CN102034220B - 一种基于数字水印的票据电子影像防篡改方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及计算机图像处理领域，提供一种基于数字水印的票据电子影像防篡改方法，它是将数字水印信息进行加密处理后嵌入到需传输的票据电子影像图像的灰度分量的低频系数中；再从接收到的票据电子影像图像中提取数字水印信息，将获得的信息利用私钥解密，重构水印图案；比对原水印图案和检测到的水印图案，确定该票据电子影像图像是否被篡改。使用本发明方法既不影响票据的视觉效果也不会失密，并可有效抵抗图像压缩和灰度化处理，有效防止票据电子影像被篡改。
Description
技术领域
本发明涉及计算机图像处理领域，具体地说是一种基于数字水印的票据电子影像防篡改方法。
背景技术
随着金融信息化的进步和网络与电子商务的发展，电子支付手段越来越被金融业所重视，其正逐步成为一种重要的支付手段之一。其中支票影像交换系统是电子支付的重要组成部分。通过该系统，影像信息传递将可代替实物票据的传递，使票据可以跨行、跨地区使用。该系统的应用，将大大提高支付清算以及票据截留的效率，降低实体票据因地域阻碍存在的时间滞后以及传递的成本，满足经济主体日益增长的结算服务要求。
但与此同时也带来了电子单据影像在前台、传输过程中以及后台都有可能被篡改或替换的风险。
传统的加密技术是在票据电子影像传输的信道中进行加密，而不在电子票据本身上加密，这种加密技术在传输终端被解密后便失去了加密功效，无法保证票据内容的安全。另外，密码学上的方法在电子影像票据的保护上同样存在先天不足，密码学上的加密是“零容忍”的加密，不允许任何的失真，然而票据电子影像的传输可能因实际的需要，如传输速度和存储大小的限制，有可能会对票据做一定的有损处理，如灰度化或有损压缩等，所以其真实性的验证需要一定程度的容忍度。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足之处，提供一种基于数字水印的票据电子影像防篡改方法，既不影响票据的视觉效果也不会失密，并可有效抵抗图像压缩和灰度化处理，有效防止票据电子影像被篡改。
一种基于数字水印的票据电子影像防篡改方法，该方法包括以下步骤：
（1）数字水印的嵌入阶段，将数字水印信息进行加密处理后嵌入到需传输的票据电子影像图像的灰度分量的低频系数中；其具体步骤如下：
（1.1）将获得的票据电子影像图像归一化为800×360像素大小的RGB图像；
（1.2）将归一化后的票据电子影像图像的色彩模式由RGB模式转换为YUV模式，并将Y、U、V三个分量的值存于矩阵My、Mu和Mv之中；
（1.3）将Y分量矩阵，即灰度分量矩阵My在逻辑上等分为8×8 大小的小块，并对每个小块单独做DCT变换，即离散余弦变换，建立矩阵M存储所有DCT系数，该矩阵大小与My大小相同；
（1.4）从矩阵M中提取每个逻辑小块的DCT系数矩阵，再从每个逻辑小块的DCT系数矩阵中取6个低频系数作为嵌入水印信息的位置，其在每个逻辑小块的DCT系数矩阵中的坐标为（0，2）、（0，3）、（1，2）、（2，1）、（3，0）、（4，0），为了使水印具有一定的抗压缩处理的能力，并使水印信息具有一定的容错性，需要对DCT系数做量化处理，将上述6个系数值对应除以自定义量化表中的整数，对结果取整，获得量化后的整数系数矩阵Y’；
（1.5）按照自定的奇偶规则分别嵌入1比特信息于上述6个量化过的系数中，嵌入比特信息”1”，则通过调整，将对应系数调整为奇数；嵌入比特信息“0”，则通过调整，将对应系数调整为偶数；调整规则为在原系数上+1，如发生溢出现象，则-1；
（1.6）在每个8×8的小块中嵌入6比特信息，在整个票据电子影像图像中嵌入6×100×45 = 27000 位信息；选择180×150大小的二值图像作为待嵌入的水印图案，如灰度值为255的像素编码为比特0，灰度值为0的像素编码为比特1，将得到的待嵌入的水印比特流加密后嵌入到Y分量的DCT系数中；
（1.7）将嵌入了水印信息的DCT系数对应位乘以量化表中的对应整数，即做量化的逆运算，得到嵌有水印信息的票据电子影像图像全图DCT系数矩阵M’，对M’做DCT逆变换获得嵌有水印信息的新的Y分量矩阵My’；
（1.8）将My’、Mu、Mv矩阵转化为RGB模式图像；
（2）传输该嵌入水印后的票据电子影像图像；
（3）数字水印的检测阶段，从接收到的票据电子影像图像中提取数字水印信息，将获得的信息利用私钥解密，重构水印图案；比对原水印图案和检测到的水印图案，确定该票据电子影像图像是否被篡改，如有篡改，根据水印被破坏的位置可以进一步确定被篡改的位置；其具体步骤如下：
（3.1）将嵌有水印信息的票据电子影像图像由RGB模式转换为YUV模式，获得Y分量矩阵；
（3.2）对Y分量矩阵做与嵌入过程相同的分块DCT变换，并量化嵌有水印的对应位DCT系数；
（3.3）根据嵌入有水印信息的系数的奇偶性，确定嵌入图像中的水印信息，如系数为奇数，则该点嵌入的信息为比特“1”，对应水印图案点灰度值为0；系数值为偶数，则该点嵌入的为“0”，对应水印图案点灰度值为255；将获得的信息利用私钥解密，重构水印图案；
（3.4）比对原水印图案和检测到的水印图案，确定该票据电子影像图像是否被篡改；如有篡改，根据水印被破坏的位置可以进一步确定被篡改的位置。
在上述技术方案中，步骤（1.1）中进行归一化时锁定原图像纵横比，如长宽比大于20/9，则以长为基准，如小于20/9，则以宽为基准，归一化后如大小不是800×360，则不够的部分用白色填充；具体归一化实施算法可使用OpenCV中的cvResize()函数实现。
在上述技术方案中，步骤（1.4）中所述的量化表是由JPEG压缩量化表调整而来，其调整方法为JPEG压缩量化表中的系数除以7取整。
本发明提供了一种基于数字水印的票据电子影像防篡改方法，它是将加密信息以数字水印的方式直接嵌入到票据电子影像，具有以下优点：
一、本发明在嵌入水印信息前对DCT系数做量化处理，且量化表由JPEG压缩量化表调整而来，可有效提高对JPEG压缩破坏的容错性。在水印传输过程中，可能需要对图像做压缩处理，而压缩处理往往会使图像信息丢失，影响水印的检测。对需要嵌入水印信息的DCT系数做量化处理，可以提高水印的容错性，有效抵御压缩破坏对水印的影响，抵御压缩攻击。而本发明所使用的量化表由JPEG压缩算法中的量化表修改而来，特别能抵御JPEG中度压缩的攻击。
二、本发明只在灰度分量中嵌入水印信息，可保证在图像被灰度处理后仍然能正确检测水印信息。因传输速度和存储空间的要求，票据电子影像有可能被灰度处理后传输和储存，只将水印嵌于灰度分量中，可保证图像被灰度处理后，水印信息不丢失。
三、本发明在经量化处理后的图像的低频系数中嵌入水印，在保证图像视觉效果的同时，获得尽量好的水印提取结果。因DCT系数矩阵中，能量主要集中在矩阵的左上角，即直流和低频区，而高频区的系数较小，经量化后的高频系数值会更小，多数为0。在高频系数中嵌入水印对图像视觉效果影响较小，但水印提取效果较差；在低频系数中嵌入水印情况相反。本发明是在低频系数中嵌入水印，通过选择合适的量化系数降低对视觉效果的影响，获得尽量好的水印提取效果。
四、本发明在将水印信息嵌入票据影像之前，利用密码学的方法对信息进行了加密处理。在水印被嵌入前加密，改变嵌入信息流的顺序，检测水印信息并重构水印图像时，利用私钥对检测到的信息进行解密，从而对票据电子影像形成二次保护，增加了安全性。
五、本发明采用半脆弱水印，选择DCT系数做嵌入位置，特别适合电子影像票据防篡改的特点。半脆弱水印既可以接受一些微小的图像改变（例如图像压缩引起的微小改变等），这时不会产生报警信息。但如果图像被人为的修改，则会马上被检测并报警。选择DCT中低频系数作为嵌入位置，在每64个像素中嵌入6比特信息，水印嵌入量大，对于一幅800×360的票据影像可以嵌入27000比特信息，从而可以有效地保证票据完整性，并可以定位被篡改位置。嵌入水印的目的是为了便于接收端判别票据在经过中间环节是否受到有意的篡改，所以水印的不可感知性要求不严。但从实验结果可见，本方法在图像不被过度放大的情况下，水印化的图像在视觉上与原始图像没有差别。
附图说明
图1 是本发明方法实施例中数字水印嵌入阶段的流程图。
图2 是本发明方法实施例中数字水印检测阶段的流程图。
图3是本发明方法中使用的量化表的实例图。
具体实施方式
本实施例是在Visual Studio 9.0上以MFC架构实现，并借助OpenCV函数库完成代码的编写。
一种基于数字水印的票据电子影像防篡改方法，该方法包括以下步骤：
（1）数字水印的嵌入阶段，将数字水印信息进行加密处理后嵌入到需传输的票据电子影像图像的灰度分量的低频系数中；
（2）传输该嵌入水印后的票据电子影像图像；
（3）数字水印的检测阶段，从接收到的票据电子影像图像中提取数字水印信息，将获得的信息利用私钥解密，重构水印图案；比对原水印图案和检测到的水印图案，确定该票据电子影像图像是否被篡改，如有篡改，根据水印被破坏的位置可以进一步确定被篡改的位置。
在上述实施例中，步骤（1）中所述的数字水印的嵌入阶段，具体包括以下步骤：
（1.1）将获得的票据电子影像图像归一化为800×360像素大小的RGB图像；归一化时锁定原图像纵横比，如长宽比大于20/9，则以长为基准，如小于20/9，则以宽为基准，归一化后如大小不是800×360，则不够的部分用白色填充；具体归一化实施算法可使用OpenCV中的cvResize()函数实现；
（1.2）将归一化后的票据电子影像图像的色彩模式由RGB模式转换为YUV模式，并将Y、U、V三个分量的值存于矩阵My、Mu和Mv之中；其中RGB->YUV的转换公式为：
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
U = -0.147R - 0.289G + 0.436B
V = 0.615R - 0.515G - 0.100B
为了减小误差，矩阵My、Mu和Mv为浮点数矩阵，存储浮点数值，增加运算精度；
（1.3）将Y分量矩阵，即灰度分量矩阵My在逻辑上等分为8×8 大小的小块，并对每个小块单独做DCT变换，即离散余弦变换，建立矩阵M存储所有DCT系数，该矩阵大小与My大小相同；其中在进行分块操作时是将图像从逻辑上分成小块，而实际上图像还是原来的图像，没有进行分割，没有生成新的小图像；其中DCT变换公式如下：
（1.4）从矩阵M中提取每个逻辑小块的DCT系数矩阵，再从每个逻辑小块的DCT系数矩阵中取6个低频系数作为嵌入水印信息的位置，其在每个逻辑小块的DCT系数矩阵中的坐标为（0，2）、（0，3）、（1，2）、（2，1）、（3，0）、（4，0），为了使水印具有一定的抗压缩处理的能力，并使水印信息具有一定的容错性，需要对DCT系数做量化处理，将上述6个系数值对应除以自定义量化表中的整数，对结果取整，获得量化后的整数系数矩阵Y’；其中量化表是通过JPEG压缩算法的量化表中的系数除以7取整而来，如图三所示；
（1.5）按照自定的奇偶规则分别嵌入1比特信息于上述6个量化过的系数中，嵌入比特信息”1”，则通过调整，将对应系数调整为奇数；嵌入比特信息“0”，则通过调整，将对应系数调整为偶数；调整规则为在原系数上+1，如发生溢出现象，则-1；
（1.6）在每个8×8的小块中嵌入6比特信息，在 整个票据电子影像图像中嵌入6×100×45 = 27000 位信息；选择180×150大小的二值图像作为待嵌入的水印图案，如灰度值为255的像素编码为比特0，灰度值为0的像素编码为比特1，将得到的待嵌入的水印比特流加密后嵌入到Y分量的DCT系数中；
（1.7）将嵌入了水印信息的DCT系数对应位乘以量化表中的对应整数，即做量化的逆运算，得到嵌有水印信息的票据电子影像图像全图DCT系数矩阵M’，对M’做DCT逆变换获得嵌有水印信息的新的Y分量矩阵My’； 其中DCT逆变换公式为：
（1.8）将My’、Mu、Mv矩阵转化为RGB模式图像；其中 YUV->RGB的转换公式为：
R = Y + 1.140V
G = Y - 0.395U - 0.581V
B = Y + 2.032U
获得嵌入水印信息的电子影像票据图像。转换过程中，为减小误差，采用四舍五入法获得计算结果的整数值。
在上述实施例中，步骤（3）中所述的数字水印的检测阶段，具体包括以下步骤：
（3.1）将嵌有水印信息的票据电子影像图像由RGB模式转换为YUV模式，获得Y分量矩阵；
（3.2）对Y分量矩阵做与嵌入过程相同的分块DCT变换，并量化嵌有水印的对应位DCT系数；
（3.3）根据嵌入有水印信息的系数的奇偶性，确定嵌入图像中的水印信息，如系数为奇数，则该点嵌入的信息为比特“1”，对应水印图案点灰度值为0；系数值为偶数，则该点嵌入的为“0”，对应水印图案点灰度值为255；将获得的信息利用私钥解密，重构水印图案；
（3.4）比对原水印图案和检测到的水印图案，确定该票据电子影像图像是否被篡改；如有篡改，根据水印被破坏的位置可以进一步确定被篡改的位置。
Claims (3)
1.一种基于数字水印的票据电子影像防篡改方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
（1）数字水印的嵌入阶段，将数字水印信息进行加密处理后嵌入到需传输的票据电子影像图像的灰度分量的低频系数中；其具体步骤如下
（1.1）将获得的票据电子影像图像归一化为800×360像素大小的RGB图像；
（1.2）将归一化后的票据电子影像图像的色彩模式由RGB模式转换为YUV模式，并将Y、U、V三个分量的值存于矩阵My、Mu和Mv之中；
（1.3）将Y分量矩阵，即灰度分量矩阵My在逻辑上等分为8×8 大小的小块，并对每个小块单独做DCT变换，即离散余弦变换，建立矩阵M存储所有DCT系数，该矩阵大小与My大小相同；
（1.4）从矩阵M中提取每个逻辑小块的DCT系数矩阵，再从每个逻辑小块的DCT系数矩阵中取6个低频系数作为嵌入水印信息的位置，其在每个逻辑小块的DCT系数矩阵中的坐标为（0，2）、（0，3）、（1，2）、（2，1）、（3，0）、（4，0），为了使水印具有一定的抗压缩处理的能力，并使水印信息具有一定的容错性，需要对DCT系数做量化处理，将上述6个系数值对应除以自定义量化表中的整数，对结果取整，获得量化后的整数系数矩阵Y’；
（1.5）按照自定的奇偶规则分别嵌入1比特信息于上述6个量化过的系数中，嵌入比特信息”1”，则通过调整，将对应系数调整为奇数；嵌入比特信息“0”，则通过调整，将对应系数调整为偶数；调整规则为在原系数上+1，如发生溢出现象，则-1；
（1.6）在每个8×8的小块中嵌入6比特信息，在整个票据电子影像图像中嵌入6×100×45 = 27000 位信息；选择180×150大小的二值图像作为待嵌入的水印图案，如灰度值为255的像素编码为比特0，灰度值为0的像素编码为比特1，将得到的待嵌入的水印比特流加密后嵌入到Y分量的DCT系数中；
（1.7）将嵌入了水印信息的DCT系数对应位乘以量化表中的对应整数，即做量化的逆运算，得到嵌有水印信息的票据电子影像图像全图DCT系数矩阵M’，对M’做DCT逆变换获得嵌有水印信息的新的Y分量矩阵My’；
（1.8）将My’、Mu、Mv矩阵转化为RGB模式图像；
（2）传输该嵌入水印后的票据电子影像图像；
（3）数字水印的检测阶段，从接收到的票据电子影像图像中提取数字水印信息，将获得的信息利用私钥解密，重构水印图案；比对原水印图案和检测到的水印图案，确定该票据电子影像图像是否被篡改，如有篡改，根据水印被破坏的位置可以进一步确定被篡改的位置；其具体步骤如下
（3.1）将嵌有水印信息的票据电子影像图像由RGB模式转换为YUV模式，获得Y分量矩阵；
（3.2）对Y分量矩阵做与嵌入过程相同的分块DCT变换，并量化嵌有水印的对应位DCT系数；
（3.3）根据嵌入有水印信息的系数的奇偶性，确定嵌入图像中的水印信息，如系数为奇数，则该点嵌入的信息为比特“1”，对应水印图案点灰度值为0；系数值为偶数，则该点嵌入的为“0”，对应水印图案点灰度值为255；将获得的信息利用私钥解密，重构水印图案；
（3.4）比对原水印图案和检测到的水印图案，确定该票据电子影像图像是否被篡改；如有篡改，根据水印被破坏的位置可以进一步确定被篡改的位置。
2.根据权利要求1所述的基于数字水印的票据电子影像防篡改方法，其特征在于：步骤（1.1）中进行归一化时锁定原图像纵横比，如长宽比大于20/9，则以长为基准，如小于20/9，则以宽为基准，归一化后如大小不是800×360，则不够的部分用白色填充；具体归一化实施算法可使用OpenCV中的cvResize()函数实现。
3.根据权利要求1所述的基于数字水印的票据电子影像防篡改方法，其特征在于：步骤（1.4）中所述的量化表是由JPEG压缩量化表调整而来，其调整方法为JPEG压缩量化表中的系数除以7取整。
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