Một số kỹ thuật phòng chống giả mạo ảnh số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN ĐĂNG HIÊN MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÒNG CHỐNG GIẢ MẠO ẢNH SỐ LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN Hà Nội – 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN ĐĂNG HIÊN MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÒNG CHỐNG GIẢ MẠO ẢNH SỐ Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 62 48 01 04 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Phạm Văn Ất PGS TS Trịnh Nhật Tiến Hà Nội – 2017 Xác nhận luận án chỉnh sửa theo kết luận hội đồng: Người Hướng dẫn PGS TS Phạm Văn Ất PGS TS Trịnh Nhật Tiến Chủ tịch Hội đồng GS TS Nguyễn Thanh Thủy LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các kết viết chung với tác giả khác đồng ý đồng tác giả trước đưa vào luận án Các kết trình bày luận án mới, số liệu trung thực chưa cơng bố cơng trình khác./ Nghiên cứu sinh Trần Đăng Hiên i LỜI CẢM ƠN Luận án thực Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội hướng dẫn, bảo tận tình PGS.TS Trịnh Nhật Tiến PGS.TS Phạm Văn Ất, người mà từ Nghiên cứu sinh học nhiều điều quý báu, thầy gương sáng cho nghiên cứu chuyên môn sống Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giúp đỡ, dẫn tận tình trình nghiên cứu Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn đến PGS TS Hà Quang Thụy, PGS TS Nguyễn Ngọc Hóa có nhiều góp ý chuyên môn động viên tinh thần giúp vượt qua nhiều khó khăn q trình nghiên cứu sống Tôi xin gửi lời cảm ơn thầy giáo, cô giáo Bộ môn Các Hệ thống thông tin, Khoa Công nghệ thông tin tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ thời gian học tập Trường Tôi xin gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo nhà trường, khoa đồng nghiệp nhóm nghiên cứu Seminar An tồn thơng tin Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến PGS TS Đỗ Năng Tồn có góp ý chun mơn cho tơi suốt từ bắt đầu trình học tập Cuối tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình bạn bè động viên, giúp đỡ tinh thần, thời gian để hoàn thành luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Nghiên cứu sinh Trần Đăng Hiên ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VIII DANH MỤC CÁC BẢNG IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ XI PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ẢNH SỐ GIẢ MẠO, PHÒNG CHỐNG GIẢ MẠO ẢNH SỐ, CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI MA TRẬN .10 1.1 CÁC DẠNG ẢNH GIẢ MẠO 10 1.1.1 Giới thiệu 10 1.1.2 Ảnh giả mạo phân loại 12 1.1.2.1 Ghép ảnh .12 1.1.2.2 Cắt/dán ảnh 13 1.1.2.3 Chỉnh sửa ảnh 13 1.2 KỸ THUẬT PHÒNG CHỐNG VÀ PHÁT HIỆN ẢNH GIẢ MẠO 14 1.2.1 Kỹ thuật chủ động .14 1.2.1.1 Giới thiệu phân loại thủy vân 15 1.2.1.2 Các yêu cầu với lược đồ thủy vân 16 1.2.1.3 Ứng dụng thủy vân 17 1.2.2 Kỹ thuật thụ động 19 1.2.2.1 Kỹ thuật dựa Pixel 19 1.2.2.2 Kỹ thuật dựa định dạng 19 1.2.2.3 Kỹ thuật dựa thiết bị thu nhận 19 1.2.2.4 Kỹ thuật dựa đặc tính vât lý 20 iii 1.2.2.5 Kỹ thuật dựa đặc tính hình học 20 1.3 MỘT SỐ PHÉP BIẾN ĐỔI MA TRẬN 20 1.3.1 Phép phân tích SVD 20 1.3.2 Phép phân tích QR 21 1.3.3 Phép biến đổi cosine rời rạc 21 1.3.3.1 Phép biến đổi cosine rời rạc chiều 22 1.3.3.2 Phép biến đổi cosine rời rạc hai chiều 23 1.3.4 Phép biến đổi wavelet rời rạc 24 1.3.4.1 Một số ký hiệu khái niệm 24 1.3.4.2 Ý tưởng chung phép biến đổi DWT trực chuẩn .25 1.3.4.3 Phép biến đổi DWT dạng Haar .26 1.3.4.4 Phép biến đổi DWT dạng Daubechies D4 27 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 28 CHƯƠNG PHÒNG CHỐNG GIẢ MẠO ẢNH BẰNG KỸ THUẬT THỦY VÂN 29 2.1 KỸ THUẬT THỦY VÂN VÀ PHÒNG CHỐNG GIẢ MẠO ẢNH 29 2.2 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ĐIỀU CHỈNH CỘNG GIẢI BÀI TOÁN NMF VÀ XÂY DỰNG LƯỢC ĐỒ THỦY VÂN 31 2.2.1 Giới thiệu toán thừa số hóa ma trận khơng âm số thuật tốn giải 31 2.2.2 Đề xuất thuật toán điều chỉnh cộng giải bải toán NMF 34 2.2.2.1 Điều chỉnh phần tử W .35 2.2.2.2 Điều chỉnh phần tử H 37 2.2.2.3 Điều chỉnh ma trận W H 38 2.2.2.4 Đề xuất thuật toán aNMF 39 2.2.2.5 Điều kiện dừng thuật toán 41 2.2.2.6 Một số kết thực nghiệm 42 2.2.3 Xây dựng lược đồ thủy vân sử dụng thuật toán aNMF .45 iv 2.2.3.1 Thuật toán nhúng thủy vân 45 2.2.3.2 Thuật tốn trích thủy vân 46 2.3 ĐỀ XUẤT LƯỢC ĐỒ THỦY VÂN SỬ DỤNG PHÂN TÍCH QR 48 2.3.1 Lược đồ thủy vân sử dụng phân tích SVD 49 2.3.1.1 Lược đồ thủy vân SVD -1 .49 2.3.1.2 Lược đồ thủy vân SVD-N .53 2.3.2 Đề xuất lược đồ thủy vân sử dụng phân tích QR 55 2.3.2.1 Lược đồ thủy vân QR-1 55 2.3.2.2 Lược đồ thủy vân QR-N 57 2.3.3 Một số ưu điểm lược đồ đề xuất so với lược đồ SVD-1, SVD-N .59 2.3.3.1 Tốc độ thực 59 2.3.3.2 Khả lựa chọn phần tử nhúng thủy vân 60 2.3.3.3 Chất lượng ảnh sau nhúng thủy vân 60 2.3.4 Thực nghiệm .63 2.3.4.1 Bộ ảnh thử nghiệm 63 2.3.4.2 So sánh tính bền vững lược đồ thủy vân 63 2.3.4.3 So sánh lược đồ SVD-1 lược đồ QR-1 vị trí nhúng thủy vân khác 64 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 67 CHƯƠNG PHÁT HIỆN ẢNH GIẢ MẠO DẠNG CẮT/DÁN 68 3.1 ẢNH GIẢ MẠO DẠNG CẮT/DÁN VÀ MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN 68 3.1.1 Ảnh giả mạo dạng cắt/dán quy trình phát 68 3.1.2 Kỹ thuật đối sánh xác 69 3.1.3 Kỹ thuật đối sánh bền vững 70 3.2 MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỐI SÁNH BỀN VỮNG 71 3.2.1 Kỹ thuật dựa đặc trưng màu 72 v 3.2.2 Kỹ thuật dựa phép biến đổi DCT .72 3.2.3 Nhận xét kỹ thuật 73 3.3 ĐỀ XUẤT KỸ THUẬT DỰA TRÊN PHÉP BIẾN ĐỔI DCT 74 3.3.1 Thuật toán phát 75 3.3.2 Thực nghiệm .79 3.3.3 So sánh phân tích 84 3.4 ĐỀ XUẤT PHÉP BIẾN ĐỔI DWT VÀ XÂY DỰNG KỸ THUẬT PHÁT HIỆN 86 3.4.1 Đề xuất xây dựng phép biến đổi DWT động 87 3.4.2 Ứng dụng xây dựng thuật toán phát 91 3.4.3 Thực nghiệm .96 3.5 KỸ THUẬT DỰA TRÊN PHÉP THỪA SỐ HÓA MA TRẬN KHÔNG ÂM NMF 100 3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 101 CHƯƠNG PHÁT HIỆN ẢNH GIẢ MẠO DẠNG GHÉP ẢNH 102 4.1 PHÁT HIỆN ẢNH GIẢ MẠO DẠNG GHÉP ẢNH DỰA TRÊN TÍNH CHẤT CỦA PHÉP LẤY MẪU LẠI TRÊN ẢNH .102 4.1.1 Một số kỹ thuật liên quan 105 4.1.1.1 Kỹ thuật Kirchner (ký hiệu K4) 105 4.1.1.2 Kỹ thuật dựa sai phân bậc hai (ký hiệu SPB2) 106 4.1.1.3 Kỹ thuật Prasad Ramakrishnan (ký hiệu DWT3.5) .106 4.1.2 Tính chất phép lấy mẫu tăng ảnh 107 4.1.2.1 Lấy mẫu lại tín hiệu 107 4.1.2.2 Lấy mẫu lại ảnh 109 4.1.2.3 Tính chất phép lấy mẫu tăng ảnh 109 4.1.3 Đề xuất kỹ thuật phát ảnh giả mạo phép biến đổi hiệu 110 4.1.3.1 Xây dựng phép biến đổi hiệu ma trận điểm ảnh 110 vi 4.1.3.2 Đề xuất kỹ thuật phát ảnh giả mạo dựa phép biến đổi hiệu (ký hiệu BĐH) 111 4.1.4 Đề xuất kỹ thuật dựa lọc thông cao phép biến đổi DWT 112 4.1.4.1 Phép biến đổi DWT .112 4.1.4.2 Đề xuất kỹ thuật giảm độ phức tạp tính tốn (ký hiệu LTC) 114 4.1.5 Đánh giá độ phức tạp tính tốn tính bền vững 116 4.1.5.1 Đánh giá độ phức tạp tính toán BĐH 116 4.1.5.2 Đánh giá độ phức tạp tính tốn DWT3.5 .116 4.1.5.3 Đánh giá độ phức tạp tính tốn LTC 117 4.1.5.4 Phân tích tính bền vững .118 4.1.6 Kết thử nghiệm 119 4.1.6.1 Một số hình ảnh minh họa khả kỹ thuật .119 4.1.6.2 Đánh giá so sánh hiệu kỹ thuật 121 4.2 PHÁT HIỆN GIẢ MẠO ẢNH DẠNG GHÉP ẢNH CÓ NGUỒN GỐC JPEG 122 4.2.1 Dạng ảnh giả mạo 123 4.2.2 Cơ sở lý thuyết 124 4.2.3 Kỹ thuật phát 126 4.2.4 Một số kết thực nghiệm 127 4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 129 KẾT LUẬN .130 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .132 TÀI LIỆU THAM KHẢO .133 TIẾNG VIỆT .133 TIẾNG ANH 134 vii ... cứu kỹ thuật phát ảnh số giả mạo ghép nối từ nhiều ảnh khác Mục tiêu nghiên cứu luận án nghiên cứu, đề xuất số kỹ thuật cho phép phòng chống phát giả mạo ảnh số Việc phòng chống giả mạo ảnh số. .. 4.1.6.1 Một số hình ảnh minh họa khả kỹ thuật Để minh họa khả kỹ thuật chọn số hình ảnh làm giả (vùng khoanh tròn) sau đây: Bảng Một số hình ảnh giả mạo dùng để thực nghiệm Ảnh giả mạo Ảnh giả mạo Ảnh. .. tổng quan ảnh số giả mạo, số kỹ thuật đại phòng chống phát ảnh số giả mạo, phép biến đổi ma trận dùng để xây dựng kỹ thuật phòng chống phát giả mạo ảnh chương Chương 2: Trình bày đề xuất thuật toán