CN103247016A - 基于艺术加网的数字水印防伪方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于艺术加网的数字水印防伪方法及系统，所述方法包括如下步骤：步骤S1、使用艺术加网方法将原图像转化为半色调图像，使用设定的变换函数将水印图像转化为半色调水印图像；步骤S2、将所述半色调水印图像嵌入到所述半色调图像中，并将嵌入位置存储于一解码矩阵中；步骤S3、提取水印时，根据所述解码矩阵提取对应位置的半色调水印图像，并针对提取的半色调水印图像使用步骤S1中使用的变换函数的逆变换得到原始的水印图像。本发明不仅能够使得图像取得更好的显示效果，同时也能够达到一种防伪的效果；由于水印图像经过基于正弦函数的艺术加网技术也具有防伪效果，结合其密钥信息，从而具有双重的防伪效果，增加了仿制的技术难度。

Description

基于艺术加网的数字水印防伪方法及系统

技术领域

本发明属于水印防伪技术领域，涉及一种数字水印防伪方法，尤其涉及一种基于艺术加网的数字水印防伪方法；同时，本发明还涉及一种基于艺术加网的数字水印防伪系统。

背景技术

在当今这个大数据时代，大量的数字媒体信息被产生，如何对这些产生的信息进行有效安全的保护引起了人民的极大兴趣和关注。近几年来，数字水印防伪技术被广泛用于保护这些信息的安全，并在知识产权保护、保密通信与内容鉴别等领域都具有广泛的应用价值，在国内每年有超过300亿的市场，它也是国际信息安全界兴起的一个前沿研究课题。数字水印是通过一定的算法将具有特定意义的标记，利用数字嵌入的方法隐藏在图像、声音、文档、图书、视频等数字媒体产品中，能够无缝地隐藏额外的信息，并且这些信息能够在通过传输、压缩后仍然能提取出来，以防止别人的抄袭和鉴别真伪，保证权益拥有者对其作品的所有权，数字水印必将成为产品的版权保护和真伪认证的核心技术措施之一，并发挥不可替代的作用。另外，相对于其他诸多的防伪技术（例如防伪油墨），数字水印有效地克服了技术含量不高，升级慢、随机性差的弊端，彻底更新了印刷防伪的传统观念。

数字水印防伪技术具有以下特点：位置随机性、视觉不可见性、较强的鲁棒性、计算有效性以及自相似性。这些特点满足防伪应用的要求，保证防伪性能可靠、既是惟一的又难以被同行专家仿制。

在数字印刷过程中，数字图像必须经过半色调处理后才能成为印刷图像，该印刷图像的数字水印技术称为半色调水印技术。半色调数字水印系统由嵌入和提取两部分构成，如图1所示。图1给出了利用不同网点形状进行微结构加网所得的灰度变换图。

图3给出了现有的基于半色调技术的数字水印技术流程图。首先将数字图像转换成半色调艺术加网图像，然后基于某些方法制作水印，将这些信息隐藏在半色调图像中，最终获得水印图像。然后利用前面步骤中的一些信息，如保存在解码矩阵中的隐藏信息位置，根据这些解码信息提取水印图像，从而得到防伪的目的。

近年来，大量半色调数字水印防伪方法被提出，这些半色调水印方法主要可以分为变换域水印和空间域水印，空间域水印主要基于小波变换等技术；另一种方法直接在原信号基础上叠加水印信号，如基于像素翻转的方法，先随机选择候选像素，将这些像素的值由0变为255，由255变为0，但是这种方法容易导致椒盐噪声。为了减轻这种影响，一种基于误差扩散的数据隐藏方法被提出，这种算法通过误差扩散来减轻相邻像素翻转产生的误差，提高了视觉效果。但是这种方法会改变图像的局部平均灰度值，在此方法的基础上改进方法使误差不仅向后面的像素点传递，还向前面像素点传递，从而保持局部平均灰度值不受影响。

以上的这些方法都是通过扫描图像并使用相应的技术提取水印信息，另一种是把水印信息(水印图像)隐藏在多幅图像并叠加这些图像，这类方法比单张图更容易获得较好的视觉效果。针对不同区域的像素点进行不同的半色调处理，从而得到不同的半色调图像，这些图像中嵌入了一些二值图像。当要提取水印图像时，直接将两幅图像叠加。但是该方法会影响图像质量和受阈值参数，为了平衡这种不利影响，提出了一种低计算量的噪声平衡误差扩散算法。然而以上的这些方法受制于以下这些限制：(1)只能适用于二值水印图像，不能适用于灰度和彩色的水印图像；(2)水印图像不包含详细的特征信息；(3)包含残留的模式导致图像失真。

为了克服以上的一些限制，一种微结构艺术加网的方法被提出。该方法不仅在加网基本理论方面也有很多成果，而且在应用领域做的相当出色。比如瑞士的EPFL实验室发表了许多关于微结构艺术加网算法的模型，成为开发新的应用软件的基础。在国内，虽然各类传统的印刷图像网点加网技术研究较多，但在微结构艺术加网方式的研究却几乎没有；而且，在传统印刷行业尤其是数字印刷领域内的应用也几乎很少见到。因此，微结构艺术加网研究与应用有广泛的前景。

本发明提出了基于艺术加网的数字水印防伪技术，主要基于以下几个原因：(1)现有的方法加网图案非常简单，在美观性和防伪性上有很大的不足。艺术加网技术能够使用具有代表性的图案和装饰效果，可以增强防伪效果，使造假者很难复制，同时也具有美观效果；(2)现有的一些基于半加网技术的数字水印防伪技术通过阈值矩阵的方法，只能嵌入那些比较简单的水印图像，而不能针对复杂的水印图像进行处理，本发明的一个目的即是为了解决了这一问题；(3)艺术加网可以灵活的设计一些网点，通过控制网点函数的数学模型控制网点的形状，从而使得水印图像更好地嵌入到半色调加网图像中，从而达到更好的防伪效果；（4）使用艺术加网技术及其变换可以使水印图像也具有防伪效果，如正弦变换得到的半色调效果图。为了获得最佳的图像效果，图像的特点不同，嵌入的水印信息应该根据图像的分辨力选择，如半色调过程中需要具有代表性的图案和装饰效果，从而达到水印信息的防伪目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于艺术加网的数字水印防伪方法，可实现双重防伪，增加仿制的技术难度。

此外，本发明还提供一种基于艺术加网的数字水印防伪系统，可实现双重防伪，增加仿制的技术难度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于艺术加网的数字水印防伪方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1：使用艺术加网方法将原图像转化为半色调图像，使用设定的变换函数将水印图像转化为半色调水印图像；

步骤S2：将所述半色调水印图像嵌入到所述半色调图像中，并将嵌入位置存储于一解码矩阵中；

步骤S3：提取水印时，根据所述解码矩阵提取对应位置的半色调水印图像，并针对提取的半色调水印图像使用步骤S1中使用的变换函数的逆变换得到原始的水印图像。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S1中，制作半色调水印图像时，利用艺术加网和正弦变换函数对水印图像进行变形，得到半色调水印图像Y。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S3中，提取水印的过程中，从嵌入半色调水印图像的位置提取像素点，将解码矩阵对应的位置的像素点提取出来并合并成半色调水印图像，然后使用正弦函数的逆变换得到最终的水印图像。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S1中，制作半色调图像时，针对原图像X，选择网点形状描述算法，用矢量曲线描述网点外形的轮廓；并利用控制矢量曲线的关键点有效地调整网点函数的数学模型，灵活控制网点形状；根据不同的印刷输出方式确定加网线数或/和网点大小，并用自定义的网点对图像进行加网，最终得到艺术加网后的半色调图像b。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S2中，对得到的半色调图像b嵌入经过正弦函数艺术加网得到的半色调水印图像；在嵌入的过程中，将半色调图像b分割成大小为k*k的子块，每个子块中基于密钥随机产生一个位置像素点来嵌入半色调水印图像，最终将半色调水印图像嵌入到半色调图像b的多个位置；并将这些位置保存到解码矩阵中；其中，k为设定的参数，用于控制子块的大小，最终使得水印图像均匀嵌入原始图像中。

作为本发明的一种优选方案，Y的大小与子块中灰度级别的大小相对应；当Ym,n为0时，选择子块中灰度级别为最小的像素位置并嵌入半色调水印图像；反之，Ym,n为最大值时，则将嵌入半色调水印图像到灰度级别为最大的像素位置，m,n为图像的象素点位置。

一种基于艺术加网的数字水印防伪系统，所述系统包括：

半色调图像生成模块，用以使用艺术加网方法将原图像转化为半色调图像；

半色调水印图像生成模块，用以使用设定的变换函数将水印图像转化为半色调水印图像；

水印嵌入模块，用以将所述半色调水印图像嵌入到所述半色调图像中，并将嵌入位置存储于一解码矩阵中；

水印提取模块，用以根据所述解码矩阵提取对应位置的半色调水印图像，并针对提取的半色调水印图像使用所述半色调水印图像生成模块中使用的变换函数的逆变换得到原始的水印图像。

作为本发明的一种优选方案，所述半色调水印图像生成模块利用艺术加网和正弦变换函数对水印图像S进行变形，得到半色调水印图像Y。

作为本发明的一种优选方案，所述水印提取模块在提取水印的过程中，从嵌入半色调水印图像的位置提取像素点，将解码矩阵对应的位置的像素点提取出来并合并成半色调水印图像，然后使用正弦函数的逆变换得到最终的水印图像。

作为本发明的一种优选方案，所述半色调图像生成模块针对原图像X，选择网点形状描述算法，用矢量曲线描述网点外形的轮廓；并利用控制矢量曲线的关键点有效地调整网点函数的数学模型，灵活控制网点形状；根据不同的印刷输出方式确定加网线数或/和网点大小，并用自定义的网点对图像进行加网，最终得到艺术加网后的半色调图像b

作为本发明的一种优选方案，所述水印嵌入模块对得到的半色调图像b嵌入经过正弦函数及艺术加网得到的半色调水印图像；在嵌入的过程中，将半色调图像b分割成大小为k*k的子块，每个子块中基于密钥随机产生一个位置像素点来嵌入半色调水印图像，最终将半色调水印图像Y嵌入到半色调图像b的多个位置；并将这些位置保存到解码矩阵中；其中，k为设定的参数，用于控制子块的大小，最终使得水印图像均匀嵌入原始图像中。

本发明的有益效果在于：本发明提出的基于艺术加网的数字水印防伪方法及系统，不仅能够使得图像取得更好的显示效果，同时也能够达到一种防伪的效果；由于水印图像经过基于正弦函数的艺术加网技术也具有防伪效果，结合其密钥信息，从而具有双重的防伪效果，增加了仿制的技术难度。

附图说明

图1为利用不同网点形状进行艺术加网所得的灰度变换图。

图2为利用周期正弦函数得到的加网效果图。

图3为现有的半色调数字水印防伪流程图。

图4为本发明基于艺术加网的数字水印防伪方法流程图。

图5为本发明基于艺术加网的数字水印防伪系统的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图4，本发明揭示了一种基于艺术加网的数字水印防伪方法，图4给出了基于艺术加网的数字水印防伪方法的流程图。首先将原始图像和水印图像分别使用图1和图2给出的艺术加网技术得到半色调图像，然后再嵌入半色调水印图像到加网后的原图，最终得到双重水印的目的，增加仿制的技术难度。

具体地，本发明基于艺术加网的数字水印防伪方法包括如下步骤：

【步骤S1】使用艺术加网方法将原图像转化为半色调图像，使用设定的变换函数将水印图像转化为半色调水印图像。

其中，制作半色调水印图像时，利用艺术加网和正弦变换函数对水印图像S进行变形，得到半色调水印图像Y。当然，采用的变换函数还可以为正弦变换函数之外的其他变化函数。如图2所示，图2给出了一个在x轴y轴上利用正弦函数对直角进行加网，所得的不同周期正弦函数的加网效果图；该方法可以用于对水印图像进行艺术加网。若要恢复原始水印图，可以使用正弦函数逆变换进行得到原始的水印图像。

其中，制作半色调图像时，针对原图像X，选择网点形状描述算法，用矢量曲线描述网点外形的轮廓；并利用控制矢量曲线的关键点有效地调整网点函数的数学模型，灵活控制网点形状；根据不同的印刷输出方式确定加网线数或/和网点大小，并用自定义的网点对图像进行加网，最终得到艺术加网后的半色调图像b。

【步骤S2】将所述半色调水印图像嵌入到所述半色调图像中，并将嵌入位置存储于一解码矩阵中。

其中，对得到的半色调图像b嵌入经过正弦函数艺术加网得到的半色调水印图像Y；在嵌入的过程中，将半色调图像b分割成大小为k*k的子块，每个子块中基于密钥随机产生一个位置像素点来嵌入半色调水印图像（当然，也可以根据设定确定各位置像素点），最终将半色调水印图像Y嵌入到半色调图像b的多个位置；并将这些位置保存到解码矩阵中；其中，k为设定的参数，用于控制子块的大小，最终使得水印图像均匀嵌入原始图像中。

水印图像的半色调图像Y的大小与子块中灰度级别的大小相对应。如，当Ym,n为0时，选择子块中灰度级别为最小的像素位置并嵌入半色调水印图像；反之，Ym,n为最大值时，则将嵌入半色调水印图像到灰度级别为最大的像素位置。其中，m,n为图像的像素点位置。

【步骤S3】提取水印时，根据所述解码矩阵提取对应位置的半色调水印图像，并针对提取的半色调水印图像使用步骤S1中使用的变换函数的逆变换得到原始的水印图像。

本实施例中，提取水印的过程中，从嵌入半色调水印图像的位置提取像素点，将解码矩阵对应的位置的像素点提取出来并合并成半色调水印图像，该合并生成的图即为经过图2方法变换得到的半色调水印图像；而后使用正弦函数的逆变换得到最终的水印图像。

实施例二

请参阅图5，本发明揭示一种基于艺术加网的数字水印防伪系统，所述系统包括：半色调图像生成模块1、半色调水印图像生成模块2、水印嵌入模块3、水印提取模块4。

半色调图像生成模块1用以使用艺术加网方法将原图像转化为半色调图像。本实施例中，所述半色调图像生成模块针对原图像X，选择网点形状描述算法，用矢量曲线描述网点外形的轮廓；并利用控制矢量曲线的关键点有效地调整网点函数的数学模型，灵活控制网点形状；根据不同的印刷输出方式确定加网线数或/和网点大小，并用自定义的网点对图像进行加网，最终得到艺术加网后的半色调图像b。

半色调水印图像生成模块2用以使用设定的变换函数将水印图像转化为半色调水印图像。具体地，本实施例中，所述半色调水印图像生成模块利用艺术加网和正弦变换函数对水印图像S进行变形，得到半色调水印图像Y。

水印嵌入模块3用以将所述半色调水印图像嵌入到所述半色调图像中，并将嵌入位置存储于一解码矩阵中。本实施例中，所述水印嵌入模块对得到的半色调图像b嵌入经过正弦函数及艺术加网得到的半色调水印图像；在嵌入的过程中，将半色调图像b分割成大小为k*k的子块，每个子块中基于密钥随机产生一个位置像素点来嵌入半色调水印图像，最终将半色调水印图像Y嵌入到半色调图像b的多个位置；并将这些位置保存到解码矩阵中；其中，k为设定的参数，用于控制子块的大小，最终使得水印图像均匀嵌入原始图像中。

水印提取模块4用以根据所述解码矩阵提取对应位置的半色调水印图像，并针对提取的半色调水印图像使用所述半色调水印图像生成模块中使用的变换函数的逆变换得到原始的水印图像。本实施例中，所述水印提取模块在提取水印的过程中，从嵌入半色调水印图像的位置提取像素点，将解码矩阵对应的位置的像素点提取出来并合并成半色调水印图像，然后使用正弦函数的逆变换得到最终的水印图像。

综上所述，本发明提出的基于艺术加网的数字水印防伪方法及系统，通过艺术加网技术，使用各种形状的图形或图案代替常规网点，并通过调整网点函数的数学模型，灵活控制网点的形状；经过艺术加网之后的图像再嵌入一些经过艺术的半色调水印图像，如使用正弦变换得到的艺术加网水印图，使得水印本身具有防伪效果，结合其密钥信息，具有双重的防伪效果，增加了仿制的技术难度，从而达到更好的美观和防伪效果。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (11)

1.一种基于艺术加网的数字水印防伪方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤S1：使用艺术加网方法将原图像转化为半色调图像，使用设定的变换函数将水印图像转化为半色调水印图像；

步骤S2：将所述半色调水印图像嵌入到所述半色调图像中，并将嵌入位置存储于一解码矩阵中；

步骤S3：提取水印时，根据所述解码矩阵提取对应位置的半色调水印图像，并针对提取的半色调水印图像使用步骤S1中使用的变换函数的逆变换得到原始的水印图像。

2.根据权利要求1所述的基于艺术加网的数字水印防伪方法，其特征在于：

所述步骤S1中，将水印图像S制作成半色调水印图像时，利用艺术加网和正弦变换函数对水印图像进行变形，得到半色调水印图像Y。

3.根据权利要求2所述的基于艺术加网的数字水印防伪方法，其特征在于：

所述步骤S3中，提取水印的过程中，从嵌入半色调水印图像的位置提取像素点，即将解码矩阵对应的位置的像素点提取出来，合并成半色调水印图像，然后使用正弦函数的逆变换得到最终的水印图像。

4.根据权利要求1所述的基于艺术加网的数字水印防伪方法，其特征在于：

所述步骤S1中，制作半色调图像时，针对原图像X，选择网点形状描述算法，用矢量曲线描述网点外形的轮廓；并利用控制矢量曲线的关键点有效地调整网点函数的数学模型，灵活控制网点形状；根据不同的印刷输出方式确定加网线数或/和网点大小，并用自定义的网点对图像进行加网，最终得到艺术加网后的半色调图像b。

5.根据权利要求4所述的基于艺术加网的数字水印防伪方法，其特征在于：

所述步骤S2中，对得到的半色调图像b嵌入经过正弦函数艺术加网得到的半色调水印图像Y；

在嵌入的过程中，将半色调图像b分割成大小为k*k的子块，每个子块中基于密钥随机产生一个位置像素点来嵌入半色调水印图像，最终将半色调水印图像Y嵌入到半色调图像b的多个位置；并将这些位置保存到解码矩阵中；其中，k为设定的参数，用来控制子块的大小，最终使得水印图像均匀嵌入原始图像中。

6.根据权利要求5所述的基于艺术加网的数字水印防伪方法，其特征在于：

半色调水印图像Y的大小与子块中灰度级别的大小相对应；

当Ym,n为0时，选择子块中灰度级别为最小的像素位置并嵌入半色调水印图像；反之，Ym,n为最大值时，则将嵌入半色调水印图像到灰度级别为最大的像素位置；其中m，n为像素点在图像中的位置。

7.一种基于艺术加网的数字水印防伪系统，其特征在于，所述系统包括：

半色调图像生成模块，用以使用艺术加网方法将原图像转化为半色调图像；

半色调水印图像生成模块，用以使用设定的变换函数将水印图像转化为半色调水印图像；

水印嵌入模块，用以将所述半色调水印图像嵌入到所述半色调图像中，并将嵌入位置存储于一解码矩阵中；

水印提取模块，用以根据所述解码矩阵提取对应位置的半色调水印图像，并针对提取的半色调水印图像使用所述半色调水印图像生成模块中使用的变换函数的逆变换得到原始的水印图像。

8.根据权利要求7所述的基于艺术加网的数字水印防伪系统，其特征在于：

所述半色调水印图像生成模块利用艺术加网和正弦变换函数对水印图像S进行变形，得到半色调水印图像Y。

9.根据权利要求8所述的基于艺术加网的数字水印防伪系统，其特征在于：

所述水印提取模块在提取水印的过程中，从嵌入半色调水印图像的位置提取像素点，将解码矩阵对应的位置的像素点提取出来并合并成半色调水印图像，然后使用正弦函数的逆变换得到最终的水印图像。

10.根据权利要求7所述的基于艺术加网的数字水印防伪系统，其特征在于：

所述半色调图像生成模块针对原图像X，选择网点形状描述算法，用矢量曲线描述网点外形的轮廓；并利用控制矢量曲线的关键点有效地调整网点函数的数学模型，灵活控制网点形状；根据不同的印刷输出方式确定加网线数或/和网点大小，并用自定义的网点对图像进行加网，最终得到艺术加网后的半色调图像b。

11.根据权利要求10所述的基于艺术加网的数字水印防伪系统，其特征在于：

所述水印嵌入模块对得到的半色调图像b嵌入经过正弦函数及艺术加网得到的半色调水印图像；

在嵌入的过程中，将半色调图像b分割成大小为k*k的子块，每个子块中基于密钥随机产生一个位置像素点来嵌入半色调水印图像，最终将半色调水印图像Y嵌入到半色调图像b的多个位置；并将这些位置保存到解码矩阵中；其中k为设定的参数，用于控制子块的大小，最终使得水印图像均匀嵌入原始图像中。

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