CN102081788A - 基于直流系数比较的抗二次打印-扫描鲁棒零水印算法 - Google Patents

Abstract

基于数字水印技术的证件防伪系统在证件制作端和证件鉴别端要对证件图像进行打印和扫描处理。打印-扫描处理是水印算法鲁棒性所面临的主要考验。本发明提出一种基于直流系数比较的抗二次打印-扫描鲁棒零水印算法。对图像进行离散小波变换，将低频逼近子带分割成互不重叠的子块，对每个子块进行离散余弦变换，通过比较相邻两个子块的直流系数数值大小关系产生零水印序列。本发明测试了抵抗一次打印-扫描攻击的鲁棒性、抵抗一次打印-扫描和常规信号处理混合攻击的鲁棒性、抵抗二次打印-扫描攻击的鲁棒性、抵抗二次打印-扫描和常规信号处理混合攻击的鲁棒性。实验结果表明本发明在以上攻击测试中都表现出比较强的鲁棒性。

Description

基于直流系数比较的抗二次打印-扫描鲁棒零水印算法

技术领域

本发明涉及信息安全领域。本发明设计一种基于直流系数比较的抗二次打印-扫描鲁棒零水印算法，应用于证件防伪领域。

背景技术

数字水印技术的功能之一在于对作品进行版权保护，可以被应用到证件防伪领域。基于数字水印技术的证件防伪系统可以描述如下：在证件制作端，数码照相机对人进行拍照形成数码照片，通过特定的水印嵌入算法将唯一代表此人的水印信息嵌入数码照片，然后打印出来制作成证件。在证件鉴别端，用扫描仪扫描证件图像，进行一定的后处理后利用相应的水印提取算法提取水印信息来鉴别真伪。可见，对于整个证件防伪系统而言，打印-扫描处理是水印算法鲁棒性所面临的主要考验。

目前，已提出的能抵抗打印-扫描攻击的鲁棒数字水印算法仍然比较少。文献[1-2]认为打印-扫描涉及到D/A和A/D两次变换，会产生添加随机噪声、剪切、缩放、旋转等干扰，从而建立一个刻画打印-扫描所引起失真的模型，并提出基于傅里叶-梅林变换的抗打印-扫描数字水印算法。文献[3]同时使用二维周期性模式在空域嵌入水印和使用模极法在频率域嵌入水印，从而设计出一个抵抗打印-扫描的数字水印算法。文献[4]提出一种空间域的基于人眼视觉特性和混沌映射的抗打印-扫描数字水印算法。文献[5]通过调整离散余弦变换(Discreet Cosine Transformation，DCT)中频系数的次序嵌入水印。文献[6]通过调整DCT中频系数分类中的系数正负号数量嵌入水印。文献[7]将文献[6]的思想应用于离散小波变换域(Discreet Wavelet Transformation，DWT)，通过调整DWT细节子带系数的正负号数量嵌入水印。但以上算法都存在两点不足之处：(1)以上算法都只研究了抵抗一次打印-扫描的能力，却没有研究抵抗二次打印-扫描的能力；(2)打印-扫描后的数字图像有可能在传输过程中进一步遭受一些信号处理的攻击，但以上算法都没有对此进行研究。

本发明的工作是针对以上不足之处展开的。本发明利用小波低频逼近子带相邻两个子块直流系数(Direct Coefficient，DC)数值大小关系的稳定性，结合零水印技术[8]提出一种抗二次打印-扫描的数字水印算法。本发明不仅考察了算法抵抗一次打印-扫描的能力，而且还考察了抵抗二次打印-扫描的能力和抵抗打印-扫描后信号处理攻击的能力。实验结果表明本发明在以上攻击测试中都表现出比较强的鲁棒性。

参考文献

[1]Lin Ching-yang，Chang Shih-fu.Distortion modeling and invariant extraction for digital image print-and-scan process[C]//Proceedings of International Symposium on Multimedia Information Processing(ISMIP 99).

Taipei，Taiwan，December 1999.

[2]Lin Ching-Yang.Public watermarking surviving general scaling and cropping：an application for print-and-scan process[C].Multimedia and Security Workshop at ACM Multimedia 99 Orlando FL，USE，Oct 1999：41-46.

[3]Gueluy D，Macq B，Delannay D.A print and scan optimized watermarking scheme[J].IEEE Transaction on Image Processing，2001：511-515.

[4]张静，张春田.能抗打印一扫描过程的数字图像水印算法[A].全国第三届信息隐藏学术研讨会论文集[C]，机械工业出版社，2001：151-157.

[5]牛少彰，钮心忻，杨义先，胡文庆.半色调图像中数据隐藏算法[J].电子学报，2004，32(7)：1180-1183.

[6]牛少彰，伍宏涛，谢正程，刘歆，杨义先.抗打印扫描数字水印算法的鲁棒性[J].中山大学学报(自然科学版)，2004，43(增刊2)：1-4.

[7]谭论正，朱宁波，孙星明.基于文档图像的抗打印-扫描数字水印技术[J].计算机应用研究，2007，24(12)：199-200，265.

[8]温泉，孙锬锋，王树勋.零水印的概念与应用[J].电子学报，2003，31(2)：214-216.

发明内容

本发明的目的是设计一种基于直流系数比较的抗二次打印-扫描鲁棒零水印算法，应用于证件防伪领域。

一种基于直流系数比较的抗二次打印-扫描鲁棒零水印算法，包括以下两个过程：

A、零水印产生过程；

B、零水印提取过程。

步骤A进一步包括以下内容：

A1：对大小为M×M的原始图像进行m层DWT；

A2：将小波低频逼近子带分割成互不重叠的n×n子块，子块的总数为

A3：每个子块进行DCT，将得到的DC系数记为d_i，

A4：比较相邻两个子块的DC系数数值大小关系产生原始零水印序列w。如果d_2j-1≥d_2j，那么令w_j＝0；反之，令w_j＝1。其中，w_j为w的第j比特，

步骤B进一步包括以下内容：

B1：对攻击后的图像进行m层DWT；

B2：将小波低频逼近子带分割成互不重叠的n×n子块；

B3：每个子块进行DCT，将得到的DC系数记为d′_i，

B4：比较相邻两个子块的DC系数数值大小关系提取零水印序列w′。如果d′_2j-1≥d′_2j，那么令w′_j＝0；反之，令w′_j＝1。其中，w′_j为w′的第j比特。

B5：计算原始零水印序列w和从攻击后的图像提取的零水印序列w′之间的相似度以判断版权。相似度定义为：

$\mathrm{\θ}=1-(\underset{j=1}{\overset{\frac{1}{2}{\left(\frac{M}{2^{m}n}\right)}^2}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j\⊕w_j^{\′})/\left[\frac{1}{2}{\left(\frac{M}{2^{m}n}\right)}^2\right]$

其中为异或运算。相似度用来评价两个水印序列之间的相似程度。在攻击测试时，相似度可以用来评价算法抵抗攻击的鲁棒性，从而进一步判断版权归属。如果θ≥ν，那么认为作品的版权是合法的，其中ν为阈值。

本发明为证件防伪提供了一个新途径。本发明提出一种基于直流系数比较的抗二次打印-扫描鲁棒零水印算法。对原始图像进行DWT，将小波低频逼近子带分割成互不重叠的子块，对每个子块进行DCT，通过比较相邻两个子块的直流系数数值大小关系产生零水印序列。本发明能够抵抗一次和二次打印-扫描攻击。

附图说明

图1是原始零水印序列产生的算法流程图，图2是零水印序列提取的算法流程图。

图3是原始Baboon图像，图4是一次打印-扫描与后处理后的Baboon图像。

图5是原始Baboon图像小波低频逼近子带相邻两个子块DC系数差值的正负号分布，图6是一次打印-扫描与后处理后的Baboon图像小波低频逼近子带相邻两个子块DC系数差值的正负号分布。

图7是原始Lena图像，图8是原始Peppers图像，图9是原始Sailboat图像，图10是原始Frog图像，图11是原始Elain图像，图12是原始Couple图像，图13是原始Boat图像，图14是原始Aerial图像。

图15是从Baboon产生的原始零水印序列与均匀分布{0，1}随机序列之间的相似度。

图16是二次打印-扫描与后处理后的Baboon图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步描述。

1原始零水印序列产生算法

图1是原始零水印序列产生的算法流程图，包括以下几个过程：

A1：对大小为M×M的原始图像进行m层DWT；

A2：将小波低频逼近子带分割成互不重叠的n×n子块，子块的总数为

A3：每个子块进行DCT，将得到的DC系数记为d_i，

A4：比较相邻两个子块的DC系数数值大小关系产生原始零水印序列w。如果d_2j-1≥d_2j，那么令w_j＝0；反之，令w_j＝1。其中，w_j为w的第j比特，

2零水印序列提取算法

图2是零水印序列提取的算法流程图，包括以下几个过程：

B1：对攻击后的图像进行m层DWT；

B2：将小波低频逼近子带分割成互不重叠的n×n子块；

B3：每个子块进行DCT，将得到的DC系数记为d′_i，

B4：比较相邻两个子块的DC系数数值大小关系提取零水印序列w′。如果d′_2j-1≥d′_2j，那么令w′_j＝0；反之，令w′_j＝1。其中，w′_j为w′的第j比特。

B5：计算原始零水印序列w和从攻击后的图像提取的零水印序列w′之间的相似度以判断版权。相似度定义为：

$\mathrm{\θ}=1-(\underset{j=1}{\overset{\frac{1}{2}{\left(\frac{M}{2^{m}n}\right)}^2}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j\⊕w_j^{\′})/\left[\frac{1}{2}{\left(\frac{M}{2^{m}n}\right)}^2\right]$

其中

为异或运算。相似度用来评价两个水印序列之间的相似程度。在攻击测试时，相似度可以用来评价算法抵抗攻击的鲁棒性，从而进一步判断版权归属。如果θ≥ν，那么认为作品的版权是合法的，其中ν为阈值。

实施例：

1打印-扫描对小波低频逼近子带相邻两个子块DC系数数值关系的影响

以512×512的256灰度级图像Baboon为例考察一次打印-扫描对相邻两个子块DC系数数值关系的影响。图3和图4分别是原始Baboon图像和一次打印-扫描与后处理后的Baboon图像。对图像进行3级harr小波基DWT，将低频逼近子带分割成互不重叠的4×4子块，对每个子块进行DCT产生DC系数。

图5为原始Baboon图像小波低频逼近子带相邻两个子块DC系数差值的正负号分布，图6为一次打印-扫描与后处理后的Baboon图像小波低频逼近子带相邻两个子块DC系数差值的正负号分布。正号代表前一子块的DC系数大于等于相邻后一子块的DC系数，用1表示；负号代表前一子块的DC系数小于相邻后一子块的DC系数，用-1表示。统计结果显示，一次打印-扫描前、后相邻两个子块的DC系数差值正负号保持不变的个数共有122个，由正号变为负号共有3个，由负号变为正号共有3个。由此得出结论：一次打印-扫描前、后Baboon图像小波低频逼近子带相邻两个子块DC系数的数值大小关系基本保持稳定不变。这是因为一次打印-扫描对小波低频逼近子带相邻两个子块的DC系数造成的影响很接近，从而使得两者之间的差值基本保持稳定。

2实验结果

2.1零水印序列的唯一标识性验证

零水印技术在不对原始数字图像做任何改变的前提下提取原始图像稳定特征产生零水印序列用以实现版权保护。那么，为了使一个零水印序列能够唯一标识相应的数字图像，从不同图像产生的零水印序列之间的相似度应该比较小。本发明以图3中的原始Baboon图像和图7-14中的512×512的256灰度级图像Lena、Peppers、Sailboat、Frog、Elain、Couple、Boat、Aerial共九幅标准图像为例测试不同图像产生的零水印序列之间的相似度，实验结果列在表1中。产生的原始零水印序列长度为128bit。表1中的九幅图像零水印序列之间的相似度最大值为0.6563，最小值为0.3828。因此，选择0.80作为阈值ν已经足够让零水印序列唯一标识相应的数字图像。

表1不同图像零水印之间的相似度

2.2原始零水印序列与均匀分布{0，1}随机序列之间的相似度

从Baboon图像产生的原始零水印序列与499个均匀分布的{0，1}随机序列之间的相似度见图15，其中第250个序列为原始零水印序列。很容易从图15看出，相似度基本上在[0.35，0.65]范围内波动。因此，选择0.80作为阈值ν已经足够区分原始零水印序列与均匀分布{0，1}随机序列。结合2.1和2.2部分的实验结果，本发明在2.3、2.4、2.5和2.6部分也选择0.80作为阈值ν用以判断算法能否抵抗攻击的依据。

2.3抗一次打印-扫描攻击的鲁棒性

一次打印-扫描攻击实验用到的设备和材料有：一台型号为Canon L11121E的激光打印机、一台型号为CanoScan LiDE 100的扫描仪、一台电脑和一张A4打印纸。一次打印-扫描及后处理的过程如下：(1)在A4打印纸上将原始Baboon图像用Canon L11121E激光打印机打印出来；(2)设置CanoScan LiDE100扫描仪的分辨率为400dpi，将打印出来的Baboon图像扫描输入电脑；(3)使用Photoshop对扫描输入的Baboon图像进行裁剪和旋转校正，使用bilinear插值法将大小调整为512×512等。

图4为一次打印-扫描与后处理后的Baboon图像，与原始Baboon图像之间的PSNR为15.7766。提取的零水印序列与原始零水印序列之间的相似度为0.9531。由此可知，虽然一次打印-扫描严重降低了图像的视觉效果，但依然能够以很高的相似度提取零水印序列。因此本发明抵抗一次打印-扫描攻击的鲁棒性很强。

2.4抗一次打印-扫描和常规信号处理混合攻击的鲁棒性

一次打印-扫描与后处理后的数字图像有可能在传输过程中进一步遭受一些信号处理的攻击，所以在这部分进一步考察抵抗一次打印-扫描和常规信号处理混合攻击的能力。

对经一次打印-扫描的Baboon图像分别进行添加高斯噪声、添加椒盐噪声、高斯低通滤波、中值滤波、逆时针旋转和JPEG压缩攻击，经后处理后提取零水印序列。实验参数及实验结果见表2。低通滤波的窗口大小为[3，3]。表2中“/”上方为相似度，“/”下方为PSNR。

表2一次打印-扫描和常规信号处理混合攻击的鲁棒性测试

以上攻击的实验结果表明，本发明抵抗一次打印-扫描和常规信号处理混合攻击的鲁棒性很强。

2.5抗二次打印-扫描攻击的鲁棒性

这部分进行的二次打印-扫描及后处理的实验过程与一次打印-扫描及后处理的过程类似，区别在于：(1)这部分实验对象为经一次打印-扫描的Baboon图像；(2)这部分使用的激光打印机的型号为HP LaserJet 1012，扫描仪的型号为Uniscan A3；(3)这部分后处理时用nearest插值法将图像大小调整为512×512。

图16为二次打印-扫描与后处理后的Baboon图像，与原始Baboon图像之间的PSNR为13.4658。提取的零水印序列与原始零水印序列之间的相似度为0.8984。因此本发明抵抗二次打印-扫描攻击的鲁棒性比较强。

2.6抗二次打印-扫描和常规信号处理混合攻击的鲁棒性

二次打印-扫描与后处理后的数字图像有可能在传输过程中进一步遭受一些信号处理的攻击，所以在这部分进一步考察抵抗二次打印-扫描和常规信号处理混合攻击的能力。

对经二次打印-扫描的Baboon图像进行的攻击及实验结果见表3。低通滤波的窗口大小为[3，3]。

表3二次打印-扫描和常规信号处理混合攻击的鲁棒性测试

以上攻击的实验结果表明，本发明抵抗二次打印-扫描和常规信号处理混合攻击的鲁棒性比较强。

3、总结

针对证件防伪问题，本发明分析出打印-扫描前后数字图像小波低频逼近子带相邻两个子块DC系数的数值大小关系存在稳定性，从而利用这种稳定性提出一种抗打印-扫描鲁棒零水印算法。对图像进行DWT，将低频逼近子带分割成互不重叠的子块，对每个子块进行DCT，通过比较相邻两个子块的DC系数数值大小关系产生零水印序列。本发明测试了抵抗一次打印-扫描攻击的鲁棒性、抵抗一次打印-扫描和常规信号处理混合攻击的鲁棒性、抵抗二次打印-扫描攻击的鲁棒性、抵抗二次打印-扫描和常规信号处理混合攻击的鲁棒性。实验结果表明本发明在以上攻击测试中都表现出比较强的鲁棒性。

Claims (3)

1.一种基于直流系数比较的抗二次打印-扫描鲁棒零水印算法，应用于证件防伪领域，包括以下两个过程：

A、零水印产生过程；

B、零水印提取过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于直流系数比较的抗二次打印-扫描鲁棒零水印算法，步骤A进一步包括以下内容：

A1：对大小为M×M的原始图像进行m层DWT；

A2：将小波低频逼近子带分割成互不重叠的n×n子块，子块的总数为

A3：每个子块进行DCT，将得到的DC系数记为d_i，

A4：比较相邻两个子块的DC系数数值大小关系产生原始零水印序列w。如果d_2j-1≥d_2j，那么令w_j＝0；反之，令w_j＝1。其中，w_j为w的第j比特，

3.根据权利要求1所述的一种基于直流系数比较的抗二次打印-扫描鲁棒零水印算法，步骤B进一步包括以下内容：

B1：对攻击后的图像进行m层DWT；

B2：将小波低频逼近子带分割成互不重叠的n×n子块；

B3：每个子块进行DCT，将得到的DC系数记为d′_i，

B4：比较相邻两个子块的DC系数数值大小关系提取零水印序列w′。如果d′_2j-1≥d′_2j，那么令w′_j＝0；反之，令w′_j＝1。其中，w′_j为w′的第j比特。

B5：计算原始零水印序列w和从攻击后的图像提取的零水印序列w′之间的相似度以判断版权。相似度定义为：

$\mathrm{\θ}=1-(\underset{j=1}{\overset{\frac{1}{2}{\left(\frac{M}{2^{m}n}\right)}^2}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j\⊕w_j^{\′})/\left[\frac{1}{2}{\left(\frac{M}{2^{m}n}\right)}^2\right]$

其中为异或运算。相似度用来评价两个水印序列之间的相似程度。在攻击测试时，相似度可以用来评价算法抵抗攻击的鲁棒性，从而进一步判断版权归属。如果θ≥ν，那么认为作品的版权是合法的，其中ν为阈值。

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