Nghiên cứu các phương pháp phát hiện ảnh kỹ thuật số giả mạo và ứng dụng

...

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN PHƢƠNG THÚY

NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÁT HIỆN
ẢNH KỸ THUẬT SỐ GIẢ MẠO VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

THÁI NGUN - 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN PHƢƠNG THÚY

NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÁT HIỆN
ẢNH KỸ THUẬT SỐ GIẢ MẠO VÀ ỨNG DỤNG
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60.48.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN NGỌC CƢƠNG

THÁI NGUYÊN – 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

LỜI CẢM ƠN

Luận văn đƣợc thực hiện tại Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền
Thông – Đại học Thái Nguyên dƣới sự hƣớng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Ngọc
Cƣơng.
Trƣớc hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Nguyễn Ngọc
Cƣơng - Học viện An ninh nhân dân, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ để em
hoàn thành tốt luận văn của mình.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo Trƣờng Đại học
Công nghệ Thông tin và Truyền Thông - Đại học Thái Nguyên, cùng các thầy cơ
giáo đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quá trình học
tập tại trƣờng cũng nhƣ quá trình làm luận văn này.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp
những ngƣời đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện cho em trong q trình học tập
và hồn thành luận văn.
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 05 năm 2014
HỌC VIÊN

NGUYỄN PHƢƠNG THÚY

i


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu các phương pháp phát hiện ảnh kỹ
thuật số giả mạo và ứng dụng” là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự
hƣớng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Ngọc Cƣơng. Các số liệu, hình ảnh đƣợc sử
dụng trong luận văn cũng nhƣ các kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận văn
là trung thực.

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... ii
MỤC LỤC .................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................... vi
PHẦN 1: PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................... 1
1. Giới thiệu tổng quan về đề tài ................................................................................. 1
2. Bố cục luận văn ....................................................................................................... 2
PHẦN 2: NỘI DUNG ................................................................................................. 4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ ẢNH GIẢ MẠO ...................... 4
1.1. Xử lý ảnh, một số vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh ................................................ 4
1.1.1. Xử lý ảnh ....................................................................................................... 4
1.1.2. Biểu diễn ảnh ................................................................................................. 4
1.1.3. Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh ...................................................... 5
1.1.4. Các giai đoạn trong xử lý ảnh ........................................................................ 8
1.1.4.1. Thu nhận ảnh ........................................................................................... 8
1.1.4.2. Tiền xử lý ................................................................................................ 8
1.1.4.3. Phân đoạn ảnh ......................................................................................... 9
1.1.4.4. Hệ quyết định .......................................................................................... 9
1.1.4.5. Trích chọn đặc điểm ................................................................................ 9

1.1.4.6. Nhận dạng.............................................................................................. 10
1.2. Ảnh giả mạo và phát hiện ảnh giả mạo .............................................................. 11
1.2.1. Ảnh giả mạo ................................................................................................. 11
iii


1.2.2. Các dạng ảnh giả mạo cơ bản ...................................................................... 13
1.2.2.1. Ghép ảnh ................................................................................................ 13
1.2.2.2. Tăng cƣờng ảnh ..................................................................................... 14
1.2.2.3. Sao chép và dịch chuyển vùng trên ảnh ................................................ 14
1.2.3. Hƣớng tiếp cận bài toán phát hiện ảnh giả mạo ........................................... 16
1.2.3.1. Dựa vào hình dạng................................................................................. 16
1.2.3.2. Dựa vào phân tích nguồn sáng .............................................................. 16
1.2.3.3. Dựa vào biến đổi màu sắc ..................................................................... 16
1.2.3.4. Dựa vào cơ sở dữ liệu ............................................................................ 16
1.2.3.5. Dựa vào dấu vết quá trình điều chỉnh tỷ lệ............................................ 17
CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH KỸ THUẬT SỐ GIẢ
MẠO.......................................................................................................................... 18
2.1. Phát hiện ảnh giả mạo dựa trên thuật toán Exact Match .................................... 18
2.1.1. Ý tƣởng ........................................................................................................ 18
2.1.2. Thuật toán .................................................................................................... 19
2.1.3. Phát hiện ảnh giả mạo dựa vào kỹ thuật thay đổi kích thƣớc ...................... 20
2.1.3.1. Các kỹ thuật thay đổi kích thƣớc ........................................................... 20
2.1.3.2. Thuật toán cải tiến Exact Match* .......................................................... 22
2.2. Phát hiện ảnh giả mạo dựa trên thuật tốn phân tích nguồn sáng ...................... 25
2.2.1. Các phƣơng pháp uớc lƣợng hƣớng nguồn sáng ......................................... 25
2.2.1.1. Nguồn ánh sáng vô tận (3-D) ................................................................ 25
2.2.1.2. Nguồn ánh sáng vô tận (2-D) ................................................................ 27
2.2.1.3. Nguồn sáng cục bộ (2-D) ...................................................................... 28
2.2.1.4. Nhiều nguồn sáng .................................................................................. 28

2.2.2. Thuật toán nhận dạng ảnh giả mạo dựa trên phân tích nguồn sáng ............. 29
iv


2.2.2.1. Tách biên đối tƣợng ............................................................................... 29
2.2.2.2. Loại bỏ các đối tƣợng nhỏ và nhiễu ...................................................... 32
2.2.2.3. Chọn các đoạn biên để uớc lƣợng hƣớng ánh sáng ............................... 33
2.2.2.4. Thuật toán uớc lƣợng hƣớng sáng trên đoạn biên ................................. 33
2.3. Phát hiện ảnh giả mạo dựa vào thuật toán phân tích mẫu nhiễu cảm biến ........ 35
2.3.1. Mẫu nhiễu và các phƣơng thức biểu diễn .................................................... 35
2.3.2. Dị tìm mẫu nhiễu ......................................................................................... 38
2.3.3. Thuật toán phát hiện giả mạo ....................................................................... 41
CHƢƠNG 3: THỬ NGHIỆM CHƢƠNG TRÌNH ................................................... 44
3.1. Bài tốn phát hiện ảnh giả mạo .......................................................................... 44
3.2. Chƣơng trình thử nghiệm ................................................................................... 45
3.2.1. Giao diện chƣơng trình ................................................................................ 45
3.2.2. Thơng tin chƣơng trình ................................................................................ 45
3.2.3. Phát hiện ảnh giả mạo bằng thuật toán Exact Match ................................... 52
3.2.4. Kết quả kiểm tra ........................................................................................... 50
PHẦN 3: KẾT LUẬN ............................................................................................... 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 54
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 56

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Q trình xử lý ảnh .................................................................................. 4
Hình 1.2. Biểu diễn ảnh bằng hàm f(X,Y) ................................................................ 5

Hình 1.3. Ảnh thu nhận và ảnh mong muốn ............................................................ 6
Hình 1.4. Các bƣớc cơ bản trong xử lý ảnh số ......................................................... 8
Hình 1.5. Các thành phần cơ bản của một hệ xử lý ảnh .......................................... 10
Hình 2.1. Bức anh giả mạo của Brian Walski .......................................................... 12
Hình 2.2. Nghị sĩ John Kerry và nữ diễn viên Jane Fonda phát biểu ...................... 12
Hình 2.3. Ghép ảnh từ hai ảnh riêng rẽ .................................................................... 13
Hình 2.4. Ví dụ về tăng cƣờng ảnh .......................................................................... 14
Hình 2.5. Ảnh che phủ và bỏ đi đối tƣợng ............................................................... 15
Hình 2.6. Ảnh bổ sung đối tƣợng ............................................................................. 15
Hình 2.7. Sơ đồ về việc phát hiện ảnh giả mạo dựa vào cơ sở dữ liệu .................... 17
Hình 2.8. Minh họa cho việc tìm kiếm khối bao của thuật tốn Extract Match ...... 18
Hình 2.9: Ảnh cắt dán giả mạo và thuật toán phát hiện ảnh giả mạo Exact Match . 19
Hình 2.10: ơ hình ánh xạ các điểm ảnh từ ảnh gốc sang ảnh đích ........................... 20
Hình 2.11: Phát hiện mâu thuẫn hƣớng nguồn sáng ................................................ 25
Hình 2.12: Minh họa hƣớng nguồn sáng và pháp tuyến bề mặt của đối tƣợng ....... 27
Hình 2.13: Hai đối tƣợng đƣợc chiếu bởi một nguồn sáng ở gần ............................ 28
Hình 2.14: Kết quả đạo hàm theo 2 hƣớng x và y ................................................... 30
Hình 2.15: Kết quả minh họa tính độ lớn biên ......................................................... 31
Hình 2.16: Minh họa các liên thơng theo 4, 8, 6 láng giềng .................................... 32
vi


Hình 2.17: Minh họa các điểm đƣợc đánh dấu để xóa............................................. 33
Hình 2.18: Minh họa các điểm đƣợc đánh dấu để nối nét đứt. ................................ 33
Hình 2.19: Minh họa kết quả xác định hƣớng ánh sáng trên bức ảnh giả mạo có sẵn
................................................................................................................................... 34
Hình 2.20: Mơ hình mẫu nhiễu ................................................................................ 37
Hình 2.21: Minh họa vùng R đƣợc chọn và mẫu nhiễu tham chiếu tƣơng ứng của
nó. ............................................................................................................................. 39
Hình 2.22: Hình ảnh minh họa chọn các vùng Q i và mẫu tham chiếu

............... 40

Hình 2.23: Mơ hình tạo mẫu tham chiếu của camera .............................................. 41
Hình 2.24: Sơ đồ mơ tả mơ hình thực nghiệm ......................................................... 44
Hình 3.1: Giao diện chính ........................................................................................ 45
Hình 3.2: Giao diện thơng tin................................................................................... 46
Hình 3.3: Lựa chọn vùng nghi vấn........................................................................... 47
Hình 3.4: Giao diện kiểm tra vùng nghi vấn ............................................................ 48
Hình 3.5: Thêm vùng nghi vấn ................................................................................ 48
Hình 3.6: Chƣơng trình đang phân tích.................................................................... 49
Hình 3.7: Kết quả kiểm tra vùng giống nhau ........................................................... 50

vii


PHẦN 1: PHẦN MỞ ĐẦU

1. Giới thiệu tổng quan về đề tài
Mỗi bức ảnh đƣợc sáng tác một cách có chủ đích đều truyền tải những thơng
điệp riêng, bên cạnh đó ảnh đƣợc coi là cơng cụ biểu diễn và truyền đạt thông tin rất
hữu dụng. Hiện nay, công nghệ kỹ thuật số hiện đại và sự phát triển của các phần
mềm chỉnh sửa ảnh, nên các bức ảnh có thể dễ dàng bị chỉnh sửa.
Các ảnh đƣa vào máy tính đƣợc số hóa, sử dụng các chức năng của phần
mềm để cắt, dán, tẩy, xoay, chuyển đổi vị trí, nâng cao chất lƣợng ảnh ... tạo một
bức ảnh nhƣ ý mà không để lại nhiều dấu vết của sự giả mạo. Do vậy, chúng ta có
thể thấy việc phát hiện ảnh giả mạo này càng trở nên khó khăn và cần thiết.
Ảnh giả mạo đƣợc xem là ảnh không có thật, việc có đƣợc ảnh là do có sự
can thiệp bởi các chƣơng trình xử lý ảnh hoặc quá trình thu nhận. Giả mạo ảnh
nhằm vào nhiều mục đích trong đó có việc vu cáo, tạo ra các tin giật gân, đánh lừa

đối thủ, làm sai lệch chứng cứ phạm tội...
Việc phát hiện và chống giả mạo ảnh là một chủ đề ngày càng đƣợc quan
tâm bởi nhiều nhóm nghiên cứu. Nhƣ các nghiên cứu thuộc cấp bộ của nhóm tác giả
Vũ Đức Thi, Đỗ Năng Tồn, Viện cơng nghệ thơng tin, các nhóm của Dugelay với
nghiên cứu về thủy phân, nhóm Fridrich, với nghiên cứu về nhiễu, phát hiện ảnh giả
mạo dựa vào đối sánh khối bao, Fraid với nghiên cứu về thống kê trên ảnh, về phép
nén ảnh JPEG và sự mâu thuẫn ánh sáng trên ảnh, nhóm của Chang với các phân
tích về mẫu nhiễu trên ảnh.
Trong những năm gần đây, con ngƣời có thể dễ sử dụng các phần mềm xử lý
ảnh để tạo ra các bức ảnh ghép tinh vi, tạo nên những tình huống không tồn tại làm
giảm độ tin cậy và giá trị của bức ảnh. Có thể thấy ảnh hƣởng của thơng tin trên
những bức ảnh là rất lớn, nó ln có tác động trực tiếp tới con ngƣời, do đó chúng
1


tôi chọn đề tài nghiên cứu: “ Nghiên cứu các phương pháp phát hiện ảnh kỹ thuật
số giả mạo và ứng dụng.”
Các thuật toán phát hiện ảnh giả mạo bao gồm: Thuật toán Exact Mach, thuật
toán Exact Mach* (thuật toán dị tìm khối bao giống nhau), thuật tốn phân tích
nguồn sáng, thuật tốn phân tích mẫu nhiễu cảm biến.
Trong thực tế, các bức ảnh giả mạo thƣờng đƣợc làm giả bằng cách thêm, bớt,
xóa, sửa...thuật tốn Exact Mach dựa trên ý tƣởng đối sánh khối bao để tìm ra
những điểm giống nhau trên bức ảnh nhằm phát hiện ảnh giả mạo trong trƣờng hợp
ảnh bị cắt dán bởi các phần khác trong ảnh nhƣng chƣa phát hiện đƣợc ảnh có thay
đổi kích thƣớc, thuật tốn Exact Mach* cũng dựa trên ý tƣởng đối sánh khối bao có
khả năng phát hiện đối với các ảnh giả mạo đạng cắt dán từ hính một ảnh và có sự
thay đổi về kích thƣớc cho phép giả quyết bài toán thực tế. Do vậy, tơi lựa chọn
thuật tốn Exact Mach, thuật tốn Exact Mach* để thử nghiệm cho chƣơng trình phát
hiện ảnh giả mạo.
2. Bố cục luận văn

 Phần mở đầu: Giới thiệu tổng quan đề tài và bố cục luận văn
 Nội dung:
Ử LÝ ẢNH VÀ ẢNH GIẢ MẠO
1.1. Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh.
1.2. Ảnh giả mạo và phát hiện ảnh giả mạo.
CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH KỸ THUẬT SỐ GIẢ
MẠO
2.1. Phát hiện ảnh giả mạo dựa trên thuật toán Exact Match
2.2. Phát hiện ảnh giả mạo dựa trên thuật tốn phân tích nguồn sáng
2


2.3. Phát hiện ảnh giả mạo dựa trên thuật toán phân tích mẫu nhiễu
CHƢƠNG 3: THỬ NGHIỆM CHƢƠNG TRÌNH
3.1. Bài tốn phát hiện ảnh giả mạo
3.2. Chƣơng trình thử nghiệm
 Phần kết luận
 Tài liệu tham khảo
 Phụ lục

3


PHẦN 2: NỘI DUNG
CHƢƠN G 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ ẢNH GIẢ MẠO
1.1. Xử lý ảnh, một số vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh
1.1.1. Xử lý ảnh
Con ngƣời thu nhận thông tin qua các giác quan, trong đó thị giác đóng vai
trị quan trọng vì thông tin thu nhận đƣợc thu nhận bằng mắt tức là ở dạng hình ảnh.
Trong những năm gần đây với sự phát triển của phần cứng máy tính, xử lý ảnh và

đồ hoạ phát triển một cách mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống [2].
Xử lý ảnh đƣợc xem nhƣ là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho ra kết
quả mong muốn. Kết quả đầu ra của một q trình xử lý ảnh có thể là một ảnh “tốt
hơn” hoặc một kết luận.

Hình 1.1. Quá trình xử lý ảnh
1.1.2. Biểu diễn ảnh
Đối với ảnh đơn giản (ảnh đen trắng) thì ảnh đƣợc biểu diễn bằng một hàm
cƣờng độ sáng hai chiều f(X,Y). Trong đó X, Y là các giá trị toạ độ không gian và
hàm giá trị của f tại một điểm (X,Y) bất kỳ sẽ tỷ lệ với độ sáng hay mức xám của
điểm ảnh tại điểm này. Giá trị của hàm f(X,Y) đƣợc hạn chế trong phạm vi của các
số nguyên dƣơng 0≤ f(X,Y) ≤ fmax.

4


P(X,Y)

Hình 1.2. Biểu diễn ảnh bằng hàm f(X,Y)
Các ảnh thƣờng đƣợc biểu diễn theo 2 mơ hình cơ bản:
Mơ hình Raster: Là mơ hình biểu diễn ảnh thơng dụng nhất hiện nay. Ảnh
đƣợc biểu diễn dƣới dạng ma trận các điểm ảnh. Tùy theo nhu cầu thực tế mà mỗi
điểm ảnh có thể đƣợc biểu diễn bởi một hay nhiều bit. Mơ hình Raster thuận lợi cho
việc thu nhận, hiển thị và in ấn.
Mơ hình Vector: Bên cạnh mục đích tiết kiệm không gian lƣu trữ, dễ dàng
hiển thị và in ấn, các ảnh biểu diễn theo mơ hình vector cịn có ƣu điểm cho phép dễ
dàng lựa chọn, sao chép, di chuyển, tìm kiếm,…Theo những yêu cầu này thì kỹ
thuật biểu diễn vector tỏ ra ƣu việt hơn.
1.1.3. Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh
 Ảnh: Là một tập hợp các pixel có cấu trúc, ta có thể coi ảnh là một mảng

hai chiều I ( n, p ) có n dịng và p cột, ảnh sẽ có n

p (pixel). Ta ký hiệu I ( X ,Y ) để chỉ

điểm ảnh có toạ độ ( X , Y ) .
 Điểm ảnh: Gốc của ảnh là ảnh liên tục về không gian và độ sáng. Để xử lý
bằng máy tính, ảnh cần phải đƣợc số hố.
Số hoá ảnh là sự biến đổi gần đúng một ảnh liên tục thành một tập điểm phù
hợp với ảnh thật về vị trí (khơng gian) và độ sáng (mức xám). Khoảng cách giữa các
điểm ảnh đó đƣợc thiết lập sao cho mắt ngƣời không phân biệt đƣợc ranh giới giữa
chúng.
Mỗi một điểm nhƣ vậy gọi là điểm ảnh (PEL: Picture Element) hay gọi tắt là
Pixel. Trong khuôn khổ ảnh hai chiều, mỗi pixel ứng với cặp tọa độ (x,y).
5


Điểm ảnh (Pixel) là một phần tử của ảnh số tại toạ độ (x, y) với độ xám hoặc
màu nhất định. Kích thƣớc và khoảng cách giữa các điểm ảnh đƣợc chọn thích hợp
sao cho mắt ngƣời cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám (hoặc màu) của
ảnh số gần nhƣ ảnh thật. Mỗi phần tử trong ma trận đƣợc gọi là một phần tử ảnh.
 Mức xám (Gray level): Đó là kết quả của việc mã hóa, cho tƣơng ứng một
cƣờng độ sáng của mỗi điểm ảnh với một giá trị số, có thể là 16, 32, 64 mức, mã
hóa 256 mức là phổ dụng nhất.
 Nắm chỉnh biến dạng
Ảnh thu nhận thƣờng bị biến dạng do các thiết bị quang học và điện tử.
P’i

Pi

f(Pi)

Ảnh thu nhận

Ảnh mong muốn

Hình 1.3. Ảnh thu nhận và ảnh mong muốn [1]
Để khắc phục ngƣời ta sử dụng các phép chiếu, các phép chiếu thƣờng đƣợc
xây dựng trên tập các điểm điều khiển.
 Khử nhiễu
Có 2 loại nhiễu cơ bản trong quá trình thu nhận ảnh [1].
- Nhiễu hệ thống: Là nhiễu có quy luật có thể khử bằng các phép
biến đổi.
- Nhiễu ngẫu nhiên: Vết bẩn không rõ nguyên nhân

khắc phục bằng các

phép lọc.
 Phân tích ảnh
Là khâu quan trọng trong quá trình xử lý ảnh để tiến tới hiểu ảnh. Trong
phân tích ảnh việc trích chọn đặc điểm là một bƣớc quan trọng, các đặc điểm của
6


đối tƣợng đƣợc trích chọn tùy theo mục đích nhận dạng trong quá trình xử lý ảnh.
Một số đặc điểm của ảnh nhƣ: Đặc điểm không gian, đặc điểm biến đổi, đặc điểm
biên và đƣờng biên.[1]
 Nhận dạng ảnh
Nhận dạng ảnh thƣờng đi sau các q trình trích chọn các đặc trƣng chủ yếu
của đối tƣợng. Quá trình này liên quan đến các mô tả đối tƣợng mà ngƣời ta muốn
đặc tả nó.

Nhận dạng ảnh là một qua trình phân hoạch ảnh thành các đối tƣợng ảnh con,
chúng đƣợc gán vào từng lớp nhãn để đối sánh với mẫu và đối sánh theo các quy
luật biết trƣớc nào đó.
Hệ thống nhận dạng tự động bao gồm ba khâu tƣơng ứng với ba giai đoạn chủ
yếu sau đây:
- Thu nhận dữ liệu và tiền xử lý.
- Biểu diễn dữ liệu.
- Nhận dạng, ra quyết định.
Bốn cách tiếp cận khác nhau trong lý thuyết nhận dạng là:
- Đối sánh mẫu dựa trên các đặc trƣng đƣợc trích chọn.
- Phân loại thống kê.
- Đối sánh cấu trúc.
- Phân loại dựa trên mạng nơ-ron nhân tạo.

7


1.1.4. Các giai đoạn trong xử lý ảnh

Hình 1.4. Các bƣớc cơ bản trong xử lý ảnh số
1.1.4.1. Thu nhận ảnh
Đây là bƣớc đầu tiên trong quá trình xử lý ảnh. Thu ảnh số bằng bộ cảm biến
ảnh vơi khả năng số hoa tín hiệu của bộ cảm biến. Bộ thu ảnh ở đây có thể là máy
chụp ảnh đơn sắc hay màu, máy quét ảnh, … Mặc dù đây chỉ là cơng đoạn đầu tiên
song kết quả của nó có ảnh hƣởng rất nhiều đến cơng đoạn kế tiếp.
1.1.4.2. Tiền xử lý
Mục đích cuả gia đoạn này nâng cao cải thiện về độ tƣơng phản, khử nhiễu,
khử bóng, khử độ lệch, v.v… để làm cho chất lƣợng ảnh trở nên tốt hơn nữa, chuẩn
bị cho các bƣớc xử lý phức tạp hơn về sau trong quá trình xử lý ảnh.
+ Khử nhiễu: Gồm nhiễu hệ thống và nhiễu ngẫu nhiên. Nhiễu hệ thống có

đặc trƣng là tính tuần hồn. Nên để có thể khử nhiễu này cần sử dụng phép biến đổi
Fourier và loại bỏ các đỉnh điểm. Đối với nhiễu ngẫu nhiên, có thể khử bằng
phƣơng pháp nội suy, lọc trung vị và trung bình.
+ Chỉnh mức xám: Đây là kỹ thuật nhằm chỉnh sửa tính khơng đồng đều của
thiết bị thu nhận hoặc độ tƣơng phản giữa các vùng ảnh.
+ Chỉnh tán xạ: Ảnh thu nhận đƣợc từ các thiết bị quang học hay điện tử có
thể bị mờ, nhoè. Phƣơng pháp biến đổi Fourier dựa trên tích chập của ảnh với hàm
tán xạ cho phép giải quyết việc hiệu chỉnh này.
8


1.1.4.3. Phân đoạn ảnh
Phân đoạn ảnh có nghĩa là chia một ảnh đầu vào thành nhiều phần khác nhau
hay còn gọi là các đối tƣợng để biểu diễn phân tích, nhận dạng ảnh. Đây là phần
phức tạp khó khăn nhất trong xử lý ảnh và cũng dễ gây lỗi, làm mất độ chính xác
của ảnh. Kết quả nhận dạng ảnh phụ thuộc rất nhiều vào công đoạn này.
1.1.4.4. Hệ quyết định
Ảnh là một đối tƣợng khá phức tạp về đƣờng nét, độ sáng tối, dung lƣợng
điểm ảnh, môi trƣờng để thu ảnh phong phú kéo theo nhiễu. Trong nhiều khâu xử lý
và phân tích ảnh ngồi việc đơn giản hóa các phƣơng pháp toán học đảm bảo tiện
lợi cho xử lý, ngƣời ta mong muốn bắt chƣớc quy trình tiếp nhận và xử lý ảnh theo
cách của con ngƣời. Trong các bƣớc xử lý đó, nhiều khâu hiện nay đã xử lý theo các
phƣơng pháp trí tuệ con ngƣời. Vì vậy, ở đây các cơ sở tri thức đƣợc phát huy.
1.1.4.5. Trích chọn đặc điểm
Việc giải quyết bài tốn nhận dạng trong những ứng dụng mới nảy sinh
trong cuộc sống không chỉ tạo ra những thách thức về giải thuật, mà cịn đặt ra
những u cầu về tốc độ tính tốn.
Việc trích chọn hiệu quả các đặc điểm giúp cho việc nhận dạng các đối
tƣợng ảnh chính xác, với tốc độ tính tốn cao và dung lƣợng nhớ lƣu trữ giảm
xuống.

Các đặc điểm của đối tƣợng đƣợc trích chọn tuỳ theo mục đích nhận dạng
trong q trình xử lý ảnh. Có thể nêu ra một số đặc điểm của ảnh sau đây:
- Đặc điểm không gian: Phân bố mức xám, phân bố xác suất, biên độ, điểm uốn.
- Đặc điểm biến đổi: Các đặc điểm loại này đƣợc trích chọn bằng việc thực hiện
lọc vùng (zonal filtering). Các bộ vùng đƣợc gọi là “mặt nạ đặc điểm” (feature
mask) thƣờng là các khe hẹp với hình dạng khác nhau (chữ nhật, tam giác, cung
tròn v.v..)
9


- Đặc điểm biên và đƣờng biên: Đặc trƣng cho đƣờng biên của đối tƣợng và do
vậy rất hữu ích trong việc trích chọn các thuộc tính bất biến đƣợc dùng khi nhận
dạng đối tƣợng. Các đặc điểm này có thể đƣợc trích chọn nhờ tốn tử Gradient, tốn
tử la bàn, tốn tử Laplace, tốn tử “chéo khơng” (zero crossing) ..
1.1.4.6. Nhận dạng
Nhận dạng ảnh là quá trình xác định nội dung ảnh. Quá trình này thƣờng thu
đƣợc bằng cách so sánh với mẫu chuẩn đã đƣợc lọc (hoặc lƣu) từ trƣớc. Đây là
bƣớc cuối cùng trong quá trình xử lý ảnh.
Để xử lý các quá trình trên thì cần một hệ thống xử lý ảnh bao gồm một số
thành phần cơ bản sau đây:

Hình 1.5. Các thành phần cơ bản của một hệ xử lý ảnh
 Bộ xử lý tƣơng tự thực hiện các chức năng:
- Chọn Camera thích hợp nếu có nhiều Camera.
- Chọn màn hình hiển thị tín hiệu.
- Thu nhận tín hiệu video bởi bộ số hóa. Thực hiện lấy mẫu và mã hóa.
- Tiền xử lý ảnh khi thu nhận.
10

 Bộ xử lý ảnh số bao gồm nhiều bộ xử lý chuyên dụng: Xử lý lọc, trích chọn
đặc trƣng, nhị phân hóa ảnh.
 Máy chủ đóng vai trị điều khiển các thành phần khác.
 Bộ nhớ ngoài: Lƣu trữ dữ liệu ảnh cũng nhƣ các kiểu dữ liệu khác để có thể
chuyển giao cho các q trình có nhu cầu.
1.2. Ảnh giả mạo và phát hiện ảnh giả mạo
1.2.1. Ảnh giả mạo
Ảnh giả mạo đƣợc xem là ảnh không có thật, việc có đƣợc ảnh là do sự ngụy
tạo bởi các chƣơng trình xử lý ảnh hoặc quá trình thu nhận ảnh. Giả mạo ảnh nhằm
vào nhiều mục đích trong đó có việc vu cáo, tạo ra các tin giật gân, đánh lừa đối
thủ, làm sai lệch chứng cứ tội phạm v.v…
Ảnh giả mạo đƣợc chia làm hai loại:
Thứ nhất, đó là ảnh giả mạo nhƣ thật, đƣợc dàn dựng một cách có ý
đồ sau đó thu nhận ảnh và không thực hiện thao tác chỉnh sửa trực tiếp
trên ảnh thu nhận đƣợc.
Thứ hai, ảnh giả mạo đƣợc tạo ra từ việc có tác động lên ảnh nhằm
thay đổi nội dung và bản chất bức ảnh dựa trên các kỹ thuật xử lý ảnh
(cắt, dán, ghép, thêm, bớt, chỉnh sửa).
ị tiêu diệt, những bức ảnh giả về thi thể
của thủ lĩnh al-Qaeda đã nhanh chóng lan truyền trên internet. Tuy nhiên, đây
không phải lần đầu tiên cƣ dân mạng bị lừa vì những bức ảnh giả
- .
Bức ảnh giả về thi thể của trùm khủng bố Osama bin Laden xuất hiện trên
mạng sau khi thủ lĩnh al-Qaeda bị tiêu diệt. Thậm chí một số nghị sĩ Mỹ cũng tin
đây là ảnh thật cho tới khi biết họ bị lừa.

11


Hình 2.1. Bức anh giả mạo của Brian Walski

Ví dụ, bức ả

2.1 về chiến tranh Iraq. Năm 2003, phóng viên ảnh

chiến trƣờng Brian Walski của tờ Los Angeles Times đã tạo ra bức ảnh giả (dƣới)
bằng cách phối 2 bức ảnh nguyên bản (trên) để tăng tính gay cấn . Nhƣng kỹ xảo
của phóng viên Walski, một phóng viên ảnh lâu năm và có uy tín, đã bị phát hiện
nhờ việc phát hiện ra một vài ngƣời ở nền xuất hiện hai lần trên bức .

Hình 2.2. Nghị sĩ John Kerry và nữ diễn viên Jane Fonda phát biểu
chống chiến tranh Việt Nam
12


Từ một vài dẫn chứng trên, có thể thấy việc chống ảnh giả mạo (phát hiện)
ngày càng trở nên cấp thiết nhƣng cũng ngày càng khó khăn. Việc phát hiện và
chống giả mạo ảnh là một chủ đề ngày càng đƣợc quan tâm bởi các nhóm nghiên
cứu trong nƣớc cũng nhƣ trên thế giới. Có thể kể ra đây nhƣ các nghiên cứu thuộc
đề tài cấp bộ của nhóm Vũ Đức Thi, Đỗ Năng Tồn, Viện Cơng nghệ thơng tin, các
nhóm của Hatzinakos, nhóm của Dugelay với các nghiên cứu về thủy vân, nhóm
của Fridrich, với các nghiên cứu về nhiễu, nhóm của Shum với các nghiên cứu về
hàm đáp ứng của camera, nhóm của Tang với các nghiên cứu về phân tích hệ số
biến đổi Fourier, Farid với các nghiên cứu về thống kê trên ảnh, về phép nén ảnh
Jpeg và sự mâu thuẫn về ánh sáng trên ảnh, nhóm của Mahdian, Saic về các hàm
biến đổi trên ảnh, nhóm của Swaminathan với các nghiên cứu về đặc trƣng số của
máy ảnh, nhóm của Chang với các phân tích về mâu thuẫn trên ảnh.
1.2.2. Các dạng ảnh giả mạo cơ bản
1.2.2.1. Ghép ảnh
Đây có lẽ là dạng thức làm giả ảnh số phổ biến nhất. Hình 2.3a đƣợc ghép từ
hai ảnh có cùng tỷ lệ. Rõ ràng là nếu xác nhận đƣợc đây là ảnh thật hay ảnh giả mạo

thì cũng chứng minh đƣợc mối quan hệ giữa họ. Độ tin cậy của sự giả mạo phụ
thuộc vào mức độ phù hợp các thành phần của ảnh về mặt kích thƣớc, tƣ thế, màu
sắc, chất lƣợng và ánh sáng. Nếu có một cặp ảnh tƣơng thích tốt, đƣợc thực hiện bởi
một chuyên gia giàu kinh nghiệm thì việc kết hợp hoàn toàn nhƣ thật.

a) Ảnh ghép từ hai ảnh riêng rẽ

b) Ảnh ghép từ hai ảnh có thay đổi tỷ lệ

Hình 2.3. Ghép ảnh từ hai ảnh riêng rẽ
13


Một ví dụ khác của dạng giả mạo này là hình 2.3b. Hình này là ảnh ghép từ
hai ảnh có sự thay đổi tỷ lệ.
1.2.2.2. Tăng cƣờng ảnh
Đây là một lớp kỹ thuật tiến hành trên một vùng rộng, không phải là làm
tăng cƣờng lƣợng thơng tin vốn có mà làm nổi bật một số đặc tính của ảnh nhƣ:
thay đổi độ tƣơng phản, lọc nhiễu, nổi biên, làm trơn biên, tăng cƣờng độ tƣơng
phản, điều chỉnh mức xám của ảnh. Hình 2.4 gồm một ảnh gốc (góc trên bên trái),
và 3 ví dụ về việc tăng cƣờng ảnh. Ảnh gốc (trên trái) và ảnh đƣợc thay đổi màu sắc
(trên phải), tăng độ tƣơng phản (dƣới trái) và làm mờ nền (dƣới phải). Mặc dù loại
giả mạo này không thay đổi sự xuất hiện của các đối tƣợng nhƣng có thể gây nên
một vài hiệu ứng trong việc cảm nhận bức ảnh.

Hình 2.4. Ví dụ về tăng cƣờng ảnh
1.2.2.3. Sao chép và dịch chuyển vùng trên ảnh
Một dạng khác thƣờng thấy nữa của ảnh giả mạo loại 2 là việc sao chép dịch chuyển các đối tƣợng trong ảnh, việc này đƣợc xem nhƣ là che phủ hoặc xóa đi
đối tƣợng. Hình 2.5a là ảnh gốc với hai chiếc ơ tơ, một xe con và một xe tải. Hình
2.5b là ảnh 2.5a giả mạo với việc che phủ chiếc xe tải bởi một cành cây cũng lấy từ

14


chính trong ảnh. Trong khi hình 2.5c là ảnh gốc với chiếc trực thăng nhỏ cịn hình
2.5d chính là ảnh gốc 2.5c đã đƣợc bỏ đi đối tƣợng là trực thăng. Trong cả hai dạng
giả mạo này đều đƣợc thực hiện từ một ảnh nên độ tƣơng đồng về ánh sáng và bóng
là nhƣ nhau. Trong những trƣờng hợp này bằng mắt thƣờng rất khó xác định.

Hình 2.5. Ảnh che phủ và bỏ đi đối tƣợng

Hình 2.6. Ảnh bổ sung đối tƣợng
Hình 2.6 thể hiện một dạng khác thƣờng thấy của giả mạo sao chép/di
chuyển, đó là việc bổ sung thêm đối tƣợng. Hình 2.6a là ảnh gốc chỉ có một chiếc
máy bay trực thăng, nhƣng trong hình 2.6b đã đƣợc bổ sung thêm thành ba chiếc
15


trực thăng ở các vị trí khác nhau. Các trực thăng này chính là đƣợc sao chép từ trực
thăng gốc nên góc độ và hƣớng là giống nhau, do đó rất khó cho việc xác thực.
1.2.3. Hƣớng tiếp cận bài tốn phát hiện ảnh giả mạo
1.2.3.1. Dựa vào hình dạng
Việc phân tích để xác định tính giả mạo có thể dựa vào hình dạng vì việc
cắt/dán ảnh hƣờng đƣợc thực hiện dựa theo các đƣờng biên, nơi có sự thay đổi
không liên tục của cƣờng độ sáng của các điểm ảnh.
1.2.3.2. Dựa vào phân tích nguồn sáng
Tấm ảnh ghép từ nhiều hình ảnh khác nhau sẽ khó có độ thuần nhất về ánh
sáng (cƣờng độ chiếu sáng, hƣớng của ánh sáng…). Ví dụ một quả cầu nhƣ hình
bên sẽ sáng nhất ở bề mặt có ánh sáng chiếu thẳng góc (hƣớng của mũi tên vàng),
tối nhất ở phía đối diện, các vùng xung quanh nó sẽ sáng với mức độ khác nhau tùy
vị trí khuất. Sự phản xạ lại của tia sáng sang không gian hay vật thể xung quanh

cũng có mức độ tƣơng ứng.
Để nhận biết hƣớng của nguồn sáng, cần phải biết
đƣợc hƣớng chiếu sáng trên từng vị trí của bề
mặt. Sẽ rất khó nếu nhìn tồn bộ vật thể để xác
định nguồn sáng nhƣng hãy chú ý đến các đƣờng
viền trên bề mặt - nơi hƣớng ánh sáng vng góc
với bề mặt. Bằng cách đo độ sáng và hƣớng cùng
với một số điểm trên đƣờng viền, các thuật tốn
có thể xác định đƣợc hƣớng nguồn sáng.
1.2.3.3. Dựa vào biến đổi màu sắc
Ảnh gốc thu nhận thƣờng đƣợc thực hiện bởi một thiết bị, do tính chất biến
đổi của ống kính bao gồm góc độ chụp, độ mở v.v.. nên ảnh thu đƣợc thƣờng bị
biến dạng theo các tính chất đặc trƣng của các nhà sản xuất. Phần ảnh đƣợc ghép
vào hay bổ sung thƣờng khơng có sự biến đổi tƣơng đồng về độ sáng.
1.2.3.4. Dựa vào cơ sở dữ liệu
Việc giả mạo ảnh thƣờng dựa vào các ảnh đã có, tức là các ảnh đã đƣợc xuất
16