Nội dung chính của lược đồ được đề xuất dựa trên chuyển đổi bản đồ kỹ thuật số thành miền thường xuyên bằng cách sử dụng Decomposition SVD để xác định các khu vực phù hợp để chèn dữ liệu
Trang 1HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
BÁO CÁO ĐỀ TÀI
Đề tài:
Robust Watermarking Scheme for GIS Vector Maps
Hà Nội, 2 – 2022
Trang 2MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH 3
LỜI MỞ ĐẦU 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5
1.1 Khái niệm 5
1.1.1 Digital Map 5
1.1.2 Watermarking Digital 5
1.1.3 Watermark 5
1.2 Sơ Lược 6
CHƯƠNG 2: CHUYỂN ĐỔI SVD 7
2.1 Phương Pháp Phân Tích Suy Biến (Singular Value Decomposition) 7
CHƯƠNG 3: KẾ HOẠCH WATERMARKING 8
3.1 Đề Xuất Kế Hoạch Watermarking 8
3.3.1 Quy Trình Ẩn (Hiding Process) 8
3.3.2 Khai thác Watermark 10
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 11
KẾT LUẬN 14
TÀI LIỆU THAM KHẢO 15
Trang 3DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 3.1: Mô hình ẩn của kế hoạch đề xuất 8 Hình 4.1: Hai mẫu bản đồ vecto (a) Bản đồ Hoa Kì, (b) Bản đồ Canada; 11 (a1) watermarked bản đồ Hoa Kì, (b1) watermarked Bản đồ Canada 11 Hình 4.2: Đánh giá độ chính xác dựa trên sự tương đồng cảm nhận của (a) bản đồ gốc và (b) bản đồ watermarked 12
Trang 4LỜI MỞ ĐẦU
Với sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ thông tin và mạng máy tính, vì vậy chúng ta rất dễ để tái tạo và chia sẻ dữ liệu geospatial do các kiểu kỹ thuật số bây giờ.
Do đó, việc sử dụng dữ liệu geospatial có nhiều vấn đề khác nhau như xác thực dữ liệu, proffering, và sao chép bất hợp pháp, … Những vấn đề này có thể đại diện cho thách thức lớn đối với việc sử dụng dữ liệu geospatial trong tương lai
Báo cáo này của chúng em giới thiệu một kế hoạch mới để đảm bảo rằng bảo vệ bảo quyền của bản đồ vecto kỹ thuật số Nội dung chính của lược đồ được đề xuất dựa trên chuyển đổi bản đồ kỹ thuật số thành miền thường xuyên bằng cách sử dụng Decomposition (SVD) để xác định các khu vực phù hợp để chèn dữ liệu hình mờ Bản đồ số được tách thành các phần biệt lập Dữ liệu hình mờ được nhúng trong các cường độ được chỉ định trong mỗi phần khi đáp ứng các tiêu chí xác định Tính hiệu quả của đề án watermarking được đánh giá trong các biện pháp thống kê dựa trên hai yếu tố là chính xác và tính chắc chắn Kết quả cho thấy sơ đồ watermarking được đề xuất đại diện cho sự cân bằng lý tưởng đối với vấn đề bất đồng giữa số lượng biến dạng và chính xác Ngoài ra, lược đồ đề xuất cho thấy sự kháng cự mạnh mẽ đối với nhiều loại tấn công.
Nội dung của đề tài gồm các phần:
Chương 1: TỔNG QUANG
Chương 2: CHUYỂN ĐỔI SVD
Chương 3: KẾ HOẠCH WATERMARKING
Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Trang 5CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Khái niệm
1.1.1 Digital Map
Digital Map (bản đồ kỹ thuật số) là một loại thông tin có tính chất quan trọng và phức tạp thường được sử dụng trong các ứng dụng nghiên cứu khoa học, thương mại, xã hội, ứng dụng địa lý đồng thời đây cũng là thông tin liên quan đến hoạt động an ninh quốc gia Việc tạo và sửa đổi bản đồ kỹ thuật số quá đắt và tốn thời gian, có một số yêu cầu cần thiết bao gồm các thiết bị chuyên dụng để có được những dữ liệu thực tế như hình ảnh vệ tinh, bề mặt trái đất, … Hệ thống watermarking digital cung cấp giải pháp tối ưu cho [1] bản đồ kỹ thuật số
1.1.2 Watermarking Digital
Watermarking Digital là quá trình chèn nhãn vào đối tượng như video, âm thanh hoặc hình ảnh ít bị méo Các ứng dụng watermarking có thể được phân loại thành hai loại đó là loại hình bảo vệ bản quyền và xác thực nội dung kỹ thuật số [9] Việc đảm bảo về nguyên nhân của một đối tượng kỹ thuật số mỏng đang được áp dụng trong khi giải quyết các vấn
đề về quyền sở hữu Ngoài ra, các phân loại khác có khả năng dựa trên tên miền chèn các thông tin mờ: không gian và tần suất
Thông thường, các digital watermarking cần phải có nhiều yêu cầu khác nhau bao gồm imperceptibility: biến thể giữa đối tượng gốc và đối tượng được tạo hình mờ không được nhìn thấy bằng mắt trần, chính xác chỉ số chất lượng của đối tượng hình mờ phải đủ tốt Độ chắc chắn(robustness): sau khi các thông tin về hình mờ được thử nghiệm bằng cách sử dụng các loại tấn công khác nhau như dịch, mở rộng, xoay, nén, lọc, cắt, mài, làm mờ Dung lượng(capacity): đại diện cho kích thước của hình mờ có thể ẩn mà không có tác động đến chỉ số chất lượng [3]
1.1.3 Watermark
Watermark (Hình mờ) là dấu hiệu nhận biết riêng như hình ảnh, text, logo, số điện thoại, khẩu hiệu dưới dạng hình mờ,… chèn vào hình ảnh nhằm đánh dấu chủ quyền khi thông tin được copy và lan truyền từ nơi này sang nơi khác
Trang 61.2 Sơ Lược
Gần đây, nhiều chương trình watermarking được thiết kế để bảo vệ bản quyền của bảo
đồ kỹ thuật số Năm 2013, Tawfiq et al [4] trình bày một cách tiếp cận thông minh để ẩn hình mờ vào bản kỹ thuật số GIS dựa trên việc lấy một tính năng từ bản đồ vecto kỹ thuật số
và sau đó trộn các đối tượng vật lý đã trích xuất với thông tin mờ Vào năm 2014, Lee et al [5] đã đề xuất kỹ công cộng không thể nhận thức được, an toàn, công khai và mạnh mẽ để đạt được sự bảo vệ bản quyền cho bản đồ số vecto GIS bằng cách sử dụng sự phân bố độ dài cung Các bit hình mờ được chèn vào bằng cách sửa đổi chiều dài cung của một nhóm thích hợp Năm 2015, Penget al [6] trình bày phương pháp zero-watermarking cho bản đồ kỹ thuật số vecto Các thông tin hình mờ được kết hợp với tỷ lệ khoảng cách đỉnh đặc trưng để
có thể chống lại một số cuộc tấn công Vào năm 2016, Wang [7] đã đề nghị một kế hoạch watermarking dễ vỡ có thể đảo ngược để tìm ra sự thay đổi của các đường đa giác/ đa giác trong bản đồ vecto kỹ thuật số Nó dùng ngưỡng cố định để phân chia các khu vực của bản
đồ vecto vào một số cụm và ẩn dấu của mỗi vùng thành cụm tương ứng
Trang 7CHƯƠNG 2: CHUYỂN ĐỔI SVD
2.1 Phương Pháp Phân Tích Suy Biến (Singular Value Decomposition)
Singular Value Decomposition (viết tắt là SVD) là một trong những phương pháp thuộc nhóm matrix factorization được phát triển lần đầu bởi những nhà hình học vi phân Ban đầu mục đích của phương pháp này là tìm ra một phép xoay không gian sao cho tích vô hướng của các vecto không thay đổi Phương pháp SVD đã được phát triển dựa trên những tính chất của ma trận trực giao và ma trận đường chéo để tìm ra một ma trận xấp xỉ với ma trận gốc Phương pháp này sau đó đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như hình học vi phân, hồi qui tuyến tính, xử lý hình ảnh, clustering, các thuật toán nèn và giảm chiều
dữ liệu, và đặc biệt hiệu quả trong các bài toán recommendation
SVD cũng được áp dụng rộng rãi trong các kỹ thuật số trong các năm gần đây do các thuộc tính của nó Trong phép biến đổi SVD, một đối tượng hình chữ nhật có thể được phân tích thành tích của ba ma trận Với một bản đồ kỹ thuật số với m x n ma trận A với rank = R, SVD của A được biểu diễn dưới dạng toán học sau:
A=USVT… Trong đó:
- U(MxN) và V(NxN) đại diện cho các ma trận đơn nhất
- S là ma trận đường chéo có căn bậc hai của các giá trị riêng từ U hoặc inV theo thứ tự giảm dần Để biết thêm chi tiết về SVD có thể tham khảo [8]
Trang 8CHƯƠNG 3: KẾ HOẠCH WATERMARKING
3.1 Đề Xuất Kế Hoạch Watermarking
Mục tiêu chính của lược đồ hình mờ trong công việc này là bảo vệ bản quyền của bản đồ kỹ thuật số Lược đồ đề xuất gồm hai quá trình là ẩn (Hiding Process) và khai thác watermarking
3.3.1 Quy Trình Ẩn (Hiding Process)
Lược đồ được đề xuất dựa trên việc sắp xếp các đỉnh của bản đồ trong SVD để chèn các thông tin hình mờ vào bản đồ số Mô hình ẩn của kế hoạch được đề xuất được trình bày trong hình sau:
Hình 3.1: Mô hình ẩn của kế hoạch đề xuất
Chi tiết từng bước trong mô hình ẩn của kế hoạch đề xuất:
Trang 9Extraction of Vertices (Trích xuất các đỉnh):
Trong bước này, bản đồ vecto sẽ được quét để trích xuất tất cả các đỉnh và các tọa độ của chúng trong mảng một chiều Chiều dài của mảng bằng hai đỉnh số trên bản đồ số Mỗi đỉnh trong bản đồ được biểu diễn bằng cách sử hai vị trí trong mảng, một vị trí để lưu tọa độ
x và một khác để lưu theo dãy y
Arranging of Vertices (Sắp xếp các đỉnh):
Sau đó, tất cả các đỉnh được trích xuất sẽ được tổ chức trong mảng một chiều như được trình bày dưới đây:
Trong đó:
- n đại diện cho số đỉnh trong bản đồ kỹ thuật số
- x, y đại diện cho tọa độ trục x và trục y tương ứng cho mỗi đỉnh
Construct Host Data (Xây dựng dữ liệu máy chủ):
Ở bước này, quá phân vùng được áp dụng trên mảng được tạo ra trong bước đó để tạo
ra tập hợp ma trận có kích thước 8x8 Các ma trận này đóng vai trò của dữ liệu máy chủ lưu trữ để ẩn thông tin hình mờ Trong một số trường hợp, số lượng tọa độ có thể không phải là bội số của 64, do đó người ta đề xuất mở rộng tọa độ trong phạm vi tối thiểu Phần mở rộng này được thực hiện bằng cách thêm giá trị của 0 vào ma trận cuối cùng
Apply the SVD (Áp dụng SVD):
Biến đổi SVD có thể được coi là cơ chế hiệu quả để phần tích các đối tượng và ma trận 2D Một trong những lý do quan trọng để sử dụng SVD thông qua lược đồ được đề xuất
là việc thêm thông tin hình mờ gây biến dạng nhỏ và không ảnh hưởng đến chất lượng của bản đồ số Trong bước này, SVD biến đổi được áp dụng riêng cho mỗi ma trận được phân vùng (dữ liệu máy chủ) được tạo ra trong bước trên SVD được tính cho mỗi ma trận có kích thước 8x8 để tạo ra ma trận đường chéo S và hai ma trận đơn nhất U và V
Hiding Watermarking (Che giấu):
Sau khi áp dụng biến đổi SVD trên mỗi ma trận 8x8, một số ma trận được chọn tùy thuộc vào hệ số phức tạp để ẩn thông tin hình mờ Hình mờ được thêm vào như sau:
- Tính tần suất của giá trị khác 0 trong ma trận đường chéo S cho từng phần Điều này được tính để quyết định mức độ phức tạp cho mỗi phần
Trang 10- Chọn ma trận có mức độ phức tạp lớn hơn dựa trên ngưỡng xác định Ngưỡng này được định nghĩa bằng cách sử dụng thử nghiệm
- Đối với mỗi ma trận được chọn, thông tin mờ được chèn vào hệ số của ma trận đơn nhất U tùy thuộc vào khóa bí mật: Uiw = Ui +KW …
Trong đó: + Uiw là ma trận đơn nhất được tạo hình mờ U với i-index
+ K là khóa bí mật
+ W là biễu diễn thông tin hình mờ
+ Ma trận U được sử dụng để lưu trữ thông tin hình mờ nhằm cung cấp bản đồ hình mờ mạnh
Inverse SVD (SVD nghịch đảo):
Trong bước này, nghịch đảo của SVD được áp dụng cho mỗi ma trận để tái tạo ma trận hình mờ sau khi thông tin hình mờ được chèn vào mỗi ma trận được chọn
Rearranging of Vertices (Sắp xếp các đỉnh):
Ghi lại các ma trận đã được watermarked để tạo lại mảng đỉnh có một chiều để xây dựng bản đồ watermark
Create of Watermarked Map (Tạo bản đồ hình mờ):
Trong bước cuối cùng này, bản đồ hình mờ sẽ được tạo bằng cách trả tất cả các đỉnh
về tọa độ của chúng trong bản đồ kỹ thuật số Bản đồ hình mờ này giữ thông tin bản quyền cho chủ sở hữu bản đồ và có thể được phân phối thông qua mạng công cộng một cách an toàn
3.3.2 Khai thác Watermark
Trình tự các bước của quá trình khai thác hình mờ tương tự như các bước của quy trình ẩn hình mờ với một số điểm khác biệt Các bước khai thác hình mờ được thực hiện theo các cách sau: đầu tiên, trích xuất các đỉnh có hình mờ Thứ hai, sắp xếp các đỉnh có hình mờ Thứ ba, xây dựng ma trận với kích thức 8x8 cho các đỉnh được đánh dấu hình mờ Thứ tư, áp dụng SVD Cuối cùng, trích xuất thông tin watermark từ các hệ thống của ma trận đơn nhất U được chọn thông qua quá trình ẩn watermark
Trang 11CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Các xét nghiệm trên 10 bản đồ vecto có nhiều cấu trúc khác nhau được thực hiện để đánh giá hiệu suất của lược đồ watermarking Hình dưới đây cho thấy ví dụ về bản đồ vecto với các phiên bản watermarked tương ứng được sử dụng tron thử nghiệm
Hình 4.1: Hai mẫu bản đồ vecto (a) Bản đồ Hoa Kì, (b) Bản đồ Canada;
(a1) watermarked bản đồ Hoa Kì, (b1) watermarked Bản đồ Canada
Sau khi ẩn thông tin hình mờ vào bản đồ vecto, hai yếu tố là độ chính xác và độ chắc chắn được xem xét khi đánh giá hiệu suất của sơ đồ hình mờ đề xuất
4.1 Độ chính xác của bản đồ vecto
Thuật ngữ Fidelity (độ chính xác) có nghĩa là sự giống nhau vè mặt nhận thức giữa bản đồ vecto gốc và bản đồ vecto được đánh dấu chìm Để đánh giá tính chính xác, hình dưới đây cho thấy cùng một vùng được lấy từ bản đồ gốc và phiên bản watermarked của nó
Trang 12Theo quan sát, không có sự suy giảm do hình mờ được chèn vào bản đồ Do đó độ chính xác rất cao và bản đồ không bị ảnh hưởng
Hình 4.2: Đánh giá độ chính xác dựa trên sự tương đồng cảm nhận của (a) bản đồ gốc và (b)
bản đồ watermarked 4.2 Độ chắc chắn của Watermark
Điểm mạnh của watermark là khả năng chống lại các cuộc tấn công thông thường Yếu tố này dựa trên việc đánh giá tỷ lệ tương đồng giữa hình mờ gốc và hình mờ được trích xuất sau khi chuyển đổi bản đồ hình mờ thông qua một số cuộc tấn công Trong công việc này, tỷ lệ lỗi bit (BER) đã được sử dụng để đo lường mức độ chắc chắn của lực đồ watermarking được đề xuất Công thức toán học cho BER được định nghĩa như sau [9]:
Trong đó: - EB đại diện cho số bit không chính xác trong hình mờ được đê xuất
- TB đại diện cho số bit hình mờ ban đầu Trong thử nghiệm này, bốn loại tấn công đã được áp dụng trên bản đồ vecto hình mờ Các loại này là cuộc tấn công hình học, tấn công đỉnh, tấn công đối tượng và tấn công cộng nhiễu Để đánh giá khả năng phục hồi của sơ đồ watermark được đề xuất đối với các cuộ tấn công hình học, việc dịch, mở rộng, và các cuộc tấn công luân phiên đã được áp dụng trên bản đồ watermarked Trong các cuộc tấn công đỉnh, quy trình đơn giản hóa được áp dụng để loại bỏ một số đỉnh khỏi bản đồ hình mờ Ngoài ra, quy trình nội suy được áp dụng thông qua thêm các đỉnh mới vào bản đồ watermarked Với các cuộc tấn công đối tượng, quá trình sắp xếp lại thứ tự được áp dụng để thay đổi thứ tự sắp xếp lại của các đỉnh của các đối tượng Các cuộc tấn công bổ sung nhiễu nhằm mục đích đẩy hình mờ được chèn bằng cách thêm ngẫu nhiên và các đỉnh trong bản đồ hình mờ Kết quả đánh giá độ bền được tóm tắt
Trang 13Bảng 4.1: Kết quả đánn giá độ chắc chắn
Geometrical Attack [10] Translation 0.0
Vertex Attack [11] Simplification 20% 3.26
Simplification 30% 6.43
Noise Addition Attack [12] Noise distortion 4.52
Như đã thấy trong bảng, kết quả thử nghiệm chứng minh rằng sơ đồ đề xuất đạt được
sự hoàn hảo cho thông tin hình mờ ban đầu sau khi áp dụng các cuộc tấn công hình học Khi xóa 20% và 30% số đỉnh, lượng lỗi lần lượt là 0.26 và 0.43 Tuy nhiên, khi thêm một số đỉnh vào bản đồ hình mờ, lỗi giảm xuống 0.16 Đối tượng sắp xếp lại đỉnh có lỗi là 0.53 Trong trường hợp xấu nhất, số lỗi là 2.5 đối với cuộc tấn công bổ sung nhiễu
Các kết quả thu được đã xác minh rẳng chương trình được đề xuất có hiệu suất chống lại các cuộc tấn công hình học và các cuộc tấn công khác
Trang 14KẾT LUẬN
Trong bài này đã trình bày sơ đồ watermarking mạnh mẽ để chứng minh sự sở hữu của bản đồ vecto dự trên biến đổi SVD Một trong những điểm mạnh trong lược đồ được đề xuất không yêu cầu bản đồ gốc khi trích xuất hình mờ Đề án được đề xuất đạt được mức độ đáng tin cao và chắc chắn chống lại nhiều loại tấn công như dịch, mở rộng quy mô, xoay vòng, đơn giản hóa, sắp xếp lại thức tự và các cuộc tấn công bổ sung nhiễu Hơn nữa, một
số cuộc tấn công khác không được tính đến như cuộc tấn công thông đồng Ngoài ra, việc phát triển lực đồ GIS watermarking kết hợp bản đồ vecto với hình ảnh trên không Những vấn đề này là mục tiêu để nghiên cứu trong các công trình trong tương lai
Mặc dù đã cố gắng hết sức, song chắc chắn không chánh khởi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự thông cảm và chỉ bảo tận tình của quý thầy cô, các anh chị và các bạn