BÁO CÁO MÔN HỌC KĨ THUẬT GIẤU TIN Đề tài 6: BẢO VỆ BẢN QUYỀN MỚI CHO BẢN ĐỒ VECTOR SỬ DỤNG FFT – DỰA TRÊN WATERMARKING

Trong bài nghiên cứu này, đã đề xuất một cách tiếp cận mới về bảo vệ bản quyền đối với bản đồ vectơ bằng cách sử dụng tính năng khắc chìm mạnh mẽ trên thuật toán FFT.. Kết quả thí nghiệm

HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÁO CÁO MÔN HỌC

KĨ THUẬT GIẤU TIN

Đề tài 6:

BẢO VỆ BẢN QUYỀN MỚI CHO BẢN ĐỒ VECTOR SỬ DỤNG FFT – DỰA TRÊN

WATERMARKING

Sinh viên thực hiện: TRỊNH THỊ DUNG AT150209

NGUYỄN THÙY DƯƠNG AT150211 NGUYỄN MINH HẰNG AT150216

ĐỖ DUY HƯNG AT150225 Nhóm 10

Giảng viên hướng dẫn: GV HOÀNG THU PHƯƠNG

Hà Nội, 02-2022

MỤC LỤC

2.1 Biến đổi Fourier nhanh 5 2.2 Chuyển đổi Biến đổi 6 2.3 Giai đoạn hình mờ nhúng 6 2.4 Giai đoạn hình mờ chiết xuất 7

3.1 Kết luận thực nghiệm 8 3.2 Đánh giá tổng quan 9 3.3 Đánh giá độ chính xác 10 3.4 Đánh giá độ chắc chắn 11

LỜI MỞ ĐẦU

Bảo vệ bản quyền mới đang là một thách thức đối với các nhà nghiên cứu trong thời đại mà công nghệ không ngừng phát triển Trong bài nghiên cứu này, đã đề xuất một cách tiếp cận mới về bảo vệ bản quyền đối với bản đồ vectơ bằng cách sử dụng tính năng khắc chìm mạnh mẽ trên thuật toán FFT Một điểm đánh dấu bản quyền được chèn vào bản đồ vectơ làm hình mờ Ngoài khả năng xác thực nguồn gốc dữ liệu hình mờ, thuật toán mật mã RSA được sử dụng khi tạo hình mờ Đo lường chất lượng của kết quả dựa trên ba đặc điểm của kỹ thuật khắc chìm kỹ thuật số:

(1) khả năng tàng hình bằng cách sử dụng tính toán RMSE,

(2) độ trung thực với khoảng cách xa nhất và

(3) tính toán NC và mức độ chắc chắn chống lại các cuộc tấn công bằng đá quý

Kết quả thí nghiệm cho thấy phương pháp được sử dụng trong nghiên cứu này đã thành công trong việc chèn bản quyền dưới dạng hình mờ trên bản

đồ vectơ Kiểm tra khả năng tàng hình cho kết quả tốt, được chứng minh bởi RMSE gần bằng không Độ trung thực của bản đồ hình mờ cũng được duy trì Mức độ mạnh mẽ của watermark chống lại các cuộc tấn công hình học trên kết quả bản đồ vector đã được duy trì trong giới hạn mà các cuộc tấn công này không ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị bit của watermark

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

Trong vài thập kỷ qua, quá trình sản xuất dữ liệu không gian địa lý đã phát triển từ bản đồ giấy sang định dạng dữ liệu kỹ thuật số do ảnh hưởng của sự phát triển của công nghệ máy tính đối với các thiết bị thu thập dữ liệu địa lý như

hệ thống định vị địa lý (GPS) và vệ tinh cung cấp dữ liệu tọa độ không gian chính xác Bản đồ Vector với tư cách là dữ liệu nền tảng của hệ thống thông tin địa lý (GIS) đã thay thế vai trò của dữ liệu tương tự hoặc bản in [1] Điều này có thể hiểu được vì dữ liệu vectơ không gian địa lý có lợi thế là dữ liệu có độ chính xác cao, quy trình tự động và tỷ lệ không mất dữ liệu so với dữ liệu ở dạng giấy Sản xuất, lưu trữ và phân phối dễ dàng hơn trong giao dịch bản đồ số mang lại những hậu quả khác, đó là dễ dàng thao tác và thu thập Nó khuyến khích các nhà sản xuất bản đồ có nhu cầu về một cơ chế sản xuất bản đồ có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc đánh dấu bên phải sao chép [2] Tính hợp lệ của quyền

sở hữu bản đồ được phân phối công khai Đánh dấu kỹ thuật số là một trong những giải pháp tốt nhất có thể được sử dụng để giải quyết vấn đề

Kỹ thuật tạo hình mờ kỹ thuật số là một kỹ thuật hoạt động bằng cách chèn một

số thông tin nhất định (gọi là hình mờ) vào một tệp phương tiện kỹ thuật số, khi được sử dụng trên bản đồ kỹ thuật số, thông tin đó có thể chứa dữ liệu được sử dụng để xác minh tính toàn vẹn hoặc quyền sở hữu của bản đồ; với điều kiện là quá trình chèn phải dẫn đến giá trị biến dạng rất nhỏ của bản đồ kết quả [3] Watermarking kỹ thuật số mạnh mẽ là một trong những kỹ thuật watermarking

kỹ thuật số có đặc tính chống lại việc loại bỏ và sửa đổi nội dung dữ liệu khi điểm phương tiện chèn của nó thay đổi, do các cuộc tấn công hoặc xử lý dữ liệu Trong giai đoạn nộp đơn, kỹ thuật này thường được sử dụng để bảo vệ bản quyền Việc áp dụng mạnh mẽ kỹ thuật đánh dấu nước kỹ thuật số trên vector bản đồ hoạt động trên hai loại miền; miền không gian và miền biến đổi [3] Các thuật toán biến đổi chính là DFT (Biến đổi Fourier rời rạc), DWT (Biến đổi Wavelet rời rạc), và DCT (Biến đổi Cosin rời rạc) [4] Những hình mờ kỹ thuật

số này trong miền chuyển đổi được biết là rất mạnh để tấn công Fordigital mediacopyright bảo vệ ứng dụng, kỹ thuật đánh dấu kỹ thuật số mạnh mẽ chủ yếu hoạt động trên miền chuyển đổi; bởi vì miền biến đổi có một số ưu điểm về khả năng tàng hình và độ bền mạnh, so với miền không gian có tính chất mỏng manh và dễ thực hiện [5] Hiện tại, các nhà nghiên cứu chủ yếu tập trung vào thuật toán khắc chìm kỹ thuật số mạnh mẽ trong miền biến đổi cho hình ảnh [6]

- [11] và âm thanh [12] - [16] Đặc điểm của bản đồ vectơ tệp rất khác với hình ảnh hoặc âm thanh như phương tiện nhúng watermark Vì nó cần một kỹ thuật khác để chèn thông tin vào bản đồ vectơ Một số nghiên cứu hiện có đã đề xuất việc sử dụng watermarking kỹ thuật số mạnh mẽ trên miền biến đổi của bản đồ vectơ bằng cách sử dụng các thuật toán biến đổi dữ liệu dựa trên DFT [2], IWT (Integer Wavelet Transform) [17], và DCT [18] - [20] Chỉ có hai nghiên cứu hiện có được thực hiện cụ thể nhằm mục đích bảo vệ bản quyền bản đồ vector [2], [17] Các nghiên cứu khác thảo luận về chủ đề bản đồ số bản quyền với các

kỹ thuật khác nhau là watermarking mù với DCT [21], watermarking zero trong miền không gian [22], watermarking đệ quy trong miền không gian [23], watermarking trong miền toplogy không gian [24] , và đánh dấu nước có thể đảo ngược trong miền không gian [25]

Để nâng cao các kỹ thuật thực hiện bảo vệ bản quyền trên bản đồ vectơ, nghiên cứu này đề xuất sử dụng chuyển đổi miền watermarking kỹ thuật số mạnh mẽ làm bằng chứng về bản quyền trên bản đồ vectơ bằng cách sử dụng thuật toán biến đổi dữ liệu FFT Thuật toánFFT rất phổ biến trong cộng đồng watermarking [26] và chưa bao giờ được sử dụng để bản đồ vectơ dưới dạng phương tiện được nhúng FFT thường được sử dụng do giảm gánh nặng tính toán trong khi vẫn duy trì chất lượng chèn so với một số thuật toán biến đổi dữ liệu khác [27] Ngoài mục đích đánh dấu quyền sở hữu, cách tiếp cận được thực hiện trong nghiên cứu này cũng cung cấp khả năng xác thực nguồn gốc dữ liệu thông qua thuật toán mã hóa khóa công khai RSA Người dùng có thể dễ dàng xác thực nguồn gốc dữ liệu của bản đồ bằng cách sử dụng khóa công khai RSA Hiệu suất techique được đo lường thông qua kiểm tra độ tương tự bằng cách sử dụng tính toán NC Thử nghiệm được sử dụng để xác định sự thành công của kỹ thuật này trong việc chèn bản quyền vào bản đồ vectơ Kết quả của nghiên cứu này được đo lường một cách khách quan, không dựa trên cảm nhận như một số nghiên cứu hiện có [17], [18], [28] Đo lường chất lượng kết quả của nghiên cứu này dựa trên ba đặc điểm của kỹ thuật số watermarking Chúng có khả năng tàng hình bằng cách sử dụng tính toán sai số bình phương trung bình gốc (RMSE), độ trung thực với phép tính khoảng cách xa nhất và tương quan chéo chuẩn hóa (NC), và sức mạnh của hình mờ chống lại các cuộc tấn công bằng đá quý như dịch, xoay và chia tỷ lệ [29]

Kết quả thu được cho thấy rằng cách tiếp cận được sử dụng trong nghiên cứu này đã thành công trong việc chèn bản quyền dưới dạng hình mờ trên bản

đồ vectơ Tàng hình trên các phát hiện kết quả thử nghiệm cho thấy kết quả tốt, được chứng minh bằng các giá trị RMSE được tạo ra từ các giá trị dữ liệu thử nghiệm bản đồ: dưới 1 hoặc gần bằng không Độ trung thực của bản đồ cũng được duy trì, được biểu thị bằng sự dịch chuyển khoảng cách và các giá trị NC trong phạm vi được cho là có thể chấp nhận được theo tiêu chuẩn Mức độ mạnh

mẽ của watermark chống lại các cuộc tấn công hình học trên kết quả bản đồ vectơ đã được duy trì trong giới hạn mà các cuộc tấn công này không ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị bit watermark hoặc vẫn nằm trong giới hạn trích xuất giá trị

đã chỉ định

Trong phần tiếp theo của bài báo này, chúng tôi sẽ giải thích các kỹ thuật được sử dụng trên phương pháp tiếp cận được phát triển trong nghiên cứu này, tiếp theo là sự trình bày chi tiết các kết quả thử nghiệm và phân tích hiệu suất của phương pháp tiếp cận Phần cuối cùng của bài báo này kết thúc với phần kết luận

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Biến đổi Fourier nhanh

Biến đổi Fourier nhanh (FFT) là một thuật toán được sử dụng để biểu diễn một tín hiệu trong một miền thời gian và tần số rời rạc FFT nói chung được sử dụng để tính toán sự biến đổi rời rạc của DFT một cách nhanh chóng và hiệu quả FFT được sử dụng để giảm độ phức tạp của DFT Nói chung, công thức FFT có thể được mô tả như trong phương trình (1) hoặc (3) [30]

H ( K )=∑

n=0

N=1

lim ⁡W nk N (1)

W N=ⅇ −j 2 Π ∕ N

=coscos (2 Π ∕ N )−J sin sin (2 Π ∕ N ) (2)

n=0

(N ∕ 2)−1

h (n )W nk N ∕ 2

+ ∑

n=0

(N ∕ 2)−1

h( n+1) (3)

H (k )là giá trị chuyển đổi miền, h (n) là giá trị khối phương tiện kỹ thuật số, N là

lượng dữ liệu sẽ được thay đổi thành miền tần số Trong khi đối với công thức nghịch đảo của FFT đang sử dụng phương trình (4)

h (n)=1

n=0

N −1

coscos(2 Πkn1ν )+sin sin(2 Πkn N )¿ ¿ (4)

Re là giá trị thực của hình phức, Im là giá trị ảo của hình phức, h (n) và là giá trị chuỗi phức hợp được đánh dấu mờ

2.2 Chuyển đổi Biến đổi

Trong nghiên cứu này, việc chèn watermark làm điểm đánh dấu bản quyền trên bản đồ vectơ được thực hiện trên miền biến đổi đối với tọa độ của các đỉnh Để biến đổi ánh xạ vectơ thành tín hiệu tần số miền, tọa độ ánh xạ vectơ được sửa đổi thành một chuỗi phứca k với công thức (5) [2]

a k=x k+y k (5)

x klà hoành độ của tọa độ bản đồ vectơ và y k là hoành độ của tọa độ ánh xạ vectơ

Trong khi k được sử dụng là chỉ số tọa độ xảy ra trong tệp bản đồ được đề cập.

Kỹ thuật được sử dụng để chèn hình mờ là công thức này (6)

F' = F + αWW (6)

F ' là hệ số tần số hình mờ, F là hệ số tần số ban đầu, α là biên độ sửa đổi

và W là bit hình mờ Theo công thức (6) ở trên, α càng lớn được sử dụng, các

thay đổi lớn hơn sẽ xảy ra trên tệp bản đồ vectơ, nhưng khả năng chống hình mờ

là mạnh mẽ hơn Nghiên cứu này sử dụng α giá trị lớn như 2, với những thay đổi bản đồ vector có thể chấp nhận, và một giá trị điện trở cao[31]

2.3 Giai đoạn hình mờ nhúng

Mô hình nhúng của hình mờ kỹ thuật số của dữ liệu bản đồ vectơ được thể hiện trong Hình 1 Trong quá trình chèn hình mờ, ba đầu vào được sử dụng Chúng là bản đồ vectơ, bản quyền được chèn vào dưới dạng hình mờ và khóa riêng của thuật toán mật mã RSA Giai đoạn đầu tiên của quá trình chèn là tìm kiếm tọa độ trên bản đồ vectơ sẽ được lưu vào một danh sách có thể được chuyển đổi thành tần số miền Sau khi nhận được một tập hợp tọa độ từ điểm đỉnh của mỗi đối tượng địa lý, tọa độ đó sẽ được chuyển thành một chuỗi phức tạp Giai đoạn tiếp theo là đọc hoặc hình mờ byte từ tệp đánh dấu bản quyền và được mã hóa bằng thuật toán khóa riêng RSA của chủ bản quyền Mục đích của

mã hóa này là cung cấp bảo mật cho tính xác thực của nguồn gốc dữ liệu, đây là

sự đảm bảo rằng nguồn dữ liệu là từ một bên hợp pháp Kết quả mã hóa hình mờ sau đó được chuyển đổi thành một tập hợp bit và được lưu vào danh sách Sau khi cả hai đầu vào đã sẵn sàng, giai đoạn tiếp theo là thực hiện lưu trình tự phức tạp và kéo dài hình mờ byte trong một tệp khác Sau đó, trình tự phức tạp sẽ được sử dụng để trích xuất hình mờ với hình mờ không mù Bước tiếp theo là biến đổi tệp bản đồ vectơ FFT thành miền tần số và chèn hình mờ trên các số liệu kết quả thực của miền biến đổi được đề cập Và sau khi đã chèn toàn bộ hình mờ, thì bước tiếp theo là khôi phục bản đồ vectơ miền tần số để trở về tệp hình dạng ban đầu bằng iFFT

2.4 Giai đoạn hình mờ chiết xuất

Điểm trích xuất hình mờ về cơ bản giống với quy trình chèn bằng các bước đảo ngược Trong quá trình trích xuất, chúng tôi sử dụng ba đầu vào là kết quả của quá trình chèn, chẳng hạn như trình tự phức tạp của tệp bản đồ vectơ thực, vectơ được đánh dấu bản đồ, và khóa công khai RSA thuật toán Bạn có thể thấy các giai đoạn của quá trình chiết watermark trên Hình 2

Hình 1 Hình mờ được nhúng Hình 2 Giai đoạn trích xuất hình mờ

Giai đoạn đầu tiên của quá trình trích xuất là tìm kiếm tọa độ từ tệp hình dạng bản đồ vectơ bao gồm hình mờ và lưu nó trong danh sách để chuyển đổi thành tần số miền Giai đoạn tiếp theo là tính toán chuỗi phức hợp và FFT để thu được phức hình từ tệp shapefile Danh sách bao gồm giá trị bit watermark được

mã hóa nhận được từ độ lệch của hình phức tạp so với bản đồ thực và bản đồ hình mờ Sau đó, bởi sử dụng khóa công khai RSA, giải mã hình mờ cho hình

mờ ban đầu dưới dạng bản quyền đánh dấu Quá trình giải mã có thể được thực hiện khi hình mờ được mã hóa sử dụng quyền bộ khóa công khai và riêng tư, vì vậy chúng tôi có thể đảm bảo rằng bản quyền là của một bên hợp pháp

3.1 Kết luận thực nghiệm

Bản đồ vectơ được sử dụng làm dữ liệu đánh giá là hai loại tệp shapefile (.shp) tiêu chuẩn ESRI được xây dựng từ các đối tượng điểm có 4008 đỉnh và các đối tượng đường với 7518 đỉnh Như một đánh dấu bản quyền, chúng tôi đã

sử dụng ba tệp ảnh kiểu bitmap với các phép đo này cho mỗi tệp: 178 byte (29 x

29 pixel), 154 byte (22 x 23 pixel) và 174 byte (28 x 28 pixel) Chiều dài của bit đánh dấu bản quyền được giới hạn ở mức nhỏ hơn hai lần so với số lượng đỉnh trên bản đồ vectơ tập tin

Phân tích kỹ thuật hiệu suất được phát triển trong nghiên cứu này được

đo lường thông qua Tính toán NC Tính toán NC được thực hiện để phân tích sự giống nhau giữa hình mờ trước khi chèn và kết quả hình mờ được trích xuất với giá trị nằm trong khoảng từ 0 thành 1 Giá trị NC càng cao, cả hai hình ảnh càng giống nhau, do đó có thể khẳng định rằng kỹ thuật sử dụng watermarking thành

công cao hơn Kết quả tính toán NC sử dụng phương trình (7) với w là hình mờ ban đầu và w' là kết quả hình mờ được trích xuất có thể được nhìn thấy trong

Bảng 1 [2]

NC =¿w w ' '

√ ❑ (7)

Bảng 1 Kết quả kiểm tra độ tương đồng giữa hình mờ gốc với hình mờ đã trích

xuất

Bảng 1 cho thấy toàn bộ kết quả dữ liệu đánh giá trong NC là 1 với chiều dài và nội dung hình mờ Giá trị tương tự bằng 1 giữa hình mờ ban đầu với kết quả trích xuất hình mờ cho thấy cả hai hình mờ giống hệt nhau Hình mờ có thể được tái được trích xuất từ tệp bản đồ vectơ và nó sẽ không trải qua các thay đổi

về kích thước hoặc nội dung Vì vậy, chúng tôi có thể xác nhận rằng kỹ thuật này đã thành công trong việc chèn bản quyền làm hình mờ mà không thay đổi chất lượng hình mờ

3.2 Đánh giá tổng quan

Phép đo tàng hình sử dụng hai tham số vì phân tích tham chiếu là phép tính RMSE Tính toán độ méo giữa phần đầu của tệp bản đồ và kết quả của hình

mờ nội suy được thực hiện trong phép đo RMSE Công thức RMSE được sử dụng dựa trên Công thức (8) [32]

RMSE=√ ❑ (8)

N biểu thị số vectơ ánh xạ đỉnh, I(i,j) là giá trị của dãy số phức đầu bản đồ tại tọa độ (i,j) ,I’(i,j) là giá trị của chuỗi phức tạp của kết quả bản đồ tại tọa độ (i,j)

Bảng 2 Kết quả kiểm tra khả năng tàng hình giữa bản đồ gốc với bản đồ hình

mờ

Bảng 2 cho thấy các giá trị RMSE thu được cho tất cả các phân tích dữ liệu được sử dụng trong nghiên cứu này tạo ra giá trị dưới 1 và gần bằng không Kết quả của nghiên cứu này cho thấy sự cải thiện so với nghiên cứu tương tự trước đó [4] rất thấp Độ méo thấp cho thấy sự hiện diện của một hình mờ trên phương tiện nội suy rất khó phát hiện bằng giác quan của con người

Hình 3 cho thấy kết quả của lớp phủ bản đồ gốc và bản đồ hình mờ tương ứng bằng cách sử dụng các miếng dotte màu đỏ và màu tím Hộp màu xanh lá cây đánh dấu sự thay đổi tọa độ của đỉnh của hai bản đồ Hình này có thể thấy rằng

sự biến dạng do quá trình nhúng hình mờ gây ra là đủ nhỏ và bản đồ hình mờ sẽ bảo toàn thông tin không gian địa lý trong bản đồ gốc với độ chính xác cao

3.3 Đánh giá độ chính xác

Khía cạnh trung thực của khái niệm vân nước kỹ thuật số được định nghĩa là hình mờ không thể được phát hiện bằng giác quan của con người và không làm suy giảm đáng kể chất lượng của nội suy tệp phương tiện [31] Bên cạnh RMSE, những thay đổi xa nhất đã xảy ra cũng sẽ được đo lường Khoảng cách xa nhất là sự thay đổi vị trí xảy ra do nội suy hình mờ vào các tệp bản đồ vectơ Khoảng cách xa nhất có được bằng cách so sánh toàn bộ đỉnh của tọa độ giữa tệp bản đồ vectơ gốc và tệp bản đồ vectơ có chứa hình mờ Khoảng cách xa nhất sau đó được chuyển đổi thành mét bằng phần mềm Quantum GIS Theo Viện Khảo sát Địa lý Nhật Bản, những thay đổi có thể chịu đựng được là 75 cm trên kích thước thực [31] Dựa trên Bảng 3, sự dịch chuyển có thể nhìn thấy ở vị trí dài nhất xảy ra trong phân tích dữ liệu bằng 0,506 mét x 51 cm, hay nói cách khác, những thay đổi đã xảy ra không quá 75 cm Trong trường hợp này, kết quả tính toán của giá trị khoảng cách xa nhất được áp dụng cho phân tích dữ liệu vẫn