Bahri ABACI

Bahri ABACI

Developer. Engineer.

© 2021

Algısal Kıyım Fonksiyonu

Hashing yada bir diğer deyişle kıyım fonksiyonu büyük bir veri kümesini, verinin dağılımını kullanarak çok daha küçük veri boyutlarında ifade etmek için kullanılan bir yöntemdir. Kıyım fonksiyonunda amaç veriyi sıkıştırmak değil, verinin iletim veya saklanma sırasında bozulup bozulmadığını anlayabilmektir. Öyleki verinin bir bitinde bile bir hata oluşsa, çok çok yüksek olasılıkla kıyım fonksiyonunun çıktıları farklı olacağından, veride meydana gelen değişiklik kolaylıkla anlaşılabilecektir. Ancak bu durumun tersi her zaman geçerli değildir. Yani kıyım fonksiyonu yanıtları aynı olan iki veri özdeştir diyemeyiz. Bunu kolay bir örnekle anlamaya çalışalım. Farz edelim ki  ”merhaba dünya”  metninin iletmek istiyoruz.

Bu örnek için kıyım fonksiyonunu, F(m) = sesli harflerin sayısı x sessiz harflerin sayısı + metin uzunluğu olarak belirleyelim. Bu durumda kıyım değerimiz F = 5x7 + 13 = 48 olacaktır. Burada dikkat edilirse bir harfin eksik iletilmesi, sesli bir harfin sessiz, sessiz bir harfin sesli bir harf ile değişmesi durumunda kıyım değeri değişecektir ve orjinal metnin bozulduğunu anlamamızı sağlayacaktır. Ancak bozulma sesli harflerin sesli, sessiz harflerin sessiz harflerle değişmesi şeklinde olursa, kıyım fonksiyonumuz meydana gelen bozulmayı anlayamayacaktır. 

Günlük hayatımızda çok fark etmesek de pek çok kritik programın dağıtımında (işletim sistemi, bios update, vs.) daha üstün kıyım fonksiyonları MD5, SHA-1, CheckSum çalışarak üretilmiş kodlar da verilmekte ve programları kurmadan önce kıyım değerlerinin doğruluğunun kontrol edilmesi önerilmektedir. Böylece indirme sırasında bir hata oluşmuşsa, bu hata tespit edilecek ve kurulumun ortasında meydana gelebilecek olası geri dönülemez bir hata önlenecektir.

Sürekli görüntü işleme üzerine yazıların olduğu bir ortamda konunun görüntü işleme ile ilgisini hemen anlayamamış olabilirsiniz. Ancak kıyım fonksiyonunun özel bir türü olan Algısal Kıyım (Perceptual Hashing) görüntü işleme ve analizinde oldukça önemli bir yer tutmaktadır. Algısal kıyımda da amaç büyük bir verinin (imge veya video) kıyım değerini bularak ve veriyi bu kıyım değeri ile ifade etmektir. Klasik kıyım yöntemlerinden farklı olarak algısal kıyımda, veride meydana gelen değişikliklerin, verinin algısal bütünlüğü korunduğu sürece değişmemesi istenmektedir. Algısal bütünlüğü anlamak için aşağıdaki görsel faydalı olacaktır.

Algısal kıyım Fonksiyonu

Resimde görüldüğü gibi imge üzerinde meydana gelen boyut, ölçek, renk değişimleri insan algısında çok büyük farklılıklar yaratmamakta ve tüm imgelerin aynı imgeden türetilmiş olduğunu anlayabilmemizi  sağlamaktadır.

Algısal kıyımlamada da hedef yukarıda verilen tüm imgeler için aynı çıktıyı üreten bir kıyım fonksiyon bulmaktır. Böylece telif hakları bulunan bir imgenin herhangi bir yerde kullanılıp kullanılmadığı, veya yayınlanması yasak olan imge/video içeriklerinin herhangi bir ortamda yayınlanıp yayınlanmadığı gibi emek gerektircek işler otomatik olarak yapılabilinecektir. Ayrıca fotoğraf yükleme/saklama siteleri de böyle bir yöntemi koşturarak, yüklenen içeriğin hali hazırda sistemlerinde kayıtlı olup olmadığını analiz ederek, aynı fotoğrafın defalarca saklanmasını engellemektedir.

Algısal kıyım için çok farklı yöntemler bulunmaktadır. Bu yöntemlerden en çok bilinen ve muhtemelen en kolay olan yöntem A-hash, ortalama kıyım fonksiyonudur. Bu fonksiyon parametre olarak aldığı imgeden 64 bit uzunluklu bir (long long türünde) tam sayı döndürmektedir. Algoritmanın basamaklarını adım adım ineceleyelim.

1.  Resmi 8x8 boyutuna ölçekle ve gri tonla
2.  64 imge gözeneğinin ortalamasını bul
3.  Ortalamadan büyük gözeneklere 1, küçüklere 0 yaz
4.  8x8 ikili veriyi 64 bitle kodla

İlk adımda imge boyu ne olursa olsun, oldukça küçük bir boyuta 8x8 indirgeniyor. Bu adım kopya imgeye yapılan ölçekleme girişimlerinin etkisini kaldırmak için kullanılyor. Ardından imge gri tonlanarak renk etkileri azaltılyor.

İkinci adımda ise gözeneklerin ortalaması bulunuyor. Bu ortalama üçüncü adımda eşikleme için kullanıldığından, parlaklık azaltma veya artırma gibi girişimlerin etkisi de bu adımda yok ediliyor.

Son adımda ise üçüncü adımda elde edilen ikili imge eşsiz bir sayıya dönüştürülüyor ve imgeden bir tam sayı elde ediliyor. A-kıyım yöntemi için yazılan fonksiyon aşağıda verilmiştir.

long long Ahash(BMP I) 
{
    int M = 8;
    int N = 8;
    double *IMxN = (double*) malloc(M*N*sizeof(double));

    fIMxN(I, IMxN, M, N);

    long long ahash = 0;
    int j;
    double meanI = 0;

    for(j=0; j < M*N ;j++) { meanI += IMxN[j]; }
    meanI = meanI/(M*N);

    // Bu asamada M=8, N=8 olmalı
    for(j=0; j < M*N ;j++) 
    {
        ahash = ahash << 1 | IMxN[j] > meanI;
    }

    free(IMxN);
    return ahash;
}

Kod içerisindeki fIMxN fonksiyonu parametre olarak aldığı I imgesini gri seviye kodlayıp ve MxN boyutlarına kodlama işlemi için yazılmıştır. Bu işlem sonucu oluşan 8x8 imge ise IMxN vektörü içerisinde döndürülmüştür.

Kodlama kısmında karmaşık görünün ikinci for döngüsü algoritmanın üç ve dördüncü adımlarını gerçekleştirmektedir.  IMxN vektöründe saklanan veriler ortalama ile karşılaştırılarak ahash tam sayısının j. bitine yazılmaktadır.

Bu fonksiyonun ürettiği ahash tam sayısının sayı değeri olarak bir anlamı yoktur. Görüntü ile ilgili bilgiler sayının bitlerinde saklandığından, benzer imgelerden üretilmiş iki sayının karşılaştırılması da bit bit yapılmalıdır. Programlamada iki sayının bit bit farkının bulunması işlemine Hamming uzaklığı adı verilir. Bu uzaklığı bulmak için aşağıdaki gibi bir fonksiyon yazmak gerekmektedir.

char HammingDist(long long x, long long y)
{
    char dist = 0;
    long long val = x^y;// xor yap ve farki bul
    int i;
    long long t = 1;

    for (i=0; i < 64; i++) {
        dist += (char) ( (val >> i) & t );
    }
    return dist;
}

Kod basitçe x ve y değişkenlerinin xor değerini almakta (ikili çıkarma işlemi) ve iki bit dizisi arasındaki uyuşmayan bitleri bulmaktadır. Ardından 64 bit gezilerek uyuşmayan bitlerin sayısı uzaklık olarak döndürülmektedir (64 bit içerisinde en büyük uzaklık 64 olacağından uzaklık tipi char olarak belirlenmiştir.).

Artık test kısmına geçebiliriz. Test için seçilen dört imge aşağıda verilmiştir. Amacımız ilk sıradaki imge ile üretilen kıyım değerinin diğer üç imge ile üretilen kıyım değerlerine olan benzerliğini bulmak.

Algısal Kıyım İle Resim Benzerliğinin Ölçülmesi

Yapılan bozulmalarıda sıralayacak olursak ikinci imge, ilk imgenin gri-sepya kodlanması ve ölçeklenmesi, üçüncü imge mozaik etkisi ve ölçek değişimi ile üretilmiştir. Son imge ise rastgele seçilen bir imgenin üreteceği sonuçları göstermek için seçilmiştir. Benzerlik için bulunan sonuçlar 64 bit karşılaştırmasında tutarlı olan bitlerin yüzde olasılığı olarak hesaplanmıştır. Bu durumda elde edilen değerler imge1-imge2 arasında %93.75, imge1-imge3 arasında %95.31 ve imge1-imge4 arasında ise %73.44 olarak hesaplanmıştır. 64 bit kodlama ile elde edilen benzerlik sonuçları oldukça yeterli görünse de imge1-imge4 benzerliğinin %75 seviyesinde olması kıyım algoritmasının zayıflığının bir göstergesidir.

Yazımızın başında da belirttiğimiz gibi A-kıyım yöntemi oldukça basit bir yöntemdir. Algoritmanın bu zayıflığı D-kıyım yöntemi ile kısmen giderilebilmektedir. D-kıyım yönteminde gözeklerin ortalamadan büyük veya küçük olduğu değil, her bir gözeğin bir yanındaki gözekten küçük veya büyük olduğu bilgisi saklanmaktadır. D-kıyım yöntemi için yazılan kod aşağıda verilmiştir.

long long Dhash(BMP I) 
{
    int M = 8;
    int N = 9;
    double *IMxN = (double*) malloc(M*N*sizeof(double));

    fIMxN(I, IMxN, M, N);

    long long dhash = 0;

    int i, j;
    double meanI = 0;

    for(i=0; i < M ;i++) 
    {
        // Bu asamada M=8, N=8 olmalı
        for(j=1; j < N ;j++) 
        {
            dhash = (dhash << 1) | (IMxN[i*N+j] < IMxN[i*N+j-1]);
        }
    }

    free(IMxN);
    return dhash;
}

Koddan da görüldüğü üzere algoritmanın A-kıyım yönteminden tek farkı IMxN[j]  < meanI işelmi yerine IMxN[i*N+j] < IMxN[i*N+j-1] işleminin yapılmasıdır. Ayrıca bu işlemin hatasız bir şekilde yapılabilmesi için imge 8x8 yerine 8x9 boyutlarına küçültülmüştür.

Aynı resimler için D-kıyım yönteminin incelersek, imge1-imge2 arasında %82.81, imge1-imge3 arasında %87.50 ve imge1-imge4 arasında %57.81 benzerlik bulunduğunu görürüz. Algoritmayı A-kıyım yöntemi ile karşılaştırdığımızda D-kıyım yönteminin yanlış eşleşmeyi çok daha iyi ayırt ettiğini görebiliriz. Ancak D-kıyım yönteminin de “en iyi yöntem” olmadığı imge1-imge4 arasındaki %57 benzerlikten görülebilir.

Güncel çalışmalarda bu yöntemlerin çok daha karmaşık türeveri olan P-kıyım, Radish ve Wavelet tabanlı kıyım gibi yöntemler kullanılmaktadır. Bu yazıda verilmeyen diğer alternatifleri test etmek için bu bağlantıyı kullanabilirsiniz.

Ayrıca yazıyı hazırlama aşamasında sıklıkla yararlandığım bu bağlantıdan da yazıyı farklı bir anlatım tarzıyla okuyabilirsiniz.

Referanslar

« Ana Sayfa »