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

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

NGÔ THÁI HÀ

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT

BẢO VỆ BẢN QUYỀN CÁC SẢN PHẨM ĐỒ HỌA VECTƠ

LuËn v¨n th¹c sÜ : KHOA HỌC MÁY TÍNH

Th¸i Nguyªn - 2009

NGÔ THÁI HÀ

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT

BẢO VỆ BẢN QUYỀN CÁC SẢN PHẨM ĐỒ HỌA VECTƠ

Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60 48 01

LuËn v¨n th¹c sÜ : KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS ĐẶNG VĂN ĐỨC

Th¸i Nguyªn - 2009

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

mật

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa Lời cam đoan

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 4

1.1 Các khái niệm cơ bản về giấu tin 4

1.1.1 Định nghĩa: 4

1.1.2 Phân loại các kỹ thuật giấu tin 5

1.1.3 Vài nét về lịch sử giấu tin 9

1.1.4 Các yêu cầu đối với giấu tin cho ảnh 10

1.1.5 Mô hình kỹ thuật giấu tin 12

1.1.6 Các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin 13

1.1.7 Các kiểu đánh dấu ẩn 15

1.2 Giấu tin trong ảnh những đặc trưng và tính chất 15

1.2.1 Giấu tin trong ảnh 15

1.2.2 Những đặc trưng và tính chất 16

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 bản đồ véc tơ 25

2.3 Đặc điểm riêng của thủy vân bản đồ Véc tơ 27

2.4 Thuật toán thủy vân 31

2.4.1 Thuật toán trong miền không gian 31

2.4.2 Thuật toán trong miền biến đổi (miền tần số) 36

3.1 Giấu tin trong ảnh đen trắng 43

3.1.1 Thuật toán giấu tin cơ sở 43

a Tiền xử lí 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 trong véc tơ 51

3.3 Kết luận chương 51

CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 52

4.1 Mô tả bài toán thử nghiệm 52

4.2 Định dạng cấu trúc tệp Shapefile 53

4.2.1 Tổ chức dữ liệu khuôn mẫu của Shapefile 54

4.2.2 Quy ước về tên tệp 54

4.2.3 Kiểu dữ liệu 55

4.2.4 Cấu trúc của Main file 55

4.2.5 Cấu trúc của tệp chỉ số (Index file) 64

4.2.6 Cấu trúc của tệp chứa cơ sở dữ 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 HÌNH VẼ

Hình 1.2 Quá trình giấu tin và tách tin Hình 2.1 Các lớp bản đồ phân lớp đối tượng Hình 2.2 Thế giới thực và bản đồ vectơ Hình 4.1 Cấu trúc của tệp chính

MỞ ĐẦU:

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, với sự ra đời và phát triển của mạng Internet Mọi người đều có thể kết nối vào Internet, tìm kiếm thông tin một cách dễ dàng thông qua nhà cung cấp dịch vụ mạng

Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật trên nhiều lĩnh vực đặc biệt là trong lĩnh vực đa phương tiện (multimedia) làm cho sự sản xuất, quản lý và phân phối các sản phẩm này: hình ảnh, âm thanh… rất dễ dàng Cùng với sự phổ biến rộng rãi các mạng internet tốc độ cao làm cho quá trình phân phối chúng trở nên rất nhanh chóng, dễ dàng, đem lại những thuận lợi to lớn thông qua hệ thống thương mại điện tử

Với môi trường mở và tiện nghi như thế, các hệ thống mạng hiện đại trở thành phương tiện phân phối tài liệu một cách nhanh chóng và kinh tế Tuy nhiên, việc phân phối một cách phổ biến các tài nguyên trên mạng hiện nay luôn gặp phải vấn nạn sao chép và sử dụng không hợp pháp như: Xâm phạm bản quyền, truy cập trái phép, xuyên tạc, giả mạo thông tin…

Đi đôi với sự phát triển của công nghệ máy tính thì tình trạng sử dụng bất hợp pháp các sản phẩm số (tệp tin tài liệu, chương trình, âm thanh và hình ảnh ) ngày càng tăng, do các tệp tin số có thể sao chép dễ dàng giữa các máy tính Dẫn đến tình trạng vi phạm bản quyền số đang xảy ra hàng ngày, hàng giờ trên khắp thế giới Nhằm bảo vệ các sản phẩm số không bị sử dụng trái phép, song song với việc kêu gọi ý thức tự giác thực thi luật bản quyền, các công ty công nghệ lớn trên thế giới đã và đang thực hiện các giải pháp kỹ thuật kiểm soát bản quyền số Một trong những vấn đề được đặt ra là làm sao bảo vệ quyền sở hữu đối với các sản phẩm đa phương tiện này

Đứng trước tình hình đó vấn đề về bảo mật thông tin hiện nay luôn nhận được sự quan tâm đặc biệt trong nhiều lĩnh vực Từ xa xưa đã có nhiều cách để bảo mật thông tin, một trong những phương pháp dùng rất sớm để bảo vệ quyền sở hữu đối với nội dung của các sản phẩm đa phương tiện là mã hoá Nội dung của sản phẩm đó được mã hoá và gửi cho người sử dụng Người sử dụng chỉ đọc được các thông tin này khi nhận được khoá để giải mã đi kèm Phương pháp mã hoá trên chỉ hiệu quả trong việc truyền thông tin nhưng không hiệu quả trong việc bảo vệ quyền sở hữu Sau khi người sử dụng đã giải mã được thì sẽ nhân bản và phân phối lại sản phẩm đó Ngày nay phương pháp giấu thông tin trong các sản phẩm đa phương tiện được dùng phổ biến vì ngoài vấn đề bảo mật còn bảo vệ bản quyền, chống nhân bản bất hợp pháp, chống truy cập trái phép, chống xuyên tạc, chống giả mạo thông tin…

Giải pháp bảo mật thông tin được sử dụng phổ biến nhất là dùng các hệ mật mã [1], [3] Với giải pháp này, thông tin ban đầu sẽ được mã hóa thành bản mật mã mang những giá trị “vô nghĩa” Chính điều này làm nảy sinh nghi ngờ và người sử dụng tìm mọi cách thám mã Ngược lại, nếu đem thông tin giấu vào trong một đối tượng khác, một bức ảnh F chẳng hạn, sẽ thu được một ảnh F‟ hầu như không sai khác với F khi nhìn bằng mắt thường Đây là ý tưởng của phương pháp giấu tin (data hiding) trong môi trường ảnh, giấu tin mật [5], [6], đánh dấu bản quyền [7], [8], và nhiều ứng dụng khác …

2 MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN

Giấu tin là một lĩnh vực rộng lớn, trong luận văn này nghiên cứu các kỹ thuật giấu tin trong ảnh rồi áp dụng cho bản đồ, một trong những vấn đề được ứng dụng khá rộng rãi Để thực hiện việc giấu tin trong bản đồ, ý tưởng cơ bản là biến đổi một số thuộc tính của các điểm trên bản đồ theo một số thuật toán nhất

định, nhằm đảm bảo rằng dữ liệu bản đồ, về mặt thị giác, không sai khác là mấy so với bản đồ gốc, đồng thời, sau khi nhận được bản đồ đích, sử dụng quy trình giải mã với các khóa phù hợp, ta có thể trích được thông tin cần dấu

Nội dung của luận văn này tập trung nghiên cứu các phương pháp giấu tin trong ảnh bitmap, ảnh vector, các phương pháp thủy vân số [14], [15], một số phương pháp giấu tin dựa vào các phép biến đổi DCT, DFT, DWT

3 BỐ CỤC LUẬN VĂN

Luận văn gồm trang, được trình bày trong 3 chương, có phần mở đầu, phần kết luận, phần mục lục, phần tài liệu tham khảo Các nội dung cơ bản của luận văn được trình bày theo cấu trúc như sau:

Chương 1: Tổng quan về giấu tin

Trình bày tổng quan về giấu tin, phân tích các yêu cầu đối với giấu tin cho ảnh, trình bày một số loại hình giấu tin và các yêu cầu đối với giấu tin trong ảnh Bên cạnh đó trình bày một số mô hình giấu tin và các ứng dụng của chúng, những đặc trưng và tính chất của giấu tin trong ảnh Ngoài ra, một nội dung rất quan trọng trong chương này đó là các phương pháp giấu tin và các thuật toán giấu tin

Chương 2 : Các kỹ thuật giấu tin trong ảnh

Tập trung phân tích, đánh giá các thuật toán giấu tin trong ảnh, kỹ thuật biến đổi Fourier Biến đổi Fourier trong ảnh vector, các thuật toán giấu và tách thông tin trong ảnh vector

Chương 3: Xây dựng chương trình

Trình bày cấu trúc bản đồ dạng shapefile và biến đổi DFT, xây dựng thuật toán nhúng tách watermark

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN

1.1 Các khái niệm cơ bản về giấu tin 1.1.1 Định nghĩa:

Qua nghiên cứu các phương pháp giấu tin, ta có thể định nghĩa nó như sau:

Giấu thông tin là kỹ thuật nhúng (embedding) một lượng thông tin số nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác.[18]

và “giấu dữ liệu”; thuật ngữ “đánh dấu ẩn”,”thủy vân số” và “thủy vân”; Tương tự ta cũng có “mã” và “mã đánh dấu bản quyền”được xem đồng nghĩa Một trong những yêu cầu cơ bản của giấu tin là đảm bảo tính chất ẩn của thông tin được giấu đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng của dữ liệu gốc Sự khác biệt chủ yếu giữa mã hoá thông tin và giấu thông tin là mã hoá làm cho các thông tin hiện rõ là nó có được mã hoá hay không tức là giấu đi ý nghĩa của thông tin còn, còn với giấu thông tin thì người ta sẽ khó biết được là có thông tin giấu bên trong tức là giấu đi sự hiện diện của thông tin Về bản chất giấu tin gần với nén dữ liệu hơn Tóm lại giấu tin và mã hóa có mối quan hệ mật thiết với nhau, cùng xây dựng một hệ thống an toàn và bảo mật thông tin

Kỹ thuật giấu thông tin nhằm mục đích đảm bảo an toàn và bảo mật thông tin ở hai khía cạnh Một là bảo mật cho giữ liệu được đem giấu (embedded data), chẳng hạn như giấu tin mật: thông tin mật được giấu kỹ trong một đối tượng khác sao cho người khác không phát hiện được (steganography), hai là bảo mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin (host data), chẳng hạn như ứng dụng bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc thông tin (watermarking) Hai

khía cạnh khác nhau này dẫn đến hai khuynh hướng kỹ thuật chủ yếu của giấu tin Khuynh hướng thứ nhất là giấu tin mật (Steganography) Khuynh hướng này tập trung vào các kỹ thuật giấu tin sao cho thông tin giấu được nhiều và quan trọng là người khác khó phát hiện được một đối tượng có bị giấu tin bên trong hay không Khuynh hướng thứ hai là thuỷ vân số (watermarking) Khuynh hướng thuỷ vân số đánh giấu vào đối tượng nhằm khẳng định bản quyền sở hữu hay phát hiện xuyên tạc thông tin Thuỷ vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn và thực tế đã có nhiều những kỹ thuật dành cho khuynh hướng này

1.1.2 Phân loại các kỹ thuật giấu tin

Do kỹ thuật giấu thông tin số mới được hình thành trong thời gian gần đây nên xu hướng phát triển chưa ổn định Nhiều phương pháp mới, theo nhiều khía cạnh khác nhau đang và chắc chắn sẽ được đề xuất, bởi vậy một định nghĩa chính xác, một sự đánh giá phân loại rõ ràng chưa thể có được Sơ đồ phân loại trên được Fabien A P Petitcolas đề xuất năm 1999

Có thể chia lĩnh vực giấu tin thành hai hướng lớn là thủy vân số và giấu tin mật [18] Giấu tin mật quan tâm đến các ứng dụng sao cho người khác khó phát hiện nhất việc có tin được giấu và nếu có phát hiệ tin được giấu thì việc giải tin cũng khó thực hiện nhất

Phạm vi ứng dụng của thủy vân đa dạng hơn, tùy theo mục đích của hệ thủy vân mà người ta lại chia thành các hướng nhỏ như thủy vân dễ vỡ và thủy vân bền vững

Hình 1.1 Phân loại các kỹ thuật giấu tin ( Fabien A.P Petitcolaset al., 1999)

Sơ đồ phân loại này như một bức tranh khái quát về ứng dụng và kỹ thuật giấu thông tin Dựa trên việc thống kê sắp xếp khoảng 100 công trình đã công bố trên một số tạp chí, cùng với thông tin về tên và tóm tắt nội dung của khoảng 200 công trình đã công bố trên Internet, có thể chia lĩnh vực giấu tin ra làm hai hướng lớn, đó là watermarking và steganography

Steganography (giấu tin, viết phủ) là lĩnh vực nghiên cứu việc nhúng các

mẩu tin mật vào một môi trường phủ Trong quá trình giấu tin để tăng bảo mật có thể người ta dùng một khoá viết mật khi đó người ta nói về Intrinsic Steganography (dấu tin có xử lý) Khi đó để giải mã người dùng cũng phải có

Giấu thông tin

khoá viết mật đó Chú ý rằng khoá này không phải là khoá dùng để lập mật mã mẩu tin, ví dụ nó có thể là khoá để sinh ra hàm băm phục vụ rải tin vào môi trường phủ Ngược lại nếu không dùng khoá viết mật thì người ta chỉ dấu tin đơn thuần vào môi trường phủ thì khi đó người ta nói về Pure Steganography (dấu tin đơn thuần)

Watermarking (thuỷ ấn) là kỹ thuật nhúng một biểu tượng vào trong ảnh

môi trường để xác định quyền sở hữu ảnh môi trường, chống sự giả mạo và xuyên tạc thông tin Kích thước của biểu tượng thường nhỏ (từ vài bit tới vài nghìn bit) Kỹ thuật này cho phép đảm bảo nguyên vẹn biểu tượng khi ảnh môi trường bị biến đổi bởi các phép thao tác như lọc (filtering), nén mất dữ liệu (lossy compression), hay các biến đổi hình học, Tuy nhiên việc đảm bảo nguyên vẹn biểu tượng không kể đến khi có sự tấn công dựa trên việc hiểu rõ thuật toán và có bộ giải mã trong tay Thông tin giấu là một định danh duy nhất, ví dụ định danh người dùng thì khi đó người ta gọi là Fingerprinting (nhận dạng vân tay, điểm chỉ)

Nếu như watermark (thủy vân, thủy ấn) quan tâm nhiều đến ứng dụng giấu các mẩu tin ngắn nhưng đòi hỏi độ bền vững lớn của thông tin cần giấu (trước các biến đổi thông thường của tệp dữ liệu môi trường) thì steganography lại quan tâm tới ứng dụng che giấu các bản tin đòi hỏi độ bí mật và dung lượng càng lớn càng tốt Đối với từng hướng lớn này, quá trình phân loại theo các tiêu chí khác có thể tiếp tục được thực hiện, ví dụ dựa theo ảnh hưởng các tác động từ bên ngoài có thể chia watermark thành hai loại, một loại bền vững với các tác động sao chép trái phép, loại thứ hai lại cần tính chất hoàn toàn đối lập: dễ bị phá huỷ trước các tác động nói trên Cũng có thể chia watermark theo đặc

tính, một loại cần được che giấu để chỉ có một số người tiếp xúc với nó có thể thấy được thông tin, loại thứ hai đối lập, cần được mọi người nhìn thấy

Xét về tính chất thuỷ ấn giống giấu tin ở chỗ tìm cách nhúng thông tin mật vào một môi trường Nhưng về bản chất thì thuỷ ấn có những nét khác ở một số điểm:

chữ ký hay các đánh dấu khác vào môi trường phủ nhằm phục vụ việc xác nhận bản quyền

 Khác với giấu tin ở chỗ giấu tin sau đó cần tách lại tin còn thuỷ ấn tìm cách biến tin giấu thành một thuộc tính của vật mang

Ảnh bị vi phạm bản quyền: nội dung của ảnh giống với nội dung ảnh bản quyền nhưng chúng được dùng với mục đích mà tác giả không cho phép Để bảo vệ các sản phẩm chống lại các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải có một kỹ thuật để “dán tem bản quyền” vào sản phẩm này Việc dán tem hay chính là việc nhúng thuỷ vân cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hưởng lớn nào đến việc cảm nhận sản phẩm Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thuỷ vân này mà không được phép của người chủ sở hữu thì chỉ có cách là phá huỷ sản phẩm

Ảnh bị sửa đổi: nội dung của ảnh bị xuyên tạc Trong trường hợp này giấu tin có tác dụng phân biệt ảnh bản quyền với ảnh bị sửa đổi nội dung Áp dụng các bước tách tin giống nhau với các ảnh khác nhau, ta sẽ tách được dấu bản quyền đã được đăng ký trước đối với ảnh bị xuyên tạc

Hầu hết giấu tin được gắn cho ảnh là giấu không nhìn thấy nhưng trên thực tế tồn tại một loại giấu tin có thể nhìn thấy, chúng không trong suốt hoàn toàn.Tuy nhiên nội dung của luận văn này tôi chỉ đề cập tới loại giấu tin không nhìn thấy

1.1.3 Vài nét về lịch sử giấu tin

Các kỹ thuật giấu tin đã được đề xuất và sử dụng từ xa xưa, và sau này đã được phát triển ứng dụng cho nhiều lĩnh vực Từ Steganography bắt nguồn từ Hi-Lạp với ý nghĩa là tài liệu được phủ (covered writing) Các câu chuyện kể về kỹ thuật giấu thông tin được truyền qua nhiều thế hệ Có lẽ những ghi chép sớm nhất về kỹ thuật giấu thông tin (thông tin được hiểu theo nghĩa nguyên thủy của nó) thuộc về sử gia Hy-Lạp Herodotus Khi bạo chúa Hy-Lạp Histiaeus bị vua Darius bắt giữ ở Susa vào thế kỷ thứ năm trước Công nguyên, ông ta đã gửi một thông báo bí mật cho con rể của mình là Aristagoras ở Miletus Histiaeus đã cạo trọc đầu của một nô lệ tin cậy và xăm một thông báo trên da đầu của người nô lệ ấy Khi tóc của người nô lệ này mọc đủ dài người nô lệ được gửi tới Miletus

Một câu chuyện khác về thời Hy-Lạp cổ đại cũng do Herodotus ghi lại Môi trường để ghi văn bản chính là các viên thuốc được bọc trong sáp ong Demeratus, một người Hy-Lạp, cần thông báo cho Sparta rằng Xerxes định xâm chiếm Hy-Lạp Để tránh bị phát hiện, anh ta đã bóc lớp sáp ra khỏi các viên thuốc và khắc thông báo lên bề mặt các viên thuốc này, sau đó bọc lại các viên

thuốc bằng một lớp sáp mới Những viên thuốc được để ngỏ và lọt qua mọi sự kiểm tra một cách dễ dàng

Mực không màu là phương tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin trong một thời gian dài Người Romans cổ đã biết sử dụng những chất sẵn có như nước quả, nước tiểu và sữa để viết các thông báo bí mật giữa những hàng văn tự thông thường Khi bị hơ nóng, những thứ mực không nhìn thấy này trở nên sẫm màu và có thể đọc dễ dàng

Ý tưởng về che giấu thông tin đã có từ hàng nghìn năm về trước nhưng kỹ thuật này được dùng chủ yếu trong quân đội và trong các cơ quan tình báo Mãi cho tới vài thập niên gần đây, giấu thông tin mới nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và các viện công nghệ thông tin với hàng loạt công trình nghiên cứu giá trị Cuộc cách mạng số hoá thông tin và sự phát triển nhanh chóng của mạng truyền thông là nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi này Những phiên bản sao chép hoàn hảo, các kỹ thuật thay thế, sửa đổi tinh vi, cộng với sự lưu thông phân phối trên mạng của các dữ liệu đa phương tiện đã sinh ra nhiều vấn đề nhức nhối về nạn ăn cắp bản quyền, phân phối bất hợp pháp, xuyên tạc trái phép

1.1.4 Các yêu cầu đối với giấu tin cho ảnh

Mục đích của giấu tin cho ảnh là bảo vệ bản quyền cho chủ sỡ hữu ảnh Những yêu cầu cơ bản đối với giấu tin cho ảnh là:

ảnh không làm ảnh hưởng tới chất lượng của ảnh đã chèn tin

biến đổi ảnh, biến dạng hình học hay các hình thức tấn công cố ý khác

 Tính an toàn: không thể xoá được tin ra khỏi ảnh trừ khi ảnh được biến đổi tới mức không còn mang thông tin

Tính ẩn của tin là một yêu cầu rất quan trọng của phương pháp giấu tin Nếu tính ẩn của tin không được đảm bảo thì không những nó làm ảnh hưởng tới chất lượng của ảnh mà còn dễ dàng tạo điều kiện cho các hình thức tấn công nhằm loại bỏ tin ra khỏi ảnh Với ảnh được đánh dấu một cách lý tưởng, ảnh có bản quyền và ảnh gốc sẽ không thể phân biệt được bằng mắt thường Như vậy giá trị của bức ảnh sẽ không bị thay đổi và việc các tin như vậy sẽ là rào cản lớn cho những kẻ phá hoại trong việc cố gắng xoá hoặc sửa đổi các thông tin về bản quyền ảnh Trên thực tế khi chèn tin vào ảnh thì ảnh kết quả và ảnh gốc sẽ có những sai khác, để không thể nhận ra được những thay đổi về nội dung dữ liệu này, người ta thường khai thác các đặc điểm về khả năng cảm thụ của mắt người Tính bền của giấu tin liên quan đến việc tách tin từ ảnh có bản quyền một ảnh sau khi được đánh dấu có thể được đem ra xử lý để phục vụ cho các mục đích khác nhau như nén ảnh, biến đổi hình học, lọc ảnh cải thiện ảnh , các biến đổi cố tình để xoá dấu tin ra khỏi ảnh,…v.v Vấn đề được đặt ra liệu sau khi ảnh bị xử lý ta còn có thể tách được lượng tin ra khỏi ảnh không và tách được thì chất lượng của tin có đảm bảo tin cậy không như ta đã biết khi chèn một dấu ẩn vào ảnh thì trước hết phải đảm bảo tính ẩn của nó, nói cách khác thông tin về dấu ẩn có năng lượng rất nhỏ so với thông tin ảnh Mặt khác để tăng tính bền cho dấu ẩn ta phải tăng năng lượng của thông tin dấu ẩn được chèn vào ảnh điều này đối nghịch với yêu cầu của tính ẩn Do vậy việc đảm bảo sự tồn tại của dấu ẩn trong ảnh cũng giống như việc đảm bảo truyền tín hiệu có năng lượng nhỏ trong môi trường có nhiễu lớn Đây là cơ sở để áp dụng các phương pháp xử lí tín hiệu số trong chèn dấu ẩn

Trong trường hợp một ảnh được chèn nhiều ký hiệu bản quyền thì các ký hiệu này phải đảm bảo có thể phân biệt được Tuy nhiên việc tăng số lượng các dấu ẩn cũng đồng nghĩa với việc tăng lượng của các thông tin được chèn vào ảnh do đó tính ẩn của ảnh cũng bị ảnh hưởng theo chiều hướng giảm Tóm lại các yêu cầu đặt ra đối với đánh dấu ẩn cho ảnh có chiều hướng xung đột nhau, nếu thoả mãn tốt yêu cầu này thì không đáp ứng được yêu cầu kia và ngược lại Qua đó ta có kết luận rằng không thể có mô hình đánh dấu ẩn nào cho ảnh một cách lí tưởng Để có được một phương pháp đánh dấu ẩn ảnh hợp lý, người ta thường đưa ra hệ số cân đối và tuỳ theo những yêu cầu cụ thể, hệ số cân đối này sẽ được chọn thích hợp

1.1.5 Mô hình kỹ thuật giấu tin

Hệ thống giấu tin nói chung bao gồm 2 phần chính: chèn tin và tách tin (Hình 1.2) Giai đoạn chèn tin, các thông tin khoá (công khai hoặc bí mật) và dấu tin được chèn vào ảnh gốc để được ảnh có bản quyền Giai đoạn tách tin, dữ liệu khoá (bí mật) và hoặc ảnh gốc (ảnh không chèn tin) sẽ làm dữ liệu cơ sở để tách tin từ ảnh có bản quyền

a) Chèn tin Mẫu tin mật

Khóa k

b) Tách tin

 Mẩu tin mật: có thể là văn bản hoặc tệp ảnh hay bất kỳ một tệp nhị phân

nào, vì quá trình xử lý chúng ta đều chuyển chúng thành chuỗi các bit

 Ảnh phủ hay ảnh gốc: ảnh được dùng để làm môi trường nhúng tin mật

 Ảnh bản quyền: là ảnh sau khi đã nhúng tin mật vào đó

Khoá k trong hệ đánh dấu trên là để đảm bảo tính bí mật của dấu tin chống lại các hình thức khai thác quy luật về ký hiệu được chèn vào ảnh Đây là hình thức bảo vệ an toàn cho ảnh bản quyền đối với mọi hình thức tấn công cố ý nhằm xoá dấu tin ra khỏi ảnh

1.1.6 Các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin

Bảo vệ bản quyền tác giả: Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thủy

vân số Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả gọi là thủy vân sẽ được nhúng vào trong các sản phẩm, thủy vân đó chỉ một mình chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và được dùng làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm Giả sử có một thành phẩm dữ liệu dạng đa phương tiện như ảnh, âm thanh, video và cần được lưu thông trên mạng Để bảo vệ các sản phẩm chống lại các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải có một kỹ thuật để “ dán tem bản

Ảnh gốc

Ảnh có bản quyền u

Khóa k

quyền ” vào sản phẩm này Việc dán tem hay chính là việc nhúng thủy vân cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hưởng đáng kể nào đến việc cảm nhận sản phẩm Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thủy vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thủy vân này mà không được phép của người chủ sở hữu thì chí có cách là phá hủy sản phẩm[18]

Xác thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin: Một tập các thông

tin sẽ được giấu trong phương tiện chứa sau đó được sử dụng để nhận biết xem dữ liệu trên phương tiện gốc đó có bị thay đổi không Các thủy vân nên được ẩn để tránh sự tò mò của kẻ thù, hơn nữa việc làm giả các thủy vân hợp lệ hay xuyên tạc thông tin nguồn cũng cần được xem xét Trong các ứng dụng thực tế người ta mong muốn tìm được vị trí bị xuyên tạc cũng như phân biệt được các thay đổi Yêu cầu chung đối với ứng dụng này là khả năng giấu thông tin cao và thủy vân không cần bền vững[18]

Giấu vân tay hay dán nhãn: Thủy vân trong những ứng dụng này được sử

dụng để nhận diện người gửi hay người nhận của một thông tin nào đó Ví dụ các vân khác nhau sẽ được nhúng vào các bản sao khác nhau của thông tin gốc trước khi chuyển cho nhiều người [2] Với ứng dụng này thì yêu cầu là đảm bảo độ an toàn cao cho các thủy vân tránh sự xóa dấu vết trong khi phân phối

Kiểm soát sao chép: Các thủy vân trong trường hợp này được sử dụng để

kiểm soát sao chép đối với các thông tin Các thiết bị phát ra thủy vân thường được gắn sẵn vào trong các hệ thống đọc/ghi Ví dụ như hệ thống quản lý sao chép DVD đã được ứng dụng ở Nhật Các ứng dụng loại này cũng yêu cầu thủy vân phải được đảm bảo an toàn và cũng sử dụng phương pháp phát hiện thủy vân đã giấu mà không cần thông tin gốc

Giấu tin mật: Các thông tin giấu được trong trường hợp này càng nhiều

càng tốt, việc giải mã để nhận được thông tin cũng không cần phương tiện chứa ban đầu Các yêu cầu mạnh về chống tấn công của kẻ thù không cần thiết lắm thay vào đó là thông tin giấu phải đảm bảo tính ẩn

1.1.7 Các kiểu đánh dấu ẩn

Kỹ thuật đánh dấu ẩn có thể chia thành các loại khác nhau theo các phương pháp khác nhau Kỹ thuật đánh dấu ẩn (Watermarking) có thể chia thành 4 loại theo kiểu tài liệu (dữ liệu) sẽ được nhúng như sau:

Trong trường hợp hình ảnh, có vài phương thức đánh dấu ẩn trong miền không gian Có thể dùng đánh dấu ẩn trong miền tần số thay cho đánh dấu ẩn trong miền không gian

tin, bảo vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy nhập, giấu thông tin mật … Vì thế mà vấn đề này đã nhận được sự quan tâm rất lớn của các cá nhân, tổ chức, trường đại học, và viện nghiên cứu trên thế giới

Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi và ít ai biết được bên trong bức ảnh đó mang những thông tin có ý nghĩa khác Và ngày nay, khi ảnh số đã được sử dụng phổ biến, thì giấu thông tin đã đem lại rất nhiều những ứng dụng quan trọng trong trên nhiều lĩnh vực trong đời sống xã hội Ví dụ như đối với các nước phát triển, chữ ký tay đã được số hóa và lưu trữ sử dụng như là hồ sơ cá nhân của các dịch vụ ngân hàng và tài chính, nó được dùng để nhận thực trong các thẻ tín dụng của người tiêu dùng Thêm vào đó, lại có rất nhiều loại thông tin quan trọng cần được bảo mật, chúng rất dễ bị lấy cắp và bị thay đổi bởi các phần mềm chuyên dụng Việc nhận thực cũng như phát hiện thông tin xuyên tạc đã trở nên vô cùng quan trọng và cấp thiết Một đặc điểm của giấu thông tin trong ảnh đó là thông tin được giấu trong ảnh một cách vô hình, nó như là một cách truyền thông tin mật cho nhau mà người khác không thể biết được bởi sau khi giấu thông tin thì chất lượng ảnh gần như không thay đổi, đặc biệt đối với ảnh mầu hay ảnh đa mức xám

1.2.2 Những đặc trƣng và tính chất

Giấu tin trong chiếm vị trí chủ yếu trong các kỹ thuật giấu tin, vì vậy mà các kỹ thuật giấu tin phần lớn cũng tập trung vào các kỹ thuật giấu tin trong ảnh Các phương tiện chứa khác nhau thì cũng sẽ có các kỹ thuật giấu khác nhau Đối tượng ảnh là một đối tượng dữ liệu tĩnh có nghĩa là dữ liệu tri giác không biến đổi theo thời gian Dữ liệu ảnh có nhiều định dạng, mỗi định dạng có những tính chất khác nhau nên các kỹ thuật giấu tin trong ảnh thường chú ý những đặc trưng và các tính chất cơ bản sau đây:

*) Phương tiện có chứa dữ liệu tri giác tĩnh

Dữ liệu gốc ở đây là dữ liệu tĩnh, dù đã giấu thông tin vào trong ảnh hay chưa thì khi ta xem ảnh bằng thị giác, dữ liệu ảnh không thay đổi theo thời gian, điều này khác với dữ liệu âm thanh và dữ liệu băng hình vì khi ta nghe hay xem thì dữ liệu gốc sẽ thay đổi liên tục với tri giác của con người theo các đoạn, các bài hay các cảnh… [18]

*) Kỹ thuật giấu phụ thuộc ảnh

Kỹ thuật giấu tin phụ thuộc vào các loại ảnh khác nhau Chẳng hạn đối với ảnh đen trắng, ảnh xám hay ảnh màu ta cũng có những kỹ thuật riêng cho từng loại ảnh có những đặc trưng khác nhau

*) Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống thị giác của con người

Giấu tin trong ảnh ít nhiều cũng gây ra những thay đổi trên dữ liệu ảnh gốc Dữ liệu ảnh được quan sát bằng hệ thống thị giác của con người nên các kỹ thuật giấu tin phải đảm bảo một yêu cầu cơ bản là những thay đổi trên ảnh phải rất nhỏ sao cho bằng mắt thường khó nhận ra được sự thay đổi đó vì có như thế thì mới đảm bảo được độ an toàn cho thông tin giấu Rất nhiều các kỹ thuật đã lợi dụng các tính chất của hệ thống thị giác để giấu tin chẳng hạn như mắt người cảm nhận về sự biến đổi về độ chói kém hơn sự biến đổi về màu hay cảm nhận của mắt về màu xanh da trời kém nhất trong ba màu cơ bản

*) Giấu thông tin trong ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không thay đổi kích thước ảnh

Các thuật toán thực hiện công việc giấu thông tin sẽ được thực hiện trên dữ liệu của ảnh Dữ liệu ảnh bao gồm phần header, bảng màu (có thể có) và dữ liệu ảnh Do vậy mà kích thước ảnh trước hay sau khi giấu thông tin là như nhau

*) Đảm bảo chất lượng sau khi giấu tin

Đây là một yêu cầu quan trọng đối với giấu tin trong ảnh Sau khi giấu tin bên trong, ảnh phải đảm bảo được yêu cầu không bị biến đổi để có thể bị phát hiện dễ dàng so với ảnh gốc Yêu cầu này dường như khá đơn giản đối với ảnh màu hoặc ảnh xám bởi mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi nhiều bit, nhiều giá trị và khi ta thay đổi một giá trị nhỏ nào đó thì chất lượng ảnh thay đổi không đáng kể, thông tin giấu khó bị phát hiện, nhưng đối với ảnh đen trắng mỗi điểm ảnh chỉ là đen hoặc trắng, và nếu ta biến đổi một bit từ trắng thành đen và ngược lại mà không khéo thì sẽ rất dễ bị phát hiện Do đó, yêu cầu đối với các thuật toán giấu thông tin trong ảnh màu hay ảnh xám và giấu thông tin trong ảnh đen trắng là khác nhau Trong khi đối với ảnh màu thì các thuật toán chú trọng vào việc làm sao giấu được càng nhiều thông tin càng tốt thì các thuật toán áp dụng cho ảnh đen trắng lại tập trung vào việc làm thế nào để thông tin giấu khó bị phát hiện nhất [17], [12], [13]

*) Thông tin trong ảnh sẽ bị biến đổi nếu có bất cứ biến đổi nào trên ảnh

Vì phương pháp giấu thông tin trong ảnh dựa trên việc điều chỉnh các giá trị của các bit theo một quy tắc nào đó và khi giải mã sẽ theo các giá trị đó để tìm được thông tin giấu Theo đó, nếu một phép biến đổi nào đó trên ảnh làm thay đổi giá trị của các bit thì sẽ làm cho thông tin giấu bị sai lệch Nhờ đặc điểm này mà giấu thông tin trong ảnh có tác dụng nhận thực và phát hiện xuyên tạc thông tin[16]

*) Vai trò của ảnh gốc khi giải tin

Các kỹ thuật giấu tin phải xác định rõ ràng quá trình lọc ảnh để lấy thông tin giấu cần đến ảnh gốc hay không cần Đa số các kỹ thuật giấu tin mật thì thường không cần ảnh gốc để giải mã Thông tin được giấu trong ảnh sẽ được

mang cùng vơi dữ liệu ảnh, khi giải mã chỉ cần ảnh đã mang thông tin giấu mà không cần dùng đến ảnh gốc để so sánh đối chiếu

1.2.3 Các phương pháp giấu tin

Các phương pháp giấu tin trong ảnh hiện nay đều thuộc vào một trong ba nhóm:

 Giấu tin trong miền quan sát Ví dụ: Nhúng vào các bít có trọng số thấp (Least Significant Bit)

 Các phương pháp dựa vào kỹ thuật biến đổi ảnh, ví dụ biến đổi từ miền không gian sang miền tần số

 Các phương pháp sử dụng mặt nạ giác quan

Nhóm phương pháp nhúng thông tin vào các bít có trọng số thấp của ảnh hay được áp dụng trên các ảnh bitmap không nén, các ảnh dùng bảng mầu

Ý tưởng chính của phương pháp này là lấy từng bít của mẩu tin mật rồi rải nó lên ảnh mang, thay đổi bít có trọng số thấp của ảnh bằng các bít của mẫu tin mật vì khi thay đổi các bit có trọng số thấp thì không ảnh hưởng đến chất lượng ảnh, và mắt người không cảm nhận được

Nhóm phương pháp dựa trên các phép biến đổi ảnh lợi dụng việc biến đổi ảnh từ miền biểu diễn này sang miền biểu diễn khác để giấu các bít tin Một ví dụ của hệ thống sử dụng phương pháp này là "Jpeg-Jsteg", phần mềm này nhúng thông tin bằng cách điều chế các hệ số của phép biến đổi Cosin rời rạc theo các bít tin cần giấu và sự làm tròn lỗi khi lượng hoá Một số các phương pháp khác thuộc nhóm này sử dụng ảnh như mô hình vật lý với các dải phổ thể hiện mức năng lượng Khi đó giấu tin giống như việc điều chế một tín hiệu dải hẹp vào một dải tần rộng (ảnh phủ)

Nhóm phương pháp dùng mặt nạ giác quan dựa trên nguyên lý đánh lừa hệ thống giác quan của con người "Mặt nạ" ở đây ám chỉ hiện tượng mắt người không cảm nhận được một tín hiệu nếu nó ở bên cạnh một tính hiệu nhất định nào đó

Nếu phân chia các phương pháp theo định dạng ảnh thì có hai nhóm chính:

*) Nhóm phương pháp phụ thuộc định dạng ảnh: đặc điểm của nhóm này là thông tin giấu dễ bị "tổn thương" bởi các phép biến đổi ảnh Trong nhóm này lại chia ra theo dạng ảnh, có các phương pháp cho

*) Các phương pháp độc lập với định dạng ảnh: đặc trưng của các phương pháp nhóm này là lợi dụng vào việc biến đổi ảnh để giấu tin vào trong đó, ví dụ giấu vào các hệ số biến đổi Như vậy có bao nhiêu phép biến đổi ảnh thì cũng có thể có bấy nhiêu phương pháp giấu ảnh Các phép biến đổi như:

Các phương pháp nhóm thứ hai có nhiều ưu điểm hơn về tính bền vững, nhưng lượng thông tin giấu được sẽ ít hơn và cài đặt cũng sẽ phức tạp hơn Nếu phân các phương pháp theo đặc điểm kỹ thuật có:

*) Phương pháp thay thế

 Thay thế các bit dữ liệu trong bản đồ bit (bit plane)

*) Phương pháp xử lý tín hiệu

 Các kỹ thuật điều chế dải phổ *) Các phương pháp mã hoá (coding)

*) Các phương pháp thống kê - kiểm thử giả thuyết *) Phương pháp sinh mặt nạ - Fractal

1.3 Kết luận chương

Trong chương 1, luận văn đã trình bày đến các nội dung như khái niệm về giấu tin, phân loại các kỹ thuật giấu tin, một vài nét về lịch sử giấu tin, giấu tin trong ảnh và một số tính chất của nó Nội dung chương này đã trình bày lý do tại sao phải giấu tin, mục đích giấu tin và các phương pháp giấu tin mật từ ngàn xưa

Trong lịch sử loài người đã biết vận dụng sáng tạo trí tuệ của mình để giấu những thông điệp vô cùng quan trọng, như cạo đầu và xăm chữ lên da đầu, hay khắc chữ lên viên thuốc rồi bọc lại bằng sáp ong …

Ngày nay, khi sự phát triển của Công nghệ Thông tin vô cùng nhanh chóng và mạnh mẽ, loài người lại phải tìm cách bảo vệ những sản phẩm trí tuệ của mình nói chung và bảo vệ bản quyền những sản phẩm đồ họa vector nói riêng

Khi giấu tin cho ảnh cần phải thỏa mãn ba yêu cầu đó là tính ẩn của thông tin được giấu, tính bền và tính an toàn Bên cạnh đó chương này còn trình bày về mô hình kỹ thuật giấu và tách tin

Kỹ thuật giấu tin được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như: “Bảo vệ bản quyền tác giả” đây chính là ứng dụng được sử dụng nhiều nhất và là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thủy vân số Ứng dụng thứ hai là “Xác thực

thông tin hay phát hiện xuyên tạc” ứng dụng này được dùng để phát hiện những sản phẩm bị đánh cắp bản quyền hay sử dụng sai mục đích hoặc đã bị thay đổi nội dung mà không được sự cho phép của tác giả “Giấu vân tay hay dãn nhãn” được dùng để nhận diện người gửi hoặc người nhận “Kiểm soát sao chép” và “Giấu tin mật” là hai ứng dụng được dùng để quản lý các sản phẩm tránh trường hợp sao chép trái phép của người sử dụng

CHƯƠNG 2: GIẤU TIN TRONG BẢN ĐỒ VÉC TƠ

nhưng là thông tin rất quan trọng không thể thiếu như: trụ sở cơ quan, các công trình xây dựng, cầu cống

 Ðối tượng dạng đường (line): thể hiện các đối tượng không khép kín hình học, chúng có thể là các đường thẳng, các đường gấp khúc và các cung, ví dụ như đường giao thông, sông, suối

bao phủ một vùng diện tích nhất định, có thể là các polygon, ellipse và hình chữ nhật, như lãnh thổ địa giới 1 xã, hồ nước, khu rừng

của bản đồ như nhãn, tiêu đề, ghi chú

Bản đồ số được mô tả bằng mô hình dữ liệu véc tơ, mô hình này dựa trên cơ sở các véc tơ hay toạ độ các điểm trong hệ trục toạ độ không gian hai chiều hoặc ba chiều

Trong mô hình véc tơ các điểm, đoạn thẳng và các vùng được lưu trữ dưới dạng tập hợp toạ độ điểm Sử dụng các đường thẳng rời rạc hay các điểm để mô tả vị trí của đối tượng Các điểm nối với nhau để tạo nên các đối tượng khác như đường (line/polyline), vùng hay miền (polygon/area) Các đối tượng rời rạc (đường biên hành chính, sông suối, đường giao thông) được hình thành bằng cách nối các đoạn thẳng rời rạc Vị trí một điểm được biểu diễn bởi một toạ độ điểm, đường thẳng được biểu diễn bởi tập hợp toạ độ điểm, còn các vùng thì được lưu như một vòng khép kín các cặp toạ độ Các đối tượng điểm, đường và miền được sử dụng để thể hiện các thực thể địa lý của thế giới thực Mô hình véc tơ được hình thành trên cơ sở quan sát đối tượng của thế giới thực

Trong mô hình vectơ, các bệnh viện, trường học… có vị trí là tọa độ thực trên bề mặt Trái đất và chúng được mô tả bởi điểm dữ liệu Sông ngòi, đường sá…được đơn giản hóa thành các đối tượng đường gấp khúc (polyline) Các

vùng địa lý như ao hồ, các đơn vị hành chính được trừu tượng hóa thành các lớp đường biên, tập hợp các đối tượng miền…(hình 2.1)

Cấu trúc mô hình véc tơ hay được sử dụng dụng nhiều nhất để biểu diễn các thực thể địa lý thành các thực thể của cơ sở dữ liệu là “spaghetti” và “topology”

2.2 Thủy vân bản đồ véc tơ

Sự phát triển nhanh chóng của trao đổi thông tin bằng máy tính và Internet đã làm cho dữ liệu bị thay đổi hoặc thất lạc thông qua đường mạng Mặt khác, nó cũng trở thành yếu tố quyết định trong việc bảo vệ các bản sao số của các tệp đa phương tiện số khác nhau Thủy vân đã được nghiên cứu hơn mười năm trở lại đây như là một giải pháp thích hợp cho các ấn phẩm khi phát hành Bên cạnh việc bảo vệ các bản sao, thủy vân cũng có thể được thiết kế cho những mục đích khác như giấu đi sự trao đổi thông tin, xác nhận dữ liệu, dấu vân tay … Rất nhiều kiểu dữ liệu có thể được sử dụng nhằm che dấu dữ liệu của thủy vân như

sông tỉnh

sông tỉnh B.V

Thế giới thực

Bản đồ vectơ

Lớp bản đồ

ảnh số, âm thanh, các đoạn phim, văn bản, bảng mã, kiểu 3D, dữ liệu CAD, dữ liệu vecto 2D, phần mềm … Những dữ liệu kiểu này, một vài dữ liệu đa phương tiện tổng quan như ảnh số, âm thanh, các đoạn phim, văn bản, bảng mã, kiểu 3D được chú ý nhiều hơn các kiểu khác Trong luận văn này trình bày về cách sử dụng thủy vân cho bản đồ vecto 2D, là dữ liệu quan trọng nhất của hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Bản đồ luôn quy định một vài kiểu dữ liệu cụ thể cho các bản sao của người sử dụng, nó tạo ra sự an toàn cho các tập hợp dữ liệu được phân bổ để phát hành Đầu tiên, để làm ra được một bản đồ vecto là một quá trình với chi phí cao Một công cụ có độ chính xác cao là cần thiết cho quá trình đo đất và một số lượng lớn vật chất, các nguồn tài nguyên trí tuệ thì phụ thuộc vào thông tin địa lý gốc Việc số hóa và vecto hóa thông tin gốc là một công việc khó khăn để thu được các bản đồ vecto Các bản đồ số trong hệ thống thông tin địa lý thông thường không thể được sử dụng một cách miễn phí Thêm vào đó, trong một vài tình huống đặc biệt thì nhu cầu bảo mật lớn hơn là cần thiết Ví dụ, những ứng dụng của những bản đồ số quân sự bí mật phụ thuộc vào khả năng chính xác của dữ liệu bản đồ gốc càng toàn vẹn bao nhiêu thì càng tốt bấy nhiêu Nó cũng là một trong những lý do chính để bản đồ vecto số không thể thấy được những vùng miền quan trọng, then chốt như trong bản đồ giấy truyền thống So sánh một cách tổng quát các loại dữ liệu đa phương tiện có một chút liên quan đến công việc đã được làm trong một vùng của bản đồ vecto thủy vân

Sự hài hòa của những vùng mà được đóng dấu thủy vân, những phương thức được kích hoạt cho thủy vân bản đồ vecto có thể được xếp hạng như sau: thuật toán trong phạm vi không gian, trong phạm vi DFT, trong phạm vi DWT, trong phạm vi DCT và một vài phương thức lấy được từ thủy vân 3D Khác với

những kiểu dữ liệu đa phương tiện tổng quan, thủy vân bản đồ vecto có những đặc điểm khác biệt riêng của nó như cấu trúc dữ liệu đặc biệt, những môi trường ứng dụng của dữ liệu bản đồ

2.3 Đặc điểm riêng của thủy vân bản đồ Vecto

Để đánh dấu thủy vân cho bản đồ vecto số, một loại các đặc điểm riêng nên được quan tâm Tình trạng của những đặc trưng này chính là những vấn đề then chốt để có được cấu trúc dữ liệu đặc biệt và môi trường ứng dụng của bản đồ vecto số Kết quả là có sự khác biệt rõ nét giữa thủy vân đa phương tiện nói chung và thủy vân bản đồ vecto số nói riêng ỏ rất nhiều phương thức giấu và tách dữ liệu, tiêu chuẩn của việc ước lượng chất lượng dữ liệu, phương thức có thể giấu tin …

2.3.1 Dữ liệu bản đồ véc tơ

Dữ liệu ảnh vecto là sự biên soạn thông thường của không gian dữ liệu, tập hợp dữ liệu và thêm vào một vài dữ liệu được sử dụng như chỉ số, sự mô tả Mô tả không gian dữ liệu, các vùng địa lý của bản đồ đối tượng mô tả đối tượng địa lý trong thế giới thực và luôn nắm lấy 3 yếu tố địa lý cơ bản là điểm, đường và đa giác Tất cả các đối tượng bản đồ này đều được định dạng bởi các đỉnh có thứ tự Không gian dữ liệu là một chuỗi thực sự các tọa độ của những đỉnh cơ sở này trong một hệ thống địa lý

Tập hợp dữ liệu mô tả thuộc tính của đối tượng bản đồ như tên, loại, và một vài thông tin khác Hiển nhiên, những thông tin được ghi lại bởi tập hợp dữ liệu rất quan trọng và không thể thay đổi tùy tiện, tương tự cho những dữ liệu được thêm vào đã kể ra ở trên Tất cả các thuật toán thủy vân đã được đề xuất, không gian để đóng dấu thủy vân được quy định bởi không gian dữ liệu như tọa độ của các đỉnh Một bản đồ vecto bất kỳ đều có một dung sai rõ ràng, chúng

đưa ra độ rộng tối đa cho sự làm méo tọa độ cho phép Làm méo tọa độ dứt khoát phải nhỏ hơn dung sai thì sẽ không làm suy giảm đi chất lượng của bản đồ Dung sai rõ của dữ liệu bản đồ vecto dịch chuyển như là “Mô hình che phủ trực quan” bên trong ảnh thủy vân số đưa ra một chút dư thừa cho việc giấu thông tin thường lệ

2.3.2 Độ chính xác của bản đồ véc tơ

Nguồn gốc chung của thủy vân số là sự xắp xếp có hệ thống là sự đưa vào những mẩu tin ẩn có thể không làm ảnh hưởng đến chất lượng của dữ liệu Trong thế giới thủy vân độ chính xác giới hạn thường được sử dụng để đo chất lượng của dữ liệu Tuy nhiên, tùy theo các kiểu dữ liệu khác nhau và cách sử dụng riêng của chúng, độ chính xác giới hạn có thể có những ý nghĩa khác Đối với ảnh số, các đoạn phim, âm thanh, và các tập hợp dữ liệu đa phương tiện khác, người sử dụng hướng vào dữ liệu là các cảm nhận thông qua những bộ phận giác quan của con người Trong giác quan này, mắt người có thể được dùng để đo độ chính xác của ảnh Nếu như mắt người không thể phân biệt được hai ảnh, hai ảnh đó có thể được coi như có giá trị sử dụng như nhau, cụ thể là có độ chính xác cao Nói chung, một vài thông số chính xác như PSNR hoặc MSE … được dùng để đo sự khác biệt của 2 tập hợp dữ liệu

Tuy nhiên để đánh giá chất lượng của dữ liệu ảnh vecto, con người không thể cảm nhận được và PSNR cũng không thể là đơn vị đo thích hợp Đầu tiên, người sử dụng hướng vào ảnh vecto không phải là các bộ phận giác quan của con người mà là máy tính Trong một tỷ lệ đặc trưng, thậm chí hai bản đồ số khá giống nhau khi nhìn bằng mắt thì vẫn tồn tại những tọa độ khác nhau giữa hai bản đồ đó có thể vượt quá sự dung sai Thứ hai, giới hạn PSNR chủ yếu là phản hồi lại năng lượng của các lỗi Nó sẽ thích hợp hơn để đánh giá ảnh, nhưng

ngược lại đối với ảnh vecto bởi vì thậm chí cả với một PSNR cao của bản đồ vecto không thể đảm bảo chính xác những đỉnh lỗi thì có giá trị nhỏ trong dung sai của bản đồ

Thêm vào đó, khi chúng ta đánh giá độ chính xác của bản đồ vecto một vài nhân tố có thể được lấy ra như độ nét và hình dạng của các đối tượng bản đồ, để đánh dấu thủy vân cho bản đồ số thực sự là một công việc hết sức vất vả PSNR không thể khôi phục lại sự bóp méo chi tiết về độ nét của hai bản đồ vecto đó Trong một lĩnh vực khác, một bản đồ với độ chính xác thấp cũng có thể có PSNR cao Cho đến tận bây giờ vẫn chưa có đơn vị đo phù hợp cho độ chính xác của bản đồ vecto

2.3.3 Các khả năng giấu tin

Một sự giấu tin thành công có nghĩa là thủy vân có thể được gỡ bỏ trong khi tính hợp pháp của dữ liệu bao phủ vẫn được bảo vệ Không gian dữ liệu của bản đồ vecto gần như là dữ liệu điểm trôi với sự chính xác chắc chắn Do đó, những cách thức và đặc trưng của các khả năng giấu tin bản đồ vecto thủy vân là khác nhau cho mỗi loại thủy vân đa phương tiện

2.3.3.1 Giấu tin hình học

Một vài phép biến đổi như phép dịch, phép quay … là những khuôn dạng chính của giấu tin hình học Đối với những ảnh thủy vân số giấu tin hình học rất khó có thể bảo vệ, bởi những phép biến đổi này luôn có sự thêm vào các giá trị cho điểm ảnh mà không thể xử lý ngược lại được và luôn là nguyên nhân làm mất mát thông tin Tuy nhiên đối với bản đồ vecto, vần đề giấu tin đưa ra ở trên gần như là phép biến đổi tọa độ, nơi mà hầu như thông tin không thể bị mất Vì vậy giấu tin hình học có liên quan đến vấn đề bảo vệ trong việc phối hợp đánh dấu thủy vân cho bản đồ véc tơ

2.3.3.2 Giấu tin vào đỉnh

Giấu tin đỉnh là giấu tin vào các lớp đỉnh như là thêm các đỉnh vào bản đồ hay gỡ bỏ bớt các đỉnh Khi giấu tin, đặc biệt là đối với bản đồ đơn giản hoặc sự cắt xén rất nguy hiểm đối với thủy vân bản đồ véc tơ Mặt khác, các bản đồ đơn giản cũng có cách hoạt động chung bên trong những ứng dụng nhằm tăng tốc độ xử lý dữ liệu bản đồ Tóm lại khả năng bao quát bản đồ đơn giản là rất quan trọng đối với việc sắp xếp thủy vân thô

2.3.3.3 Sắp xếp đối tƣợng

Đây là cách giấu tin vào lớp đối tượng, không gian dữ liệu của bản đồ véc tơ được tạo lập từ rất nhiều tọa độ của các đỉnh thứ tự mô tả các đối tượng bản đồ Tất cả các đối tượng được lưu trữ trong tệp bản đồ theo một trình tự nhất định Sự sắp xếp lại các đối tượng trong bản đồ hoặc sự sắp xếp lại các đỉnh bên trong một đối tượng có thể tạo nên một bản đồ mới mà không làm suy giảm độ chính xác của dữ liệu Một vài sự sắp xếp thủy vân quyết định thứ tự của các đối tượng, hoạt động này sẽ là sự giấu tin nguy hiểm

2.3.3.4 Giảm nhiễu

Có hai nguyên nhân chính có thể gây nên hiện tượng nhiễu bên trong bản đồ véc tơ Đầu tiên là một vài loại công việc hàng ngày Ví dụ như có rất nhiều các định dạng file thông dụng trong thế giới GIS Những biến đổi nằm trong các khuôn dạng này có thể tạo ra dữ liệu bị nhiễu Thứ hai là các hình thức giấu tin hiểm độc Những người giấu tin cố gắng phá hủy dấu thủy vân bằng cách thêm nhiễu vào các tập hợp dữ liệu Giảm nhiễu là sự giấu tin nghiêm túc nhưng lại không phải là sự lựa chọn tốt cho những người giấu tin

2.4 Thuật toán thủy vân

2.4.1 Thuật toán trong miền không gian

Để đánh dấu thủy vân cho một véc tơ trong miền không gian là đưa vào thủy vân một sự thay đổi chính xác cho giá trị tọa độ của các đỉnh Một vài đặc trưng không gian của các đỉnh có thể được dùng để đưa dữ liệu vào Ví dụ mối quan hệ của các đỉnh, những đặc trưng thống kê của các đỉnh

Ông Sakamoto [4] đã đưa ra ý tưởng cơ sở thủy vân trong thay đổi mối quan hệ vị trí của các đỉnh Trong ý tưởng này bản đồ bao phủ là sự phân chia đầu tiên bên trong các khối Sau đó một mặt nạ với kích thước đặc trưng được định nghĩa cho từng khối riêng biệt Để đưa vào một bit thủy vân, chỉ cần thay đổi các đỉnh bên trong một mặt nạ và tạo ra mối quan hệ vị trí của chúng theo một mô hình cụ thể Ý tưởng này khó có thể đưa vào thủy vân nhiều bit Tuy nhiên, thuật toán này là yếu để có thể giấu tin tạp nhiễu Sau đó một thuật toán cải thiện đã được đề xuất bởi Hwan Kang[9]

Đầu tiên một bản đồ gốc được phân vùng thành các khối Trong mỗi khối, có một mặt nạ với kích thước xác định, không giống như ý tưởng trước, sự lựa chọn kích thước cho mặt nạ này là tùy ý Bên trong các mặt nạ, tọa độ của các đỉnh Đông Nam được nhắc đến như là gốc và tọa độ của các đỉnh khác bên trong mặt nạ sau đó có thể được thay bằng một giá trị mới Sau đó mặt nạ được phân chia bên trong thành các tam giác cao và tam giác thấp bởi các đường chéo nối các đỉnh Tây Bắc – Đông Nam Để đưa vào một bit „1‟ Thay đổi tất cả các đỉnh trong tam giác thấp thành giá trị đối xứng của chúng trong tam giác cao qua các đường chéo, đó chỉ là sự đảo ngược khi đưa vào các bit „0‟ Một số điểm mấu chốt của thuật toán này được trình bày như sau:

Hai nhân tố làm tăng mạnh độ nhiễu của thuật toán Nhân tố đầu tiên là không hạn chế kích thước của mặt nạ Nhân tố thứ hai là phương thức chung của thủy vân và tiêu chuẩn tương ứng sử dụng trong việc tìm các thủ tục Bước đầu tiên để sinh ra thủy vân là để lặp lại các bit đã được giấu thông tin của những lần chắc chắn Tương tự, phần lớn các tiêu chuẩn được sử dụng để tìm ra các thủ tục thủy vân Chúng tạo ra các thuật toán giấu tin nhiễu

Ý tưởng bảo mật được đảm bảo bởi hai dãy số ngẫu nhiên giả tạo bằng hai khóa Khóa thứ nhất được sử dụng để mã hóa lại các bit thủy vân Khóa thứ hai được sử dụng để hoán vị những khối đã được chia tách, mã hóa trật tự của dữ liệu được đưa vào

Một „PSNR‟ được lấy từ giá trị chính xác của ảnh kỹ thuật số được sử dụng để tính toán chất lượng của bản đồ sau khi giấu tin nhiễu

Khi V ,y là tọa độ gốc và dy

định nghĩa PSNR cho ảnh và nó là bản chất, ánh xạ độ mạnh của nhiễu Khi chúng ta có một sự mô tả trước, sự tính toán này là không đủ cho các giá trị chính xác của bản đồ véc tơ bởi nó không thể cung cấp một số thông tin quan trọng như các lỗi cực lớn và làm méo độ nét …

Là một ý tưởng thủy vân không tốt để có thể đưa vào nhiều bit thủy vân Sự thuận lợi lớn của ý tưởng này là độ mạnh để có thể đưa vào các điểm nhiễu và đơn giản hóa bản đồ Nhược điểm lớn nhất của nó là sự thay đổi các đỉnh là