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

Đại học Thái Nguyên khoa công nghệ thông tin NGÔ THÁI HÀ NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT BẢO VỆ BẢN QUYN CC SN PHM HA VECT Luận văn thạc sĩ : KHOA HC MY TNH Thái Nguyên - 2009 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Đại học Thái Nguyên khoa công nghệ th«ng tin NGƠ 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 Luận văn thạc sĩ : KHOA HC MY TNH NGI HNG DN KHOA HC PGS.TS NG VN C Thái Nguyên - 2009 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt DCT IDCT DFT IDFT DWT Diễn giải Discrete Cosine Transform Invert Discrete Cosine Transform Discrete Fourier Transform Invert Discrete Fourier Transform Discrete Wavelet Transform Steganography Intrinsic Steganography Pure Steganography Watermarking Watermark IDWT PN FFT GIS PRNS FT Invert Discrete Wavelet Transform Pseudo Noise Fast fourier transfer Geographic Information System Pseudo random number sequence Fourier Transfer Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ý nghĩa Biến đổi Cosin rời rạc Biến đổi ngược DCT Biến đổi Forier rời rạc Biến đổi ngược DFT 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 Biến đổi ngược DWT giả nhiễu Biến đổi Fourier nhanh Hệ thống thông tin địa lý Dãy số giả ngẫu nhiên Biến đổi Fourier http://www.lrc-tnu.edu.vn i 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 BỐ CỤC LUẬN VĂN NỘI DUNG CHƢƠNG 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 Mơ 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 trƣng tính chất 15 1.2.1 Giấu tin ảnh 15 1.2.2 Những đặc trƣng tính chất 16 1.2.3 Các phƣơng pháp giấu tin 19 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii 1.3 Kết luận chƣơng 21 CHƢƠNG 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 tƣợng 30 2.3.3.4 Giảm nhiễu 30 2.4 Thuật toán thủy vân 31 2.4.1 Thuật tốn miền khơng 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 đƣợc từ mơ hình ba chiều 41 2.6 Kết luận chƣơng 42 CHƢƠNG 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn iii 3.1.2 Thuật tốn 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 chƣơng 51 CHƢƠNG 4: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 52 4.1 Mơ tả tốn 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 ƣớc 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 thơng tin 65 a Phân tích thuật toán 65 b Giấu thông tin 66 4.4 Quy trình tách thơng tin 69 4.5 Kết luận chƣơng 70 KẾT LUẬN 71 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vi 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 Mơ tả đồ vector đơn giản Hình 4.4 Giao diện chương trình DEMO Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vii Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU: 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 cơng 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 thơng 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 hố 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 thơng tin sản phẩm đa phương tiện dùng phổ biến ngồi vấn đề bảo mật cịn 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 “vơ 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 tốn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 62 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  Kiểu Polygon ( Vùng ): Một vùng bao gồm số đa giác khép kín, khơng 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 63 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 điểm mảng Points đa giác Chỉ số mảng Points 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 64 Bảng Nội dung ghi vùng Type Number Byte order 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 Position Field Byte Value 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 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 hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 65 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 khố 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 u cầu sau:  Tên tập tin phải tên với tập tập số Phần mở rộng dbf  Bảng phải chứa 1record/shape feature 4.3 Quy trình giấu thơng tin a Phân tích thuật tốn Ý tưởng thuật toán chia dãy hệ số sau biến đổi DFT A thành dãy có kích thước Li với dãy Li giấu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 66 khơng q bít thơng tin Việc chọn dãy Li 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 thơng tin *) Thuật tốn: 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‟ x3, y3 x1, y1 x4, y4 x2, yy2 x0, y0 x5, y5 x7, y7 x8, y8 x6, y6 Hình 4.3 Mơ tả đồ véc tơ đơn giản Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 67 *) Q trình nhúng Với véctơ ta thu chuỗi cặp toạ độ (xi,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 xi 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* / N , e *   cos( )  j * sin( ) WN = cos(2π/N) – j*sin(2π/N) WNkn  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 ) với k = 0,1,…,N-1 (4.4) n 0 N 1 Hay v(k )   xn * cos(t )  y n * sin(t )   j * x n * sin(t )  y n * cos(t )  (4.5) n 0 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 cơng thức (4.6) sau: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 68 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  vào hệ số dãy Li (cộng vào a(k) b(k)) a(k) = a(k) +  ; (4.8) b(k) = b(k) +  ; Trong :  độ lệch cộng thêm 