CN103679624B - 一种基于灰度图像光水印的防扫描复印方法 - Google Patents

Abstract

一种基于灰度图像光水印的防扫描复印方法，对图像灰度进行分级处理，将光水印从二值域扩展到灰度域，提出灰度图像光水印算法，使得水印区域可以以一定的形式表现，并对灰度图像光水印的基础点阵生成规则、单层水印嵌入方法、多层水印叠加方法以及加权水印对比度评价方法进行了详细阐述。在此基础上，结合扫描复印过程中产生的边缘扩散的模糊效应，构建一层防扫描复印水印，将该层水印与其他灰度图像光水印进行叠加，并嵌入文档图片，以达到对打印文档防扫描复印的效果。

Description

一种基于灰度图像光水印的防扫描复印方法

技术领域

本发明涉及多媒体数字水印构造、嵌入、叠加和检测方法，特别涉及一种基于灰度图像光水印的防扫描复印方法。

背景技术

随着现代科技的不断进步，电子文档的使用越来越广泛，而一些重要的文档仍然需要通过打印机、扫描仪或复印机等数字印刷技术以纸张的形式传播，在传播的过程中如何鉴别文件原件与拷贝的问题受到人们越来越多的重视。科技的发展使得制造原版文件的拷贝成本降低，进而使得伪造、盗版等问题愈发严重，易对社会或个人造成重大的政治或经济损失。因此，在现代社会中对打印文档的真实可信性实施有效保护已成为一个严峻的社会问题。

打印文档防伪技术作为一门新兴学科开始受到人们的重视。传统的打印文档防伪技术主要包括物理防伪技术、化学防伪油墨技术、生物防伪技术、材料防伪技术、防伪印刷技术等。传统的打印文档防伪技术主要是通过特殊的设备、材质和制作工艺来实现防伪，不仅增加了生产成本，而且工艺比较复杂，导致其应用范围较窄，无法普遍推广。基于数字图像的打印文档防伪技术是近些年来兴起的研究领域，该技术主要通过一些数字图像处理的手段，结合打印机、扫描仪、复印机的工作原理，对要打印的电子文档本身做相应的处理，使得电子文档在打印成纸质文档以后能保证防伪的特性。

缩微打印技术是一种防扫描复印技术，它是通过特殊的打印机来对图片做一些处理，比如把只能在放大镜下看到的极其微小的文字印在肉眼看似一条实线或虚线上，当然，缩微文字也可印在组成图的线条上或点上。经过扫描复印后一些小的字符由于扫描仪或复印机的分辨率不足而无法识别，从而导致图像内容失真。缩微打印是一种在纸币、银行、支票和其他有价印刷品上广泛使用的防伪技术。

应用于打印文档防伪的数字水印技术主要包括抗打印扫描水印和光水印两种，其中抗打印扫描水印一般是把水印嵌入到数学变换域，比如离散傅里叶变换(DFT)或离散余弦变换(DCT)，该水印是一种不可见水印。光水印是一种可见水印，是数字水印领域一个重要而实用的研究方向。光水印是一种能够嵌入多层水印信息的数字水印算法，该方法主要基于调制与解调的基本原理，对单层水印进行嵌入和提取。光水印中每一个单层水印对应一个解码器，多个单层水印可以按照一定的规则做叠加并嵌入到图片中，通过不同的解码器提取达到防伪的目的，并可使光水印具有更好的隐蔽性。

S.Spannenburg（参见Spannenburg S.Frequency modulation of printedgratings as a protection against copying[C].Holographic Optical SecuritySystems,1991:88-104）在SPIE上最先提出了基于频率调制的光水印算法。Q.B.Sun等（参见Sun Q B,Feng P R,Deng R.An optical watermarking solution for authenticatingprinted documents[C].Proceedings International Conference on InformationTechnology:Coding and Computing,2001:65-70）在2001年提出了一种改进的基于频率调制的光水印算法，该算法使用了密钥分享的方法将待嵌入的信息分成多份密钥。然后选择某一个密钥将其嵌入到图像中。但是该种方法实验效果较差，目前在这方面做的研究较少。2007年，S.Huang等（参见Huang S,Wu J K.Optical watermarking for printed documentauthentication[J].IEEE Transactions on Information Forensics and Security,2007,2(2):164-173）在IEEE上提出了一种基于相位调制的光水印算法，该算法的实现基于周期性的点阵。该算法可以在嵌入阶段通过选择不同的嵌入周期和角度嵌入多层水印，取得不错的嵌入和提取效果，并且嵌入水印容量较大。2008年，Y.Lu等（参见Lu Y,Li X,Qi W,et al.A further study on an optical watermarking scheme[C].9th InternationalConference on SignalProcessing,2008:2213-2216）在S.Huang的基础上提出了一种基于莫奈(Moiré)现象的方法。该方法的基础层选用的是基于余弦线阵的黑白条纹，当多层叠加时多层条纹会产生莫奈干涉，会导致引入比较大的噪声，使得水印嵌入容量较小。2009年，Hrishikesh（参见Hrishikesh C,Shefali S.Printed Document Watermarking UsingPhase Modulation[C].20092nd International Conference on Emerging Trends inEngineering and Technology(ICETET),2009:222-227）在S.Huang的实验基础上进行了更多的峰值信噪比（PSNR）的分析，给出了更多的实验结果，实验中对点阵的x坐标和y坐标的周期T_x和T_y不同取值做了对比，实验结果表明当时T_x＝T_y结果最佳。但是目前的光水印研究主要还是集中在二值图像领域，由于二值图像光水印只是在二值空间来做处理，前景与背景的反差较大，所以生成的水印是一张杂乱无章的图片；而如果将其扩展到灰度空间，由于灰度图像对于事物的表现能力更强，如果巧妙的利用不同灰度之间的对比可以增加一些应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于灰度图像光水印的防扫描复印方法，该方法首先针对二值图像光水印在事物表现方面的缺陷，提出一种灰度图像光水印算法；然后提出一种用于对灰度图像光水印的提取效果进行评价的加权水印对比度方法；最后，基于扫描复印过程中产生的边缘扩散的模糊效应，设计防扫描复印水印，并与多层灰度图像光水印叠加并嵌入到打印文档图片中，以达到对打印文档防扫描复印的作用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于灰度图像光水印的防扫描复印方法，包括灰度图像光水印设计、防扫描复印层设计、水印嵌入和水印提取四大部分。灰度图像光水印设计是基于相位调制的原理，将光水印从二值图像扩展到灰度图像；防扫描复印层设计是基于扫描复印过程中产生的边缘扩散的模糊效应构造防扫描复印水印层；水印嵌入是将灰度图像光水印与防扫描复印层叠加以适当的水印参数属性嵌入到打印文档中；水印提取是通过光水印层解码器及防扫描复印层解码器进行水印提取；

灰度图像光水印设计过程如下：

a.生成基于灰度分级的基础点阵，构建基础层；

b.嵌入单层灰度图像光水印，并生成光水印层解码器；

c.多层灰度图像光水印的叠加；

d.提出加权水印对比度方法，用于对灰度图像光水印的提取效果进行评价；

防扫描复印层设计过程如下：

a.分析扫描复印过程中产生的边缘扩散的模糊效应；

b.设计替换矩阵，对灰度基础点阵进行替换，构建出防扫描复印层水印及防扫描复印层解码器；

水印的嵌入过程如下：

a.基于加权水印对比度，对灰度分级与基础点阵随机概率进行分析；

b.根据预设的线宽、水印周期、嵌入角度、灰度分级以及基础点阵随机概率、替换矩阵替换概率，进行灰度图像光水印以及防扫描复印水印的嵌入与叠加；

水印的提取过程如下：

a.通过相应的光水印层解码器及防扫描复印层解码器进行水印的提取；

本发明与现有技术相比所具有的优点是：

（1）本发明所述的基于灰度图像光水印的防扫描复印方法，通过将光水印从二值域扩展到灰度域，增强了光水印丰富表现事物的能力。

（2）本发明所述的基于灰度图像光水印的防扫描复印方法，提出了加权水印对比度的方法，该方法用于有效地衡量灰度图像光水印中水印提取的效果。

（3）本发明所述的基于灰度图像光水印的防扫描复印方法，基于扫描复印过程中产生的边缘扩散的模糊效应，构建出防扫描复印层水印，与灰度图像光水印进行叠加，并对水印嵌入周期、嵌入角度、灰度分级及基础点阵随机概率等关键参数进行了大量的分析与实验，结果表明本方法能够对打印文档的真实可信性实施有效保护。

附图说明

图1为本发明方法整体框架结构图；

图2为本发明中的灰度图像光水印基础点阵示意图；

图3a为本发明中待嵌入光水印的源图像示意图；

图3b为本发明中灰度光水印单层嵌入的效果示意图；

图3c为本发明中一度光水印单层嵌入的提取效果示意图；

图4为本发明中的灰度多层水印嵌入角度示意图；

图5a为本发明中实验选择的待嵌入的基本水印信息示意图

图5b为本发明中实验选择的防扫描复印水印信息示意图

图5c为本发明中对图5b按照替换概率0.4做矩阵替换的效果示意图

图6为本发明中的基础矩阵随机概率与灰度级别关系示意图；

图7a为本发明中的对原始打印文档进行普通水印提取效果示意图；

图7b为本发明中的对原始打印文档进行防扫描复印层水印提取效果示意图；

图8a为本发明中的对原始文档的复印件进行普通水印提取效果示意图；

图8b为本发明中的对原始文档的复印件进行防扫描复印层水印提取效果示意图；

图9a为本发明中的对原始文档的扫描件进行普通水印提取效果示意图；

图9b为本发明中的对原始文档的扫描件进行防扫描复印层水印提取效果示意图；

具体实施方式

本发明的基于灰度图像光水印的防复印扫描方法的整体框架图如图1所示。整体流程包括灰度图像光水印设计、防扫描复印层设计、水印嵌入和水印提取四大步骤。

一、灰度图像光水印设计

（1）生成基于灰度分级的基础点阵，构建基础层

光水印的嵌入与普通数字水印的区别是光水印的载体是一个满足周期性的特征的点阵或线阵，而普通数字水印的载体一般是图片、音频、视频等多媒体文件。我们选取嵌入和提取效果较好的点阵作为基础层来研究，其中基础层是一个符合正交的点阵。

目前使用较多的是8位灰度图像，其灰度值取值范围为0～255，本文以8位灰度图像为例，并且对256个灰度值做分级别处理，设总共分为级，由于点阵中要标记黑色点与普通白色背景的区别，在灰度图像光水印中需要将黑色点和普通白色背景做灰度化处理，因此假设黑色点取前级别的灰度值来代替，白色背景部分取后级别的灰度值来代替。基于上述分析，我们可以构建如图2的基础灰度点阵，其灰度点阵的构造方法如公式（1）所示，其中函数的定义如公式（2）所示。基础层在方向和方向均具有周期性。

$f_0(x,y)=255-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Π}\left(\frac{x-n{T}_x}{D_x}\right)\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Π}\left(\frac{y-n{T}_y}{D_y}\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{\&Pi;}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{gen}\left(l_1\right)\&times;(256\&divide;l),& \left|x\right|>1/2,l_1<l/m\\ \mathrm{gen}\left(l_2\right)\&times;(256\&divide;l),& \left|x\right|\&le;1/2,(m-1)l/m<l_2<l\end{array}\right.,m=\mathrm{3,4,5}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;---\left(2\right)$

公式（1）中f₀(x,y)表示计算出的灰度图像矩阵中点(x,y)的灰度值，T_x是指点阵沿x方向的周期，T_y是指点阵沿y方向的周期，D_x是点阵沿x方向的线宽，D_y是指点阵沿y方向的线宽。公式（2）中l为灰度分级数，gen函数表示按照一定规则生成一个灰度值，为使得灰色点与背景产生较强的对比，将l个灰度级别分为m份，黑色点取前1/m级别的灰度值来代替，白色背景部分取后1/m级别的灰度值来代替。公式中的n是一个数值，枚举从负无穷到正无穷。

（2）嵌入单层灰度图像光水印，并生成光水印层解码器

在灰度点阵中通过相位调制的方式嵌入水印，设待嵌入水印信息为g(x,y)，则嵌入水印后的图像表示为w(x,y)，以沿x方向嵌入水印为例，计算方法如公式（3）所示。

$w(x,y)=255-\{g(x,y)\underset{n=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Pi;}\left(\frac{x-n{T}_x}{D_x}\right)+[1-g(x,y)\left]\underset{n=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Pi;}\left(\frac{x-n{T}_x-\mathrm{shift}}{D_x}\right)\right\}---\left(3\right)$

其中shift为相位偏移量，T_x是指点阵沿x方向的周期，T_y是指点阵沿y方向的周期，D_x是点阵沿x方向的线宽，D_y是指点阵沿y方向的线宽。

光水印的水印信息在嵌入后，需要相应的解码器进行提取。解码器是一组黑白条纹组成的光栅，普通二值图像光水印中的解码光栅是打印在透明的幻灯片上的，所以将解码光栅与嵌入水印图像叠加时光栅的黑色会覆盖在灰度点阵上，并不会影响灰度图像光水印的提取，因此我们选择与二值图像光水印相同的解码器，如公式（4）所示，其中θ是解码器生成的方向，T_r是解码器的周期，D_r是解码器的线宽。

$f_r(x,y)=1-\underset{n=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Pi;}\left(\frac{x\cos \mathrm{\&theta;}-y\sin \mathrm{\&theta;}-n{T}_r}{D_r}\right)---\left(4\right)$

如果以半个周期的偏移即shift＝T/2，沿x方向嵌入水印，则对图3中灰度图3（a）的光水印的嵌入和提取效果如图3（b）和图3（c）所示。

（3）多层灰度图像光水印的叠加

由图中可以看出单层灰度光水印是可以通过肉眼来识别出水印的信息的，为了提高信息隐藏的效果，我们需要将单层灰度光水印做多层的叠加。

将原始的点阵顺时针旋转θ角度，并将水印沿新的坐标系嵌入，根据基础数学坐标系变换原理如图，容易得到如公式（5）坐标系变换。

$\left\{\begin{array}{c}v=x\cos \mathrm{\&theta;}+y\sin \mathrm{\&theta;}\\ u=y\cos \mathrm{\&theta;}-x\sin \mathrm{\&theta;}\end{array}\right.---\left(5\right)$

不同水印层的叠加方式分为“与”和“或”两种，两种叠加方式有不同的效果，以“与”为例，叠加方式可以抽象的表示为公式（6）。

$W=1-\underset{i=1}{\overset{s}{\mathrm{\&Pi;}}}{L}_i({\mathrm{\&theta;}}_i,T_{u,i},T_{v,i},D_{u,i},g_{u,i},g_{v,i})---\left(6\right)$

其含义为，设有S层水印，将第i层原始点阵按公式（5）顺时针旋转θ_i角度，变换后的沿u方向的周期T_u,i、线宽D_u,i，沿v方向周期T_v,i、线宽D_v,i及水印信息g_u,i、g_v,i构成水印层L_i，将其与前i-1层水印进行“与”叠加。

与二值图像光水印不同的是，点阵上每一个点都会遇到的一个问题就是不同层的灰度值不同，因此不同的灰度值在叠加时要做一定的取舍。以两层合并为例，对于坐标为(x,y)处的点p取其灰度值为p(x,y)，设这两层位于(x₀,y₀)处的点分别为p₁(x₀,y₀)和p₂(x₀,y₀)，叠加后的该坐标出的点设为p₃(x₀,y₀)，则对于“与”方式的叠加规则如表1和

表2所示。如果是灰色点与背景叠加，要尽最大限度的保证多层之间的干扰变小，所以选择灰色点的灰度值来表示该点的灰度值。如果叠加的点都是灰色点或者都是背景则会有两种不同的选择，这两种选择在不同的情况下有不同的效果。

表1多层灰度图像光水印叠加规则1

表2多层灰度图像光水印叠加规则2

（4）提出加权水印对比度方法，用于对灰度图像光水印的提取效果进行评价

根据人眼识别事物的特征，可以通过前景与背景的反差来衡量水印嵌入的好坏，结合到灰度图像光水印的角度来讲，由于光水印是由点阵构成的，构成对比的主要是深色“点”与背景的反差。因此，我们提出一种评价灰度图像光水印提取效果的标准，我们称之为加权水印对比度。

要计算前景与背景的反差值，首先需要一种方法计算基于点阵的图片的加权平衡度，由于在点阵中主要涉及到颜色较深的“点”和由颜色较浅的“点”所组成背景部分，根据从前景与背景的反差设计出如下的平衡度balance计算公式：

balance＝(P_B-P_W)/M×N （7）

其中P_B表示在点阵中颜色较深的“点”的个数，P_W表示在点阵中背景部分“点”的个数，M×N表示图像的大小为M×N个像素，容易得出其取值范围为[-1,1]。

进一步的分析，根据不同灰度的对比人眼感觉不同，那么可以考虑将灰度值作为加权值来修正公式（7），这样每一个“点”的实际权重如公式（8）所示：

$p_t=\left\{\begin{array}{cc}1-\frac{l_t}{l/2}& l_t<l/2\\ 1-\frac{l-l_t}{l/2}=\frac{l_t}{l/2}-1& l_t>l/2\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中p_t表示t点处的加权值，l如前所述为对灰度的分级，l_t表示t点处的灰度级别。

这样我们就可以对公式（7）中的P_B和P_W做如公式（9）的解释，其中p_t表示t点处的加权值，l如前所述为对灰度的分级，l_t表示t点处的灰度级别。

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_B=\mathrm{\&Sigma;}{p}_t& l_t<l/2\\ P_W=\mathrm{\&Sigma;}{p}_t& l_t>l/2\end{array}\right.---\left(9\right)$

如图3（c）所示，在水印的提取过程中，我们可以清晰的看出对于一张水印提取图片可以将其分为水印部分和水印外部分，这就相当于的图片的前景与背景部分，然后分别计算这两部分的加权平衡度，求其差值，则可以表示该水印提取图片的提取效果，这就是我们前文提到的加权水印对比度。其定义如公式（10）所示：

contrast＝abs(balance₁-balance₂) （10）

其中balance₁和balance₂分别表示水印部分和水印外部分的加权平衡度。

在相位调制的过程中，偏移量的多少对水印提取的效果也有影响，一般来说偏移量越大，则水印提取的效果越好，偏移量越小，则提取的效果越差，而偏移量的多少并不会对加权平衡度造成影响；因此只是用加权平衡度无法准确的描述水印部分的好坏，可以考虑使用偏移量对加权水印对比度做进一步的修正，由于在偏移量shift＝T/2的时候可以取得最好的提取效果，所以修正后的加权水印对比度如公式（11）所示：

contrast＝abs(balance₁×shift/(T/2)-balance₂) （11）

其中balance₁和balance₂分别表示水印部分和水印外部分的加权平衡度，shift为偏移量。

利用加权平衡度这个工具就可以来对水印图像的提取效果进行衡量，加权水印对比度的取值范围在[0,2]之间，值越大表示反差越大，效果越好。

二、防扫描复印层设计

（1）分析扫描复印过程中产生的边缘扩散的模糊效应

光学扫描系统在扫描复印过程中扮演了重要的角色。在光学中，调制传递函数（MTF）描述的是光学系统传递对比度的能力，任何周期性图形都可以分解成亮度按正弦变化的图形的叠加，亮度按正弦变化的周期图形称作“正弦光栅”，可以使用空间频率来描述正弦光栅的线条密度，正弦光栅最亮处与最暗处的差别，反映了图形的反差(对比度)，因此，MTF定义为输出图像对比度与输入图像对比度的比值。

光学调制传输函数可以用一个高斯滤波来建模，等同于对原始图像进行了一次高斯低通滤波攻击，会出现点扩散现象，产生模糊效应，尤其是边缘部分的模糊。在极端情况下，经过光学扫描系统采样后形成的模拟光信号在经过CCD传感器转换成模拟电信号时，已经无法区分出原始图像点。本文基于以上特性，构造防扫描复印水印层。

（2）设计替换矩阵，对灰度基础点阵进行替换，构建出防扫描复印层水印及防扫描复印层解码器

基于上述模糊效应，考虑将待嵌入的信息做特殊的稀疏化处理，经过稀疏后的信息在经过扫描复印过程后的模糊效果会被放大。本文设计出一种如表3所示的3×3的替换矩阵，并根据公式（12）做替换

表3长和宽均为3的替换矩阵

$\mathrm{matrixblack}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{1,2}& 1\&le;p\&le;3\\ \mathrm{3,4,5}& 4\&le;p\&le;6\\ \mathrm{6,7}& 7\&le;p\&le;8\\ \mathrm{1,8}& p>8\end{array}\right.---\left(12\right)$

表3中，每个矩阵中的元素0代表黑色点，元素1代表白色背景。公式（13）中的p为原始水印中每个3×3矩阵中黑色点的个数，并按照p的大小分为了四个区间，当子矩阵的黑色点个数落在某个区间内时，随机选取对应的某个矩阵进行替换，如当p=5时，随机选择编号为3、4、5的任一矩阵进行替换。

为了增强防扫描复印层的模糊效果，我们将防扫描复印区域的灰度值尽量设置的接近一些，采用如公式（13）的方法：

$\mathrm{\&Pi;}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}3\&times;(255\&divide;l),& \left|x\right|>1/2\\ (l-3)\&times;(255\&divide;l),& \left|x\right|\&le;1/2\end{array}\right.---\left(13\right)$

其中l为对灰度的分级，点阵中深色点部分和背景部分分别取l的第三级和倒数三级。这样我们就可以增强防扫描复印层在扫描复印后的模糊性。由于对防扫描复印层做了特殊的替换，对于普通灰度图像光水印层也需要将其灰度值做相应的修正，否则就会造成防扫描复印层水印区域与其他区域的灰度值有明显的不同，相应的普通灰度光水印的生成规则也要做相应的调整，点阵中深色点部分和背景部分分别取l的前三级和后三级，如公式（14）所示：

$\mathrm{\&Pi;}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{rand}\left(\right[1~3\left]\right)\&times;(255\&divide;l),& \left|x\right|>1/2\\ \mathrm{rand}\left(\right[l-3~l-1\left]\right)\&times;(255\&divide;l),& \left|x\right|\&le;1/2\end{array}\right.---\left(14\right)$

其中l为对灰度的分级，rand表示随机选取函数。然而，对于公式（14）中的rand函数要做修改，要增大第三级和倒数第三级别出现的概率p_rand，而不能完全平均概率随机，后文将对rand函数做进一步分析。

三、水印的嵌入

（1）灰度分级与基础点阵随机概率分析

公式（15）中涉及到的一个关键的因素是rand函数中第三级和倒数第三级中出现的概率p_rand。如果p_rand选择不合适则防扫描复印层可以被肉眼直接观察到，而p_rand的选择也与灰度级别l的选择有关系，因此我们先对p_rand与l的关系作分析。在实验中，我们选择的水印图像如图5所示，其中图5（a）是基本水印信息，图5（b）是防扫描复印水印信息，图5（c）是对图5（b）按照替换概率p_repalce＝0.4做矩阵替换的结果。实验过程中选择的线宽D＝3，基本水印层嵌入的周期是T₁＝9，防扫描复印层嵌入的周期是T₂＝7。

如图6是在灰度级别l和基础矩阵随机概率p_rand取不同值时加权水印对比度的变化图，由图中可以看出，三条线随着p_rand的增大而递减，这符合我们对其的定义，因为其他水印部分的取值与防伪层越接近则隐藏效果越好，但是如果p_rand取值太低会对其它层的水印提取效果造成影响，为了使得其他水印层的提取效果较好，则p_rand应该取在防扫描复印层无法被肉眼识别的情况下的最大值。经过大量试验总结发现，当加权水印对比度小于0.0300时，水印信息无法分辨，这样就可以对其l和p_rand有一个较为优化的推荐结果。

（2）根据预设的线宽、水印周期、嵌入角度、灰度分级以及基础点阵随机概率、替换矩阵替换概率，进行灰度图像光水印以及防扫描复印水印的嵌入与叠加

把设计好的一层防扫描复印水印和两层普通光水印嵌入到基础点阵上并叠加，选择如下参数嵌入水印：线宽为3，普通水印层周期为9，防扫描复印层周期为7，嵌入角度分别为60°和120°，灰度级别为32级，基础点阵随机概率为0.8，替换矩阵替换概率为0.4。然后，将嵌水印图片和解码器打印出来，分别使用扫描仪和复印机做文档拷贝。最终得到一份原件，一份扫描件、一份复印件和三份解码器（2份光水印层解码器，1份防扫描复印层解码器）。

四、水印的提取

（1）通过相应的光水印层解码器及防扫描复印层解码器进行水印的提取

（a）使用光水印层解码器及防扫描复印层解码器对嵌水印图片的原始打印文档进行普通水印与防扫描复印层水印提取，提取结果如图7所示；

（b）使用光水印层解码器及防扫描复印层解码器对（a）中原始文档的复印件进行普通水印与防扫描复印层水印提取，提取结果如图所示；

（c）使用光水印层解码器及防扫描复印层解码器对（a）中原始文档的扫描件进行普通水印与防扫描复印层水印提取，提取结果如图所示；

从上面的实验结果我们可以看出，原始打印文档、复印文档以及扫描文档，其嵌入的普通光水印层的提取基本可以识别（“水印”），而只有原始打印文档的防扫描复印水印可以被清晰的提取（“原件”），而复印文档及扫描文档的防扫描复印层水印则无法提取。可见防扫描复印层对扫描复印过程是脆弱的，是能够起到防扫描复印功能的。

Claims (1)

1.一种基于灰度图像光水印的防扫描复印方法，其特征在于,包括如下步骤:灰度图像光水印设计、水印嵌入和水印提取；灰度图像光水印设计是基于相位调制的原理，将光水印从二值图像扩展到灰度图像；防扫描复印层设计是基于扫描复印过程中产生的边缘扩散的模糊效应构造防扫描复印水印层；水印嵌入是将灰度图像光水印与防扫描复印层叠加以适当的水印参数嵌入到打印文档中；水印提取是通过相应的光水印层解码器及防扫描复印层解码器进行水印提取；以下为具体步骤：

步骤一，灰度图像光水印设计，过程如下：

a.生成基于灰度分级的基础点阵，构建基础层；

b.嵌入单层灰度图像光水印，并生成光水印层解码器；

c.多层灰度图像光水印的叠加；

d.提出加权水印对比度方法，用于对灰度图像光水印的提取效果进行评价；

步骤二，防扫描复印层设计，过程如下：

a.分析扫描复印过程中产生的边缘扩散的模糊效应；

b.设计替换矩阵，对灰度基础点阵进行替换，构建出防扫描复印层水印及防扫描复印层解码器；

步骤三、水印的嵌入，过程如下：

a.以加权水印对比度作为衡量标准，对灰度分级与基础点阵随机概率进行分析；

b.根据预设的线宽、水印周期、嵌入角度、灰度分级以及基础点阵随机概率、替换矩阵替换概率，进行灰度图像光水印及防扫描复印水印的嵌入与叠加；

步骤四、水印的提取，过程如下：

a.通过相应的光水印层解码器及防扫描复印层解码器进行水印的提取；

在所述的防扫描复印层设计过程中，设计的替换矩阵如下表所示，并按照公式进行替换：

表中的每个矩阵中的元素0代表黑色点，元素1代表白色背景；公式中的p为原始水印中每个矩阵中黑色点的个数，并按照p的大小分为四个区间，当子矩阵的黑色点个数落在某个区间内时，随机选取对应的某个矩阵进行替换；

在所述的灰度图像光水印设计过程中，提出加权水印对比度方法，用于对灰度图像光水印的提取效果做评价，其计算方法为contrast＝abs(balance₁×shift/(T/2)-balance₂)，其中balance₁和balance₂分别表示水印部分及水印外部分的加权平衡度，shift表示偏移量；加权平衡度的计算方法为balance＝(P_B-P_W)/M×N，其中P_B表示图像点阵中灰度值大于128的“点”的个数，P_W表示图像点阵中灰度值小于128的背景部分“点”的个数，M×N表示图像的大小为M×N个像素；P_B和P_C的计算方法如其中p_t表示t点处的加权值，l为对灰度的分级，l_t为t点处的灰度级别，T为水印嵌入周期。