NGHIÊN CỨU CÁC THUẬT TOÁN ỨNG DỤNG TRONG BẢO VỆ BẢN QUYỀN BẢN ĐỒ SỐ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------

HÀN NGỌC ĐỨC

NGHIÊN CỨU CÁC THUẬT TOÁN ỨNG
DỤNG TRONG BẢO VỆ BẢN QUYỀN BẢN ĐỒ
SỐ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HÀN NGỌC ĐỨC

NGHIÊN CỨU CÁC THUẬT TOÁN ỨNG DỤNG
TRONG BẢO VỆ BẢN QUYỀN BẢN ĐỒ SỐ
Chuyên ngành:
Đảm bảo Toán học cho Máy tính và các Hệ thống Tính toán

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. Đặng Văn Đức

Hà Nội - 2010

Hàn Ngọc Đức

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ khoa học “Nghiên cứu các thuật toán ứng dụng
trong bảo vệ bản quyền bản đồ số” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Mọi số
liệu, bảng biểu, kết quả, trích dẫn trong luận văn là trung thực với các kết quả thực
nghiệm và danh mục tài liệu tham khảo.
Tác giả luận văn,

Hàn Ngọc Đức

i


Hàn Ngọc Đức

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i
MỤC LỤC ............................................................................................................................ ii
CÁC THUẬT NGỮ, TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ iv
DANH MỤC BẢNG............................................................................................................. v
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................................ vi
CÁC THUẬT TOÁN .........................................................................................................vii
LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................................... 1
Chương 1.
GIAN
1.1.

Thủy vân.................................................................................................................. 3

1.1.1.
1.1.2.
1.1.3.
1.1.4.
1.1.5.
1.2.

Một số khái niệm .............................................................................................. 3
Lịch sử của Thủy vân ....................................................................................... 4
Các ứng dụng của thủy vân số ......................................................................... 6
Phân loại các kỹ thuật thủy vân ....................................................................... 8
Các yêu cầu của một lược đồ thủy vân .......................................................... 10

Cấu trúc dữ liệu không gian .................................................................................. 11

1.2.1.
1.2.2.
1.2.3.
1.2.4.
1.3.

TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN VÀ CẤU TRÚC DỮ LIỆU KHÔNG
3

Một số khái niệm ............................................................................................ 11
Mô hình dữ liệu Raster .................................................................................. 13
Mô hình dữ liệu vector ................................................................................... 14
So sánh mô hình raster và vector................................................................... 16

Tình hình nghiên cứu hiện nay về thủy vân bản đồ vector ................................... 17

1.3.1.
1.3.2.
1.3.3.
Chương 2.

Bảo vệ bản quyền bản đồ số .......................................................................... 17
Các hướng tiếp cận thủy vân bản đồ vector số .............................................. 17
Các thuật toán thủy vân khác ........................................................................ 23
MỘT SỐ LƯỢC ĐỒ THỦY VÂN ............................................................. 24

2.1.

Lược đồ thủy vân tổng quát .................................................................................. 24

2.2.

Một số thuật toán thủy vân cơ sở .......................................................................... 26

2.2.1.
2.2.2.
2.3.

Thuật toán thủy vân trong miền quan sát ...................................................... 26
Thuật toán thủy vân trong miền tần số .......................................................... 30

Một số lược đồ thủy vân bản đồ vector số ............................................................ 33

2.3.1.
2.3.2.
2.3.3.
2.3.4.

Các đặc trưng khác biệt của thủy vân bản đồ vector .................................... 33
Thủy vân bản đồ vector dạng miền ................................................................ 37
Thuật toán thủy vân mạng đường phố ........................................................... 46
Thuật toán thủy vân đề xuất ........................................................................... 53

ii


Hàn Ngọc Đức
Chương 3.

PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM ............................................ 60

3.1.

Giới thiệu ứng dụng .............................................................................................. 60

3.2.

Lựa chọn cấu trúc dữ liệu file bản đồ vector......................................................... 61

3.2.1.
3.2.2.

Các thành phần một shapefile ....................................................................... 62

Cấu trúc file main (.shp) ................................................................................ 62

3.3.

Môi trường phát triển ............................................................................................ 63

3.4.

Kiến trúc ứng dụng................................................................................................ 63

3.4.1.
3.4.2.
3.4.3.
3.4.4.

Chuyển đổi cấu trúc dữ liệu ........................................................................... 63
Tiền xử lý và phân đoạn bản đồ ..................................................................... 65
Nhúng thủy vân .............................................................................................. 65
Trích thủy vân ................................................................................................ 66

3.5.

Giao diện ứng dụng ............................................................................................... 67

3.6.

Kết quả thực nghiệm ............................................................................................. 68

3.6.1.
3.6.2.

3.6.3.

Dữ liệu thực nghiệm....................................................................................... 68
Lựa chọn các tham số thủy vân ..................................................................... 68
Kết quả thực nghiệm ...................................................................................... 69

KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 73
PHỤ LỤC............................................................................................................................ 75
A1. Phép biến đổi Fourier rời rạc ..................................................................................... 75
A1.1. Biến đổi Fourier rời rạc một chiều ..................................................................... 75
A1.2. Biến đổi Fourier rời rạc hai chiều ...................................................................... 75
A2. Phép biến đổi Cosin rời rạc ....................................................................................... 75
A3. Cấu trúc file Shapefile ............................................................................................... 76
A3.1. Main file header .................................................................................................. 76
A3.2. Các header bản ghi ............................................................................................. 78
A3.3. Nội dung bản ghi ................................................................................................. 78

iii


Hàn Ngọc Đức

CÁC THUẬT NGỮ, TỪ VIẾT TẮT
STT
1.
2.
3.
4.
5.

6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.

Ý nghĩa
Ảnh số tạo bởi các điểm ảnh.

Bản quyền, quyền tác giả.
Mật mã học.
Discrete cosine transform - Phép biến đổi Cosin rời rạc.
Giải mã.
Discrete Fourier transform - Phép biến đổi Fourier rời
rạc.
Dijkstra distance Khoảng cách Dijkstra trên đồ thị.
Douglas Peucker Phép giản lược cấu trúc dữ liệu vector dựa trên một
simplification
ngưỡng xác định do
DWT
Discrete wavelet transform - Phép biến đổi Wavelet rời
rạc.
Embeding
Nhúng.
Encode
Mã hóa.
ESRI
Environmental Systems Research Institute.
Extracting
Trích thông tin.
GIS
Geographic Information System - Hệ thống thông tin địa
lý.
GML
Geography Markup Language.
Key
Khóa mã hóa hoặc giải mã.
LSB
Least significant bit - các bit có trọng số nhỏ nhất.

Morse
Một loại mã do Samuel Morse phát minh năm 1835.
MSE
Mean Square Error - sai số bình phương trung bình.
OEM
Original Equipment Manufacturer - Mã nhà sản xuất
thiết bị gốc.
Pixel
Điểm ảnh.
PRN
Pseudo Random Number - Số giả ngẫu nhiên.
PRNG
Pseudo Random Number Generator - Bộ sinh số giả ngẫu
nhiên.
PRNS
Pseudo Random Number Sequence - Chuỗi số giả ngẫu
nhiên.
PSNR
Peak signal-to-noise ratio, tỷ số tín hiệu trên nhiễu đỉnh.
Raster map
Cấu trúc dữ liệu bản đồ dạng raster.
RMSE
Root mean squared error - căn bậc hai của MSE.
Shapefile
Cấu trúc dữ liệu mở của ESRI để lưu trữ bản đồ số dạng
vector.
Steganography
Giấu thông tin mật.
Vector map
Cấu trúc dữ liệu bản đồ dạng vector.

Watermark
Dấu thủy vân, thủy ấn.
Watermarking
Thủy vân, đánh dấu ẩn.
Từ, thuật ngữ
Bitmap
Copyright
Cryptography
DCT
Decode
DFT

iv


Hàn Ngọc Đức

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1-1. Phân biệt Giấu tin mật và Thủy vân số ......................................................4
Bảng 1-2. So sánh mô hình raster và vector .............................................................16
Bảng 3-1. Các bản đồ thực nghiệm khả năng nhúng ................................................70
Bảng A-1. Mô tả của Main file header ......................................................................76
Bảng A-2. Các giá trị của shape type. .......................................................................77
Bảng A-3. Mô tả header bản ghi. ..............................................................................78
Bảng A-4. Nội dung bản ghi biểu diễn điểm. ...........................................................78
Bảng A-5. Nội dung bản ghi biểu diễn đa điểm........................................................79
Bảng A-6. Nội dung bản ghi chi tiết đa đoạn............................................................80
Bảng A-7. Nội dung bản ghi đa giác. ........................................................................82

v

Hàn Ngọc Đức

DANH MỤC HÌNH
Hình 1-1. Phân loại các kỹ thuật giấu thông tin của Pfitzmann[18] ...........................9
Hình 1-2. Tam giác 3 yêu cầu của lược đồ thủy vân tốt ...........................................11
Hình 1-3. Các tầng bản đồ.........................................................................................15
Hình 1-4. Minh họa đơn giản của lược đồ Bill Huber ..............................................19
Hình 2-1. Bộ nhúng thủy vân tổng quát ....................................................................25
Hình 2-2. Bộ tách thủy vân với các đầu vào có thể ..................................................25
Hình 2-3. Mô hình của lược đồ giấu tin CPT [22] ....................................................29
Hình 2-4. Lược đồ xử lý thuật toán CPT cải tiến ......................................................30
Hình 2-5. Phép phân tích ảnh wavelet 3 mức ...........................................................32
Hình 2-6. Các đa giác biểu diễn tòa nhà trên bản đồ ................................................38
Hình 2-7. Nhúng bit bằng phép co giãn đa giác........................................................40
Hình 2-8. Mã hóa bit 1 hoặc 0 vào 𝑥𝑚𝑎𝑥 bằng lượng tử hóa ..................................43
Hình 2-9. Quá trình lược giản bản đồ bằng thuật toán Douglas-Peucker[30] ..........48
Hình 2-10. Bản đồ với các điểm đặc trưng (bậc >2) .................................................49
Hình 2-11. Minh họa quá trình nhúng trên một nhóm của bản đồ đã phân đoạn .....52
Hình 3-1. Tổ chức của một main file ........................................................................62
Hình 3-2. Các lớp điểm, shapefile và đa đoạn ..........................................................64
Hình 3-3. Biểu đồ hoạt động quá trình tiền xử lý và phân đoạn ...............................65
Hình 3-4. Cấu trúc thông tin file lưu khóa 𝒦 ...........................................................66
Hình 3-5. Giao diện chính chương trình ...................................................................67
Hình 3-6. Hiển thị bản đồ sau khi nhúng thủy vân. ..................................................67
Hình 3-7. Hiển thị kết quả trích thủy vân. ................................................................68
Hình 3-8. Khả năng nhúng bit trên bản đồ đường thành phố Hà Nội .......................69
Hình 3-9. So sánh khả năng nhúng của một số bản đồ thực tế .................................70
Hình A-1. Ví dụ một đa giác gồm hai vành. .............................................................81

Hình A-2. Lưu trữ đa giác trong shapefile. ...............................................................82

vi


Hàn Ngọc Đức

CÁC THUẬT TOÁN
Thuật toán 2-1. Thủy vân ảnh nhị phân ....................................................................27
Thuật toán 2-2. Thủy vân bản đồ miền bằng co giãn đa giác ...................................43
Thuật toán 2-3. Trích thủy vân đã nhúng ..................................................................44
Thuật toán 2-4. Thuật toán Douglas-Peucker ...........................................................47
Thuật toán 2-5. Map_Segmentation Algorithm ........................................................49
Thuật toán 2-6. Thuật toán nhúng thủy vân đề xuất .................................................56

vii


Hàn Ngọc Đức

LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển nhanh chóng của truyền thông máy tính và internet ngày nay làm cho
các dữ liệu trao đổi qua mạng rất thuận tiện và nhanh chóng. Điều đó đồng thời
cũng tạo thuận lợi cho các hành vi sao chép trái phép, vi phạm bản quyền, xuyên tạc
thông tin, giả mạo thông tin các sản phẩm dữ liệu số. Việc bảo vệ bản quyền các tác
phẩm số là một yêu cầu cấp thiết trong các ứng dụng của công nghệ thông tin vào
đời sống.
Đã có nhiều phương pháp cả phần cứng và phần mềm được nghiên cứu và ứng
dụng để bảo vệ bản quyền các sản phẩm số. Các phương pháp sử dụng phần cứng
hiệu quả nhưng thường có chi phí cao trong sản xuất và phân phối, do vậy người ta

thường thay thế hoặc kết hợp với các thuật toán cài đặt phần mềm để có thể bảo vệ
chống lại các hành vi vi phạm bản quyền các dữ liệu này. Thủy vân số được nghiên
cứu trong hơn mười năm trở lại đây đã dần chứng tỏ là một giải pháp khả thi với chi
phí thấp và tính đảm bảo cao cho vấn đề bảo vệ bản quyền số.
Các nhà nghiên cứu đã có một số kết quả mạnh trong thủy vân các loại dữ liệu
đa phương tiện quen thuộc như ảnh tĩnh, nhạc số, video,… Tuy nhiên đối với loại
dữ liệu ảnh vector thì vẫn chưa có nhiều các nghiên cứu so với các loại dữ liệu số
khác, đặc biệt ở nước ta. Mặt khác trên thực tế các bản đồ vector đóng vai trò rất
quan trọng trong các Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS). Việc tạo ra các bản đồ vector
số có độ chính xác cao đòi hỏi rất nhiều thời gian và chi phí lớn trong đo đạc, trắc
địa. Vì thế các bản đồ này không thể được phân phối và sử dụng miễn phí. Ngoài ra
có các ứng dụng đòi hỏi tính toàn vẹn cao, chống xuyên tạc, giả mạo như các bản đồ
dùng trong quân sự. Do vậy thủy vân số các bản đồ vector để bảo vệ bản quyền,
chống xuyên tạc giả mạo các bản đồ này là một hướng nghiên cứu mới mẻ và có
tính hữu dụng cao trong các ứng dụng của GIS.
Luận văn này tập trung nghiên cứu các kỹ thuật thủy vân đã và đang được sử
dụng để thủy vân bản đồ vector số, nghiên cứu và đánh giá một số thuật toán cụ thể
và một đề xuất cải tiến. Bố cục của luận văn gồm các Chương sau:
1


Hàn Ngọc Đức

 Chương 1: Tổng quan về thủy vân và cấu trúc dữ liệu không gian.
Trình bày về một số khái niệm, lịch sử và phân loại các kỹ thuật thủy vân
trong lĩnh vực giấu tin; một số khái niệm về cấu trúc dữ liệu bản đồ địa lý.
Chương này cũng trình bày tổng quan về các kết quả nghiên cứu gần đây
trên thế giới về thủy vân bản đồ vector số.
 Chương 2. Một số lược đồ thủy vân. Mô tả phát biểu hình thức của một
lược đồ thủy vân tổng quát; trình bày một số lược đồ thủy vân cơ sở và một

số lược đồ thủy vân bản đồ vector trên các dữ liệu đặc thù: Dữ liệu vùng
khối và dữ liệu dạng mạng. Một đề xuất cải tiến tính bền vững của lược đồ
thủy vân được trình bày cùng các nhận xét.
 Chương 3. Phát triển ứng dụng thực nghiệm. Cài đặt lược đồ thủy vân
đề xuất cùng các kết quả thực nghiệm và các nhận xét nhằm đưa sản phẩm
vào ứng dụng thực tế.
Luận văn được thực hiện nhờ có sự chỉ dẫn tận tình, chu đáo của PGS. TS.
Đặng Văn Đức, cùng với việc tạo điều kiện thuận lợi của Viện Đào tạo Sau đại học,
Viện Công nghệ Thông tin. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành và tốt đẹp nhất.
Đồng thời tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới gia đình, đồng nghiệp và những
người thân thiết đã động viên giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Do thời gian thực hiện và kiến thức của tác giả còn hạn chế nên luận văn này
không thể tránh khỏi các thiếu sót về nội dung cũng như hình thức trình bày. Tác
giả mong muốn nhận được sự cảm thông, góp ý, nhận xét của các quý thày cô và
người đọc để tác giả có thể hoàn thiện và tiếp tục theo các hướng nghiên cứu sau
này.
Hà Nội, tháng 10 năm 2010.
Người thực hiện: Hàn Ngọc Đức.

2


Hàn Ngọc Đức

Chương 1.
TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN VÀ CẤU TRÚC
DỮ LIỆU KHÔNG GIAN
1.1. Thủy vân
1.1.1. Một số khái niệm
Lý thuyết giấu tin thường được nghiên cứu theo hai khuynh hướng chính là

watermarking và steganography. Watermark được biết đến với tên gọi tiếng Việt là
thủy vân (còn gọi là thủy ký, thủy ấn). Thủy vân số (digital watermarking) là quá
trình nhúng thông tin vào một tín hiệu số theo cách sao cho khó có thể gỡ bỏ chúng
khỏi vật mang. Thông tin chèn vào có thể dưới dạng ảnh, dạng văn bản, hoặc tổng
quát là một chuỗi bit có ý nghĩa nào đó. Giấu tin mật (steganography) là nghệ thuật
và khoa học ẩn giấu thông tin theo cách mà không ai ngoài người gửi và người nhận
có thể phát hiện sự tồn tại của thông điệp giấu.
Hệ thống thủy vân, hay còn thường được gọi trong nghiên cứu lý thuyết giấu
tin là lược đồ thủy vân, là hệ thống cho phép nhúng thông tin mật và trích thông tin
mật đó theo một phương pháp có cơ sở đáng tin cậy. Về nguyên lý cơ bản thì một
hệ thống thủy vân hiện nay có thể xem như một hệ mã đối xứng do nó sử dụng cùng
khóa để nhúng và trích thủy vân. Nhúng (hay mã hóa) thủy vân là quá trình đưa dấu
thủy vân vào đối tượng mang tin (còn gọi là vật mang, dữ liệu phủ), còn trích (hay
giải mã, phát hiện) thủy vân là quá trình lấy ra hoặc chứng minh sự tồn tại của dấu
thủy vân trong dữ liệu đang xét. Đối tượng mang tin trong nghiên cứu thủy vân số
thường là các dạng dữ liệu đa phương tiện như ảnh tĩnh, âm thanh, video, văn
bản,… và với mỗi dạng dữ liệu với các đặc trưng cụ thể thì thường có các lược đồ
thủy vân hiệu quả cho riêng dạng dữ liệu đó.
Các tham số bí mật (nếu có) được sử dụng trong quá trình nhúng và trích
thông tin được gọi là các khóa bí mật. Chúng được chia sẻ giữa người gửi và người
nhận thông tin (trong giấu tin mật), hoặc được giữ kín bởi người chủ sở hữu để có
thể chứng minh quyền tác giả đối với dữ liệu số (trong thủy vân số).

3


Hàn Ngọc Đức

Hai khái niệm giấu tin mật và thủy vân số đôi khi được coi là đồng nghĩa và
nhiều kỹ thuật có thể được sử dụng trong cả hai nhánh nghiên cứu này của lý thuyết

giấu tin. Tuy nhiên, về tính chất thì các nhà nghiên cứu phân biệt giấu tin mật với
thủy vân số theo Bảng 1-1.
Bảng 1-1. Phân biệt Giấu tin mật và Thủy vân số
Nội dung
Mục đích

Giấu tin
Thủy vân số
"Ký gửi" thông tin trên vật "Nhúng" thông tin vào, coi là
mang để truyền từ nơi này một phần của vật mang.
đến nơi khác.
Thông tin cần Dữ liệu được đem giấu
Chính vật mang (đối tượng
bảo vệ
dùng để giấu tin)
Lượng thông tin Lượng thông tin nhúng lớn, Lượng thông tin nhúng nhỏ đủ
nhúng
đôi khi là cả một file nhạc, để chứng minh sự có mặt của
file ảnh.
nó. VD: Logo công ty
Tính cần tách
Cần tách thông tin ra sau này Nó là một phần của vật mang,
để sử dụng. Thường là không thường để chứng thực bản
biết trước.
quyền nhờ sự có mặt của nó.
Tính chất quan Dung lượng có thể giấu càng Tính bền vững của thủy vân.
trọng nhất
lớn càng tốt.
Tính vô hình
Vô hình với cảm nhận của Có thể vô hình hoặc hữu hình

con người không có khóa
tùy ứng dụng.
Việc truyền thông tin mật đã được nghiên cứu nhiều và là nội dung chính của
lĩnh vực Mật mã học (Cryptography), bản thân đã chứa đựng các phương pháp giấu
và truyền tin mật rất mạnh. Do vậy trong thực tế những ứng dụng của thủy vân số
thường đa dạng hơn các ứng dụng của giấu tin mật.
Tuy các kỹ thuật thủy vân số mới chỉ được nghiên cứu và nở rộ khoảng hơn
chục năm gần đây nhưng chúng đã có rất nhiều ứng dụng hữu ích trong kỹ thuật số
và công nghệ thông tin ứng dụng trong đời sống. Luận văn này tập trung nghiên cứu
các thuật toán thủy vân số, đặc biệt trên dữ liệu phủ là bản đồ vector số với ứng
dụng bảo vệ bản quyền các sản phẩm này.
1.1.2. Lịch sử của Thủy vân
Mặc dù người Trung Quốc phát minh ra giấy từ hơn một nghìn năm trước đây,
nhưng các thủy vân trên giấy chỉ xuất hiện tại Italy vào khoảng năm 1282[4]. Các

4


Hàn Ngọc Đức

dấu vết được tạo ra bằng cách thêm bớt độ dày của giấy để tạo ra hình ảnh "chìm".
Khi đó các chỗ mỏng hơn của tờ giấy sẽ có độ cản sáng ít hơn, và kết hợp với nhau
tạo thành các hình thủy vân. Mục đích của việc thủy vân đó là để đánh dấu nơi sản
xuất giấy, hoặc đánh dấu thương hiệu của hãng giấy. Mặt khác, chúng có thể làm
các chữ ký bí mật, hoặc đơn giản để trang trí.
Đến thế kỷ thứ 18, thủy vân trên giấy được dùng ở Châu Âu và Châu Mỹ
nhiều hơn. Chúng được dùng để đánh dấu thương hiệu, để ghi ngày sản xuất giấy,
để ghi nhận cỡ gốc của tờ giấy, và thời gian này nó cũng được dùng để làm dấu hiệu
chống lại sự giả mạo giấy bạc và các tài liệu quan trọng.
Thuật ngữ thủy vân (watermark) được đưa ra vào cuối thế kỷ 18 và được

chuyển hóa từ thuật ngữ tiếng Đức wassermarke (mặc dù bản thân từ này cũng là từ
tiếng Đức bắt nguồn từ tiếng Anh!). Thuật ngữ này thực ra là một từ không đúng
nghĩa đen vì nước (water) không quan trọng trong việc tạo ra các dấu ẩn. Có thể
thuật ngữ đó được dùng vì có hiệu ứng trên giấy giống như là tạo ra bởi các vân
nước do sóng gây ra.
Đến tận thế kỷ 20 mới bắt đầu xuất hiện các kỹ thuật tương tự như đối với
thao tác trên các dữ liệu số như ngày nay. Vào năm 1954, Emil Hembrooke of
Muzak Corporation sắp đặt một mẫu để "thủy vân" các sản phẩm âm nhạc. Một mã
nhận dạng được chèn vào trong khúc nhạc bằng cách gắn vào từng nhịp một khía
lọc hẹp đặt tại 1kHz. Sự thiếu hụt mức năng lượng tại tần số này chỉ ra rằng khía lọc
đã được áp dụng và thời gian thiếu dùng để mã hoặc một dấu chấm hoặc một dấu
gạch. Tín hiệu nhận dạng được dùng theo mã Morse. Phát minh này được ghi nhận
bằng sáng chế vào năm 1961 tại Mỹ. Hệ thống này được hãng Muzak dùng cho tới
khoảng năm 1984.
Việc xác định khi nào thủy vân số được nghiên cứu lần đầu tiên là rất khó.
Vào năm 1979, Szepanski mô tả một máy phát hiện được mẫu có thể được đặt vào
các văn bản để nhằm chống giả mạo. Chín năm sau, Holt mô tả một phương pháp
nhúng một mã nhận dạng vào tín hiệu số. Tuy nhiên Komatsu và Tominaga vào
năm 1988 là người sử dụng thuật ngữ thủy vân số lần đầu tiên. Cho đến những năm
5


Hàn Ngọc Đức

1990 thì thuật ngữ thủy vân số mới được sử dụng rộng rãi. SPIE bắt đầu tổ chức hội
thảo chuyên ngành về Bảo mật và Thủy vân các dữ liệu đa phương tiện bắt đầu vào
năm 1999.
1.1.3. Các ứng dụng của thủy vân số
Thủy vân số có nhiều ứng dụng hữu hiệu trong việc lưu trữ, phân phối và sử dụng
thông tin số[20]. Một số ứng dụng thường gặp có thể kể ra sau đây.

1.1.3.1 Bảo vệ bản quyền và xác thực
Thủy vân số thường được sử dụng để bảo vệ bản quyền và quyền sở hữu trí tuệ của
các sản phẩm số. Trong ứng dụng này, tác giả hoặc người sáng tạo tích hợp một dấu
thủy vân chứa chữ ký quyền sở hữu trí tuệ của họ vào dữ liệu gốc và phát hành nó
như bình thường. Theo cách đó, họ có thể chứng minh được quyền sở hữu trí tuệ
của mình đối với sản phẩm đó. Chẳng hạn, trong việc kiện tụng hợp pháp và có thể
có quyền khẳng định việc giới hạn phạm vi sử dụng. Một ví dụ điển hình là hình
ảnh của Lena, một trong các bức hình nổi tiếng được dùng trong khoa học xử lý ảnh
số và được dùng trong trong ấn phẩm đầu tiên về thủy vân số mà không được sự
cho phép thật sự của người chủ sở hữu.
1.1.3.2 Ghi dấu ấn và Chữ ký số
Có thể minh họa bằng các dịch vụ kiểu pay-per-view (khách hàng phải trả tiền cho
những dịch vụ cụ thể họ sử dụng). Khách hàng sử dụng các loại dịch vụ như tải ảnh,
video và nhạc qua Internet. Các sản phẩm số được đánh dấu một cách riêng biệt với
một dấu ấn phân biệt giữa các khách hàng. Đó có thể là một số xuất xưởng thiết bị
(OEM) hoặc một mẩu thông tin nào đó. Trong trường hợp này, các phương pháp
mật mã có thể được dùng để làm tăng bảo mật dữ liệu và có thể được kết hợp với
các chữ ký số. Sự kết hợp thủy vân số với chữ ký số có nhiều ứng dụng. Để nhận
diện người sao chép bất hợp pháp hoặc người phân phối lại sản phẩm có giới hạn,
người ta dùng một hệ thống quét tác nhân tự động để theo vết và bắt được kẻ phản
bội. Do tính phổ biến của DivX và các bản quay trộm của các bộ phim mới ra lò,
những "kẻ quay trộm", rạp chiếu phim và người chiếu phim, có thể bị chỉ ra một
cách đích danh các hành động bất hợp pháp như vậy. Bởi vì kỹ thuật analogue sử
6


Hàn Ngọc Đức

dụng trọng rạp chiếu phim trên toàn thế giới, nên thủy vân số phải bền vững qua
việc thay đổi từ tín hiệu tương tự sang miền tín hiệu số. Tuy nhiên các thủy vân như

vậy có thể dễ dàng được tích hợp với sự bảo mật và đáng tin cậy hơn bằng cách sử
dụng máy chiếu số và các thiết bị số.
1.1.3.3 Bảo vệ sao chép và điều khiển thiết bị
Thủy số vân có thể được dùng để cho phép điều khiển quyền sao chép thiết bị.
Trong ứng dụng này, thiết bị ghi quét luồng dữ liệu số cho một thủy vân hiện hữu
và cho phép hoặc không cho phép hành động ghi với một bộ phim hoặc luồng dữ
liệu riêng biệt. Công nghệ như vậy có thể được mở rộng khái niệm pay-per-view và
lấp lỗ hổng giữa cách tiếp cận mật mã học và tính khả dụng của nó. Tuy nhiên, việc
thực thi trên các thiết bị đã bị can thiệp có thể sử dụng cùng thủ tục áp dụng khi
chèn cơ cấu sao chép Macro Vision và CSS DVD. Bằng cách giới hạn các DVD khả
dụng thành các bộ phát DVD tương thích, các nhà sản xuất phải tích hợp các bộ
biên mã (encoder) mới được bảo mật bởi tự điều chỉnh luật sáng chế trong các thiết
bị của họ để duy trì vị trí trên thị trường.
1.1.3.4 Giám sát truyền thông
Chi phí sản xuất các sản phẩm truyền thông như là các tin tức, show diễn, tác phẩm
điện ảnh là rất lớn, có thể tới hàng trăm nghìn USD mỗi giờ. Do đó, vấn đề quan
trọng cho các công ty sản xuất như chẳng hạn Warner Bros. Miramax, Universal
Pictures là bảo đảm quyền sở hữu trí tuệ của họ và không cho phép các hành động
phát lại bất hợp pháp. Trong trường hợp này thủy vân số có thể cho phép các cơ cấu
kỹ thuật như là TALISMAN, để tự động kiểm soát các luồng phát đi ở các node vệ
tinh trên toàn thế giới và nhận dạng các sản phẩm bị phát đi bất hợp pháp. Hơn nữa,
các kênh truyền hình có thể được kiểm soát và việc sử dụng phi pháp có thể bị ghi
vết và ghi nhận một cách cụ thể. Vào năm 1997, hai kênh phát Asian đã bị phát hiện
cố tình khai khống thời gian quảng cáo của họ và bắt các khách hàng phải trả cho
thời gian mà quảng cáo sản phẩm của họ không được phát đi. Các hệ thống máy
tính có thể được dùng để lần vết và kiểm soát các hoạt động quảng cáo trên các
kênh truyền thông và thẩm tra các giao dịch quảng cáo. Nielsen Media Research và

7

Hàn Ngọc Đức

Competitive Media Reporting đã chào hàng các hệ thống máy tính như vậy. Hiện
nay một số công ty đã sử dụng các dịch vụ giám sát truyền thông dựa trên thủy vân,
ví dụ như Teletrax dựa trên công nghệ thủy vân trên dữ liệu video của Phillips.
1.1.3.5 Xác thực dữ liệu
Thủy vân số thường được dùng để chứng minh tính xác thực của một tài liệu số xác
định. Thủy vân số chứa thông tin mà có thể được dùng để chứng minh rằng nội
dung số là không bị thay đổi. Các thao tác làm thay đổi dữ liệu sẽ phá hủy hoặc thay
đổi thủy vân tích hợp trong đó. Nếu thông tin thủy vân có thể được trích ra mà
không bị lỗi thì tính xác thực có thể được bảo đảm. Để thiết kế một thuật toán thủy
vân hiệu quả, dữ liệu thủy vân hoặc thủ tục có thể được kết nối với nội dung của tài
liệu số. Các thủy vân như thế được gọi là thủy vân dễ vỡ hoặc vapormarks.
1.1.3.6 Các ứng dụng khác
Mặc dù ứng dụng chính của thủy vân số là bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ các sản phẩm
số, nó cũng còn có thể được dùng trong các lĩnh vực khác như là y học. Người ta sử
dụng các thủy vân số để lưu thông tin về các bệnh nhân, các chuẩn đoán, các ảnh
chụp như là X-ray hoặc ảnh cộng hưởng từ, có thể tự động liên kết với bệnh nhân.
Hơn nữa, thủy vân số cũng có thể dùng để lưu siêu dữ liệu (metadata) về chính các
tài liệu nguồn. Điều này giúp cải thiện thời gian tìm kiếm các tài liệu media dựa trên
thời gian như là âm nhạc, phim ảnh.
1.1.4. Phân loại các kỹ thuật thủy vân
Các kỹ thuật giấu thông tin có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau tùy
thuộc vào góc nhìn của người nghiên cứu. Một số cách phân loại phổ biến là:
 Theo tính thấy được đối với người thường: Thủy vân ẩn và thủy vân hiện.
 Theo tính bền vững: Thủy vân dễ vỡ; Thủy vân bền vững; thủy vân nửa dễ vỡ.
 Theo miền nhúng thủy vân: Thủy vân trên miền dữ liệu không gian và thủy vân
trên miền dữ liệu biến đổi.
 Theo vùng nhúng: Thủy vân toàn bộ (vật mang) và thủy vân theo khối.

8


Hàn Ngọc Đức

-

Theo kiểu dữ liệu được nhúng (dữ liệu mang): Thủy vân trong văn bản
(Text), ảnh số (Image), dữ liệu Audio, dữ liệu Video.

Hai cách phân loại các kỹ thuật thủy vân quan trọng nhất đó là:
 Theo yêu cầu bản gốc khi trích:
- Thủy vân cần bản gốc: Các lược đồ thủy vân cần phải có bản gốc để có thể
trích được thủy vân.
-

Thủy vân không cần gốc: Các lược đồ mà trong đó có thể trích thủy vân từ
bản nhúng mà không cần sự tồn tại của bản gốc.

 Theo miền nhúng:
- Các kỹ thuật trên miền không gian: là các lược đồ thủy vân được thực hiện
nhúng trực tiếp lên dữ liệu biểu diễn ảnh (ví dụ trên pixel trong ảnh bitmap
và dữ liệu điểm trong ảnh vector).
-

Các kỹ thuật trên miền biến đổi: là các lược đồ thủy vân mà việc nhúng và
tách thủy vân được thực hiện trên ảnh đã được biến đổi sang miền tần số theo
một phép biến đổi nào đó như DCT, DWT, DFT.

Hình 1-1 cho một cách phân loại các kỹ thuật giấu thông tin nói chung của
Pfitzmann [18], trong đó thủy vân số là một nhánh trong các kỹ thuật đánh dấu bản
quyền tác giả.
Information Hiding
(Giấu thông tin)

Covert Channels
(Các kênh truyền mật)

Steganography
(Thuật ẩn liệu)

Technical
Steganography
(Ẩn liệu kỹ thuật)

Anonymity
(Nặc danh)

Copyright Marking
(Đánh dấu bản quyền)

Robust Copyright Marking
(Đánh dấu bản quyền bền
vững)

Linguistic
Steganography
(Ẩn liệu ngôn ngữ)

Fingerprinting
(Ghi dấu vân tay)

Imperceptible
Watermarking
(Thủy vân ẩn)

Fragile Watermarking
(Thủy vân dễ vỡ)

Watermarking
(Thủy vân)

Visible
Watermarking
(Thủy vân hiện)

Hình 1-1. Phân loại các kỹ thuật giấu thông tin của Pfitzmann[18]

9


Hàn Ngọc Đức

1.1.5. Các yêu cầu của một lược đồ thủy vân
Một lược đồ thủy vân tốt đòi hỏi một số yêu cầu mà về cơ bản có xu hướng mâu
thuẫn nhau về khả năng đáp ứng [10]:
 Tính bảo mật (Security): Hiện nay, tính hiệu quả của một thuật toán thủy vân
không thể dựa trên sự bí mật về phương pháp nhúng, mà thuật toán nhúng phải
được coi là công khai. Các thuật toán này thường sử dụng một khóa mật để sinh

thủy vân cho mục đích bảo mật.
 Tính vô hình (Invisibility):
-

Tính vô hình giác quan: Các nhà nghiên cứu thường cố giấu thủy vân sao cho
chúng khó có thể được phát hiện. Yêu cầu này lại mâu thuẫn với các yêu cầu
khác như là tính bền vững, bảo mật. Do vậy các đặc tính của hệ thị giác
người (human visual system - HVS) đối với các ảnh và hệ thính giác người
(human auditory system - HAS) cần được xem xét để thỏa mãn được tính
bền vững trong khi giác quan con người không phân biệt được sự sai khác.

-

Tính vô hình thống kê: Một người không có quyền thì không phát hiện được
thủy vân bằng các phương pháp thống kê. Ví dụ, kẻ gian có thể trích được
dấu nhúng từ một số lượng rất lớn các sản phẩm đã nhúng thủy vân với cùng
một mã, theo cách tấn công thống kê.

 Tính bền vững (robustness):
Các ảnh số thường là đối tượng của nhiều loại biến dạng, chẳng hạn như việc
nén có tổn hao, lọc bỏ, thay đổi kích thước, tăng cường độ tương phản, cắt xén,
quay, ... Dấu thủy vân phải được tìm ra sau khi ảnh đã trải qua các biến dạng
như vậy. Thuật toán sẽ bền vững hơn nếu như dấu thủy vân được đặt vào vùng
quan trọng của tín hiệu ảnh. Ví dụ, một thủy vân giấu trong vùng không quan
trọng sẽ không tồn tại được khi bị nén tổn hao. Hơn nữa, khả năng chống chịu
qua các thao tác hình học như là dịch chuyển, thay đổi kích thước, quay, cắt xén,
... vẫn còn đang là vấn đề cần được nghiên cứu, trong khi các thao tác đó là
không thể tránh được trong quá trình sử dụng.
 Trích thủy vân: Xác suất bị lỗi.

10


Hàn Ngọc Đức

Khi trích thủy vân thậm chí cả khi không có các tấn công thì tín hiệu trích được
cũng có thể có xác suất lỗi nào đó. Yêu cầu là xác suất này phải nhỏ trong giới
hạn cho phép.
 Dung lượng giấu tin (bit rate)
Thuật toán thủy vân phải nhúng được một số lượng bit vào vật mạng. Số lượng
bit phụ thuộc vào từng ứng dụng.
Tính bền vững

Tính bảo mật

Tính vô hình

Hình 1-2. Tam giác 3 yêu cầu của lược đồ thủy vân tốt
Không một thuật toán thủy vân nào có thể thỏa mãn được đồng thời các yêu
cầu trên, vì bản thân các yêu cầu này là mâu thuẫn nhau. Ba yêu cầu chính có thể
được minh họa bởi tam giác như hình vẽ với các yêu cầu ở các đỉnh. Khi một yêu
cầu được thỏa mãn thì các yêu cầu khác sẽ bị vi phạm. Trong các ứng dụng thực tế,
tùy theo ngữ cảnh mà người ta sẽ sử dụng thuật toán ưu tiên thỏa mãn yêu cầu
tương xứng với ngữ cảnh đó.
1.2. Cấu trúc dữ liệu không gian
1.2.1. Một số khái niệm
1.2.1.1 Phép chiếu bản đồ
Việc lưu trữ và xử lý trực tiếp các đối tượng có trên bề mặt trái đất là rất khó khăn,
nên ta phải sử dụng biểu diễn phẳng của bề mặt Trái đất. Phép chiếu bản đồ là phép
chuyển đổi toán học từ hệ trục kinh vĩ độ cầu sang hệ trục tọa độ cực. Phép chiếu

11


Hàn Ngọc Đức

bản đồ đảm bảo quan hệ đã biết giữa vị trí trên bản đồ và vị trí thực của nó trên Trái
đất. Có thể phân loại các lớp phép chiếu như sau [26]:
o Lớp phép chiếu phẳng (azimuthal)
o Lớp phép chiếu hình nón (conic)
o Lớp phép chiếu hình trụ (cylindrical)
1.2.1.2 Tỷ lệ bản đồ
Kích thước bản đồ gắn liền với kích thước thực của các đặc trưng thông qua tỷ lệ co
giãn nào đó gọi là tỷ lệ bản đồ. Nêu coi quan hệ trực tiếp giữa kích thước bản đồ và
kích thước thật của tỷ lệ biểu diễn ở mọi vị trí trên bản đồ là sai lầm, bởi vì độ biến
dạng phát sinh khi biến đổi kích thước mặt cong Trái đất sang mặt phẳng bản đồ
không cho khả năng biểu diễn tỷ lệ cố định cho toàn bộ bản đồ.
1.2.1.3 Dữ liệu không gian
Dữ liệu (data) và thông tin (information) là hai khái niệm khác nhau. Dữ liệu là các
con số hay sự kiện được tập hợp có hệ thống cho một hay nhiều mục đích cụ thể.
Thông tin được xem như dữ liệu đã xử lý dưới khuôn mẫu hữu ích cho người dùng
và là những giá trị nhận thức được cho công tác lập quyết định.
Dữ liệu là trung tâm của hệ thống GIS, hệ thống GIS chứa càng nhiều dữ liệu thì
chúng càng có ý nghĩa. Mỗi GIS đều có mô hình dữ liệu quan niệm riêng để biểu
diễn mô hình dữ liệu vật lý duy nhất. Có hai mô hình dữ liệu không gian chính
thường gặp trong các GIS thương mại là mô hình dữ liệu vector và mô hình dữ liệu
raster.
 Mô hình dữ liệu vector: Biểu diễn các đặc trưng địa lý bằng các phần tử đồ họa
cơ bản (điểm, đường và đa giác)
 Mô hình dữ liệu raster: Biểu diễn các đặc trưng địa lý bằng các điểm ảnh.

12


Hàn Ngọc Đức

1.2.2. Mô hình dữ liệu Raster
1.2.2.1 Trường raster đơn giản
Mô hình dữ liệu raster (còn gọi là lưới tế bào) hình thành nền cho một số hệ thống
thông tin địa lý. Các hệ thống này hiển thị, định vị và lưu trữ dữ liệu đồ họa nhờ sử
dụng các ma trận hay lưới tế bào. Tiến trình xây dựng lưới tế bào như sau: Giả sử
phủ một lưới lên bản đồ gốc, dữ liệu raster được lập bằng cách mã hóa mỗi tế bào
bằng một giá trị mang dựa theo các đặc trưng trên bản đồ (hình vẽ). Trong ví dụ này
đặc trưng đường mã hóa là 2, điểm mã hóa là 1 và vùng được mã hóa bởi 3. Mỗi
đặc trưng là tập tế bào có cùng giá trị.
Hình dạng tế bào được gọi là khảm (tessellation), người ta có thể dùng các
khảm có dạng hình vuông, lục giác, tam giác.
Lợi thế lớn nhất của hệ thống raster là dữ liệu hình thành bản đồ trong bộ nhớ
máy tính. Cũng như mô hình vector, mô hình raster có các tầng bản đồ cho các mục
đích mô hình khác nhau. Tuy nhiên do cách xử lý thông tin thuộc tính khác nhau
nên mô hình raster thường có nhiều tầng bản đồ hơn.
1.2.2.2 Cấu trúc dữ liệu raster
Lượng dữ liệu được thu thập ngày càng lớn, chúng đòi hỏi phải có kỹ thuật để quản
lý khối lượng lớn của dữ liệu này. Các phương pháp hay được sử dụng là phân
hoạch dữ liệu và xây dựng chỉ số xâm nhập nhanh.
Phương pháp đơn giản nhất là raster được lưu trữ và xâm nhập theo trật tự
từng hàng. Phương pháp này kém hiệu quả khi nén và xâm nhập các tế bào. Các tế
bào gần nhau thường có giá trị tương tự nhau. Do vậy có nhiều đề xuất phương
pháp xây dựng các trật tự xâm nhập và mã hóa tế bào khác nhau. Đường dẫn của
trật tự duyệt tế bào phải thỏa mãn các điều kiện sau:

 Đi qua từng điểm trong không gian đa chiều
 Hai điểm kề nhau trong không gian phải kề nhau trên đường dẫn, và ngược
lại.
 Phải dễ xâm nhập đến láng giềng của điểm.
13


Hàn Ngọc Đức

 Đường dẫn là ánh xạ của không gian đa chiều vào không gian một chiều.
 Đường dẫn có thể được áp dụng cho mật độ không gian thay đổi (các điểm
có kích thước khác nhau)
 Đường dẫn phải ổn định ngay cả khi không gian trở nên vô cùng lớn.
Trong thực tế việc xây dựng đường dẫn lý tưởng như trên không thể thực hiện
được mà ta chỉ có thể xây dựng được đường dẫn có một vài đặc tính phù hợp.
 Phân hoạch: Phân hoạch CSDL không gian để quản lý khối lượng lớn thông
tin bằng tập giới hạn các thao tác.
 Chỉ số không gian: Chỉ số không gian làm tăng tốc độ tìm kiếm thông tin
đặc trưng địa lý khi truy vấn dựa trên cơ sở vị trí của chúng, bằng cách giảm
thiểu số lượng dữ liệu phải tìm kiếm. Phân hoạch CSDL giúp thực hiện công
việc này. Tiến trình phân hoạch ở đây là phân hoạch đệ quy, kết quả là cho ta
cấu trúc dữ liệu phân cấp với tên gọi là cây tứ phân (quadtree). Trong cây tứ
phân, mỗi vùng được chia thành bốn phần. Các phần này lại được chia tiếp
cho đến khi chỉ có một đặc trưng không gian tồn tại trong một "lát" của cây.
Địa chỉ cây tứ phân được xác định bằng gán mã cho góc phần tư. Có nhiều
cách gán mã, hình vẽ là sơ đồ mã Morton được Morton cài đặt trong GIS lần
đầu tiên vào năm 1966.
Các giá trị chỉ số có thể được tính toán từ các tọa độ 𝑥, 𝑦 nhờ kỹ thuật của
Guiseppe Peano (Italia). Giá trị chỉ số không gian được gọi là mã Peano và
trật tự không gian Peano còn được gọi là trật tự Z. Một trật tự khác là trật tự

Hilbert hay còn gọi là trật tự Pi.
1.2.3. Mô hình dữ liệu vector
Mô hình dữ liệu vector coi hiện tượng là tập các thực thể không gian cơ sở và tổ
hợp giữa chúng. Trong mô hình 2D thì thực thể sơ cấp bao gồm điểm, đường và
vùng; mô hình 3D còn áp dụng bề mặt ba chiều và khối.
Điểm là thành phần sơ cấp của dữ liệu địa lý ở mô hình này. Các điểm được
nối với nhau bằng các đoạn để thạo thành các thực thể khác nhau như đường hay
vùng. Loại thực thể sơ đẳng được sử dụng phụ thuộc vào tỷ lệ quan sát. Với tỷ lệ
14


Hàn Ngọc Đức

nhỏ thì thành phố được biểu diễn thành điểm, sông và đường đi là đường. Khi tăng
tỷ lệ thì phải quan tâm tới tính chất vùng của hiện tượng. Khác với mô hình raster,
mô hình dữ liệu vector có thể cho biết "nơi mà mọi thứ xảy ra".
Điểm chung của mô hình dữ liệu bản đồ raster và vector là chúng được lưu trữ
theo nhiều tầng (layer), mỗi tầng có ý nghĩa cũng như cách biểu diễn có thể khác
nhau. Tư tưởng của việc phân tầng giúp cho quản lý thông tin địa lý cũng như lưu
trữ cơ sở dữ liệu về không gian rất thuận tiện.

Đường biên
hành chính

Sông

Các công trình
công cộng

Hình 1-3. Các tầng bản đồ

1.2.3.1 Cấu trúc dữ liệu toàn đa giác
Mỗi tầng trong CSDL của cấu trúc toàn đa giác được chia thành tập các đa giác.
Mỗi đa giác được mã hóa thành trật tự các vị trí hình thành đường biên của vùng
khép kín theo hệ trục tọa độ nào đó. Trong cấu trúc này không có tham số để nhận
diện vùng kề nhau, do đó không có tổ chức topo trong hệ thống này. Việc cập nhật
sửa đổi dữ liệu trong tổ chức dữ liệu không gian loại này rất khó khăn.
1.2.3.2 Cấu trúc cung-nút
Mô hình vector cho khả năng tách biệt các thành phần để thực hiện đo đạc và để xác
định các quan hệ không gian giữa các thành phần. Quan hệ không gian của liên kết
và gần kề là những thí dụ của quan hệ topo. Mô hình GIS có chứa các quan hệ trên
thì được mô tả như cấu trúc topo.

15


Hàn Ngọc Đức

Đối tượng topo hai chiều chỉ bao gồm đa giác, cung và nút. Thông tin về vùng
gần kề được lưu trữ bằng mã đặc trưng liên quan đến phía phải hay phía trái của
cung. Đa giác được tạo ra nhờ danh sách các cung thành phần, trong đó dấu trừ
được sử dụng cho hướng cung phù hợp. Để phân biệt đường biên trong và đường
biên ngoài, ta quy định chiều quay kim đồng hồ cho đường biên ngoài và ngược
chiều quay kim đồng hồ cho đường biên trong. Mỗi nút được gắn danh sách cung
bao quanh cho mục tiêu phân tích mạng. Danh sách cung nối vào nút phải được xếp
đặt theo trật tự xác định trước, theo chiều quay xác định.
Các đối tượng không gian chia sẻ chỉ phải ghi một lần, có thể quy chiếu chúng
nhiều lần; kết quả là tối ưu được dung lượng lưu trữ dữ liệu hình học.
1.2.4. So sánh mô hình raster và vector
Các hệ thống GIS trên thị trường thường được xây dựng trên cơ sở mô hình raster
hay vector. Tuy nhiên cũng có nhiều hệ thống kết hợp cả hai mô hình này. Tùy theo

ứng dụng cụ thể mà lựa chọn công cụ phần mềm GIS cho phù hợp.
Bảng 1-2. So sánh mô hình raster và vector
Mô hình vector

Mô hình raster
Mô hình hiệu quả
Dễ tổ hợp, nạp chồng
Hướng ảnh vệ tinh
Dễ phân tích dữ liệu
Có khả năng mô phỏng

Chất lượng đồ họa hạn chế
Khó mô hình hóa mạng
Biến đổi phi tuyến phức tạp

Ưu điểm
Thuận tiện biểu diễn hiện tượng tự
nhiên
Mô hình cô đọng
Có khả năng tạo lập topo lưới
Thao tác hình học dễ, chính xác
Có khả năng tổng quát hóa, dễ sửa đổi
Hạn chế
Cấu trúc dữ liệu phức tạp

16