CN101950407B - 用于证件防伪的彩色图像数字水印实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于证件防伪的彩色图像数字水印实现方法，属防伪及信息安全技术领域，采取的技术方案是：一、将彩色图像的RGB颜色空间转换到L^*a^*b^*颜色空间；二、将可读水印信息编码并调制生成有色噪声水印模式；三、用一个关于梯度模的增函数作为视觉控制因子；四、在L^*a^*b^*颜色空间的L^*亮度分量中嵌入水印；五、提取水印前对水印图像作预测滤波预处理，然后采用归一化相关的方法提取水印；六、将提取的水印比特位译码至可读水印信息。本发明提高了水印信号的正确提取率。本方案具有很强的抗打印扫描攻击的鲁棒性，可广泛用于各种证件的防伪。

Description

用于证件防伪的彩色图像数字水印实现方法

技术领域

本发明涉及一种防伪及信息安全技术领域，是一种可以在彩色图像中嵌入几百比特水印信息并且抵抗打印扫描攻击的可用于证件防伪的彩色图像数字水印技术。

背景技术

通过查阅相关资料和有关专利，主要引证下列专利：

    国名    专利公开号       授权公告日期

1.  中国    CN1322470        2007.06.20

2.  中国    CN100559396      2009.11.11

3.  中国    CN1960428        2009.01.14

4.  中国    CN100511277      2009.07.08

打印扫描问题是数字水印未来应用中的一个至关重要的问题。如果这个问题解决了，纸制媒体包括书、报纸、杂志等都可以利用数字水印进行版权保护。另外，票据和证件等可以用数字水印进行真伪鉴别。利用数字水印技术进行证件真伪鉴别是数字水印研究中的一个热点。数字水印证件防伪系统由两部分组成：一是证件的制作部分，如图6所示。在这一过程中，数码照相机或扫描仪将模拟形式图像转换为数字图像，再将反映特定人的全部或部分独有信息采用一定的水印算法，在某个密钥的控制下嵌入到该数码图照片中，然后打印输出制成证件。二是证件鉴别部分，如图7所示。用扫描仪输入整个证件图像，对照片部分先进行预处理，如确定基准点、旋转矫正、去噪等，然后再在相同的密钥控制下提取水印以确定证件的真伪。

裘正定等的专利《一种抗数模模数变换过程的数字水印防伪方法》，中国专利，专利号为CN1322470，此发明涉及一种抗数模模数变换过程的数字水印防伪方法，包括以下步骤：a)水印嵌入过程，采用二值数字水印算法，在选定的保护对象特定区域嵌入一种包含特殊信息的二值数字水印；b)水印提取判决过程其特征在于：选定的特定区域包括前景图像和背景图像，对选定的特定区域前景图像边缘进行加晕处理，对前景图像进行块划分，并在水印嵌入前对前景图像设置反映前景图像几何特征的同步信号，定义两种不同的图像块模式代表水印信息，进行水印嵌入，在水印提取判决时用图像块像素值方差对图像块像素的分布进行描述，根据一个确定的阈值和图像块像素值方差相比较提取水印。

康显桂等的专利《一种可抗打印扫描和几何变换的多比特数字水印方法》，中国专利，专利号为CN100559396，此发明公开一种可抗打印扫描和几何变换的多比特数字水印方法。本发明在图像的离散傅立叶幅度系数中嵌入水印，每个水印比特嵌入哪些傅立叶幅度系数中根据傅立叶幅度系数的离散对数极坐标确定，当图像遭受缩放旋转等几何变换或者打印扫描时，会使水印检测提取失步；由于图像的缩放和旋转分别对应于傅立叶对数极坐标域的径向和角度方向上的平移，检测提取水印时，根据原始模板与嵌入的模板间相关来重同步信息水印，再提取有意义水印信息比特串，由于在水印嵌入和检测过程中不需要对图像或者其傅立叶幅度系数进行图像内插运算，因而不会引入插值失真并节省了时间，另外攻击者无法去除嵌入的模板，本发明可应用于数字图像、视频的版权保护，文件和证件防伪，以及视频广播监控等。

王树勋等的专利《抗打印扫描大容量有意义数字水印实现方法》，中国专利，专利号为CN1960428，本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：可以嵌入二值图像等有意义的大容量的水印信息，增强了水印信息的可识别性。具有很强的抗打印扫描攻击的鲁棒性，可广泛用于各种证件及印刷品的防伪。利用基于Hausdorff距离的几何校正过程，可以有效的校正水印信号在打印扫描过程所受到的各种几何攻击，如：旋转、缩放、平移等。算法设计简单，校正时间短，有利于满足实际应用的需求。

亓文法等的专利《一种用于数字图像的数字水印方法及装置》，中国专利，专利号为CN100511277，此发明公开了一种用于数字图像的数字水印嵌入、提取方法及装置，嵌入时包括：按第一规则将数字图像分成若干子区域；统计各子区域内的黑点个数；根据各子区域内的黑点个数与平均黑点个数、水印信息位串、以及第一步长计算出需要翻转的像素第一个数；按第一个数翻转每个子区域内的像素点。提取时按第一规则将数字图像分成若干子区域；根据子区域内的黑点个数与平均黑点个数及第一步长提取水印信息位串。本发明可以更好地抵抗打印、扫描和复印过程中的不确定因素攻击，尤其对于打印、复印、扫描等图像复制过程中的分辨率不匹配问题，以及由于不同程度的缩放因素导致的图像偏差，具有很好地适应性和鲁棒性。

采用数字水印技术进行证件防伪存在的主要问题是：

(1)证件制作过程中的打印以及真伪鉴别过程中的扫描对数字水印造成了极大的攻击，主要包括几何攻击和半色调攻击。另外，证件在使用过程中的磨损也对水印造成了一定的攻击。这些攻击导致水印信息提取的困难，也正是这一点限制了利用数字水印技术进行证件防伪的广泛应用。

(2)需要有较大的嵌入容量，而嵌入容量与水印的鲁棒性又是一对矛盾，如何在满足嵌入容量的条件下又有足够的鲁棒性是证件防伪应用中的数字水印技术要解决的一个重要问题。

(3)水印的检测时间不能太长，证件真伪鉴别通常需要现场实时进行，所以水印算法应该简单，运行时间短。

发明内容

本发明提供一种用于证件防伪的彩色图像数字水印实现方法，用有色噪声水印模式抵抗中轻度的几何失真以及局部的、小的非线性几何变形；关于梯度模的增函数

用于嵌入端，作为视觉控制因子提高水印嵌入强度；在提取端，用预测滤波器对水印图像进行归一化相关检测前作预处理，滤除载体信号能量以及使残余的载体信号更趋近于高斯分布，提高水印信号的正确提取率。

本发明采取的技术方案是：

一、将彩色图像的RGB颜色空间转换到L^*a^*b^*颜色空间，L^*a^*b^*颜色空间是一种独立于设备的彩色模型，它是基于人类色感的三度色彩空间，根据一种色彩不能同时是绿色和红色，也不能同时是蓝和黄色的理论，用单一明暗度描述红/绿色和黄/蓝属性，其色彩空间要比RGB模式的色彩空间大，且是用亮度和色差来描述色彩分量，因此它是目前唯一既能直观感觉，又能用于参数描述的色彩空间，可以客观准确地描述、传递、管理与复制色彩；在色彩管理中作为标准颜色转换空间，可以实现不同设备颜色空间的转换，还可确保彩色图像在不同设备上传递和输出时颜色尽可能少丢失。由于L^*a^*b^*可以保证在进行色彩模式转换时，CMYK范围内的色彩没有损失，有利于彩色图像的抗打印扫描算法的实现，减小由于颜色空间转换对水印信号的攻击；把原始图像从RGB颜色空间转换到L^*a^*b^*颜色空间包含两个过程：从RGB色彩模型到XYZ色彩空间的转换和从XYZ色彩空间到L^*a^*b^*色彩空间的转换；

二、生成有色噪声水印模式信号，首先将可读水印：证件号码，文字标识，图标，编码为二进制水印信号，将水印信号经纠错编码并随机交织后的单极性二转换成双极性序列，然后采用码分复用CDMA调制的方法生成水印信号，用于CDMA扩频调制扩频码采用非高斯分布的扩频码，得到可抗几何攻击的有色噪声水印模式信号；

三、嵌入水印信息，为了提高水印的抗攻击能力，采用在L^*亮度分量中以加法规则嵌入水印；多媒体内容通常表现出很强的空间或时间相关性，对于图像，相邻像素的亮度一般相差不多，任何一幅图像中的像素值都可以合理地从它们的相邻像素值来预测，即使受到一定几何攻击后仍然可以预测出来。因此，我们选择在彩色图像L^*a^*b^*颜色空间的L^*亮度分量完成水印的嵌入与提取，与变换域相比具有更强的抗几何攻击性能；

四、用关于梯度模的增函数

作为视觉控制因子，梯度模

的大小可用来判断边缘，

大的地方为边缘，小的地方为平坦区域，很好地描述图像的局部特性，与人类视觉系统的感觉特性相吻合，因此可以用它来控制水印的自适应嵌入强度，在相同的视觉质量下，可以嵌入更大强度的水印；

五、水印的提取，用归一化相关的方法检测水印，相关检测前用预测滤波器对其进行预处理，目的是滤除载体信号能量以及使残余的载体信号更趋近于高斯分布，得到水印信号的估计值，对预处理后的信号进行归一化相关检测；

六、水印信息的译码，将提取的水印比特位经纠错解码并译码为可读水印信息。

本发明一个重要实施方式中，将彩色图像的RGB颜色空间转换到L^*a^*b^*颜色空间，由于L^*a^*b^*颜色空间是一种独立于设备的彩色模型，有利于彩色图像的抗打印扫描算法的实现，减小由于颜色空间转换对水印信号的攻击。

本发明的另一个重要实施方式中，水印信号的生成过程中采用有色噪声水印模式，作用是对抗彩色图像在打印扫描过程中引入中轻度的几何失真以及局部的、小的非线性几何变形。

本发明的另一个重要实施方式中，关于梯度模的增函数

作为视觉控制因子，在相同的视觉质量下，可以嵌入更大强度的水印，从而提高水印的鲁棒性。

本发明的另一个重要实施方式中，相关检测前用预测滤波器对其进行预处理，目的是滤除载体信号能量以及使残余的载体信号更趋近于高斯分布，提高相关检测值，从而提高水印信号提取的正确率。

本发明的另一个重要实施方式中，水印信号提取出来以后，对其作进一步的译码，增强水印信息的可读性。

本发明的数字水印实施方案在嵌入数百比特水印信息的情况下仍然具有很强的抗打印扫描攻击的鲁棒性，可广泛用于各种证件的防伪，算法简单，应用广泛，同时在商标等印刷品防伪上也具有很好的应用前景。

本发明与以上已公开发明的提高之处是：

(1)与发明1和2相比，本发明在水印的嵌入与检测过程中不需要依靠同步信号或同步模板对抗几何攻击而同步信号或同步模板的嵌入既影响嵌入容量又增加算法的运行时间。

(2)与本人参与过的发明3相比，本发明不需要对待检测图像进行几何校正，而是依靠算法本身并借助扫描软件的调整功能实现对几何攻击的鲁棒性。

(3)与发明4相比，本发明是针对彩色图像的(证件中通常使用彩色照片儿不是黑白照片)，且在彩色图像的L^*a^*b^*颜色空间的L^*亮度分量中完成水印的嵌入与检测，利用图像本身的空间特性与特殊的水印模式实现水印的鲁棒性，算法简单，运行时间短，适用于各种证件的实时鉴别。

本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：

第一，本发明可以在彩色图像中嵌入几百比特的大容量的水印信息，水印信息可以是证件号码、文字标识、二值图像等内容。

第二，本发明具有很强的抗打印扫描攻击的鲁棒性，可广泛应用于各种证件的防伪。

第三，本发明采用有色噪声水印模式，可以对抗彩色图像在打印扫描过程中引入的中轻度几何失真以及局部的、小的非线性几何变形。

第四，本发明采用关于梯度模的增函数

作为视觉控制因子，在相同的视觉质量下，可以嵌入更大强度的水印，从而提高水印的鲁棒性。

第五，本发明采用预测滤波器预处理待检测水印图像，提高水印信号的正确提取率。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为本发明的有色噪声水印模式生成框图；

图3为本发明的嵌入水印流程图；

图4为本发明的提取水印前对待检测水印图像的预处理框图；

图5为本发明的对提取的水印比特位的译码框图；

图6是本发明证件制作过程图；

图7是本发明证件鉴别过程。

具体实施方式

结合附图和一种较佳的具体实施方案对本发明作进一步的详细说明。本发明所称的模块为一种方法的组合。

本发明可分为水印嵌入过程001以及水印提取过程002。其中嵌入过程001首先用扫描仪1将模拟形式的彩色照片转换为数字形式的图像或用数码相机1对人物拍照，然后用模块2对获得数字形式的图像进行预处理，模块3用于生成有色噪声水印模式信号，模块4嵌入数字水印，最后用打印机输出包含彩色图像的实物证件5；水印提取过程002首先用扫描仪等图像采集装置6将含有数字水印信息的实物证件上的图像扫描输入，水印图像由模拟形式转换为数字形式7，然后用模块8对数字形式的图像做预处理，模块9提取数字水印比特位，模块10对水印比特位进行译码，模块11通过提取的水印信息对证件进行真伪鉴别。本发明各组成部分的相互关系如框图1所示。

将彩色图像的RGB空间转换到L*a*b*空间模块2包含两个过程：从RGB色彩模型到XYZ色彩空间的转换和从XYZ色彩空间到L^*a^*b^*色彩空间的转换。采用文献：Rafael C Gonzalez，Richard E Woods著，阮秋琦，阮宇智等译.数字图像处理[M].电子工业出版社，2003，第二版：54-255提供的方法：

1.由RGB到XYZ的转换

计算RGB三基色在CIE标准D65下的白色三刺激值X，Y，Z

$\left\{\begin{array}{c}X=0.490R+0.310G+0.200B\\ Y=0.177R+0.812G+0.011B\\ Z=0.010G+0.990B\end{array}\right.---\left(1\right)$

2.由XYZ空间转换到L^*a^*b^*颜色空间

当X/X₀，Y/Y₀，Z/Z₀＞0.008856

$\left\{\begin{array}{c}{L}^{*}=116{(Y/Y_0)}^{1/3}-16\\ a^{*}=500[{(X/X_0)}^{1/3}-{(Y/Y_0)}^{1/3}]\\ b^{*}=200[{(Y/Y_0)}^{1/3}-{(Z/Z_0)}^{1/3}]\end{array}\right.---\left(2\right)$

当X/X₀，Y/Y₀，Z/Z₀＜0.008856

$\left\{\begin{array}{c}{L}^{*}=903.3\frac{Y}{Y_0}\\ a^{*}=3893.5(\frac{X}{X_0}-\frac{Y}{Y_0})\\ b^{*}=1557.4(\frac{Y}{Y_0}-\frac{Z}{Z_0})\end{array}\right.---\left(3\right)$

X，Y，Z为像素点的三刺激值，X₀，Y₀，Z₀为CIE标准照明体的三刺激值，在这里选用D65光源(X₀，Y₀，Z₀分别为95.05，100，108.9)。

如图2所示，有色噪声水印模式生成模块3包括：

纠错编码并随机交织过程31，对可识别的原始水印信号经改进的Turbo纠错编码并随机交织，得到单极性二值序列32，可表示为W＝{W(k)∈{0，1}，1≤k≤L}，再将其转换成双极性二值序列水印比特位33，即W中每一位取值“0”的全部用“-1”代替，得到W＝{W(k)∈{-1，1}，1≤k≤L}，

高斯分布扩频码生成35，对应每一位水印比特给定一个种子作为密钥，用伪随机序列发生器34产生L个独立同分布的高斯扩频码G＝{G_k(n)，k＝1，2…L}，

低通滤波过程36，采用FIR低通滤波器对高斯扩频码35进行低通滤波，得到非高斯分布的扩频码G′＝{G′_k(n)，k＝1，2…L}

码分复用(CDMA)编码过程37，对水印比特33应用CDMA编码后，获得有色噪声水印模式38，可表示为

$w\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}W\left(k\right){G^{\′}}_k\left(n\right),K=\mathrm{1,2},\·\·\·,L---\left(4\right)$

是一个与载体作品大小相等的二维矩阵。

数字水印嵌入模块4是将调制后的有色噪声水印模式信号38嵌入彩色载体图像L*a*b*空间的L^*亮度分量中的过程。如图3所示。包括以下步骤：对彩色载体图像的L*a*b*空间的L^*亮度分量40作梯度模运算41；构造关于梯度模的增函数42，用

表示，本例采用的函数形式为

其中K是梯度阈值；用增函数作为视觉控制因子，选取嵌入强度α和β，本例中选择β＝0.3α；自适应嵌入水印43，嵌入公式为x^w(i，j)＝x(i，j)+g(i，j)·α·w(i，j)+(1-g(i，j))·w(i，j)·β；计算水印不可感知性评价值NLPE2并判断是否小于给定阈值44，如果满足则完成水印的嵌入过程，否则重新回到43并修改嵌入强度；将含水印的L^*亮度分量与另外两个分量转换至彩色图像的RGB颜色空间45，得到含水印的彩色图像46。

对实物证件上的图像5用扫描仪6扫描得到数字形式的水印图像7。预处理待检测图像模块8是对证件上的彩色图像进行颜色空间转换以及预测滤波预处理的过程。如图4所示。将待检测彩色图像7的RGB空间转换到L*a*b*空间81；82是对L*a*b*空间的L^*亮度分量作预测滤波得到估计水印信号83的过程；用与嵌入过程中相同的步骤34至36得到的非高斯分布扩频码做归一化相关检测84；提取出水印比特位9。

对提取的水印比特位译码模块10，包括纠错解码过程101，逆随机交织过程102，转换至单极性二值序列并译码过程103。得到的可识别水印信息11用于证件真伪鉴别。如图5所示。

以上所述仅为本发明的较佳的实施方案而已，利用本发明的设计思想所作的各种变化，仍应包含于本案专利之内。

Claims (6)

1.一种用于证件防伪的彩色图像数字水印实现方法，其特征在于包括下列步骤：

一、将彩色图像的RGB颜色空间转换到独立于设备的L^*a^*b^*颜色空间，为了提高水印的抗攻击能力，利用图像相邻像素的亮度具有强相关性的特点，选择在L^*亮度分量中嵌入水印；

二、生成有色噪声水印模式信号，首先将可读水印编码为二进制水印信号，将水印信号经纠错编码并随机交织后的单极性二进制序列转换成双极性二进制序列，然后采用码分复用CDMA调制的方法生成有色噪声水印模式信号，其中用于CDMA扩频调制扩频码采用非高斯分布的扩频码，得到有色噪声水印模式信号；

三、用关于梯度模的增函数

作为视觉控制因子，梯度模

的大小可用来判断边缘，大的地方为边缘，

小的地方为平坦区域，很好地描述图像的局部特性，与人类视觉系统的感觉特性相吻合，其中，

K是梯度阈值；

四、在L^*亮度分量中采用加法规则嵌入水印，利用了多媒体内容本身的空间相关性，与变换域相比具有更强的抗几何攻击性能；水印嵌入公式为x^w(i，j)＝x(i，j)+g(i，j)·α·w(i，j)+(1-g(i，j))·w(i，j)·β，其中x(i，j)为原始图像，x^w(i，j)为嵌入水印后的图像，(i，j)为图像中的像素，α和β为嵌入强度，β＝0.3α，w(i，j)为有色噪声水印模式信号在像素点(i，j)处的取值，g(i，j)为梯度模的增函数在像素点(i，j)处的取值，计算水印不可感知性评价值NLPE2并判断是否小于给定阈值，如果满足则完成水印的嵌入过程，否则修改嵌入强度并重新按照所述水印嵌入公式嵌入水印，将含水印的L^*亮度分量与另外两个分量转换至彩色图像的RGB颜色空间，得到含水印的彩色图像；

五、水印的提取，用归一化相关的方法检测水印，相关检测前用预测滤波器对其进行预处理，目的是滤除载体信号能量以及使残余的载体信号更趋近于高斯分布，得到水印信号的估计值，对预处理后的信号进行归一化相关检测；

六、水印信息译码，将提取的水印比特位经纠错解码并译码为可读水印信息。

2.根据权利要求1所述的用于证件防伪的彩色图像数字水印实现方法，其特征在于：采用加性原则将水印信号嵌入L^*a^*b^*颜色空间的L^*亮度分量中，它的改变不会引起图像颜色分量的变换，造成图像的失真，可使水印信号在保证不影响原始彩色图像质量的前提下，对不同设备颜色空间转化所引起的攻击具有较强的鲁棒性。

3.根据权利要求1所述的用于证件防伪的彩色图像数字水印实现方法，其特征在于：用有色噪声水印模式抵抗中轻度的几何失真以及局部的、小的非线性几何变形在打印扫描过程中引入的视觉可感知的大角度旋转以及尺度的缩放可以通过扫描软件进行调整，调整至视觉不可感知的程度便可依靠算法本身实现对打印扫描的鲁棒性。

4.根据权利要求1所述的用于证件防伪的彩色图像数字水印实现方法，其特征在于：为了在相关检测时使不同水印比特之间具有最大的可辨别性，将水印比特经纠错编码并随机交织后的单极性二值序列转换成双极性序列，纠错编码的目的是降低信道误码率，随机交织的目的是使水印比特服从贝努利分布。

5.根据权利要求1所述的用于证件防伪的彩色图像数字水印实现方法，其特征在于：在嵌入端，用关于梯度模的增函数

作为视觉控制因子，与人类视觉系统的感觉特性相吻合，依据图像的纹理特征控制水印的嵌入强度，实现水印的自适应嵌入。

6.根据权利要求1所述的用于证件防伪的彩色图像数字水印实现方法，其特征在于：在检测端，用预测滤波器对水印图像进行归一化相关检测前作预处理，图像在打印过程中要经历半色调处理，对水印构成了很强的攻击，利用图像相邻像素具强相关性的空间特性，预测滤波器可以将图像中的像素合理地从他们的相邻像素预测出来，进一步得到水印信号的估计值。

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