Thuật toán phát hiện ảnh giả mạo dạng cắt dán dựa trên các phép biến đổi ma trận

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG NGUYỄN HỒNG HẠNH THUẬT TỐN PHÁT HIỆN ẢNH GIẢ MẠO DẠNG CẮT - DÁN DỰA TRÊN CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI MA TRẬN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUN - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN HỒNG HẠNH THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH GIẢ MẠO DẠNG CẮT - DÁN DỰA TRÊN CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI MA TRẬN Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM VĂN ẤT THÁI NGUYÊN - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ khoa học máy tính: “Thuật tốn phát ảnh giả mạo dạng cắt - dán dựa phép biến đổi ma trận” kết trình học tập, nghiên cứu khoa học độc lập, nghiêm túc Các số liệu luận văn trung thực, có nguồn gốc rõ ràng, đợc trích dẫn có tính kế thừa, phát triển từ tài liệu, tạp chí, cơng trình nghiên cứu cơng bố, website, … Các phương pháp nêu luận văn rút từ sở lý luận trình nghiên cứu tìm hiểu tác giả Thái Nguyên, tháng năm 2014 Tác giả Nguyễn Hồng Hạnh Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Lời xin gửi lời cảm ơn thầy PGS TS Phạm Văn Ất tận tình giúp đỡ suốt thời gian học tập vừa qua, đặc biệt định hướng nghiên cứu tận tình hướng dẫn cho tơi suốt q trình làm luận v ăn Nếu khơng có giúp đỡ tận tình thầy, tơi khó hồn thành luận văn Bên cạnh tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô T r ng Đ i h ọ c Công nghệ Thông tin & T r u y ề n t h ô n g tận tình giảng dạy, bảo cung cấp cho kiến thức cần thiết suốt thời gian học xin gởi lời cám ơn chân thành đến người thân, bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ động viên suốt thời gian học tập thời gian thực luận văn Chân thành cảm ơn ! Thái Nguyên, tháng năm 2014 Tác giả Nguyễn Hồng Hạnh Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ iv MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ BÀI TOÀN PHÁT HIỆN ẢNH GIẢ MẠO .3 1.1 TỔNG QUAN VỀ ẢNH .3 XỬ LÝ 1.1.1 Xử lý ảnh gì? 1.1.2 Các khái niệm ảnh 1.1.3 Các vấn đề trong xử xử lý 1.1.4 Một số định dạng biến 12 ảnh 1.2 BÀI TOÁN PHÁT 17 GIẢ HIỆN ẢNH 1.2.3 Các cách tiếp cận 21 mạo phát MẠO giả ảnh ảnh phổ 1.2.1 Ảnh mạo 17 1.2.2 Các loại ảnh giả 17 lý giả mạo CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH GIẢ MẠO DẠNG CẮT DÁN 24 2.1 THUẬT TỐN ĐỐI SÁNH CHÍNH XÁC (EXACT MATCH) PHÁT HIỆN Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrctnu.edu.vn/ iii ẢNH GIẢ MẠO DẠNG DÁN 24 CẮT 2.1.1 tưởng 24 2.1.2 toán 25 Ý Thuật 2.1.3 Phân tích thuật 26 toán 2.1.4 Ví dụ minh 26 họa 2.2 THUẬT TOÁN ĐỐI SÁNH BỀN VỮNG (ROBUST MATCH) PHÁT HIỆN ẢNH GIẢ MẠO DẠNG CẮT - DÁN DỰA TRÊN PHÉP BIẾN ĐỔI COSIN RỜI RẠC (DCT - Discrete transform) .35 Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ cosine 2.2.1 Ý tưởng 38 2.2.2 Thuật toán .39 2.2.3 Phân tích thuật tốn 44 2.3 THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH GIẢ MẠO DẠNG CẮT - DÁN DỰA TRÊN PHÉP BIẾN ĐỔI DWT (Discrete Wavelet Transform) 45 2.3.1 Ý tưởng 48 2.3.2 Thuật toán .49 2.3.3 Phân tích thuật tốn 54 2.4 SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIÊN ẢNH GIẢ MẠO DẠNG CẮT - DÁN 55 CHƯƠNG 3: PHẦN MỀM THỬ NGHIỆM 56 3.1 PHÂN TÍCH YÊU CẦU BÀI TOÁN .56 3.2 TẠO ẢNH GIẢ MẠO .56 3.3 SƠ ĐỒ CHUNG CỦA THUẬT TỐN ĐỐI SÁNH CHÍNH XÁC (exact match) 57 3.4 SƠ ĐỒ CHUNG CỦA THUẬT TOÁN ĐỐI SÁNH BỀN VỮNG (robust match) 58 3.5 LỰA CHỌN CÔNG CỤ 59 3.6 MÔI TRƯỜNG CÀI ĐẶT VÀ XÂY DỰNG CÁC HÀM 60 3.7 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 60 3.7.1 Phần mềm đối sánh bền vững dựa phép biến đổi DCT .61 3.7.2 Phần mềm đối sánh bền vững dựa phép biến đổi DWT 64 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrctnu.edu.vn/ KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67 KẾT LUẬN 67 KIẾN NGHỊ 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO .69 Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các giai đoạn xử lý ảnh Hình 1.2 Các thành phần hệ thống xử lý ảnh Hình 1.3 Quá trình nén JPEG .16 Hình 1.4 Minh họa việc giả mạo ảnh 17 Hình 1.5 Minh họa cho loại ảnh giả mạo tăng cường ảnh 18 Hình 1.6 Ảnh che phủ bỏ đối tượng 20 Hình 1.7 thể dạng khác thường thấy giả mạo ảnh, việc bổ sung thêm đối tượng .21 Hình 1.8 Sơ đồ phát ảnh giả mạo dựa vào sở liệu 22 Hình 1.9 Sự khác biệt hướng nguồn sáng khác 23 Hình 2.1 Đánh số thứ tự phần tử ma trận hệ số DCT theo đường zigzag .41 Hình 2.2 Vectơ dịch chuyển vùng cắt - dán 44 Hình 2.3 Áp dụng phép biến đổi DWT theo hàng cột .48 Hình 2.4 Áp dụng phép biến đổi DWT theo hai mức 48 Hình 2.5 Vectơ dịch chuyển vùng cắt - dán 54 Hình 3.1 Kết thực nghiệm phát ảnh giả mạo dạng cắt dán .61 Hình 3.2 Kết thực nghiệm phát ảnh giả mạo dạng cắt dán 62 Hình 3.3 Kết thực nghiệm phát ảnh giả mạo dạng cắt dán 63 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrctnu.edu.vn/ iv Hình 3.4 Kết thực nghiệm phát ảnh giả mạo dạng cắt dán 64 Hình 3.5 Kết thực nghiệm phát ảnh giả mạo dạng cắt – dán, ảnh giả nén JPEG với hệ số Q=60 65 Hình 3.6 Kết thực nghiệm phát ảnh giả mạo dạng cắt - dán nhiễu 1% 66 Hình 3.7 Kết thực nghiệm phát ảnh giả mạo dạng cắt – dán nhiễu 1% làm mờ 1px nén JPEG Q=60 66 Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ xác khơng hiểu quả, lúc phải sử dụng phép đối sánh bến vững với cách trích chọn đặc trưng tương ứng để xác định Ảnh ban đầu Cắt-dán Ảnh bị chỉnh sửa Thêm nhiễu, co dãn, nén,… Ảnh bị chỉnh sửa có thao tác 3.3 SƠ ĐỒ CHUNG CỦA THUẬT TỐN ĐỐI SÁNH CHÍNH XÁC (exact match) Input: - Ảnh F, có kích thước ảnh MxN (F ảnh thật ảnh giả mạo) Output: Vùng ảnh giả mạo chèn vào khơng giả mạo Thuật tốn: Đọc ảnh chuyển sang đa mức xám Chia ảnh thành khối chờm đưa vào mảng A (hàng số khối, cột số phần tử khối) Sắp xếp hàng theo thứ tự từ điển lưu trữ kết mảng B Kiểm tra hai hàng liên tiếp giống mảng B sau xếp xác định tọa độ góc bên trái cặp khối giống Tính vectơ dịch chuyển hai khối Căn vào giá trị vectơ dịch chuyển khối Thống kê số cặp khối giống Xác định vùng tương tự, tô màu khối giống vào tọa độ góc bên trái khối 3.4 SƠ ĐỒ CHUNG CỦA THUẬT TOÁN ĐỐI SÁNH BỀN VỮNG (robust match) Input: - Ảnh F, có kích thước ảnh MxN (F ảnh thật ảnh giả mạo) - Các đối số Output: Vùng ảnh giả mạo chèn vào không giả mạo Thuật toán: Đọc ảnh chuyển sang đa mức xám Chia ảnh thành khối chờm đưa vào mảng A (hàng số khối, cột số phần tử khối) Trích chọn đặc trưng tạo đại diện cho khối (sử dụng DCT, DWT) đưa vào mảng B (hàng số khối, cột số đặc trưng) Sắp xếp B theo thứ tự từ điển So sánh hàng với số hàng liên tiếp để tìm khối tương tự xác định tọa độ góc bên trái cặp khối tương tự Tính vectơ dịch chuyển hai khối Căn vào giá trị vectơ dịch chuyển khối, thống kê số cặp khối tương tự Xác định vùng tương tự, tô màu khối giống vào tọa độ góc bên trái khối Sơ đồ đối sách bền vững có số điểm khác so với sơ đồ đối sánh xác sơ đồ bền vững có bước quan trọng trích chọn đặc trưng có tính bền vững số thao tác xử lý ảnh (thêm nhiễu, nén ảnh, quay ảnh, co giãn ảnh,…) bước tìm khối giống so sánh gần dựa vào ngưỡng giá trị 3.5 LỰA CHỌN CƠNG CỤ Vì phương pháp phát ảnh giả mạo dạng cắt - dán thuật toán đối sánh xác (Exact Match) phát ảnh giả mạo dạng 1, tức ảnh chép chỉnh sửa Hạn chế cách tiếp cận với ảnh giả mạo dạng 2, tức ảnh giả mạo có ảnh hưởng nhiễu, nén, co giãn… phần lớn khối đồng bị thuật toán phát sai không đưa vùng giả mạo ảnh Còn với phương pháp đối sánh bền vững dựa miền tần số (DCT), phương pháp sử dụng phép biến đổi DWT khắc phục hạn chế phương pháp phát ảnh giả mạo dạng cắt - dán thuật toán Exact Match Điểm khác phương pháp bước trích chọn đặc trưng đại diện cho khối ảnh xác định cặp khối tương tự Việc trích chọn đặc trưng đại diện (thu nhỏ số đặc trưng chính) thu nhỏ kích thước ma trận A ban đầu Vì vậy, phương pháp đối sánh bền vững có tốc độ xử lý nhanh so với phương pháp đối sánh xác Tuy nhiên, trích chọn đặc trưng xuất trường hợp vùng giả mạo ảo Nếu trích chọn nhiều đặc trưng tốc độ chậm độ xác cao Do đó, em lựa chọn phương pháp đối sánh bền vững (Robust Match) dựa ma trận hệ số DCT phương pháp sử dụng phép biến đổi DWT để xây dựng phần mềm thực nghiệm 3.6 MÔI TRƯỜNG CÀI ĐẶT VÀ XÂY DỰNG CÁC HÀM Các chương trình cài đặt Matlab, có hàm sau: - Hàm đọc ảnh chuyển sang đa mức xám - Hàm chia ảnh thành khối chờm (overlap block) - Hàm trích chọn đặc trưng - Hàm xếp theo thứ tự từ điển - Hàm tìm khối giống xác định shift vectơ - Hàm loại bỏ vùng ảnh cô lập - Hàm hiển thị ảnh 3.7 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Sau thực cài đặt thử nghiệm kỹ thuật phát ảnh giả mạo sinh thao tác cắt - dán Bước đầu có số kết sau: 3.7.1 Phần mềm đối sánh bền vững dựa phép biến đổi DCT Hình 3.1 Kết thực nghiệm phát ảnh giả mạo dạng cắt - dán Hình 3.2 Kết thực nghiệm phát ảnh giả mạo dạng cắt - dán Hình 3.3 Kết thực nghiệm phát ảnh giả mạo dạng cắt - dán 3.7.2 Phần mềm đối sánh bền vững dựa phép biến đổi DWT Ả n h Hình 3.4 Kết thực nghiệm phát ảnh giả mạo dạng cắt - dán Hình 3.5 Kết thực nghiệm phát ảnh giả mạo dạng cắt – dán, ảnh giả nén JPEG với hệ số Q=60 66 H ìn H ì n Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 67 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN Ảnh số ngày dễ sửa chữa hiệu chỉnh sức mạnh phần mềm soạn thảo xử lý ảnh Ngày nay, chương trình xử lý ảnh thêm vào bỏ đặc trưng ảnh mà để lại dấu hiệu giả mạo Điều có nghĩa việc phát ảnh giả mạo vấn đề phải đặt ngày cấp bách ngày trở nên khó khăn Ảnh giả mạo thường chia làm hai loại Ảnh giả thật, tức trường dựng thật việc thu nhận thật Loại thứ hai ảnh giả tạo lập sở phần ảnh gốc thật cắt - dán để thêm vào hay che chi tiết ảnh Trong dạng ảnh giả loại thứ hai chia làm loại chính: Ghép ảnh, tăng cường ảnh cắt - dán vùng ảnh Trong khuân khổ hạn chế, luận văn quan tâm đến số dạng giả mạo dạng cắt - dán thuộc dạng hai, tập trung vào nghiên cứu tìm hiểu kỹ thuật nhằm phát ảnh giả mạo dựa vào kỹ thuật cắt - dán ảnh có tham gia nén nhiễu thu nhận, cụ thể luận văn đạt số kết sau: Trình bày tổng quan hệ thống xử lý ảnh vấn đề xử lý ảnh đồng thời trình bày tổng quan ảnh giả mạo phát ảnh giả mạo, cụ thể dạng ảnh gia mạo cách tiếp cận để phát ảnh giả mạo Hệ thống hóa số kỹ thuật phát ảnh giả mạo như: Kỹ thuật phát dựa vào việc tìm dấu vết việc lấy mẫu lại kỹ thuật phát dựa vào việc tìm vùng lặp ảnh Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ 68 Cài đặt thử nghiệm hai kỹ thuật: - Cài đặt thực nghiệm phương pháp đối sánh bền vững dựa miền tần số DCT - Cài đặt thực nghiệm phương pháp đối sánh bền vững dựa phép biến đổi DWT KIẾN NGHỊ Các vấn đề nghiên cứu tiếp tục: Ảnh giả mạo thu cách cắt - dán ảnh có thay đổi kích thước hướng Ảnh giả mạo cắt ghép từ ảnh thu nhận Camera khác Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Trần Đăng Hiên, Phạm Văn Ất, Trịnh Nhật Tiến, “Một thuật toán đối sánh bền vững phát ảnh giả mạo dạng cắt/dán dựa ma trận hệ số DCT”, Kỷ yếu số vấn đề chọn lọc CNTT Truyền thông, Hà Nội, 2012 Đỗ Năng Tồn, Phạm Việt Bình (2007), Giáo trình mơn học Xử Lý Ảnh, Khoa CNTT, ĐH Thái Nguyên Đỗ Năng Toàn, Hà Xuân Trường (2008), “Phát ảnh giả mạo dựa mẫu nhiễu cảm biến”, Kỷ yếu số vấn đề chọn lọc CNTT Truyền thơng, Đại lải, 2007 Đỗ Năng Tồn, Hà Xuân Trường, Phạm Việt Bình, “Một cải tiến cho thuật toán phát ảnh giả mạo Exact match”, Hội thảo khoa học quốc gia lần thứ III “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thông tin”, Nha Trang, 910/9/2007, 2007 Trần Thị Kim Yến (2007), Phát ảnh giả mạo, Luận văn thạc sĩ, Trường ĐH Công nghệ, ĐH Quốc gia HN Tiếng Anh Yanjun Cao, Tiegang Gao, Li Fan, Qunting Yang, “A Robust Detection Algorithm for Region Duplication in Digital Images”, International Journal of Digital Content Technology and its Applications, Volume 5, Number 6, June 2011 Weiqi Luo, Jiwu Huang, Guoping Qiu, "Robust Detection of RegionDuplication Forgery in Digital Image", In Proceedings of the 18th International Conference on Pattern Recognition, pp.746-749, 2006 Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ 70 Hieu Cuong Nguyen, Stefan Katzenbeiser, “Security of copy-move forgery detection techniques”, International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, Prague, Czech Republic, 2011 H.Farid (2009), “A survey of image forgery detectio”, IEEE Signal Processing Magazine, vol.2, no.26, pp 16-25 10 Guohui LiI, Qiong WuI, Dan TuI, Shao/ie SunI, “A sorted neighborhood approach for detecting duplicated regions in image forgeries based on DWT and SVD”, 1-4244-1017-7/07/©2007 IEEE 11 Ryu S.-J., Lee M.-J., and Lee H.-K (2010), “Detection of copy-rotatemove forgery using zernike moments,” in Proc of International Workshop on Information Hiding, Calgary, Canada Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ ... trình bày số phép biến đổi ma trận, giới thiệu tổng quan ảnh giả mạo dạng cắt - dán phát ảnh giả mạo Bên cạnh trình bày số thuật tốn phát ảnh giả mạo như: Thuật tốn đối sánh xác, thuật toán đối sánh... thống xử lý ảnh, vấn đề xử lý ảnh, số định dạng ảnh phổ biến định dạng Bitmap, định dạng JPEG, đồng thời trình bày toán phát ảnh giả mạo Chương 2: Thuật toán phát ảnh giả mạo dạng cắt - dán Chương... vùng cắt - dán 54 Hình 3.1 Kết thực nghiệm phát ảnh giả mạo dạng cắt dán .61 Hình 3.2 Kết thực nghiệm phát ảnh giả mạo dạng cắt dán 62 Hình 3.3 Kết thực nghiệm phát ảnh giả mạo dạng cắt