Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

§¹i häc Th¸i Nguyªn
khoa c«ng nghÖ th«ng tin 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

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
iv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ


Watermark
Mã dấu bản quyền, mẫu tin
mật
IDWT
Invert Discrete Wavelet Transform
Biến đổi ngược DWT
PN
Pseudo Noise
giả nhiễu
FFT
Fast fourier transfer
Biến đổi Fourier nhanh
GIS
Geographic Information System
Hệ thống thông tin địa lý
PRNS
Pseudo random number sequence
Dãy số giả ngẫu nhiên
FT
Fourier Transfer
Biến đổi Fourier
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

i
MỤC LỤC
Trang

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
2.3.1. Dữ liệu bản đồ véc tơ 27
2.3.2. Độ chính xác của bản đồ véc tơ 28
2.3.3. Các khả năng 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 toán trong miền không gian 31
2.4.2. Thuật toán trong 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 mô 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 trong ảnh đen trắng 43
3.1.1. Thuật toán giấu tin cơ sở 43
a. Tiền xử lí 43
b. Quá trình thực hiện giấu tin 43

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

iii
3.1.2. Thuật toán trích tin 45
a. Tiền xử lí: 45

Tên hình
Ý nghĩa
Hình 1.1
Phân loại các kỹ thuật giấu tin (Fabien A.P. Petitcolaset al., 1999)
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
Hình 4.2
Cấu trúc của tệp chỉ số.
Hình 4.3
Mô tả một bản đồ vector đơn giản
Hình 4.4
Giao diện chương trình DEMO

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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2
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 …

Chƣơng 3: Xây dựng chƣơng trình
Trình bày cấu trúc bản đồ dạng shapefile và biến đổi DFT, xây dựng thuật toán
nhúng tách watermark. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4
CHƢƠNG 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]
Trong khuôn khổ của luận văn, các thuật ngữ “giấu tin”, “giấu thông tin”
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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6
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

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
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:
 Mục tiêu của thuỷ ấn là nhúng thông tin không lớn thường là biểu tượng,
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
 Chỉ tiêu quan trọng nhất của một thuỷ ấn là tính bền vững, của giấu tin là
dung lượng
Điểm khác nữa giữa thuỷ ấn và giấu tin là thuỷ ấn có thể vô hình hoặc hữu hình
trên ảnh mang.
Kỹ thuật giấu tin được áp dụng cho các loại dữ liệu ảnh, audio, vidio.
Chức năng của giấu tin trong ảnh sẽ khác nhau tuỳ theo các hình thức xâm phạm
dữ liệu ảnh.

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10
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:

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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
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
Ảnh gốc
Chèn tin
Ảnh bản quyền
Khóa k


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14
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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16
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:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17