Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh trong thực tiễn: Phần 1

Nhóm tác giả hy vọng tài liệu Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh trong thực tiễn sẽ gửi tới bạn đọc những kiến thức cơ bản về cải thiện ảnh, phục hồi ảnh, phát hiện/nhận dạng ảnh, bảo mật thông tin và ứng dụng các kiến thức đó vào ứng dụng giấu tin mật trong ảnh tĩnh và phát hiện người đi bộ trong ảnh. Phần 1 tài liệu gồm nội dung về một số kỹ thuật dấu tin trong môi trường ảnh tĩnh, mời các bạn cùng tham khảo.

Ih u ? CÔNG THƯƠNG u NG đ i h ọ c s a o Đỏ T h S Dương Đức Hải ( C h ủ b iê n ) r V; Kỹ thuật XỬLÝ ÚNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN ■ ■ N H A XU Ấ T BẢN KHO A HỌC VÀ KỸ TH U Ậ T B ộ CÔNG THƯƠNG T R Ư Ờ N G ĐẠI HỌC SAO ĐỎ ThS DƯƠNG ĐỨC HẢI (Chủ biên) ThS HOÀNG THI AN KỶ THUẬT x LÝ ẢNH, _ ỨNG DỤNG TRONG THựC TIEN cr=7 NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ N Ô I -2015 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Phấn MỘT SỐ KỸ THUẬT GIÁU TIN TRONG MỒI TRƯỜNG ẢNH TĨNH 1.1 Tổng quan phương pháp bảo mật thôngtin 1.1.1 Sơ lược lịch sử giấu tin 1.1.2 Định nghĩa phân loại 10 1.1.3 Mơ hình kỹ thuật giấu tin 18 1.1.4 Những ứng dụng giấu tin 20 1.1.5 Giấu thông tin liệu đa phương tiện 23 1.1.6 Độ an tồn hệ thống giấu thơng t i n 26 1.1.7 Các công biện pháp khắc phục kỹ thuật giấu tin 27 1.2 Một số vấn đề giấu tin ảnh 28 1.2.1 Giấu thông tin ảnh, đặc trưng tính c h ấ t 28 1.2.2 Biểu diễn ảnh máy tính 31 1.2.3 Giấu thông tin ảnh đen trắng, ảnh màu ảnh đa cấp xám 39 1.2.4 Một số tiêu chí đánh giá kỹ thuật giấu thông tin ảnh số 40 1.2.5 Các kỹ thuậtxử lý điểm ảnh 43 1.2.6 Đánh giámột số hệ giấutin ảnh .46 1.3 Một số thuật toán giấu tin ảnh 47 1.3.1 Thuật tốn giấu thơng tin khối bit 48 KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH, ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN 1.3.2 Thuật toán thay bit có trọng số bé LSB (Least Significant Bit) 61 1.3.3* Một số kỹ thuật giấu tin k h c 69 1.3.4 Các hạn chế kỹ thuật giấu tin 78 1.4 Triển khai ứng dụng 79 1.4.1 Giới thiệu 79 1.4.2 Lựa chọn công cụ thuật to n 82 1.4.3 Cài đặt ứng dụng .83 1.4.4 Kết thực nghiệm 94 1.4.5 Các kết luận dựa kết thực nghiệm .102 Phẩn MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN NGƯỜI ĐI Bộ TRONG ẢNH 2.1 Tổng quan kỹ thuật tiền xử lý ảnh 104 2.1.1 Tổng quan kỹ thuật tiền xử lý ảnh trích chọn đặc trư n g 104 2.1.2 Nghiên cứu tổng quan tốn phát người bơ ả n h 137 2.2 Khoảng cách Chamfer ứng dụng kỹ thuật so khớp mẫu 141 2.2.1 Khoảng cách Chamfer khái niệm liênq u a n 141 2.2.2 So khớp mẫu dựa khoảng cách Cham fer 146 2.2.3 Phát người ảnh sử dụng khoảng cách Cham fer 147 2.3 Xây dựng ứng dụng phát ngườiđi ảnh tĩnh 149 2.3.1 Xây dựng phần mềm máy t ín h 2.3.2 Kết thử nghiệm đánh g i 165 TÀI LIỆU THAM K H Ả O 173 ời nói đâu lý ảnh sổ có nhiều ứng dụng thực tế có khả tác động mạnh m ẽ đến sổng nhiều lĩnh vực như: Y tế, truyền thông, an ninh, địa lý, Nhìn nghe hai cách thức quan trọng để người nhận thức giới bên ngồi, vậy, khơng ứng dụng khoa học kỹ thuật, xử lý ảnh ứng dụng hoạt động khác người Các lĩnh vực nghiên cứu cùa xử lý ảnh ứng dụng thực tế là: cải thiện ảnh, phục hồi ảnh, mã hóa ành, nhận dạng ảnh, M ột lĩnh vực sử dụng rộng rãi phát hiện, nhận dạng đổi tượng ảnh, video, ứng dụng xử lý ảnh an tồn bào mật thơng tin Nhóm tác giả hy vọng “ K ỹ íliuật x lý ảnh, ứ n g (lụng thực tiễ n ” gửi tới bạn đọc kiến thức cải thiện ảnh, phục hồi ảnh, phát hiện/nhận dạng ảnh, bảo mật thông tin ứng dụng kiến thức vào ứng dụng giấu tin mật ảnh tĩnh phát người ảnh M ột khó khăn trao đơi thơng tin lĩnh vực trị, qn sự, quốc phịng, kinh tế, thương mại, đảm bảo an toàn thông tin, chổng lại việc ăn cắp quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép, Giấu tin (data hiding) xem công nghệ chìa khố cho vấn để bảo vệ quyền, xác nhận thông tin điểu khiên truy cập, ứng dụng an tồn bào mật thơng tin Cuốn sách giới thiệu tới bạn đọc số nghiên cứa cài tiến thuật toán giấu tin ánh đen trắng đế áp dụng cho ảnh màu ảnh đa cấp xám bủng kỹ thuật sử dụng bít quan trọng ảnh (Least Significant Bit - LSB) sổ kết thực nghiệm cùa nghiên cứu KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH, ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN Ngoài đảm bảo an tồn bảo mật thơng tin, hệ thông giám sát an ninh, cảnh báo an ninh qucm tâm nhiêu M ột trung yêu cầu hệ thống thiẽt bị phút đói lượng, đặc biệt đơi tượng chuyên động M ột đôi tượng cún phát người Trên xe thơng minh có xúy dựng hệ thống cảnh báo phút người bộ, hay hệ thúng giám sát an ninh, canh bảo an ninh cần phát ngiỉời kiêm soát an ninh Trong sách này, nhóm túc già mn giới thiệu tới bạn sổ nghiên cứu phương pháp đánh giá cao phát người ảnh Từ kết phát người ảnh, có thê phát triên thành phát người camera, video bang cách kết hợp thêm kỳ thuật tracking (theo vết đoi tượng) Cuốn sách làm tài liệu tham kháo cho sinh viên hệ kỹ sư, cừ nhân bạn đọc quan tâm đến xử lý ảnh đặc biệt giấu tin ảnh hay phát đổi tượng, đặc biệt phát ngicời ành Mặc dù nhóm túc già có nhiều cổ gắng cơng tác biên soạn cn sách cịn vân đê chưa thể để cập hết thiếu sót mức độ Chủng tơi mong nhận sụ góp ỷ xúy dựng cùa bạn đọc đông nghiệp để lần tái sau hồn thiện Mọi ỷ kiến đóng góp xin gửi địa sau: Dương Đức Hải — Trưởng khoa Điện tử —Tin học —Trường Đại học Sao Đỏ Email: dduchai03@ gmail.com Xin trân trọng cảm ơn! C Á C TÁ C GIẢ Phần MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG MƠI TRƯỜNG ẢNH TĨNH WÊttÊÊÊMtKÊtÊtBKBBKtÊÊBBtBKBÊÊÊtÊKBMMÊÊKMBííỂSMíÊ 1.1 Tổng quan vá phưcmg pháp bảo mậỉ thông tin Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đem lại thay đổi sâu sắc xã hội sống Bên cạnh thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại sinh thách thức hội Sự đời phần mềm có tính mạnh, thiết bị máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lượng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số, thúc đẩy khả sáng tạo, xử lý thưởng thức liệu đa phương tiện (m ultim edia data) Mạng Internet toàn cầu tạo cấu ảo - nơi diễn q trình trao đổi thơng tin lĩnh vực trị, qn sự, quốc phịng, kinh tế, thương mại Chính mơi trường mở tiện nghi xuất vấn nạn, tiêu cực cần giải pháp hữu hiệu nhàm đảm bảo an tồn thơng tin, chống lại nạn ăn cắp quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép, Việc tìm giải pháp cho vấn đề không giúp ta hiểu thêm công nghệ phức tạp phát triển nhanh mà tạo hội phát triển Giải pháp cho n h ữ n g vấn đề trên? Trong thời gian dài, nhiều phương pháp bảo vệ thơng tin đưa ra, giải pháp dùng mật mã ứng dụng rộng rãi Các hệ mã phát triển nhanh chóng ứng dụng phổ KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH, ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN biến Thông tin ban đầu mã hóa thành ký hiệu vỏ nghĩa, sau lấy lại thơng qua việc giải mã nhờ khố cùa hệ mã Đã có nhiều hệ mã phức tạp hiệu sừ dụng DES RSA KNAPSACK, [4], Trong khuôn khổ sách này, nhóm tác già khơng nghiên cứu vẻ hệ mã mật mà tìm hiểu phương pháp nghiên cứu, ứng dụng mạnh mẽ nhiều nước thê giới Đó phương pháp giấu tin (data hiding) - phương pháp xem cơng ngltệ chìa khố cho vấn đê bào vệ quyên, xác nhận thông tin điều khiển truy cập, ứng dụng an tồn bảo mật thơng tin Giả sử ta có đôi tượng cân bảo mật R (một văn bản, tám bàn dô tệp âm thanh, ) Nêu dùng phương pháp mã hóa đẻ bảo mật R ta thu mật mã R R ’ chẳng hạn Thông thường, R mang giá trị “vơ nghĩa” điều làm cho đơi phương nghi ngờ tìm cách thám mã Ngược lại, dùng phương pháp giấu R vào đối tượng khác, ảnh F chẳng hạn ta thu ảnh F ’ hầ u n h khơng sai khác với F Sau chi cần gừi ảnh F' cho người nhận Đe lấy tin R từ ảnh F ’ ta không cần ảnh gốc F Xem vậy, đối phương bắt ảnh F ' ảnh ]ạ (ảnh cá nhân, ảnh phong cảnh nơi không tiếne) khó nảy sinh nghi ngờ khả chứa tin mật F ’ Như vậy, khác biệt mã hóa thơng tin giấu thơnu tin mức độ lộ liễu đối tượng mang tin mật Nếu ta phổi hợp hai phương pháp mức độ lộ liễu giảm đến mức tối đa, đồns thời độ an toàn nâng cao Chẳng hạn ta mã hóa R R ' sau giâu R vào ảnh F đê thu ảnh F ' Tóm lại, giấu thơng tin hệ mã mật có quan hệ mật thiết với nhau, xây dựnc nén hệ thống an toàn bảo mật thông tin Phần MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG MỒI TRƯỜNG ẢNH TĨNH H in h 1.1 P hân cấ p lĩn h vực nghiên u m ậ t m ã học / / / Sơ lược vé lịch sử giấu tin Từ Steganography bắt nguồn từ Hy Lạp sử dụng ngày nay, có nghĩa tài liệu phủ (covered writing) viết bí mật Các câu chuyện kể kỹ thuật giấu thông tin truyền qua nhiều hệ Có lẽ ghi chép sớm kỹ thuật giấu thông tin (thông tin hiểu theo nghĩa nguyên thủy nó) thuộc sử gia Hy Lạp Herodotus Khi bạo chúa Hy Lạp Histiaeus bị vua Darius bất giữ Susa vào kỷ V trước Công nguyên, ông ta gửi thông báo bí mật cho rể Aristagoras Miletus Histiaeus cạo trọc đầu nô lệ tin cậy xăm thông báo da đầu người nơ lệ Khi tóc người nô lệ mọc đủ dài người nô lệ gửi tới Miletus Một câu chuyện khác thời Hy Lạp cổ đại Herodotus ghi lại Môi trường để ghi văn viên thuốc bọc sáp ong Demeratus, người Hy Lạp, cần thông báo cho Sparta Xerxes định xâm chiếm Hy Lạp Đe tránh bị phát hiện, bóc lớp sáp khỏi viên thuốc khắc thông báo lên bề mặt viên thuốc này, sau bọc lại viên thuốc bang lớp sáp Những viên thuốc để ngỏ lọt qua kiểm tra cách dề dàng Mực không màu phương tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin thời gian dài Người Romans cổ biết sử dụng chất sẵn có nước quả, nước tiểu sữa để viết thơng báo bí mật hàng văn tự thông thường Khi bị hơ nóng, thứ mực khơng nhìn KỸ THUẬT xử LÝ ẢNH, ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN thấy trở nên sẫm màu đọc dễ dàng Mực khơng mài sử dụng gần đâv thời gian Chiên tranh thê giới thứ hai Ý tưởng che giấu thơng tin có từ hàne nghìn năm vẻ trước kỹ thuật dùng chù yếu quân đội quan tình báo Mãi quan tâm cùa tin với hàng loạt công thông tin phát vài thập niên gần đây, giấu thông tin nhận nhà nghiên cứu viện cơng nghệ thơng trình nghiên cứu giá trị Cuộc cách mạng sơ hóa triên nhanh chóng mạng trun thơng ngun nhân dẫn đến thay đổi Những phiên chép hoàn hảo, kỹ thuật thay thế, sửa đổi tinh vi, cộng với lưu thông phân phối mạng dừ liệu đa phương tiện sinh nhiều vấn đề nhức nhối nạn ăn cắp bàn quyền, phân phối bất hợp pháp, xuyên tạc trái phép, ỉ 1.2 Định nghĩa vả phân loại 1.1.2.1 C c định nghĩa [25] Đ ịnh nghĩa 1: Giấu thông tin Giấu thông tin kỳ thuật nhúng (giảu) lượng thủng tin số nùtì vào đổi tượng dừ liệu sổ khúc Kỹ thuật giâu thơng tin chủ yếu hướng vào hai mục đích sau đâv: bảo mật cho dừ liệu đem giấu, hai bảo mật cho đối tượng dùng đê giâu tin Hai mục đích khác dẫn đến hai khuynh hướng kỳ thuật chù yếu cùa giấu tin Khuynh hướng thứ nhât giâu tin mật (steganography) Khuynh hướng tập trung vào kỳ thuật giấu tin cho thône tin giấu nhiêu quan trọng làm người khác khó phát đối tượng có giấu tin bên hay không Khuynh hướng thứ hai thủy vân số (watermark) Khuynh hướnc thủy vân sơ có miên ứng dụng lớn nên quan tâm nghiên cứu nhiều 10 Phẩn MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG MỒI TRƯỜNG ẢNH TĨNH B2 Giấu tin tạo thành file LSB nhúng tin: - Giấu Password - Giấu phần mở rộng - Giấu kích thước file thơng tin cần nhúng - Giấu file thông tin nhị phân e) M odule giải tin ílieo thuật tốn giấu trục tiếp vào điểm ảnh (decodingLSBO) Đầu vào: Password, file LSB trích từ file ảnh giâu tin Đầu ra: File nhị phân thông tin giấu vào bit LSB, phần mở rộng file giấu Quá trình giải tin theo cúc bước sau: B l Tiền xử lý: - Mở file nhị phân để ghi kết - Kiểm tra Password: lấy Password từ file LSB so sánh với Password nhập vào - Lấy phần mở rộng file - Tính kích thước thơng tin giấu B2 Q trình giải tin: - Đọc bit từ file LSB, ghi vào file kết - Lặp lại bước hết kích thước thơng tin giấu f ) M odule giải m ã thông tin tách từ bit LSB trả địnli(lạng ban dầu (putf_newbininfo()) Đầu vào: File nhị phàn thông tin giải tin từ ảnh Đau ru: File thông tin giải mã định dạng trước giấu 89 KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH, ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN Quá trình giải mã theo bước sau: B l Tiền xử lý: - Mở file nhị phân thông tin giải tin từ bit LSB - Mở file để ghi kết B2 Chuyển file nhị phân thông tin thành file nén: ghi lại thòng tin từ file nhị phân thông tin thành byte vào file nén B3 Giải nén chuyển định dạng ban đầu I.4.3.3 M ô tả cấu trúc ch o n g trình ứ n g dụng DataHiding xây dựng nhàm thử nghiệm thuật tốn giấu tin sở trích bit LSB đề cập mục4.2 Phần mô tả cấu trúc sổ chức ứng dụnc Cácchức thể sơ đồ phân cấp chức (Hình 1.30) H ìn h 1.30 S đồ phả n cấp c c cùa ứ ng dung 90 Phần MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG MỒI TRƯỜNG ẢNH TĨNH Chức “Thực giấu tin ” Thực nhiệm vụ nhúng thông tin cần giấu vào ảnh môi trường Cho phép người sử dụng lựa chọn giấu tin trực tiếp vào điêm ảnh giấu tin vào khối bit j j j gj pB M B Chọn file áabt g j g |F\dau tin trorg anh\Thu_ngh Browse T ê p t i a cẩn gi ấu GIAI TIN Tữ ANH Khô I Mộtkhổu: p “— ành giđu tin: [FAdau tin anhVThu File kết quá: jc:\thunghiem\k(j Phưong phâpgiàitin (• Giđu trục tiếp vào điểm ành c Giíĩu kh5 bit Hình 1.33 Giao diện lựa chọn giải tin từ ảnh giấu Clíức “Kết giấu tin Cho phép xem ảnh môi trường sau nhúng thông tin Cliửc “Kết giải tin ”: Cho phép xem thông tin phục hồi sau giấu 93 KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH, ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIẾN - is C hư a n h ậ p m ặ t k.háu Bạn ctiưa d iọ n ảnh mói trườhg OK OK r s s s lỹ\ » \ ảnh khón đủ lớn đế giáu h ết tin Nén chọn ảnh khéc hoâc thay k iđ i thước khối {5j[i ' V4/ File thóng tin qué ớn cr ọn File ảnh Ún ncrưói tfn) lai OK OK H ìn h 1.34 M ột số thơng báo lỗ i điển hình 1.4.4 Kết thực nghiệm Việc thực nghiệm thực bàng chương trình DataHidinu xây dựng Ảnh mơi trường ảnh Bitmap 24 bit màu ảnh đa cấp xám Thơng tin giấu có định dạng khác nhau: vân TXT, DOC; Cơ sở dừ liệu MDB (M icrosoft Access) DBF (Visual FOX); Ảnh BMP, JPEG, Quá trình thực nghiệm tiến hành máy tính có cấu hinh: Vi xư lý Celeron 1.2 GB 128 Mb RAM, MB Video Card; cài hệ điều hành Windows XP Phần mềm dùng để hiển thị thực phép biến đổi anh phán mềm Photo Editor cùa M icrosoft Office XP Đê làm sờ so sánh lựa chọn, thực nghiệm tiến hành ưén ca hai giải thuật: giấu tin trực tiếp vào điểm ảnh giấu tin vào khối bit 94 Phần MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG MỊI TRƯỜNG ẢNH TÍNH 4.4.1 T h ự c nghiệm tính ẩn thơng tin a) Các kết thự c nghiệm với g iả i th u ậ t g iấ u tin trự c tiếp vào điểm ảnh BóCĨNGNGHIÍP CĨNGHOAXẢHỘI CHÚNííHlAVIÈTNAM ĨRUONÍITH CNCOĐIÍN Đocbp - Tưdo-Haubphúc «» - -oOo- - BOCĨNGNíiHIÍP CỘNGHO HĨI CHUNCHĨAMÉTNAM TRlílíNí; THCNCOđiên Dockip-Tưổo -Emh pliúc *» - -oOo—