CN102306369A - 基于行空间和字空间的抗打印扫描的二值文本图像水印算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于二值文本图像的新的盲水印算法，主要解决了传统字移编码和行移编码中水印嵌入容量低，非盲提取模式和易察觉等问题。其实现步骤为分别提取二值文本图像中的行空间和字空间，以行为主序各自组成一维行空间向量和字空间向量，在水印嵌入的过程中，对行空间向量和字空间向量分别进行置乱、分块、调制、反置乱操作，最后修改二值文本图像的行/字空间大小；在水印提取的时候，只需要对行空间向量和字空间向量分别进行置乱、分块和解调操作就能得到嵌入二值文本图像的水印信息。该算法与传统的字移编码和行移编码相比，在保证水印的高不可见性和强鲁棒性的前提下，提高了水印的嵌入容量，而且嵌入的水印信息对打印、复制和扫描通道是健壮的。

Description

基于行空间和字空间的抗打印扫描的二值文本图像水印算法

技术领域

本发明属于数字水印技术领域，涉及二值文本图像水印信息的嵌入和提取，具体地说是一种用于二值文本图像的新的盲水印算法，该算法在保证水印的高不可见性和强鲁棒性的前提下，提高了水印的嵌入容量，而且嵌入的水印信息对打印扫描通道是健壮的。

背景技术

随着互联网的普及和数字通信设备的发展，信息共享已经成为一种趋势。地球村为人们之间共享文档、图像、影像和各种资源提供了便利；同时电子商务、电子政务和数字图书馆等概念和信息交流的方式已经被大众所接受。电子商务和电子政务需要传递大量的电子文档，数字图书馆以电子形式保存了海量有版权保护的文档、书籍、期刊杂志和影像资料。便捷的共享和获取信息的方式同时也暴露了严重的版权保护和身份认证问题，如版权侵犯、非法拷贝复制、非法盗用等。近年来，数字产品的版权保护和内容认证越来越受到人们的重视，成为迫切需要解决的问题。

最早使用的版权保护手段是密码学。传统的加密系统将数据加密传输，在没有密钥的前提下很难获得机密数据，从而达到保护版权的目的，但是此方法的致命缺点是数据一旦解密，就完全丧失了版权保护的功能。作为对传统加密系统的替代或补充，信息隐藏技术应运而生。使用该技术，隐藏的机密信息在一般的使用过程或即使经过解密、再加密、压缩、数模转换等恶意攻击仍然可以通过一定的方法检测出来，仍旧具有版权保护和身份认证的作用。信息隐藏的通用模型如图1所示。

数字水印是信息隐藏技术领域的一个重要的研究方向。它是应用信号处理的方法，在数字化的多媒体数据中嵌入隐藏的水印信息，并使人的感知系统不易察觉，隐藏的水印信息只有通过专用的检测器才能提取出来的一种多媒体保密技术。该技术可以用于确认数字产品的所有权和跟踪侵权行为。

尽管数字水印广泛应用于包括文本、图像、声音及视频在内的多媒体数据中，但是目前很多相关的研究和文献是针对图像、声音和视频的，相比之下，涉及文本版权认证的成果很少。目前国内和国际上对于文本文档水印的研究尚处于起步阶段。造成此结果的直接原因是文本文档与图像、视频、音频等多媒体信息有着完全不同的特点。图像、视频和音频等多媒体中普遍存在大量冗余信息，可利用人类的视觉系统、听觉系统的掩蔽效应，在此类多媒体中改变一些像素的值，使人们难以分辨出加水印后的载体和原始载体的区别，但在文本文档中水印嵌入冗余空间很小或几乎没有。这一特点无形中增加了文本数字水印研究的难度。例如在图像或视频中修改少量像素值不会产生任何视觉影响，但在二值文本图像中会引进大量的椒盐噪声。事实上，文本作为信息传递的一种重要手段，其应用大大超过了图像、视频和音频的范围。网页的主要内容、聊天信息、报纸、学术论文、法律文件、书信、小说、诗词等都是纯文本的。同样，许多纸张文档(如支票、合同、证明、契约和遗嘱等)比音频、视频或图像之类的多媒体更有价值。因此，研究和开发具有高不可见性、强鲁棒性、高容量、安全的及基于盲提取模式的文本数字水印技术越来越受到国内外学者的关注，同时也具有广阔的市场应用前景。

文本作为最简单的通信和信息交换方式，在版权保护和身份认证时面临各种挑战。目前，所有文本数字水印技术的研究是基于文本文档二值化、前景和背景分离、文本语义、结构、语言规则等显而易见的特点或者经过离散余弦DCT变换、小波变换等变换之后在频域内进行水印信息的嵌入的。短小的文本文档能够嵌入水印信息的冗余度很低，对于此类文档的保护难度会相对变大。所以不同的文本水印算法是依赖于文本文档不同的特点的。目前，根据文本数字水印技术的研究特点，可将国内外对文本数字水印的实现技术按如下分类(如图2所示)：

A.基于图像的方法

在数字文本水印方法中，二值文本图像用来嵌入水印信息。基于此，一些学者提出了在格式化文本中嵌入水印的方案。该方案包括三种方法：行移编码、字移编码和特征编码。但这些算法都具有很低的嵌入容量，而且在提取水印的时候很多是基于非盲模式进行的，但是在很多情况下是不能获得原始的文本图像。此后，学者们又相继提出了对此类方法的改进算法。最新提出的一种基于二值文本图像数字水印的认证算法是通过调整文本中的字间距使其满足某种特定相位和频率的正弦波。以上提到的方法对于打印、复制和扫描在某种程度上是健壮的。

B.基于句法的方法

文本是由句子组成的，句子由单词组成，单词可能是名词，动词，形容词等。句子有很多不同的句法结构，因此，可以利用文本结构中句法的形式来嵌入水印。研究成果表明，此类水印方法对于例如土耳其语，韩语，阿拉伯语和乌尔都语等粘着语有很好的可实施性，因为这些语言提供了大量的空间来嵌入水印信息。但对于例如英语等非粘着语效果却不是很理想。

C.基于语义的方法

基于语义的水印策略是针对文本的语义结构来嵌入水印信息。文本内容如动词，名词，介词，单词拼写，首字母缩略词，句子结构，语法规则等都可以被用来在文本中嵌入水印。该技术利用本体论知识分析文本语义，在不改变文本语义的条件下调整自然语言句子的内容，有效的实现了对短小文本的数字水印嵌入，但同时降低了文本的可读性和增加了实施的复杂度。

发明内容

本发明其目的在于针对现有的基于行移编码和字移编码的二值文本图像水印算法中存在的嵌入容量低、非盲水印提取模式、水印嵌入后的可见性高以及水印嵌入和提取系统复杂等不足，提出了一种基于字空间和行空间的对打印扫描通道健壮的二值文本图像水印算法。一方面保证了嵌入文本的水印信息经过打印、复制和扫描之后还可以在盲水印提取模式下被正确提取；另一方面实现了水印的高嵌入容量、高不可见性以及水印嵌入和提取系统的简单与安全。

实现本发明目的的技术思路是：将二值文本图像中的所有行空间和字空间分别提取出来，各自组成一维行向量；在水印嵌入的过程中，对行空间向量和字空间向量分别进行置乱、分块、调制、反置乱操作，最后修改二值文本图像的行/字空间大小；在水印提取的时候，只需要对行空间向量和字空间向量分别进行置乱、分块和解调操作就能得到嵌入二值文本图像的水印信息。其具体的实现步骤包括如下：

(1)二值文本图像的水印嵌入

A.提取二值文本图像中的所有行空间和字空间，以行为主序各自组成一维行向量，得到行空间向量和字空间向量，分别记为：Row和Word。

B.对组成的行空间向量和字空间向量分别进行置乱操作，得到置乱后的行空间向量Row_C和字空间向量Word_C。

C.对置乱后的行空间向量和字空间向量再分别进行分块操作。

D.根据要嵌入二值文本图像的水印01序列和人为规定的脉冲波形分布调制所有满足条件的分块，得到调制后的行空间向量Row_C_M和字空间向量Word_C_M。

E.对调制后的行空间向量和字空间向量进行反置乱操作，获得新的行空间向量Row_M和字空间向量Word_M。

F.通过比较最新的行/字空间向量(Row_M/Word_M)与原始的行/字空间向量(Row/Word)中元素的大小关系，对二值文本图像中的所有行空间和字空间进行修改，完成二值文本图像水印信息的嵌入。

(2)二值文本图像的水印提取

A.提取待检测的二值文本图像中的所有行空间和字空间，各自以行为主序组成一维行向量Row和Word。

B.对所有待检测的行空间向量和字空间向量分别进行置乱操作，得到置乱后的行空间向量Row_C和字空间向量Word_C。

C.对置乱后的行空间向量和字空间向量进行分块操作。

D.根据人为规定的脉冲波形分布解调所有满足条件的分块，得到嵌入二值文本图像的水印01序列，完成二值文本图像的水印提取。

(3)对于二值文本图像中的行空间和字空间我们做如下定义：

A.行空间：对于一个格式化的文本文档，行空间指的是两个相邻的文本行之间的空间。如图3所示。

B.字空间：对于一个格式化的文本文档，字空间指的是一个文本行中两个相邻单词之间的空间，其中文档边缘的空间不在该定义范围内。如图4所示。

(4)本发明与传统二值文本图像水印算法相比具有以下优点：

A.本发明由于采用了分块操作，以三个行/字空间向量中的元素为一块。由于一个二值文本图像通常由多行组成，一行中又有多个字空间，因此由字空间形成的一维字空间向量可分为多块，可在每个分块上嵌入1bit水印信息，这就克服了传统只能在一行中加入1bit水印信息的局限性，大大提高了水印的嵌入容量。而且传统行移编码中存在基线或质心定位不准的问题，对提取的水印质量造成很大的影响，而行空间向量的分块操作使得在提取水印时不再依赖基线或质心，进而避免了定位不准造成提取的水印质量下降的问题。

B.本发明由于采用了置乱与反置乱的操作，通过先置乱二值文本图像行/字空间向量，再嵌入水印信息，最后反置乱行/字空间向量，从而将嵌入的水印信息打乱分散在二值文本图像的各个部分，使得水印信息的嵌入更加的离散化，因此显著的提高了水印的不可见性、安全性和鲁棒性。

C.本发明在提取嵌入的水印信息时，只需要对行空间向量和字空间向量中的分块进行脉冲波形分析即可获取嵌入的水印信息，而不需要提供原始的二值文本图像，完全实现了水印的盲提取模式，因此具有更广泛的应用范围和更高的实用价值。

本发明利用了字空间和行空间的易检测性和多个(本发明采用3个)取样点共建脉冲波形的方法，实现了经过打印、复制和扫描过程后，在行/字空间向量值发生改变的情况下，仍然可以保持行/字空间向量分块的脉冲波形特征，保证了嵌入的水印信息能够被正确的提取，因此具有很强的抗打印、复制和扫描攻击的能力，提高了算法的鲁棒性和健壮性。

附图说明

图1是信息隐藏的通用模型；

图2是文本数字水印技术分类；

图3是行空间示意图；

图4是字空间示意图；

图5是二值文本图像的水印嵌入过程；

图6是二值文本图像的水印提取过程。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例也仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

二值文本图像的水印嵌入具体实施步骤参照图5，描述如下：

步骤1，提取二值文本图像中的所有行空间和字空间。

根据要嵌入水印的二值文本图像，获取其所有的行空间和字空间，以行为主序各并各自组成一维向量，分别记为行空间向量Row和字空间向量Word。

步骤2，置乱操作。

为了提高嵌入二值文本图像中的水印的不可见性和安全性，对Row和Word进行自定义的置乱操作。置乱规则可由执行者自己定义。例如先置乱二值文本图像行/字空间向量，再将要嵌入的水印01序列调制到行/字空间向量，最后再反置乱行/字空间向量，依此达到置乱水印信息的目的。使得嵌入的水印信息更加的离散化。例如可将字空间向量Word中所有元素的位置按照一定的公式重新计算，并将字空间向量Word按照重新计算的位置进行排列，得到新的字空间向量Word_C。行空间向量亦然，得到新的行空间向量Row_C。

步骤3，分块操作。

为了避免行移编码中水印提取对基线和质心的依赖以及摆脱字移编码中一行最多只能嵌入1bit水印信息的缺点，将新的行/字空间向量中的元素以3个为1块进行分块操作，最后不足3个元素的块在后续过程中不进行任何操作。

步骤4，调制所有分块。

根据自定义的脉冲波形分布(脉冲波形分布是自定义的，脉冲波形以块为单位，由块中的所有元素组成脉冲波形。用户可以以脉冲波形的特征来识别嵌入的水印信息，如可用一个正向的脉冲代表水印信息1，负向脉冲代表水印信息0)，对所有满足条件的分块进行调制。将分块后的行/字空间向量以块为单位，将块中的元素调制为自定义的脉冲波形分布，嵌入水印的01序列。

一块代表了一个脉冲波形，本例中3个元素组成一个脉冲波形，分别代表脉冲波形的两端和顶点。如对于正向脉冲，可将三个元素的值依次规定为低-高-低。元素值的高低是根据行/字空间向量中所有元素的平均值Row_ave/Word_ave决定。具体的实施方式如下：首先分别计算行空间向量元素和字空间向量元素的和，分别记为Sr和Sw。

$S_r={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k{r}_i---\left(1\right)$

$S_w={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^l{w}_i---\left(2\right)$

其中k和1分别代表二值文本图像中的行空间和字空间的个数，r_i为行空间向量中的第i个元素值，w_i为字空间向量中的第i个元素值。则Row_ave和Word_ave分别为：

$\mathrm{Row}\_\mathrm{ave}=\frac{S_r}{k}---\left(3\right)$

$\mathrm{Word}\_\mathrm{ave}=\frac{S_w}{l}---\left(4\right)$

例如，Row_ave为7，则低值可取为5，高值为9，则正向脉冲为9-5-9，负向脉冲为5-9-5。最后得到调制后的行空间向量Row_C_M和字空间向量Word_C_M。

步骤5，反置乱操作。

根据步骤2中的置乱操作规则，对Row_C_M和Word_C_M进行逆向操作，得到新的行空间向量Row_M和字空间向量Word_M。通过步骤2的置乱和此处的反置乱操作，真正意义上实现了嵌入的水印的不可见性和安全性。

步骤6，修改文本行/字空间

通过步骤5中获得的行空间向量Row_M和字空间向量Word_M与原始文本图像中行空间向量Row和字空间向量Word中的元素进行比较，根据比对结果，对二值文本图像中的所有行空间和字空间进行修改，最终完成了二值文本图像水印的嵌入。

实施例2

二值文本图像的水印提取具体实施步骤参照图6，描述如下：

步骤1，提取二值文本图像中的所有行空间和字空间。

同二值文本图像的水印嵌入步骤1。

步骤2，置乱操作。

同二值文本图像的水印嵌入步骤2。

步骤3，分块操作。

同二值文本图像的水印嵌入步骤3。

步骤4，解调所有分块。

解调操作则是从分块后的行/字空间向量中根据调制时定义的脉冲波形分布，判断块中元素的脉冲波形特征，从而提取嵌入的水印信息；例如根据步骤3中得到的每个分块，依次分析每个分块所代表的脉冲波形。若块中三个元素的值大小分别为低-高-低，则为正向脉冲波形，说明其嵌入的是水印信息1；反之，若为负向脉冲波形，则嵌入的水印信息为0。

Claims (5)

1.一种基于行空间和字空间的抗打印扫描的二值文本图像水印算法，其特征在于，包括如下步骤：

A：二值文本图像的水印嵌入；

A1：提取二值文本图像中的所有行空间和字空间，以行为主序各自组成一维行向量，得到行空间向量和字空间向量，分别记为：Row和Word；

A2：对组成的行空间向量和字空间向量分别进行置乱操作，得到置乱后的行空间向量Row_C和字空间向量Word_C；

A3：对置乱后的行空间向量和字空间向量再分别进行分块操作；

A4：根据要嵌入二值文本图像的水印01序列和人为规定的脉冲波形分布调制所有满足条件的分块，得到调制后的行空间向量Row_C_M和字空间向量Word_C_M；

A5：对调制后的行空间向量和字空间向量进行反置乱操作，获得新的行空间向量Row_M和字空间向量Word_M；

A6：通过比较最新的行/字空间向量(Row_M/Word_M)与原始的行/字空间向量(Row/Word)中元素的大小关系，对二值文本图像中的所有行空间和字空间进行修改，完成二值文本图像水印信息的嵌入；

B：二值文本图像的水印提取；

B1：提取待检测的二值文本图像中的所有行空间和字空间，各自以行为主序组成一维行向量Row和Word；

B2：对所有待检测的行空间向量和字空间向量分别进行置乱操作，得到置乱后的行空间向量Row_C和字空间向量Word_C；

B3：对置乱后的行空间向量和字空间向量进行分块操作；

B4：根据人为规定的脉冲波形分布解调所有满足条件的分块，得到嵌入二值文本图像的水印01序列，完成二值文本图像的水印提取。

2.根据权利要求1所述的基于行空间和字空间的抗打印扫描的二值文本图像水印算法，其特征在于，所述置乱操作，采用的方式为先置乱二值文本图像行/字空间向量，再将要嵌入的水印01序列调制到行/字空间向量，最后再反置乱行/字空间向量，依此达到置乱水印信息的目的。

3.根据权利要求1所述的基于行空间和字空间的抗打印扫描的二值文本图像水印算法，其中分块操作是将行/字空间向量以3个为一块进行分块，在每块中都可以嵌入1bit的水印信息，提高了水印信息的嵌入容量。

4.根据权利要求1所述的基于行空间和字空间的抗打印扫描的二值文本图像水印算法，其中3个元素组成一个脉冲波形，分别代表脉冲波形的两端和顶点。

5.根据权利要求1所述的基于行空间和字空间的抗打印扫描的二值文本图像水印算法，其中调制是将分块后的行/字空间向量以块为单位，将块中的元素调制为自定义的脉冲波形分布，嵌入水印的01序列；而解调操作则是从分块后的行/字空间向量中根据调制时定义的脉冲波形分布，判断块中元素的脉冲波形特征，从而提取嵌入的水印信息。

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