NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN GIẢ MẠO TRÊN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN

Để giải quyết vấn đề này và trả lời câu hỏi ảnh có độ tin cậy bao nhiêu, ảnh nào là thật, ảnh nào là giả, thì các kỹ thuật xác thực được phát triển chẳng hạn như phương pháp chủ động ac

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Phạm Văn Ất

PGS TS Trịnh Nhật Tiến

Phản biện:

Phản biện:

Phản biện:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp tại

vào hồi giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

PHẦN MỞ ĐẦU 1

MỤC TIÊU, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1

NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN 1

TỔ CHỨC CỦA LUẬN ÁN 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ẢNH GIẢ MẠO, PHÕNG CHỐNG VÀ PHÁT HIỆN GIẢ MẠO ẢNH, CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI MA TRẬN 4

1.1 GIỚITHIỆUCHUNG 4

1.2 GIỚITHIỆUVÀDẠNGẢNHGIẢMẠO 4

1.2.1 Giới thiệu 4

1.2.2 Một số dạng ảnh giả mạo 4

1.3 PHƯƠNGPHÁPPHÒNGCHỐNGVÀPHÁTHIỆNẢNHGIẢMẠO 4

1.3.1 Phương pháp chủ động 4

1.3.1.1 Giới thiệu và phân loại thủy vân 4

1.3.1.2 Tính chất của lược đồ thủy vân 5

1.3.1.3 Ứng dụng của thủy vân 5

1.3.2 Phương pháp thụ động 5

1.4 MỘTSỐPHÉPBIẾNĐỔIMATRẬN 5

1.5 KẾTLUẬNCHƯƠNG1 5

CHƯƠNG 2 PHÕNG CHỐNG GIẢ MẠO ẢNH BẰNG KỸ THUẬT THỦY VÂN 6

2.1KỸTHUẬTTHỦYVÂNVÀPHÒNGCHỐNGGIẢMẠOẢNH 6

2.2 ĐỀXUẤTTHUẬTTOÁNĐIỀUCHỈNHCỘNGGIẢIBÀITOÁNNMFVÀXÂYDỰNGLƯỢC ĐỒTHỦYVÂN 6

2.2.1 Điều chỉnh một phần tử của W 6

2.2.2 Điều chỉnh một phần tử của H 7

2.2.3 Thuật toán đề xuất (Ký hiệu aNMF) 7

2.2.3.1 Điều chỉnh ma trận W và H 7

2.2.3.2 Thuật toán aNMF giải bài toán NMF 8

2.2.4 Xây dựng lược đồ thủy vân sử thuật toán aNMF 8

2.2.4.1 Thuật toán nhúng thủy vân 8

2.2.4.2 Thuật toán trích thủy vân 8

2.3 ĐỀXUẤTLƯỢCĐỒTHỦYVÂNSỬDỤNGPHÂNTÍCHQR 9

2.3.1 Đề xuất lược đồ thủy vân sử dụng phân tích QR 9

2.3.1.1 Lược đồ thủy vân QR-1 9

2.3.1.2 Lược đồ thủy vân QR-N 10

2.4 KẾTLUẬNCHƯƠNG2 10

CHƯƠNG 3 PHÁT HIỆN ẢNH GIẢ MẠO DẠNG CẮT/DÁN 11

3.1 ẢNHGIẢMẠODẠNGCẮT/DÁNVÀMỘTSỐPHƯƠNGPHÁPPHÁTHIỆN 11

3.1.1 Ảnh giả mạo dạng cắt/dán 11

3.1.2 Phân loại các phương pháp phát hiện 11

3.1.2.1 Phương pháp đối sánh chính xác 11

3.1.2.2 Phương pháp đối sánh bền vững 11

3.2 ĐỀXUẤTPHƯƠNGPHÁPDỰATRÊNPHÉPBIẾNĐỔIDCT 11

3.2.1 Thuật toán phát hiện 11

3.3 ĐỀXUẤTPHÉPBIẾNĐỔIDWTVÀXÂYDỰNGPHƯƠNGPHÁPPHÁTHIỆN 14

3.3.1 Đề xuất xây dựng phép biến đổi DWT động 14

3.3.2 Ứng dụng xây dựng thuật toán phát hiện 15

3.4 PHƯƠNGPHÁPDỰATRÊNPHÉPTHỪASỐHÓAMATRẬNKHÔNGÂMNMF 17

3.5 KẾTLUẬNCHƯƠNG3 18

CHƯƠNG 4 PHÁT HIỆN ẢNH GIẢ MẠO DẠNG GHÉP ẢNH 19

4.1 PHÁT HIỆNẢNH GIẢMẠODẠNGGHÉPẢNHDỰATRÊNTÍNHCHẤTCỦAPHÉPLẤY MẪULẠITRÊNẢNH 19

4.1.1 Tính chất của phép lấy mẫu tăng trên ảnh 19

4.1.1.1 Lấy mẫu lại tín hiệu 19

4.1.1.2 Lấy mẫu lại trên ảnh 19

4.1.1.3 Tính chất của phép lấy mẫu tăng trên ảnh 19

4.1.2 Đề xuất phương pháp phát hiện ảnh giả mạo bằng phép biến đổi hiệu 19

4.1.2.1 Xây dựng phép biến đổi hiệu trên ma trận điểm ảnh 19

4.1.2.2 Đề xuát phương pháp phát hiện ảnh giả mạo dựa trên phép biến đổi hiệu (ký hiệu BĐH) 20

4.1.3 Đề xuát phương pháp dựa trên lọc thông cao của phép biến đổi DWT 20

4.1.3.1 Phép biến đổi DWT 20

4.1.3.2 Đề xuất phương pháp giảm độ phức tạp tính toán (ký hiệu LTC) 21

4.2 PHÁTHIỆNGIẢMẠOẢNHDẠNGGHÉPẢNHCÓNGUỒNGỐCJPEG 22

4.2.1 Dạng ảnh giả mạo 22

4.2.2 Cơ sở lý thuyết 23

4.2.3 Phương pháp phát hiện 24

4.3 KẾTLUẬNCHƯƠNG4 25

KẾT LUẬN 26

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 27

1

PHẦN MỞ ĐẦU

Ngày nay, ảnh số là phương tiện truyền thông được sử dụng rộng rãi, đóng vai trò quan trọng trong đời sống con người, có tác động đến xã hội, tham gia vào các quá trình pháp lý và kinh tế như: làm bằng chứng trong điều tra, xử án, bảo hiểm, gian lận khoa học, v.v… Hơn nữa, với sự phổ biến của máy ảnh kỹ thuật số

và các phần mềm chỉnh sửa (Photoshop, GIMP, 3D Max), dẫn đến ảnh số có thể dễ dàng được chỉnh sửa mà không cần đến các kiến thức chuyên gia, và việc chỉnh sửa hầu như không để lại dấu vết mà mắt thường có thể nhận biết được Kết quả là, khi những hình ảnh bị chỉnh sửa được sử dụng cho mục đích xấu, nó có thể dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng Để giải quyết vấn đề này và trả lời câu hỏi ảnh có độ tin cậy bao nhiêu, ảnh nào là thật, ảnh nào là giả, thì các kỹ thuật xác thực được phát triển chẳng hạn như phương pháp chủ động (active method) nhúng dấu thủy vân hay chữ ký số vào trong ảnh, ngược lại phương pháp thụ động (passive method) dựa vào các đặc điểm, tính chất của ảnh giúp phát hiện bị chỉnh sửa mà không cần dấu thủy vân hay chữ ký số được nhúng vào trước đó

Mục tiêu, phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu, đề xuất một số phương pháp cho phép đảm bảo tính xác thực (phòng chống giả mạo) của ảnh số và phát hiện ảnh số giả mạo

Việc phòng chống và phát hiện giả mạo trên 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:

 Phương pháp chủ đông: Phòng chống giả mạo ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân số

 Phương pháp thụ động: Phát hiện ảnh giả mạo dạng cắt/dán và dạng ghép ảnh

Những đóng góp của luận án

Để xây dựng các phương pháp 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 phương pháp chủ động và thụ động trong việc phòng chống và phát hiện giả mạo ảnh, (đến nay hướng nghiên cứu này vẫn thu hút nhiều sự quan tâm của nhiều nhà nghiên

cứu trên thế giới, chẳng hạn như [17,26,45,46,63,87,88]) Luận án đã đạt được một số kết quả, đóng góp một

phần vào lĩnh vực nghiên cứu, cụ thể như sau:

 Nghiên cứu các phép biến đổi ma trận DCT, DWT, NMF, SVD, QR, làm cơ sở để xây dựng các phương pháp phòng chống và phát hiện giả mạo ảnh

+ 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 được đăng tài trong kỷ yếu

hội thảo lần thứ 16 Asia Pacific Symposium on Intelligent and Evolutionary Systems tại đại học Kyoto, Nhật Bản, năm 2012 Và được chọn vào số đặc biệt được đăng lại trong tạp chí New Mathematics and Nature Computing (Scopus index), năm 2015

+ 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 phương pháp phát hiện giả mạo dạng cắt/dán sử dụng phương pháp này để xây dựng các đặc trưng so sánh sẽ cho hiệu quả phát hiện tốt hơn Kết quả được

đăng trong Kỷ yếu hội thảo quốc gia lần thứ 7 Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng công nghệ thông tin – FAIR,

2

+ 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 được đăng trong

Chuyên san Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông, Tạp chí Công nghệ thông tin và truyền thông, năm 2013

Các lược đồ thủy vân này được dùng với mục đích là xác thực, phòng chống giả mạo ảnh

 Nghiêu cứu các phương pháp phát hiện ảnh giả mạo dáng cắt/dán Từ đó đề xuất được một số phương pháp mới như sau:

+ Phương pháp đối sánh bền vững phát hiện ảnh giả mạo dạng cắt/dán dựa trên phép biến đổi DCT

Kết quả được đăng trong Kỷ yếu hội thảo quốc gia lần thứ XVI “Một số vấn đề chọn lọc của công nghệ thông tin và truyền thông”, năm 2013

+ Phương pháp đối sánh bền vững phát hiện ảnh giả mạo dạng cắt/dán dựa trên phép biến đổi DWT

động, Kết quả được đăng trong Kỷ yếu hội thảo quốc gia lần thứ 7 Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng công nghệ thông tin – FAIR, năm 2014

Các phương pháp đề xuất có ưu điểm là số đặc trưng ít nên độ phức tạp tính toán thấp và có hiệu quả phát hiện tốt

 Nghiên cứu các phương pháp phát hiện ảnh giả mạo dạng ghép ảnh Các phương pháp được xây dựng dựa trên tính chất của phép lấy mẫu lại và nén JPEG

+ Đề xuất phương pháp biến đổi hiệu và lọc thông cao của phép biến đổi DWT, hai phương pháp này dựa trên tính phẳng của phép lấy mẫu tăng để phát hiện ảnh giả mạo dạng ghép ảnh Các phương pháp này

có ứu điểm tốc độ tính toán thấp và khả năng phát hiện vẫn bảo đảm và nhiều trường hợp tốt hơn, nên có ý

nghĩa khi ảnh giả mạo được chia thành các khối với số lượng lớn Kết quả đã được chấp nhận đăng trong Chuyên san Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông, Tạp chí Công nghệ thông tin và truyền thông, số 14(34), tháng 12/2015

+ Bước đầu xây dựng phương pháp 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 được

liệt kê trong phần tài liệu tham khảo [1,2,3,11,12,14,15]

Tổ chức 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 giả mạo, một số phương pháp hiện đại phòng chống và phát

hiện ảnh giả mạo, và các phép biến đổi ma trận được dùng để xây dựng các phương pháp phòng chống và phát hiện giả mạo ảnh trong các chương kế tiếp

Chương 2: Trình bày kết quả đề xuất thuật toán điều chỉnh cộng để 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

Chương 3: Trình bày đề xuất xây dựng phép biến đổi DWT động Đặc tả chi tiết các phương pháp

phát hiện ảnh giả mạo dạng cắt/dán dựa trên phép biến đổi DCT, DWT động, NMF

3

Chương 4: Trình bày kết quả đề xuất phương pháp dựa trên phép biến đổi hiệu và lọc thông cao của

phép biến đổi DWT để phát hiện ảnh giả mạo dạng ghép ảnh Giới thiệu một số kết quả của phương pháp phát hiện dựa trên tính chất của phép nén JPEG

4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ẢNH GIẢ MẠO, PHÕNG CHỐNG VÀ PHÁT HIỆN GIẢ MẠO ẢNH, CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI MA TRẬN 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Với sự phát triển của mạng Internet đã giúp cho quá trình phân phối dữ liệu đa phương tiện (image, video, audio, text) nói chung và ảnh số nói riêng giữa những nhà cung cấp và người dùng trở nên dễ dàng,

nhanh chóng Do vậy nhu cầu bảo mật, xác thực tính toàn ven, bảo vệ quyền tác giả, phát hiện giả mạo đối với ảnh số ngày càng cấp thiết Lĩnh vực cũng thu hút nhiều nhà nghiên cứu khắp nới trên thế giới, xuất hiện

nhiều hội thảo, tạp chí chuyên ngành, chẳng hạn như International Workshop Digital-Forensics and

Watermarking [87], Transactions on Data Hiding and Multimedia Security [88], IEEE Transactions on

Forensics and Security,.v.v…

1.2 GIỚI THIỆU VÀ DẠNG ẢNH GIẢ MẠO

1.2.1 Giới thiệu

Ảnh giả mạo được xem là ảnh không có thật, việc có được ảnh là do sự ngụy tạo bởi các chương trình

xử lý ảnh hoặc quá trình thu nhận ảnh

Hiện nay sức mạnh của các chương trình xử lý ảnh số như PhotoShop, Corel Draw, giúp việc tạo ra các ảnh giả mạo từ một hay nhiều ảnh khác nhau trở nên dễ dàng Với các phần mềm này, những người bình thường không cần các kiến thức chuyên gia cũng có thể có các thao tác như cắt, dán, thêm, bớt, che, các đối tượng trên ảnh hay thay đổi màu sắc, ánh sáng, làm cho ảnh giả như ảnh thật để đạt mục đích của mình

1.2.2 Một số dạng ảnh giả mạo

Ảnh giả mạo thường chia làm hai loại chính Ảnh giả nhưng thật, tức là hiện trường được dựng thật,

và việc thu nhận ảnh là thật Loại thứ hai là ảnh giả được tạo lập trên cơ sở các phần của ảnh gốc thật hoặc được cắt dán để thêm vào hay che đi các chi tiết trên ảnh

Trong luận án này tôi quan tâm đến một số dạng giả mạo thuộc loại thứ hai Trong dạng ảnh giả mạo thứ hai có thể chia làm 3 loại chính: Ghép ảnh, tăng cường ảnh và cắt/dán (copy/move) trên cùng một ảnh

1.3 PHƯƠNG PHÁP PHÕNG CHỐNG VÀ PHÁT HIỆN ẢNH GIẢ MẠO

Các phương pháp được chia làm hai hướng là phương pháp chủ động (Active Forensic) được dùng để xác thực/phòng chống giả mạo ảnh và phương pháp thụ động (Passive Forensic) được dùng để phát hiện ảnh giả mạo Hai hướng này được mô ta qua sơ đồ sau:

1.3.1 Phương pháp chủ động

Các phương pháp này sử dụng kỹ thuật thủy vần và chữ ký số để phòng chống giả mạo ảnh Luận án này sử dụng kỹ thuật thủy vân nên các các nội dung tiếp theo chỉ đề cập đến kỹ thuật này

1.3.1.1 Giới thiệu và phân loại thủy vân

Thủy vân số (Watermarking) là một phương pháp ẩn một số thông tin vào dữ liệu đa phương tiện

5

Thủy vân số có nhiều ứng dụng, nên các phương pháp thủy vân được quan tâm và đã có nhiều lược đồ thủy vân được đề xuất Các phương pháp thủy vân được chia làm ba loại chính: thủy vân bền vững (robust watermarking), thủy vân dễ vỡ (fragile watermarking), và thủy vân bán dễ vỡ (semi-fragile watermarking)

1.3.1.2 Tính chất của lược đồ thủy vân

Tính ẩn Tính bền vững Khả năng mang tin cao An ninh

1.3.1.3 Ứng dụng của thủy vân

Thủy vân có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Tuy nhiên có một số ứng dụng chính sau đây: bảo vệ bản quyền, chống sao chép, xác thực nội dung/phòng chống giả mạo

1.3.2 Phương pháp thụ động

Một số phương pháp thụ động giúp phát hiện ảnh bị chỉnh sửa mà không cần dấu thủy vân hay chữ ký

số được nhúng vào trước đó:

Phương pháp dựa trên Pixel (Pixel-based methods)

Phương pháp dựa trên định dạng (Format-based methods)

Dựa trên thiết bị thu nhận (Camera-based methods)

Dựa trên đặc tính vât lý (Physics-based methods)

Phương pháp dựa trên đặc tính hình học (Geometry-based methods)

Phép biến đổi cosine rời rạc (DCT)

Phép biến đổi wavelet rời rạc (DWT)

Phép phân tích thừa số hóa ma trận không âm (NMF)

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương này với mục tiêu là giới thiệu chung về tình hình, lĩnh vực nghiên cứu, một số khái niệm, phương pháp được dùng trong luận án Nội dung của chương đã trình bày được một số khái niệm về ảnh giả mạo, phân loại ảnh giả mạo và phương pháp phòng chống và phát hiện Bên cạnh các khái niệm, chương cũng trình bày một số phép biến đổi ma trận được sử dụng nhiều để xây dựng các phương pháp phòng chống và phát hiện ảnh giả mạo: Phép biến đổi DCT, DWT, phép phân tích ma trận SVD, QR, phép thừa số hóa ma trận không âm NMF Các phép biến đổi này sẽ được sử dụng để xây dựng các phương pháp ở Chương 2, Chương 3 và Chương 4 của luận án

6

Chương 2 PHÕNG CHỐNG GIẢ MẠO ẢNH BẰNG KỸ THUẬT THỦY VÂN

2.1 KỸ THUẬT THỦY VÂN VÀ PHÕNG CHỐNG GIẢ MẠO ẢNH

Ngoài bảo vệ bản quyền, thủy vân còn được ứng dụng là xác thực/phòng chống giả mạo ảnh Kỹ thuật thủy vân sử dụng để phòng chống giả mạo ảnh là thủy vân bán dễ vỡ

Nhúng dấu thủy vân:

Bước 1 Chia ảnh thành các khối không chờm nhau

Bước 2 Sử dụng lược đồ thủy vân bán dễ vỡ nhúng dấu thủy vân vào từng khối

Bước 3 Thu được ảnh có các khối chưa dấu thủy vân

Xác thực và định vị vùng giả mạo:

Bước 1 Chia ảnh thành các khối tương tự như quá trình nhúng

Bước 2 Trích dấu thủy vân từ các khối

Bước 3 Kiểm tra các dấu thủy vân được trích từ từng khối

Bước 4 Kết luận và khoanh vùng giả mạo

+ Tồn tại dấu thủy vân nào không nguyên vẹn, kết luận ảnh bị chỉnh sửa

+ Các vùng có dấu thủy vân bị phá hủy là vùng giả mạo

Hình ảnh bên dưới ví dụ mô tả kết quả của hai quá trình này:

Hình 2.1 Ảnh được chia khối và dấu thủy vân được trích ra

Theo sơ đồ trên nhận thấy lược đồ thủy vân chính là cốt lõi, việc nghiên cứu và phát triển các lược đồ thủy vân bán dễ vỡ chính là nghiên cứu các phương pháp phòng chống giả mạo

2.2 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ĐIỀU CHỈNH CỘNG GIẢI BÀI TOÁN NMF VÀ XÂY DỰNG LƯỢC

ĐỒ THỦY VÂN

Thừa số hóa ma trận không âm (NMF) là một kỹ thuật đang phát triển, có nhiều ứng dụng tiềm năng trong phân tích, biểu diễn, thu gọn dữ liệu, trích chọn đặc trưng Đây là vấn đề hiện đang thu hút nhiều sự quan tâm cả về lý thuyêt lẫn ứng dụng của các nhà nghiên cứu Thuật toán mới đơn giản trong thực hiện và

có các tính chất tối ưu, hội tụ nhanh hơn so với một số thuật toán đã biết

2.2.1 Điều chỉnh một phần tử của W

Trong mục này, xét thuật toán điều chỉnh một phần tử của ma trận W, trong khi giữ nguyên các phần

tử còn lại của W và H Giả sử Wij được điều chỉnh bằng cách cộng thêm tham số  :

m b i a WH H

W

jb ib

ab ab

,,)

(

,,)()

~(



Nên từ (1.2) suy ra:

)(),(),

~(W H f W H g 

trong đó:

H p

1 2

1

* ) (

0),,max(

0,0

q p q

q w p q q ij

g , nếu (q = 0) hoặc (q>0 và W ij=0) (2.7.a)

0)( 

W u

1 2

1

)(

0 ), , max(

0 , 0

v u v

v H u v v

ij

2.2.3 Thuật toán đề xuất (Ký hiệu aNMF)

2.2.3.1 Điều chỉnh ma trận W và H

Trong mục này ta xét phép biến đổi T từ (W, H) sang (W ~, H~) nhƣ sau:

 Biến đổi các phần tử của W theo 2.1

 Biến đổi các phần tử của H theo 2.2

Nói cách khác phép biến đổi:(W~,H~)T(W,H)đƣợc thực hiện nhƣ sau:

2.2.3.2 Thuật toán aNMF giải bài toán NMF

Thuật toán được mô tả qua phép biến đổi T như sau:

Bước 1 Khởi tạo W=W 1

>=0, H=H 1 >=0

Bước 2 For k=1,2,

W k 1 ,H k 1 T W k,H k

2.2.4 Xây dựng lược đồ thủy vân sử thuật toán aNMF

2.2.4.1 Thuật toán nhúng thủy vân

Dưới đây là lược đồ thủy vân bán dễ vỡ được xây dựng theo [38] sử dụng phân tích NMF của Lee - Seung [60], tuy nhiên với ưu điểm của thuật toán aNMF mới khi áp dụng sẽ có một số ưu điểm nổi trội hơn

Đầu vào: Ảnh A, dấu thủy vân W, hệ số α

Đầu ra: Ảnh A’ chứa dấu thủy vân W

Bước 1 Chia ảnh A thành các khối có kích thước l×l, ký hiệu mỗi khối là L

Bước 2 Áp dụng thuật toán aNMF cho mỗi khối L:

V l ’ , với Dl d = diag(λ i

d )

Ghép các khối L thu được ảnh chứa dấu thủy vân A’!

2.2.4.2 Thuật toán trích thủy vân

Đầu vào: Ảnh A’

Đầu ra: Dấu thủy vân W

Bước 1 Chia ảnh thành các khối kích thước l×l, ký hiệu mỗi khối là K

Bước 2 Áp dụng thuật toán aNMF cho mỗi khối K:

Bước 3 Áp dụng SVD cho ma trận Hk

H k =U k D k V k ’

9

Bước 4 Trích các giá trị:

λwi

* = (λi d

- λmax) /α

trong đó λi d

là các phần tử trên đường chéo của Dk, λmax là phần tử lớn nhất của Hl được lưu

trong mỗi khối như là khóa bí mật

Bước 5 Khôi phục dấu thủy vân:

* trong đó Hw *

=U w D w * V w ’

, D w * =diag(λwi*)

2.3 ĐỀ XUẤT LƯỢC ĐỒ THỦY VÂN SỬ DỤNG PHÂN TÍCH QR

2.3.1 Đề xuất lược đồ thủy vân sử dụng phân tích QR

2.3.1.1 Lược đồ thủy vân QR-1

a Thuật toán nhúng thủy vân

Để tiện trình bầy thuật toán, chọn phần tử R(1,1) để nhúng một bít của dấu thủy vân Đầu vào của thuật toán là ảnh I, dấu thủy vân W   w1, , wt và hệ số lượng tử q Đầu ra của thuật toán là ảnh I’ chứa

dấu thủy vân W Các bước của thuật toán như sau:

Bước 1 Chia ảnh I thành t khối không giao nhau từng đôi một và có cùng kích thước m×n, ký hiệu là

Bước 3.2: Điều chỉnh R i (1,1) thành R i ’(1,1):

q k

I   , ảnh I’ tạo từ các khối Ii ’

là ảnh chứa dấu thủy vân W

b Thuật toán kiểm tra dấu thủy vân

Cho I* là một phiên bản tấn công của I’ và hệ số lượng tử q, thuật toán dưới đây sẽ kiểm tra sự tồn tại của dấu thủy vân trong ảnh I* để kết luận về bản quyền đối với I* của tác giả có ảnh I’

Bước 1 Chia ảnh I* thành t khối như trong thuật toán nhúng thủy vân, ký hiệu là

k

i i

2 ) 1 , 1 (

W  trích ra từ I* với dấu thủy vân gốc W   w1, , wt

tương tự bước 4 trong mục 2.3.1.1.b

10

2.3.1.2 Lược đồ thủy vân QR-N

a Thuật toán nhúng thủy vân của lược đồ này cũng gồm 4 bước như thuật toán nhúng thuỷ vân của lược

đồ QR-1, chỉ khác ở bước 3 như sau

Bước 3 Nhúng bít w i của dấu thủy vân vào hàng đầu của ma trận Ri

X x

x

i

' ' 

thu được ma trận Ri ’ với hàng đầu là véc tơ '

i

X

b Thuật toán kiểm tra dấu thủy vân của lược đồ này cũng gồm 4 bước như thuật toán kiểm tra dấu thuỷ

vân của lược đồ QR-1, chỉ khác ở bước 3 như sau

Bước 3 Xác định bít w i * từ hàng đầu của R i *:

Bước 3.1: Tính:

)(

)2()1

i

2

*

trong đó véc tơ *

w i  i

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Chương đã trình bày các kết quả nghiên cứu lược đồ thủy vân bán dễ vỡ sử dụng phòng chống giả mạo ảnh Nội dung đã trình bày đề xuất thuật toán điều chỉnh cộng cho bài toàn thừa số hóa ma trận không âm NMF, thuật toán đề xuất có ưu điểm là đơn giản, tốc độ tính toán và hội tụ nhanh hơn so với thuật toán ban đầu và một số thuật toán cải tiến sau đó Từ đó, xây dựng lược đồ thủy vân bán dễ vỡ sử dụng thuật toán mới

đề xuất để xây dựng phương pháp phòng chống giả mạo ảnh Chương này cũng trình bày hai lược đồ thủy vân bán dễ vỡ SVD-1, SVD-N sử dụng phân tích SVD, từ đó xây dựng hai lược đồ thủy vân bán dễ vỡ mới QR-1, QR-N Các lược đồ đề xuất này có một số ưu điểm là nhanh hơn và bền vững hơn trước một số phép tấn công ảnh mà không thay đổi nội dung như: nén JPEG, làm mờ, nhiễu, …

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

3.1.2 Phân loại các phương pháp phát hiện

3.2 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP DỰA TRÊN PHÉP BIẾN ĐỔI DCT

Thuật toán đề xuất có một số ưu điểm chính sau:

- Chiều của vectơ đặc trưng thấp hơn, nên có tốc độ tính toán nhanh hơn

- Bến vững trước một số thao tác: cắt/dán nhiều vùng, nén ảnh, làm mờ, thêm nhiễu

3.2.1 Thuật toán phát hiện

Trong thuật toán này, đầu vào là một ảnh đa cấp xám A có kích thước m×n (nếu là ảnh màu thì sử dụng công thức I=0.228R+0.587G+0.114B để chuyển sang đa cấp xám) và tham số b là kích thước khối, α1 , α 2 , β , γ

là các giá trị ngưỡng cho trước Chi tiết của thuật toán được trình bày ở các bước như sau:

Bước 1 Chia ảnh thành các khối chờm nhau có kích thước bxb, sao cho hai khối liên tiếp chỉ khác

nhau một hàng hoặc một cột Các khối được định vị theo thư tự từ trái qua phải và từ trên xuống dưới của ảnh

Số khối thu được là Sb=(m-b+1)(n-b+1) với mỗi khối ký hiệu là Ai (i=1,2,3,…,Sb)

Bước 2 Biến đổi cô sin rời rạc DCT cho từng khối, áp dụng phép biến đổi cô sin rời rạc DCT cho

từng khối, thu được ma trận hệ số DCT ký hiệu là Ci có kích thước b×b

Bước 3 Xây dựng vectơ đặc trưng

Bây giờ khối điểm ảnh thứ i được đại diện bởi ma trận Ci Ma trận hệ số DCT có đặc điểm là năng

lượng tập trung vào các hệ số ở vùng tần số thấp (góc trên bên trái), các hệ số tần số thấp này đóng vai trò