte header ghi Như vậy, vị trí ghi tệp 50, tức byte thứ 100 tính từ đầu tệp, sau phần header Bảng Mô tả ghi tệp số Position Field Value Type Byte order Byte Offset Offset Integer Big Byte Content Length Content Length Integer Big 4.2.6 Cấu trúc tệp chứa sở liệu Tập tin dBASE (.dbf) chứa thuộc tính đặc trưng thuộc tính khoá để truy vấn tới bảng khác.Định dạng tập tin DBF chuẩn dùng nhiều bảng ứng dụng sở Windows™ DOS Tập hợp tất trường trình bày bảng Có yêu cầu sau: • Tên tập tin phải tên với tập tập số Phần mở rộng dbf 73 • Bảng phải chứa 1record/shape feature 4.3 Quy trình giấu thông tin a Phân tích thuật toán Ý tưởng thuật toán chia dãy hệ số sau biến đổi DFT A thành dãy có kích thước L i với dãy Li giấu không bít thông tin Việc chọn dãy L i để giấu tin phụ vào kích thước đồ lượng thông tin cần giấu cho lượng tin giấu giàn trải toàn đồ Giả sử kích thước đồ M (Xmax*Ymax) kích thước liệu d cần giấu đồ s (byte) kích thước d tính theo bít 8s Nếu giấu bít dãy hệ số it M phải chia thành 8s dãy hệ số Khi số hệ số dãy là: Z =  X max* Y max 8s  (4.1) Trong  x  toán tử lấy phần nguyên x Theo nguyên tắc ta phải chọn số hệ số dãy cho nhỏ Z b Giấu thông tin *) Thuật toán: Input: File đồ véctơ M Dữ liệu cần giấu d biểu diễn dạng nhị phân (dãy bit 0/1) Output: File đồ véctơ giấu tin M’ x y 3, x1, y1 x4, y4 x2, yy2 x0, y0 x5, y5 x7, y7 x8, y8 x6, y6 74 Hình 4.3 Mô tả đồ véc tơ đơn giản *) Quá trình nhúng Với véctơ ta thu chuỗi cặp toạ độ (x i,yi), với n = 0,1,…, N-1 Như vậy, ta biểu diễn chuỗi cặp tọa độ chuỗi số ảo z(n) z(n) = (xi,yi) = xn + j*yn (4.2) Trong đó: với n = 0,1,…, N-1 j = − Áp dụng biến đổi DFT xuôi cho dãy {z(n), n = 0,1,…,N-1} ta thu dãy v(k) theo công thức sau N −1 v (k ) = ∑ z (n) WNkn (k = 0, , N − 1) (4.3) n =0 Trong đó: k = 0,1,…,N-1 WN = e − j*2*π / N , e * α = cos(α ) + j * sin(α ) WN = cos(2π/N) – j*sin(2π/N) W Nkn = cos(2*k*n*π/N) – j*sin(2*k*n*π/N) Đặt t = 2*k*n*π/N, công thức (4.3) là: N −1 v (k ) = ∑ ( x n + j * y n ) * [ cos(t ) − j * sin(t )] n =0 Hay N −1 với k = 0,1,…,N-1 (4.4) v (k ) = ∑ { [ ( x n * cos(t ) + y n * sin(t ) ) ] + j * [ ( x n * sin(t ) − y n * cos(t ) ) ]} (4.5) n=0 75 Đặt an = xn*cos(t) + yn*sin(t) , bn = yn*cos(t) - xn*sin(t) N −1 v(k ) = ∑ (a n + j * bn ) (4.6) n =0 Nếu ta đặt v(k) = a(k) + j*b(k) ta tính hệ số a(k), b(k) từ công thức (4.6) sau: N −1 N −1 n=0 n =0 a (k ) = ∑ a n , b( k ) = ∑ bn (4.7) Với N điểm (xi,yi) ta thu dãy {v(k), với k = 0,1,…,N-1} tương ứng Ta chèn bít ký tự watermark vào điểm sau: *) Ứng với bít 1, ta cộng thêm δ vào hệ số dãy Li (cộng vào a(k) b(k)) a(k) = a(k) + δ ; (4.8) b(k) = b(k) + δ ; Trong : δ độ lệch cộng thêm δ