Một số kỹ thuật phòng chống giả mạo ảnh số : Luận án Tiến sĩ Hệ thống thông tin: 62 48 01 04
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.18 MB, 162 trang )
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:
1. PGS. TS Phạm Văn Ất
2. PGS. TS Trịnh Nhật Tiến
Hà Nội – 2017
Xác nhận luận án đã được chỉnh sửa theo kết luận của 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
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
được viết chung với các tác giả khác đều được sự đồng ý của các đồng tác giả
trước khi đưa vào luận án. Các kết quả được trình bày trong luận án là mới, các số
liệu là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác./.
Nghiên cứu sinh
Trần Đăng Hiên
i
LỜI CẢM ƠN
Luận án này được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia
Hà Nội dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS.TS. Trịnh Nhật Tiến và
PGS.TS. Phạm Văn Ất, những người mà từ đó Nghiên cứu sinh đã học được rất
nhiều điều quý báu, các thầy là tấm gương sáng cho tôi trong nghiên cứu chuyên
môn cũng như trong cuộc sống. Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các
thầy về sự giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình trong quá trình nghiên cứu.
Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn đến PGS. TS. Hà Quang Thụy, PGS. TS.
Nguyễn Ngọc Hóa đã có nhiều góp ý chuyên môn và sự động viên tinh thần giúp
vượt qua nhiều khó khăn trong quá trình nghiên cứu cũng như trong cuộc sống. Tôi
cũng xin gửi lời cảm ơn các thầy giáo, cô giáo ở Bộ môn Các Hệ thống thông tin,
Khoa Công nghệ thông tin đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ trong thời gian học
tập tại Trường. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo nhà trường, khoa và các
đồng nghiệp tại nhóm nghiên cứu Seminar An toàn thông tin.
Nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến PGS. TS. Đỗ Năng
Toàn đã có những góp ý chuyên môn cho tôi suốt từ khi bắt đầu quá trình học tập.
Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình và bạn bè đã động viên,
giúp đỡ về 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 .........................................................................................................1
CHƯƠNG 1. 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 và phân loại .................................................................12
1.1.2.1 Ghép ảnh .......................................................................................12
1.1.2.2 Cắt/dán trên cùng một 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 và phân loại thủy vân ...................................................15
1.2.1.2 Các yêu cầu với lược đồ thủy vân .................................................16
1.2.1.3 Ứng dụng của thủy vân .................................................................17
1.2.2
Kỹ thuật thụ động ..............................................................................19
1.2.2.1 Kỹ thuật dựa trên Pixel .................................................................19
1.2.2.2 Kỹ thuật dựa trên định dạng ..........................................................19
1.2.2.3 Kỹ thuật dựa trên thiết bị thu nhận................................................19
1.2.2.4 Kỹ thuật dựa trên đặc tính vât lý ...................................................20
iii
1.2.2.5 Kỹ thuật dựa trên 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 một 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 và khái niệm .........................................................24
1.3.4.2 Ý tưởng chung của 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 1 ..........................................................................28
CHƯƠNG 2. 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 bài toán thừa số hóa ma trận không âm và một số thuật
toán giải ..........................................................................................................31
2.2.2
Đề xuất thuật toán điều chỉnh cộng giải bải toán NMF ....................34
2.2.2.1 Điều chỉnh một phần tử của W .....................................................35
2.2.2.2 Điều chỉnh một phần tử của H ......................................................37
2.2.2.3 Điều chỉnh ma trận W và H ..........................................................38
2.2.2.4 Đề xuất thuật toán aNMF ..............................................................39
2.2.2.5 Điều kiện dừng của thuật toán ......................................................41
2.2.2.6 Một số kết quả 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 toán 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 của các lược đồ đề xuất so với lược đồ SVD-1,
SVD-N. ...........................................................................................................59
2.3.3.1 Tốc độ thực hiện............................................................................59
2.3.3.2 Khả năng lựa chọn phần tử nhúng thủy vân .................................60
2.3.3.3 Chất lượng ảnh sau khi 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 của các lược đồ thủy vân ..........................63
2.3.4.3 So sánh lược đồ SVD-1 và lược đồ QR-1 tại các vị trí nhúng thủy
vân khác nhau ............................................................................................64
2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ..........................................................................67
CHƯƠNG 3. 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 và quy trình phát hiện ............................68
3.1.2
Kỹ thuật đối sánh chính 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 trên 7 đặc trưng màu ....................................................72
v
3.2.2
Kỹ thuật dựa trên phép biến đổi DCT ...............................................72
3.2.3
Nhận xét về các kỹ thuật ...................................................................73
3.3 ĐỀ XUẤT KỸ THUẬT DỰA TRÊN PHÉP BIẾN ĐỔI DCT ..................74
3.3.1
Thuật toán phát hiện ..........................................................................75
3.3.2
Thực nghiệm .....................................................................................79
3.3.3
So sánh và 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 hiện ..........................................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 3 ........................................................................101
CHƯƠNG 4. 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 của Kirchner (ký hiệu là K4) ........................................105
4.1.1.2 Kỹ thuật dựa trên sai phân bậc hai (ký hiệu là SPB2) ................106
4.1.1.3 Kỹ thuật của Prasad và Ramakrishnan (ký hiệu là DWT3.5) .....106
4.1.2
Tính chất của phép lấy mẫu tăng trên ảnh ......................................107
4.1.2.1 Lấy mẫu lại tín hiệu ....................................................................107
4.1.2.2 Lấy mẫu lại trên ảnh ....................................................................109
4.1.2.3 Tính chất của phép lấy mẫu tăng trên ảnh ..................................109
4.1.3
Đề xuất kỹ thuật phát hiện ảnh giả mạo bằng phép biến đổi hiệu ..110
4.1.3.1 Xây dựng phép biến đổi hiệu trên ma trận điểm ảnh ..................110
vi
4.1.3.2 Đề xuất kỹ thuật phát hiện ảnh giả mạo dựa trên phép biến đổi
hiệu (ký hiệu BĐH)..................................................................................111
4.1.4
Đề xuất kỹ thuật dựa trên lọc thông cao của 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 toán (ký hiệu LTC) ......114
4.1.5
Đánh giá độ phức tạp tính toán và tính bền vững ...........................116
4.1.5.1 Đánh giá độ phức tạp tính toán của BĐH ...................................116
4.1.5.2 Đánh giá độ phức tạp tính toán của DWT3.5 .............................116
4.1.5.3 Đánh giá độ phức tạp tính toán của LTC ....................................117
4.1.5.4 Phân tích tính bền vững...............................................................118
4.1.6
Kết quả thử nghiệm .........................................................................119
4.1.6.1 Một số hình ảnh minh họa khả năng các kỹ thuật.......................119
4.1.6.2 Đánh giá và so sánh hiệu quả các 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 hiện ...........................................................................126
4.2.4
Một số kết quả thực nghiệm ............................................................127
4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ........................................................................129
KẾT LUẬN .............................................................................................................130
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN ÁN ...............................................................................................................132
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................133
TIẾNG VIỆT .....................................................................................................133
TIẾNG ANH......................................................................................................134
vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu/
chữ viết tắt
Ý nghĩa
BMP
Bitmap (định dạng ảnh)
CBCL
Center for Biological & Computational Learning (cơ sở dữ liệu)
DB4
Daubechies 4 (phép biến đổi wavelet)
DCT
Discrete Cosine Transform (biến đổi cosine rời rạc)
DFT
Discrete Fourier Transform (Phép biến đổi Fourier rời rạc)
DWT
Discrete Wavelet Transform (biến đổi wavelet rời rạc)
ENE
Eelectric Network Frequency (Tần số lưới điện)
EM
Expectation Maximization (Thuật toán EM)
IDCT
Inverse Discrete Cosine Transform (phép biến đổi DCT ngược)
IDWT
Inverse Discrete Wavelet Transform (biến đổi DWT ngược)
JPEG
Joint Photographic Experts Group (một định dạng ảnh nén)
MP3
MPEG Audio Layer III (một định dạng nén âm thanh)
MPEG
Moving Picture Experts Group (một định dạng nén video)
KKT
Krush-Kuhn-Tucker (điều kiện hội tụ)
NMF
Non-negative Matrix Factorization (khai triển ma trận không âm)
PCA
Principal component analysis (phân tích thành phần chính)
PSNR
Peak Signal-to-Noise Ratio (tỉ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu)
SVD
Singular Value Decomposition (phân tích giá trị đặc trưng)
TIFF
Tagged Image File Format (định dạng ảnh)
WAVE
Waveform Audio File Format (một định dạng nén âm thanh)
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Giá trị phần dư KKT tương đối. ......................................................42
Bảng 2.2. Các giá trị trung bình của hàm mục tiêu. .........................................43
Bảng 2.3. Thời gian chạy máy trung bình. .......................................................44
Bảng 2.4. Giá trị của hàm mục tiêu. .................................................................44
Bảng 2.5. Chất lượng ảnh của các lược đồ thuỷ vân (Diff càng nhỏ thì chất
lượng càng cao). ...............................................................................................64
Bảng 2.6. Giá trị Err của các lược đồ thủy vân (Err càng nhỏ thì càng bền
vững).................................................................................................................65
Bảng 2.7. Giá trị Err theo lược đồ SVD-1 và QR-1 tại các vị trí nhúng khác
nhau. .................................................................................................................66
Bảng 3.1. Một số hình ảnh giả mạo dạng cắt/dán và kết quả phát hiện. ..........80
Bảng 3.2. Một ảnh giả mạo dạng cắt/dán có tấn công và kết quả phát hiện. ...81
Bảng 3.3. Kết quả thử nghiệm với vùng cắt/dán là vuông và bất kỳ. ..............83
Bảng 3.4. Kết quả thử nghiệm với vùng ảnh sau khi cắt/dán được thêm nhiễu
Gaussian. ..........................................................................................................83
Bảng 3.5. Kết quả thử nghiệm với ảnh sau khi cắt/dán được nén JPEG. .........83
Bảng 3.6. Kết quả thử nghiệm với ảnh sau khi cắt/dán được làm mờ Gaussian
Blurring.............................................................................................................83
Bảng 3.7. Bảng kết quả đánh giá tỉ lệ bỏ sót của thuật toán. ...........................84
Bảng 3.8. Bảng kết quả đánh giá tỷ lệ phát hiện nhầm của thuật toán. ...........84
Bảng 3.9. So sánh thời gian thực hiện và kết quả phát hiện giữa ba thuật toán.
..........................................................................................................................85
Bảng 3.10. So sánh giá trị của 4 khối ảnh sau khi áp dụng phép biến đổi DWT
hai mức. ............................................................................................................90
Bảng 3.11. Một số kết quả phát hiện ảnh giả mạo có thao tác thêm nhiễu, làm
mờ, nén ảnh. .....................................................................................................97
Bảng 3.12. Kết quả thử nghiệm với ảnh sau khi cắt dán ..................................98
ix
Bảng 3.13. Bảng so sánh tỷ lệ phát hiện vùng phát hiện đúng và phát hiện
nhầm của thuật toán. .........................................................................................99
Bảng 4.1. Kết quả mô tả do độ đồng đều của các khối ảnh sau khi lấy mẫu
tăng. ................................................................................................................110
Bảng 4.2. Độ phức tạp tính toán của các kỹ thuật. .........................................117
Bảng 4. 3. Một số hình ảnh giả mạo được dùng để thực nghiệm. ..................119
Bảng 4.4. Một số hình ảnh giả mạo và kết quả phát hiện. .............................119
Bảng 4.5. Minh họa tính bền vững của các kỹ thuật. .....................................120
Bảng 4.6. Thời gian thực hiện của 3 kỹ thuật (đơn vị là giây). ......................121
Bảng 4.7. Đánh giá khả năng phát hiện và tính bền vững của các kỹ thuật. ..122
x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Đối chiếu ảnh gốc (trái) với ảnh giả mạo trong đó đã chỉnh sửa thêm
vào một nhân vật (tướng Francis P. Blair) . .....................................................10
Hình 1.2. Đối chiếu ảnh gốc (trái) với ảnh giả mạo trong đó đã chỉnh sửa bỏ đi
một nhân vật ....................................................................................................11
Hình 1.3. Hình ảnh trên internet được cho là giả mạo thử tên lửa của Iran và
Triều tiên. .........................................................................................................11
Hình 1.4. Mô tả quả trình từ ảnh thật trở thành ảnh giả mạo. ..........................12
Hình 1.5. Ảnh giả mạo bên phải đã được cắt ghép từ hai ảnh gốc ban đầu. ....12
Hình 1.6. Ảnh che phủ và bỏ đi đối tượng. ......................................................13
Hình 1.7. Minh họa cho loại ảnh giả mạo chỉnh sửa ảnh: (a) ảnh gốc, (b) ảnh
được thay đổi màu sắc, (c) ảnh tăng độ tương phản, (d) ảnh được làm mờ nền.
..........................................................................................................................13
Hình 1.8. Hai hướng trong phòng chống và phát hiện ảnh số giả mạo ............14
Hình 1.9. Quá trình nhúng thủy vân .................................................................15
Hình 1.10. Quá trình trích thủy vân .................................................................15
Hình 1.11. Áp dụng phép biến đổi DWT theo hàng và cột ..............................26
Hình 1.12. Áp dụng phép biến đổi DWT theo hai mức ...................................27
Hình 2.1. Quy trình sử dụng kỹ thuật thủy vân cho xác thực/phòng chống giả
mạo ảnh. ...........................................................................................................29
Hình 2.2. Ảnh được chia khối và dấu thủy vân được trích ra ..........................30
Hình 2.3. Lưu đồ thuật toán nhúng thủy vân sử dụng thuật toán aNMF. ........46
Hình 2.4. Lưu đồ thuật toán trích thủy vân sử dụng thuật toán aNMF. ...........47
Hình 2.5. a)Ảnh Baboon, b)Lena, c)Pepper, d)Airplane và e)Ảnh logo Trường
ĐHCN ...............................................................................................................64
Hình 3.1. Ví dụ ảnh giả mạo cắt/dán, (a) là ảnh ban đầu, (b) là ảnh giả với một
chú chim được sao chép. ..................................................................................68
Hình 3.2. Quy trình phát hiện ảnh giả mạo dạng cắt/dán. ................................69
Hình 3.3. Sơ đồ tổng quát kỹ thuật đối sánh chính xác. ...................................70
xi
Hình 3.4. Sơ đồ tổng quát kỹ thuật đối sánh bền vững. ...................................71
Hình 3.5. Chia khối theo 4 hướng. ...................................................................72
Hình 3.6. Vẽ hình tròn trên ma trận hệ số DCT. ..............................................72
Hình 3.7. Đánh số thứ tự các phần tử của ma trận hệ số DCT theo đường
zigzag. ...............................................................................................................75
Hình 3.8. Vectơ dịch chuyển của vùng cắt/dán. ...............................................78
Hình 3.9. Sơ đồ thuật toán sử dụng phép biến đổi DCT để xây dựng véc tơ đặc
trưng..................................................................................................................79
Hình 3.10. Đồ thị thể hiện giá trị cả ba phương pháp biến đổi DWT. .............90
Hình 3.11. Véctơ dịch chuyển của vùng cắt/dán. .............................................95
Hình 3.12. Sơ đồ thuật toán sử dụng phép biến đổi DWT động để xây dựng
véc tơ đặc trưng. ...............................................................................................95
Hình 4.1. Quá trình tạo ảnh giả mạo dạng ghép ảnh và ví dụ minh họa. .......102
Hình 4.2. Sơ đồ các bước trong kỹ thuật dựa trên phép biến đổi DWT song
trực giao 3.5. ...................................................................................................107
Hình 4.3. Sơ đồ thực hiện phép biến đổi DWT thuận. ...................................113
Hình 4.4. Sơ đồ phép biến đổi DWT ngược. ..................................................113
Hình 4.5. Sơ đồ các bước trong LTC. ............................................................115
Hình 4.6. Quá trình tạo ảnh giả mạo. .............................................................123
Hình 4.7. Quá trình tạo ảnh giả mạo dạng 2 ..................................................123
Hình 4.8. Sơ đồ quá trình lượng tử và giải lượng tử hai lần. .........................125
Hình 4.9. Hình ảnh tạo ảnh giả mạo JPEG. ....................................................128
Hình 4.10. Kết quả thử nghiệm với các mức nén khác nhau. ........................128
xii
PHẦN MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài: Sự ra đời của công nghệ thông tin và truyền thông
đã tạo ra một cuộc cách mạng kỹ thuật số, nó làm thay đổi thế giới về cơ bản.
Thông tin được lưu trữ trong hệ thống máy tính dưới dạng số được coi như một
phần của cuộc sống.
V
nói chung và ảnh số nói riêng
, các thiết bị thu nhận và phần mềm chỉnh
sửa có những bước tiến vượt bậc giúp cho một người không cần những kiến thức
chuyên gia có thể thao tác thay đổi ảnh số một cách dễ đàng. Do vậy, cá nhân, tổ
chức đều có
ẹ
ảnh số và
trở nên
Từ nhu cầu đó mà lĩnh
vực phòng chống, phát hiện ảnh số giả mạo xuất hiện và phát triển, thu hút nhiều
nhà nghiên cứu.
Phòng chống và phát hiện ảnh số giả mạo là một chủ đề nghiên cứu khoa học công nghệ thời sự và được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Một số cuốn sách
chuyên về lĩnh vực này đã được công bố, chẳng hạn như [13,39]; nhiều luận án tiến
sĩ đã được hoàn thành, trong số đó [16,42,90,98,127]. Nhiều hội thảo, tạp chí
chuyên về liên quan đã được tổ chức, xuất bản, chẳng hạn như International
Workshop Digital-Forensics and Watermarking [109], Transactions on Data
Hiding and Multimedia Security [110], IEEE Transactions on Forensics and
Security, v.v…. Phòng chống, phát hiện ảnh số giả mạo nhận được sự quan tâm của
cộng đồng nghiên cứu giấu tin nói riêng, và cộng đồng nghiên cứu an toàn thông tin
nói chung. Một số nhóm nghiên cứu mạnh có kết quả tốt là nhóm của GS. Hany
Farid, GS. Kou-Liang Chung,.... Các kỹ thuật phòng chống và phát hiện ảnh số giả
mạo được phân thành hai loại chính là kỹ thuật chủ động (active) và kỹ thuật điều
tra ảnh số thụ động (passive); kỹ thuật điều tra ảnh số chủ động (gọi tắt là kỹ thuật
chủ động) gồm kỹ thuật băm tính toán trước (Precomputation of hash) và kỹ thuật
1
ẩn thông tin (Information Hiding); kỹ thuật điều tra ảnh số thụ động (gọi tắt là kỹ
thuật thụ động) gồm kỹ thuật dựa trên quy luật nội tại (Intrinsic regularities) và kỹ
thuật xáo trộn dự thường (Tamper anomalies) [13, 34]. Theo H. Farid [39] và M. A.
Qureshin, M. Deriche [106], giả mạo ảnh số được phân làm ba loại chính bao gồm
cắt ghép/ghép nối (Image splicing), giả mạo dạng cắt/dán (copy/move) và chỉnh sửa
ảnh (Image retourching) tùy thuộc vào kiểu kỹ thuật tạo ảnh giả mạo.
Kỹ thuật chủ động dùng để bảo vệ hay xác thực ảnh số, người ta thường sử
dụng thủy vân số “Digital Watermarking” [35], hay công cụ trong mật mã học là
chữ ký số “Digital signature” [6,85] để đảm bảo sự toàn vẹn, phòng chống giả mạo
của đối tượng chứa nó. Nhưng trong thực tế không phải lúc nào các ảnh số cũng
được nhúng thủy vân hay tạo chữ ký đại diện, do vậy kỹ thuật thụ động được nghiên
cứu phát triển. Các kỹ thuật này phát hiện sự giả mạo mà không cần các thủy vân
bên trong hay chữ ký số đi cùng. Ý tưởng cơ bản của các kỹ thuật này là dựa vào
quy luật nội tại là các số liệu thống kê, tính chất, đặc điểm của dữ liệu ảnh, các phép
thao tác chỉnh sửa để phát hiện giả mạo, tìm ra bằng chứng của sự chỉnh sửa, mặc
dù sự chỉnh sửa không để lại dấu vết về mặt thị giác, thính giác [39,40].
Tình hình nghiên cứu ngoài nước: Thủy vân số đã được nghiên cứu rộng rãi
vài năm trở lại đây, và hiện nay đã xuất hiện nhiều hướng mới như: thủy vân thuận
nghịch, thủy vân khóa công khai, thủy vân kết hợp với mật mã học,…. Theo I. Cox
và cộng sự [35] các kỹ thuật thủy vân có thể được phân thành hai nhóm: Thủy vân
bền vững “Robust” và thủy vân dễ vỡ “Fragile”. Thủy vân bền vững
Do vậy thủy vân bền vững được ứng dụng để giải
quyết bài toán bảo vệ bản quyền. S. Juergen [63
58,67
2
tr
nhúng
dấu thủy vân cần
bị phá hủy (hay vỡ)
, phòng chống giả mạo
Các kỹ thuật thụ động, không sử dụng thủy vân hay chữ ký số gần đây cũng có
nhiều kết quả mới. Đối với ảnh số có một vài phương pháp khác nhau trong việc dò
tìm giả mạo đã được đề xuất như: T.T Ng và Chang [89] đề xuất một phương pháp
phát hiện vùng ảnh chồng bằng kỹ thuật thống kê bậc cao. H. Fraid và cộng sự
[100,101] phát triển phương pháp phát hiện bằng cách đánh dấu các vùng thay đổi
và lấy mẫu lại có sử dụng màng lọc màu nội suy, một phương pháp khác dựa trên
việc kiểm tra sự mâu thuẫn trong hướng nguồn sáng lên các đối tượng trên ảnh
[61,62,65]. Fridrich và cộng sự [43,44] đã đưa ra một phương pháp phát hiện với
các ảnh cắt/dán bằng phương pháp đối sánh khối bao và mẫu nhiễu. Với mỗi
phương pháp nêu trên chỉ áp dụng cho một trường hợp giả mạo nhất định và không
áp dụng được cho các trường hợp giả mạo khác. Phương pháp trong [62,65] thể
hiện rất hạn chế trong phát hiện các ảnh giả mạo, tỷ lệ thống kê sai rất cao. Phương
pháp cắt dán trong [43,44] chỉ hạn chế trong một số trường hợp giả mạo, khi một
phần của ảnh được sao chép và dán vào một vị trí khác trong ảnh. Phương pháp dò
tìm và lấy mẫu lại trong [100,101] có thể cho ra rất ít kết quả chính xác với ảnh lưu
dưới dạng JPEG. Phương pháp phân tích hướng nguồn sáng trong [61,62,65] chỉ áp
dụng được với nguyên lý mặt phẳng Lambertian cho cả vùng giả mạo và vùng gốc,
và sẽ không làm việc khi các đối tượng không tương thích về bề mặt, có cùng
hướng nguồn sáng, hoặc trong điều kiện ánh sáng yếu trời nhiều mây. Đối với
video, Weihong Wang [132] có đưa ra một số phương pháp dựa trên sự đan xen
(interlaced), giải đan xen (de-interlaced), phép chiếu lại (re-projection), sự nhân bản
(duplication). Với dữ liệu âm thanh trong [69,91] các tác giả đưa ra hai phương
pháp phổ biến là dựa trên phân tích khoảng phổ (spectral distances) và phân tích
ENE để xác định giả mạo. Ngoài ra, một số nghiên cứu tập trung vào định dạng của
3
dữ liệu như trong [82], cụ thể là các định dạng JPEG, MPEG, WAVE, MP3,…, đặc
điểm của các phương pháp này có lợi thế là không phụ thuộc các phép xử lý hình
ảnh, âm thanh mà chỉ phụ thuộc các dữ liệu thống kê của ảnh do các định dạng này
tạo ra. Nhược điểm của các phương pháp là hạn chế trong các môi trường dữ liệu
nghiên cứu để ứng dụng trong thực tế thì còn nhiều thách thức.
Tình hình nghiên cứu trong nước:
- Đại học Quốc gia
t
kỷ yếu
bài báo trên các
nhằm tăng khả
năng nhúng
vân bền vững
h
Tác giả Nguyễn Ngọc Hà [4
nghị
.
Tác giả Nguyễn Hải Thanh [8] đưa ra một số cải tiến
dựa trên lược đồ thủy vân CPT, các cải tiến này kết hợp với mã hóa đàn hồi để ứng
dụng. Tác giả Hồ Thị Hương Thơm [12] nghiên các kỹ thuật phát hiện ảnh có giấu
tin.
tác giả Đặng
Thu Hiền và cộng sự [5]
y sinh
4
Kỹ thuật thụ động với các phương pháp không chứa dấu thủy vâ
ở mức
độ giới thiệu các phương pháp. Tuy nhiên cũng có một số kết quả như trong [7,
9,10] giới thiệu phương pháp phát hiện ảnh giả mạo dựa trên mẫu nhiễu, phương
pháp đối sánh chính xác phát hiện ảnh giả mạo dạng cắt/dán. Như vậy, hướng
nghiên cứu này ở nước ta còn rất mới mẻ và tiềm năng.
Định hướng nghiên cứu của luận án
Để đóng góp thêm, nâng cao hiệu quả của các kỹ thuật điều tra ảnh số cho
mục tiêu phòng chống và phát hiện giả mạo ảnh số, luận án đã chọn lọc nghiên cứu
một số hướng với phạm vi cụ thể:
- Nghiên cứu các phương pháp biến đổi ma trận làm cơ sở để xây dựng các kỹ
thuật phòng chống và phát hiện giả mạo ảnh số.
- Nghiên cứu các lược đồ thủy vân bán dễ vỡ cho bài toán xác thực/phòng
chống giả mạo ảnh số.
- Nghiên cứu kỹ thuật đối sánh bền vững cho bài toán phát hiện ảnh giả mạo
dạng cắt/dán trên cùng một ảnh. Nghiên cứu các kỹ thuật phát hiện giả mạo dạng
ghép ảnh từ nhiều ảnh dựa trên tính chất của phép lấy mẫu lại trên ảnh và nén
JPEG.
Toàn bộ thời gian thực hiện luận án này, tất cả định hướng nêu trên đã đạt
được mục tiêu đề ra.
Với định hướng như vậy, luận án tập trung giải đáp các câu hỏi nghiên cứu sau
đây:
- Cách tạo ảnh giả mạo như thế nào, những cách nào là phổ biến?
5
- Với mục đích đảm bảo tính xác thực của ảnh số trong quá trình trao đổi
thông tin các kỹ thuật nào có thể phòng chống được sự can thiệp từ bên ngoài để
làm giả ảnh số?
- Với các ảnh số bất kỳ được phổ biến trên mạng Internet có thể sử dụng các
kỹ thuật nào để phát hiện được ảnh nào là nguyên bản (ảnh thật) ảnh nào là ảnh đã
bị chỉnh sửa (ảnh giả)?
Trả lời câu hỏi nghiên cứu trên đây, luận án trình bày các nội dung nghiên cứu
chính sau đây:
- Nghiên cứu khái quát về ảnh số giả mạo, điều tra ảnh số và các kỹ thuật ,
phương pháp phòng chống, phát hiện giả mạo ảnh số.
- Nghiên cứu các phép biến đổi ma trận được sử dụng để xây dựng các kỹ
thuật điều tra ảnh số chủ động, thụ động.
- Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bán dễ vỡ để xác thực/phòng chống ảnh số giả
mạo, tập trung vào các kỹ thuật sử dụng các phép biến đổi ma trận.
- Nghiên cứu các kỹ thuật phát hiện ảnh số giả mạo dạng cắt/dán (copy/move)
trên cùng một ảnh. Nghiên cứu các kỹ thuật phát hiện ảnh số giả mạo được ghép nối
từ nhiều ảnh khác nhau.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu, đề xuất một số kỹ thuật cho
phép phòng chống và phát hiện giả mạo ảnh số. Việc phòng chống giả mạo ảnh số
hiện nay có rất nhiều hướng khác nhau. Vì vậy, phạm vi nghiên cứu của luận án
được tập trung vào các phương pháp chính sau đây:
• Kỹ thuật chủ động: Phòng chống giả mạo ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân số.
• Kỹ thuật thụ động: Phát hiện ảnh giả mạo dạng cắt/dán trên cùng một ảnh
và dạng ghép ảnh từ nhiều ảnh khác nhau.
6
Đối tượng nghiên cứu của luận án là các kỹ thuật thủy vân trong việc phòng
chống/xác thực các ảnh số giả mạo và các kỹ thuật phát hiện ảnh số giả mạo dạng
căt/dán và ghép ảnh.
Phạm vi nghiên cứu của luận án là dựa trên tính chất của một số phép biến
đổi ma trận DCT, DFT, SVD, QR, DWT, NMF đề xuất các kỹ thuật thủy vân bán
dễ vỡ phòng chống giả mạo ảnh, kỹ thuật phát hiện ảnh giả mạo dạng cắt/dán và
ghép ảnh.
Phương pháp nghiên cứu của luận án là thông qua việc khảo sát các công
trình nghiên cứu có nội dung liên quan trực tiếp. Từ đó phân tích, đánh giá dựa vào
kiểm định giả thuyết thống kê. Dựa trên những kết quả đánh giá này, tiến hành thử
nghiệm để từ đó rút ra các quy luật về các đặc trưng và đề xuất thuật toán phù hợp.
Luận án có các đóng góp chính sau đây:
Để xây dựng các kỹ thuật với mục tiêu như trên, luận án tập trung nghiên cứu
sâu các công cụ toán học là các phép biến đổi ma trận DCT, DFT, DWT, NMF,
SVD, QR,..., từ đó xây dựng các phép biến đổi mới làm cơ sở để cải tiến, đề xuất
các kỹ thuật chủ động và thụ động trong việc phòng chống và phát hiện giả mạo ảnh
số (đến nay hướng nghiên cứu này vẫn thu hút nhiều sự quan tâm của nhiều nhà
nghiên cứu trên thế giới, chẳng hạn như [13,28, 34,54,55,75,109,110,127]). Luận án
đã đạt được một số kết quả, đóng góp một phần vào lĩnh vực nghiên cứu, cụ thể như
sau:
1. Nghiên cứu các phép biến đổi ma trận DCT, DWT, NMF, SVD, QR,... làm
cơ sở để xây dựng các kỹ thuật phòng chống giả mạo ảnh số.
+ Đề xuất thuật toán điều chỉnh cộng cho bài toán thừa số hóa ma trận không
âm NMF. Thuật toán đề xuất có ưu điểm độ phức tạp tính toán thấp và tốc độ hội tụ
nhanh hơn. Kết quả nghiên cứu này được công bố trong công trình số [4] phần
"Danh mục công trình khoa học của tác giả liên quan đến luận án" và trình bày
trong Chương 2 của luận án.
7
+ Đề xuất phép biến đổi DWT động, phép biến đổi mới này có khả năng tập
trung năng lượng của ảnh cao hơn vào các phần tử thuộc góc phần tư thứ nhất. Các
kỹ thuật phát hiện giả mạo dạng cắt/dán sử dụng phương pháp này để trích chọn các
đặc trưng so sánh sẽ cho hiệu quả phát hiện tốt hơn. Kết quả nghiên cứu này được
công bố trong công trình số [3] và trình bày trong Chương 3 của luận án.
Các phép biến đổi NMF, DWT động dùng để xây dựng lược đồ thủy vân bán
dễ vỡ và kỹ thuật phát hiện ảnh giả mạo dạng cắt/dán, ghép ảnh.
2. Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bán dễ vỡ phòng chống giả mạo ảnh.
+ Sử dụng phép biến đổi NMF với thuật toán điều chỉnh cộng đề xuất xây
dựng lược đồ thủy vân bán dễ vỡ.
+ Đề xuất lược đồ thủy vân bán dễ vỡ sử dụng phép phân tích ma trận QR. Kết
quả nghiên cứu này được công bố trong công trình số [2]. Các nội dung này được
trình bày trong Chương 2 của luận án.
3. Nghiêu cứu các kỹ thuật phát hiện ảnh giả mạo dạng cắt/dán. Từ đó đề xuất
một số kỹ thuật mới như sau:
+ Kỹ thuật đối sánh bền vững phát hiện ảnh giả mạo dạng cắt/dán dựa trên
phép biến đổi DCT. Kết quả nghiên cứu này được công bố trong công trình số [1]
và trình bày trong Chương 3 của luận án.
+ Kỹ thuật đối sánh bền vững phát hiện ảnh giả mạo dạng cắt/dán dựa trên
phép biến đổi DWT động. Kết quả nghiên cứu này được công bố trong công trình
số [3] và trình bày trong Chương 3 của luận án.
Các kỹ thuật mới này có ưu điểm là số đặc trưng ít nên độ phức tạp tính toán
thấp và hiệu quả phát hiện tốt.
4. Nghiên cứu các kỹ thuật phát hiện ảnh giả mạo dạng ghép ảnh. Các kỹ thuật
được xây dựng dựa trên tính chất của phép lấy mẫu lại và nén JPEG.
+ Đề xuất hai kỹ thuật dựa trên phép biến đổi hiệu và lọc thông cao của phép
biến đổi DWT, hai kỹ thuật này sử dụng tính phẳng của phép lấy mẫu tăng để phát
hiện ảnh giả mạo dạng ghép ảnh. Chúng có ưu điểm tốc độ tính toán thấp, khả năng
phát hiện tốt, nên có ý nghĩa khi ảnh giả mạo được chia thành các khối với số lượng
8
lớn. Kết quả nghiên cứu này được công bố trong công trình số [5] và trình bày trong
Chương 4 của luận án.
+ Bước đầu xây dựng kỹ thuật dựa trên đặc điểm của phép nén JPEG.
Ngoài ra, nghiên cứu sinh còn có được một số kết quả nghiên cứu được đăng
trong các bài báo liệt kê trong phần tài liệu tham khảo [1,2,3,11].
Bố cục của luận án
Bố cục của luận án bao gồm phần mở đầu, kết luận và bốn chương nội dung
cùng với tài liệu tham khảo.
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về ảnh số giả mạo, một số kỹ thuật hiện đại
phòng chống và phát hiện ảnh số giả mạo, các phép biến đổi ma trận dùng để xây
dựng các kỹ thuật phòng chống và phát hiện giả mạo ảnh trong các chương kế tiếp.
Chương 2: Trình bày đề xuất thuật toán điều chỉnh cộng giải bài toán thừa số
hóa ma trận không âm NMF, xây dựng lược đồ thủy vân sử dụng phép biến đổi ma
trận NMF này. Trình bày lược đồ thủy vân bán dễ vỡ SVD-1, SVD-N sử dụng phân
tích ma trận SVD, đề xuất lược đồ thủy vân QR-1, QR-N sử dụng phân tích QR.
Nội dung của chương được tổng hợp lại từ các công trình đã công bố trong [2,4].
Chương 3: Trình bày đề xuất xây dựng phép biến đổi DWT động. Đặc tả chi
tiết các kỹ thuật phát hiện ảnh giả mạo dạng cắt/dán dựa trên phép biến đổi DCT,
DWT động, NMF. Nội dung của chương được tổng hợp lại từ các công trình đã
công bố trong [1,3,4].
Chương 4: Trình bày đề xuất kỹ thuật dựa trên phép biến đổi hiệu và lọc
thông cao của phép biến đổi DWT phát hiện ảnh giả mạo dạng ghép ảnh. Giới thiệu
một số kết quả của kỹ thuật phát hiện dựa trên tính chất của phép nén JPEG. Nội
dung của chương được tổng hợp lại từ công trình đã công bố trong [5].
9
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ẢNH SỐ GIẢ MẠO, PHÒNG
CHỐNG GIẢ MẠO ẢNH SỐ, CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI MA TRẬN
Chương này giới thiệu các khái niệm cơ bản về ảnh giả mạo, kỹ thuật chủ
động và thụ động phòng chống và phát hiện ảnh giả mạo. Nội dung của chương còn
giới thiệu một số phép biến đổi ma trận DCT, DWT, NMF, SVD, QR,… là các
công cụ, cơ sở toán học để xây dựng các kỹ thuật chủ động và thụ động được sử
dụng trong luận án.
1.1 CÁC DẠNG ẢNH GIẢ MẠO
1.1.1 Giới thiệu
Làm giả hình ảnh đã được thực hiện từ lâu, có rất nhiều ví dụ nổi tiếng được
biết đến trong lịch sử cũng như ở hiện tại. Các ảnh giả mạo được sử dụng với nhiều
mục đích từ chính trị, thương mại, luật pháp,.... Dưới đây là một số ví dụ điển hình
về các hình ảnh giả mạo:
Hình 1.1. Đối chiếu ảnh gốc (trái) với ảnh giả mạo trong đó đã chỉnh sửa
thêm vào một nhân vật (tướng Francis P. Blair) [39].
10
