CN103761799B - 一种基于纹理图像特征的票据防伪方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于纹理图像特征的票据防伪方法和装置。首先利用快速影像设备在票据打印前的纸质载体上选取一定数目的区域，并获取纸张纹理图像数据和区域中心点位置信息；提取纹理图像特征信息；生成票据编号信息；计算可变内容数据的摘要信息流；将获得的所有信息进行编码并隐藏在票据中的可见元素中；最后将完整票据拼版数据打印输出。进行核验时，将纸质票据文件扫描成数字图像数据并提取隐藏的所有信息；然后比对纹理图像特征信息、票据编号信息和可变内容数据信息是否一致，以判定票据真伪。本发明中的防伪技术符合技术独占性、技术可靠性、识别简便性、辨认惟一性、防伪时效性等要求。

Description

一种基于纹理图像特征的票据防伪方法和装置

技术领域

本发明属于防伪技术领域，涉及一种基于物理特性的防伪方法，具体涉及基于票据纸张纹理图像特征的防伪方法，尤其涉及了基于图像纹理特征的用于可变印刷输出的票据防伪方法和装置。

背景技术

随着市场经济的迅速发展，商品种类也呈多样化发展，满足了广大消费者的需要，但假冒伪劣商品也日益增多。假冒伪劣商品不但影响国民经济的健康发展，还损害商家和广大消费者的利益。为了保证商家和广大消费者的利益不受侵害，保证社会主义市场经济的快速发展，每年国家都要投入大量的物力、财力以及人力用于防伪打假。

目前，国内外市场上的防伪技术种类很多，常见的防伪技术主要有激光全息防伪技术、荧光油墨防伪技术、防伪印刷技术、可查询密码电话防伪技术、纹理防伪技术等。

1）当前使用最多的防伪技术是激光全息防伪技术，但随着市场经济的发展，激光全息的防伪方法已经被假冒伪造者掌握，该防伪技术已经发挥不了真正的防伪作用。

2）荧光油墨防伪技术主要在证券印刷中使用，如钞票、邮票、各种金融凭证等，我国第五套人民币就采用了该技术。荧光油墨防伪技术主要采用保密机制和控制机制进行防伪，是观察型防伪技术，该防伪技术的防伪标识和带有防伪标识的包装很容易被不法伪造者再次使用；当流通的商品比较多时，商品真伪的验证效率很低。

3）防伪印刷技术是指将防伪措施通过印刷的方式转移到印刷上，使印刷品具有可鉴别真伪的特征。目前防伪印刷技术印刷防伪方法主要包括防伪印刷设计与防伪印制技术，比如接线印刷、计算机辅助设计、水印印刷、隐形印刷、缩微印刷、凹版印制花纹对接、多色叠印等防伪印刷技术。但是随着扫描复制设备快速发展，现有的防伪印刷品都可以被高精度地复制，并且印刷原件和复制品在普通消费者看来几乎完全一样，其防伪效果大大降低。

4）可查询密码电话防伪技术是一种将信息网络化的防伪技术，它为每件商品分配一个随机号码，并把每件商品的信息存放于后台防伪数据库，消费者可以通过手机、电脑来验证商品真伪。由于商品随机号码的一次性、唯一性、无序性，造假者无法伪造，并且无法将伪造的商品编码信息送往防伪数据库。这种防伪技术看起来安全可靠，但可查询密码电话防伪技术依然存在如下问题：

a.商品的防伪编码信息可视，容易被伪造、且不易被发现。其它防伪技术都是在商品上增加技术特征来加大造假难度，而可查询密码电话防伪技术是把防伪信息写在商品上，使商品很容易被伪造。造假者可以使用没有被查询过的旧包装和非法获取的防伪信息进行假冒伪劣商品的制造，并且制造的假冒伪劣商品不容易被查出。

b.商品防伪编码的查询率不高，消费者参与度低。由中国防伪协会的资料显示，商品防伪编码的查询率不到1%。由于查询率不高，所以由被回收的防伪编码制造的假冒伪劣商品就很难被发现，导致市场上出现大量的假冒伪劣商品，商品防伪系统也很难发现它们，消费者也把大量的假冒伪劣商品误认为是合法商品，使用可查询密码电话进行的防伪没有达到真正的防伪作用。

5）纹理防伪技术是以包装材料本身固有的斑纹记号为防伪识别标记的一种防伪技术。自然界的斑纹总是千差万别的，如指纹、木纹、石纹、斑马纹、冰纹、树叶纹等纹理都是随机的、唯一的、不可能有两个完全一样的。纹理防伪与指纹识别身份的原理相同，世界上没有两个指纹一样的人，据数学家推算，两人指纹相同的概率，小于1000亿分之一。利用这一原理，选用纹理清晰的包装材料制成防伪标识物，对每一枚标识物材料的斑纹记号进行拍摄、编号、建档、存入防伪数据库中。消费者可通过互联网、传真、电话查询档案、辨别真伪。但是目前的纹理技术虽然解决了防伪标识的唯一性问题，但仍主要存在如下问题：

a)只是将材料纹理图像拍摄下来存放在服务器上，由于保存的图像数据太多，如果防伪标识数目是海量的话，需要的硬件存储设备容量会很大，成本较高；

b）斑纹记号的拍摄过程是额外的，操作比较繁琐；

c）检测时需要将再次拍摄的图像与保存的图像进行比对后才能判断真伪。由于没有提取比较鲁棒的图像特征，再加上前后拍摄的设备和方法的不同，拍摄的图像会出现较大偏差，因此防伪标识识别的准确度相对不高；

d）消费者可通过互联网、传真、电话查询档案、辨别真伪，类似于前面的电码防伪技术，必须要求是在线检测识别，同样存在查询率比较低，防伪性能较差的问题。

总起来讲，通过对上述传统防伪技术的分析不难发现，这些防伪技术绝大部分是都没有很好地解决防伪元素的唯一性，也就是所谓的防复制性。有的技术可以解决一部分问题，比如采用电码防伪可以实现防伪标识的唯一性，但是技术简单，易于复制，查询率底；采用技术含量稍高的无线射频识别（RFID，RadioFrequencyIdentification）技术，但是该技术的成本相对较高，很难大面积推广使用，并且RFID芯片也面临着被复制和破解的挑战，具有很大的安全风险。另外很多防伪技术没有解决票据内容防篡改的问题。

发明内容

本发明提供一种基于纹理图像特征的票据防伪方法和装置，用以解决现有技术中防伪标识唯一性差、易复制、防伪性能低、防伪成本高等缺点，进一步解决防伪标识的内容防篡改和离线快捷识别的问题，实现了防伪票据的可变打印输出。

本发明的构思在于利用快速影像仪器设备在票据打印前的纸质载体上随机选取特定区域，获取并保存这些区域所包含的纸张纹理图像数据、区域中心的坐标信息集合；将获取到的纸张纹理图像数据进行预处理后，利用灰度共生矩阵方法提取纹理图像特征信息；根据票据编码规则生成票据的编号信息；计算票据中的可变数据的摘要信息流；接着将上述所有信息进行编码后隐藏在票据中的可见元素中；最后将合并后的票据拼版数据发送至打印机进行打印输出。从而得到了一种基于纹理图像特征的票据防伪方法和装置。

本发明中基于纹理图像特征的票据防伪方法，技术方案中包括描述票据防伪元素的生成和防伪票据打印过程的防伪票据生成方法，和对生成的纸质票据上的防伪信息进行验证的核验方法，分别具体说明如下：

一种基于纹理图像特征的防伪票据生成方法，其步骤包括：

步骤一，利用快速影像设备在票据打印前的纸质载体上随机选取一定数目的不同区域，获取并保存所选区域内所包含的纸张纹理图像数据和区域中心点位置信息；

步骤二，将获取到的纸张纹理图像数据进行预处理后，提取纹理图像特征信息；

步骤三，根据票据编码规则生成每张票据唯一的编号信息，并作为明码插入到票据版面的指定位置；

步骤四，计算票据版面中可变内容数据的摘要信息流；

步骤五，接着将上述步骤获得的所有信息进行编码后，利用数字水印的方法隐藏在票据中的可见元素中；

步骤六，最后将合并后的完整票据拼版数据发送至打印机上进行打印输出为纸质票据文件。

一种对上述方法生成的防伪纸质票据上的防伪信息进行验证的核验方法，其步骤包括：

步骤七，将纸质票据文件扫描成数字图像数据，并从可见元素中提取隐藏的所有信息；

步骤八，从步骤七中获得的信息中分离出票据版面区域的中心点位置信息，并以这些中心点为参考位置，利用步骤一中的所述方法再次获取票据的纹理图像数据；

步骤九，按照步骤二所述方法重新计算提取纹理图像特征信息，并与步骤七中所包含的纹理图像特征信息进行比对，若不一致，则判定票据为假，否则进行步骤十；

步骤十，比较票据编号信息和可变内容数据信息是否一致，若一致则判定票据为真，否则判定票据为假。

较佳地，所述随机选取的区域，区域数目不少于3个，每个区域的中心位置不同，区域大小不同，每两个区域之间的交集不与其他任意一个区域或者其并集完全相同。

较佳地，所述的图像纹理特征信息提取，采用下列方法中的一种或者多种的结合：以灰度共生矩阵为代表的统计方法，以形式语言为代表的结构法，以Gabor滤波器为代表的频谱法，以Markov为代表的模型法。

较佳地，所述的获取的所有信息，包括：所有图像区域的纹理特征信息，每个区域的中心点位置信息，每个区域的宽度和长度信息，票据编号信息，可变内容数据信息和可变内容数据信息的摘要信息；

较佳地，所述的获取的所有信息，全部信息进行加密处理后隐藏在动态生成的由随机网点组成的底纹背景图案中，并将生成的背景底纹图案插入到票据版面元素中，其中隐藏方法为：首先在编码块的起始位置处选取一组规则排列的单个像素大小网点组成图案作为编码图像块头标志；整个编码块由大量的5*5的正方形区域组成；其中对于每个5*5大小的正方形区域，若该区域中心存在黑点，则表示信息1，反之，表示信息0；将生成的点阵图像与随机生成的点阵图像相融合，生成最终的包含隐藏信息的背景底纹图像。

较佳地，所述的数字水印隐藏方法，将票据编号信息转换为点阵位图，利用半色调图像挂网方法隐藏在票据的背景图案载体中；

较佳地，所述的数字水印隐藏方法，将票据中的可变内容信息隐藏在票据中的固定文字内容和图像块中；

较佳地，所述的从纸质票据文件扫描成的数字图像数据中提取的所有信息包括：所有图像区域的纹理特征信息，每个区域的中心点位置信息，每个区域的宽度和长度信息，票据编号信息，可变内容数据信息，可变内容数据信息的摘要信息；

较佳地，所述的比较票据编号信息，是比较从票据版面中固定文字内容和图像块中提取的票据编号信息、随机网点底纹中提取的编号信息和版面中明码显示的编号信息是否一致。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于纹理图像特征的防伪票据生成装置，包括：

快速影像设备，用于在票据打印前的纸质载体上随机选取一定数目的不同区域，获取并保存所选区域内所包含的纸张纹理图像数据和区域中心点位置信息；

纹理图像特征信息提取单元，连接所述快速影像设备，用于将获得的纸张纹理图像数据进行预处理并提取纹理图像特征信息；

票据编号信息生成单元，用于根据票据编码规则生成每张票据唯一的编号信息，并作为明码插入到票据版面的指定位置；

可变内容数据处理单元，用于计算票据版面中可变内容数据的摘要信息流；

信息隐藏单元，连接所述纹理图像特征信息提取单元、票据编号信息生成单元和可变内容数据处理单元，用于将获取的所有信息进行编码后，利用数字水印的方法隐藏在票据中的可见元素中；

打印机，连接所述信息隐藏单元，用于打印完整票据拼版数据，输出为纸质票据文件。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种对上述装置生成的防伪票据进行核验的装置，包括：

图像扫描设备，用于将纸质票据文件扫描成数字图像数据，并从可见元素中提取隐藏的所有信息；

信息提取单元，连接所述图像扫描设备，用于从获得的信息中分离出票据版面区域的中心点位置信息，并以这些中心点为参考位置，再次获取票据的纹理图像数据，并重新计算提取纹理图像特征信息；

票据真伪判定单元，连接所述信息提取单元，用于将重新提取的纹理图像特征信息与所述图像扫描设备获取的纹理图像特征信息进行比对，若不一致，则判定票据为假；否则，比较票据编号信息和可变内容数据信息是否一致，若一致则判定票据为真，否则判定票据为假。

本发明的有益效果如下：

由于本发明中，提取了票据纸张特定位置处的纹理图像特征信息，并将特征信息保存在票据版面的内容元素载体中，将材料的物理纹理特性与票据内容相绑定。由于不同票据纸张和同一票据纸张的不同位置处的纹理图像特征都不相同，因此，本发明真正做到了票据防伪标识的唯一性。

由于本发明在采集票据纸张图像区域时，图像区域的中心位置，图像区域的大小和图像区域的数目都是随机的，因此，造假者无法获取准确的图像区域信息，因此无法复制票据内容。

本发明中，票据纸张纹理图像采集方法可以应用于任何纸张，不需要事先在造纸过程掺入随机排列的有形材料以形成纹理信息，实用性广，图像采集方式简单。

本发明中，收集了与票据版面内容相关的很多信息，比如所有图像区域的纹理特征信息，每个区域的中心点位置信息，每个区域的宽度和长度信息，票据编号信息，可变内容数据信息和可变内容信息的摘要信息。这些信息跟票据本身息息相关，检测识别时必须完全符合才能判断为真品，因此防伪力度较大。

本发明中，采用了由随机网点组成的底纹背景图案隐藏方法保存上述所有信息，该方法具有如下优点：（1）信息量大，在A4幅面大小的区域内可以藏入100K以上字节的数据流；（2）视觉效果好，网点排列类似通常的一定灰度的调频网点分布，视觉效果均匀；（3）网点大小为1*1像素，这种网点很难再进行二次扫描和印刷，因此底纹图案很难进行复制，很好地起到了内容防复制的效果。

本发明中，所采用的防伪票据打印方法都是基于正常的打印流程，不需要专门的油墨和纸张，没有额外的印刷成本；另外保证了每张票据的内容都是不一样的，真正做到可变内容数据印刷，从而增大了伪造的难度。

本发明中，将票据内容中可变数据隐藏在背景底纹中，防止了造假者恶意修改票据内容，从而保证票据内容的完整性，到达纸质票据的防篡改目的。

本发明中，防伪识别手段简单，多样化，采用票据中的文字、图像、底纹载体等在内的多种对象元素，一线防伪和二线防伪相结合，防伪性能较高。

总之，本发明中的防伪技术符合技术独占性、技术可靠性、识别简便性、辨认惟一性、防伪时效性等要求。

附图说明

图1为实施例中所述的一种基于纹理图像特征的票据防伪方法的实施流程示意图；

图2为随机网点底纹图案标识编码块起始位置的固定点示意图；

图3为随机网点底纹图案中定位点排布情况示意图；

图4为嵌入信息为1时子图像块的分布情况示意图；

图5为嵌入信息为0时子图像块的分布情况示意图；

图6为随机网点底纹隐藏信息后的效果示意图。

图7为基于纹理图像特征的防伪票据生成装置及核验装置的结构框图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做详细的说明。

本发明的构思在于利用快速影像仪器设备在票据打印前的纸质载体上随机选取特定区域，获取并保存这些区域所包含的纸张纹理图像数据、区域中心的坐标信息集合；将获取到的纸张纹理图像数据进行预处理后，利用灰度共生矩阵方法提取纹理图像特征信息；根据票据编码规则生成票据的编号信息；计算票据中的可变数据的摘要信息流；接着将上述所有信息进行编码后隐藏在票据中的可见元素中；最后将合并后的票据拼版数据发送至打印机进行打印输出。从而得到了一种基于纹理图像特征的票据防伪方法和装置。下面结合附图对本发明的具体实施作出说明。

图1为实施例中所述的一种基于纹理图像特征的票据防伪方法的实施流程示意图。

S101，利用快速映像仪器设备在票据打印前的纸质载体上随机选取一定数目的不同区域，获取并保存所选区域内所包含的纸张纹理图像数据和区域中心点的坐标信息集合。

一般在票据打印输出前，通过新型计算机外部影像仪器设备，比如速拍仪或精拍仪，进行票据纸面部分区域的光学采样，转换为计算机可以处理的纹理图像数据。选择区域一般是票据版面中的空白区域，不会有可变数据信息打印至上面。随机选取的区域数目不少于3个，每个区域的中心位置不同，区域大小不同，每两个区域之间的交集不能与其他任意一个区域或者其并集完全相同。每个区域的形状可以为正方形或者矩形，在某一块特定区域内可以从0°，45°，90°，135°等角度去拍摄图像，以获取更加稳定的图像特征信息。

由于不同票据纸张或者同一纸张的不同区域的纹理图像特征都不同，上述的采样方式，保证了采样图像位置的随机性和多重性。其中的每个区域中心的坐标信息和图像块大小信息都经过加密后存储在额外的载体中，检测时会自动提取这些信息进行相同的采样和比对识别工作。造假者不可能获得这些关键信息，因此很难重现精确的采样过程。

S102，将获取到的纸张纹理图像数据进行预处理后，提取纹理图像特征信息。

为使图像块表面纹理结构更加明显，便于特征提取，这里对每个图像块进行直方图增强和图像归一化预处理操作。设原始图像块像素亮度值为I（x,y），则经过直方图增强处理后图像块亮度值为：

$I_k^{\′}(x,y)={\mathrm{\Σ}}_{m=0}^{k}p\left(I_m(x,y)\right)(m,k=\mathrm{0,1,2},L,255)---\left(1\right)$

式（1）中m和k分别表示原始图像块和直方图增强后图像块的像素灰度级，p(I_m(x，y))表示原始图像块中灰度级为m的像素的直方图统计概率。

对每个图像块进行直方图增强处理后，再将其分割成若干图像子块，每个图像子块用S_i表示，图像子块大小为Q*Q，则经过图像归一化处理后的图像子块像素亮度值表示为：

$N_i(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}0.4+\sqrt{0.4\&times;{[I^{*}(x,y)-M_i]}^2{V}_i}& I^{*}(x,y)\&GreaterEqual;M_i\\ 0.4-\sqrt{0.4\&times;{[I^{*}(x,y)-M_i]}^2{V}_i}& I^{*}(x,y)<M_i\end{array}\right.---\left(2\right)$

式（2）中M_i和V_i分别表示图像子块S_i的均值和方差。

纹理是图像中一个重要而又难以描述的特性，它们反映了物体表面灰度的某种变化。图像纹理特征信息提取的方法，主要包括以灰度共生矩阵为代表的统计方法，以形式语言为代表的结构法，以Gabor滤波器为代表的频谱法和以Markov为代表的模型法。

在本发明中，采用基于图像灰度共生矩阵的特征提取方法。共生矩阵用两个位置的象素的联合概率密度来定义，它不仅反映亮度的分布特性，也反映具有同样亮度或接近亮度的象素之间的位置分布特性，是有关图像亮度变化的二阶统计特征。设f(x,y)为一幅二维数字图像，其大小为M×N，灰度级别为Ng，则满足一定空间关系的灰度共生矩阵为：

P(x，y)＝#{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)∈M×N|f(x₁，y₁)＝i，f(x₂，y₂)＝j}(3)

式（3）中，#(x)表示集合x中的元素个数，显然P为Ng×Ng的矩阵。若(x₁，y₁)与(x₂，Y₂)间距离为d，两者与坐标轴之间的夹角为θ，则可以得到各种间距及角度的灰度共生矩阵P(i，j，d，θ)。

在上面灰度共生矩阵的基础上可以定义14个特征向量：二阶矩，对比度，相关性，共生和方差，共生和均值，共生差均值，逆差分距，熵，均匀性，协方差，共生差熵，共生差方差，共生和熵和最大概率。实际上，在14个特征中仅有5个是真正有用的，即角二阶矩Gasm（AngularSecondMoment）、对比度Gcon（Contrast）、相关性Gcor（Correlation）、逆差分矩Ginv（InverseDifferenceMoment）和熵Gent（Entropy）。

根据共生矩阵P(i，j，d，θ)可以计算5个特征，这5个特征分别表示为：

$\mathrm{Gasm}={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^{N_g-1}{\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{N_g-1}{P}^2(i,j)$

$\mathrm{Gcon}={\mathrm{\&Sigma;}}_{n=0}^{N_g-1}{n}^2\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^{N_g-1}{\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{N_g-1}{P}^2(i,j)\right),|i-j|=n$

$\mathrm{Gcor}=\frac{1}{{\mathrm{\&delta;}}_x{\mathrm{\&delta;}}_y}{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^{N_g-1}{\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{N_g-1}\mathrm{ijP}(i,j)-{\mathrm{\&mu;}}_x{\mathrm{\&mu;}}_y$

$\mathrm{Ginv}={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^{N_g-1}{\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{N_g-1}\frac{P(i,j)}{1+{(i-j)}^2}$

$\mathrm{Gent}=-{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^{N_g-1}{\mathrm{\&Sigma;}}_{j=0}^{N_g-1}P(i,j)\log \left(P(i,j)\right)$

上式中：δ_x，δ_y分别为概率密度函数Px和Py的均值，μ_x和μ_y分别为概率密度函数Px和Py的标准方差。

通过上述方法分别提取每个图像块的纹理特征信息，并将这些信息进行处理后存储在票据纸张的额外载体元素中。

S103，根据票据编码规则生成每张票据唯一的编号信息，并作为明码插入到票据版面的指定位置。

由于要实现可变数据印刷输出，每张票据上的编号信息肯定是不同的，该信息一方面作为可见编码出现票据版面上起到标识作用，同时也作为暗码信息隐藏在其他载体对象上，作为票据是否为真品的判定条件之一。

S104，计算票据版面中可变内容数据的摘要信息流；

在普通票据文字内容中，有些是固定文字内容，有部分文字内容信息是随着票据编号不同而变化的，比如银行汇票上的金额信息等。为了防止造假者篡改票据内容，将可变内容数据计算摘要信息后，保存在其他内容载体中。核验时，重新计算票据版面中的可变内容数据的摘要信息，跟隐藏的信息流进行比对，从而判断票据内容是否经过非法篡改，进而判断票据原件的真伪。

S105，接着将上述步骤获得的所有信息进行编码后，利用数字水印的方法隐藏在票据中的可见元素中。

上述获取的所有信息包括：所有图像区域的纹理特征信息，每个区域的中心点位置信息，每个区域的宽度和长度信息，票据编号信息，可变内容数据信息和可变内容信息的摘要信息，以及其他跟票据相关的自定义信息。最后将所有信息进行加密处理后，分别隐藏到票据版面中其他不同载体中。

1）基于随机网点构成的背景底纹中的信息隐藏

首先将全部信息进行加密处理后隐藏在动态生成的由随机网点组成的背景底纹图案，并将生成的背景底纹图案插入到票据版面元素中，其中隐藏方法大致思想为：首先在编码块的起始位置处选取一组规则排列的单个像素大小网点组成图案作为块头标志；整个编码块由大量的5*5的正方形区域组成；其中在每个5*5大小的正方形区域中心位置是否存在黑点，若该区域中心存在黑点，则表示信息1，反之，表示信息0；将生成的点阵（包含定位点和编码点）与随机生成的点阵相融合，生成最终的包含隐藏信息的背景底纹图像。下面详细叙述一下隐藏过程：

a.生成用于标识编码块起始位置的固定点

组成底纹图案的网点类型主要包括：用于确定编码块起始位置的固定点、探测编码点位置的定位点和编码信息的编码点三种。其中固定点的位置决定了图像编码块的起始位置，并根据指示点的方向识别出后面所有的定位点和编码点，其示意图如图2中的7个黑色网点组成。相邻两黑点间的距离为5个像素。其中网点1、2、3和4构成一个正方形形状，该正方形右上角的第2号黑点作为第一个定位点。另外第7号黑色网点用于标识网点扫描的指示方向，规整排列的六个黑点（从编号1到标号6的6个网点）组成了两个正方形图案，正方形区域的内部没有多余的黑点。

b.定位点阵的排布

每个编码块由大量5*5像素大小的正方形子图像块组成，每个子图像块代表1bit信息。为了能够精确定位每个方框的位置，又不影响背景底纹图案的视觉效果，本方案采用正方形的编码块，编码块的行数和列数相等且为奇数（这里的行数与列数指编码块中每一行与每一列所包含子图像块的个数）。所有的定位点位于编码块奇数行和奇数列交汇处，其中最右侧一列与最底层一行的子图像块不进行信息的嵌入，点阵的排布如图3所示，其中包含四个矩阵排列组成的子图像块，四个角的黑色点为点阵图像中实际存在的定位点，其余的点位置（包括灰色点和中间的黑色点）均由黑色定位点位置计算得出。四个角的黑色中每两个黑点间的距离为10个像素，中间黑点的位置可由两条对角线上的两端黑点的位置得到，通过中间黑点与四个角的黑色点的位置可以得到每个灰色点的位置坐标。设四个定位点的坐标分别为(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)和(x4,y4)。则中间黑色点的位置为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{x1+x2+x3+x4}{4}\\ y=\frac{y1+y2+y3+y4}{4}\end{array}\right.---\left(3\right)$

左上角灰色点的坐标位置为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{g1}=\frac{x1+x}{2}\\ y_{g1}=\frac{y1+y}{2}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其余的灰色点位置坐标可以按照类似式（3）和式（4）的方式计算得出。

c.水印信息的埋入

本方案中，水印信息埋入信息的方式为：若需要隐藏信息位串为1，则在相应的5*5像素大小的子图像块的中心位置设置一个黑点；若需要隐藏信息位串为0，则确保相应的中心位置没有黑点存在。埋入水印信息位串为1和0时的示意图分别如图4和图5所示。其中每个四个矩形区域合并在一起组成10*10像素大小的子图像块区域，每个图中的黑色点代表定位点位置。如图3中的描述的定位排布规律看出，图4和图5中的每个1/4子区域中有且只有一个定位点，有可能出现在每个子区域的任意一个顶点处。中心的黑点称为编码点，当隐藏信息1时，中心存在编码点；当隐藏信息0时，中心不存在编码点。

d.嵌入水印信息后的背景底纹图案跟随机调频网点图案融合

生成一幅具有一定灰度的由1*1大小的随机点阵构成的调频网点图案，这里的灰度取5%-10%较佳。将底纹图像与生成的含有隐藏信息的点阵图像进行融合。融合过程中，确保所有定位点及每个子图像区域的中心位置处不含有随机生成的黑点，以免影响检测结果。如图6是一幅融合后的隐藏效果示意图。

上述方法是本发明的一大特色，其主要优点如下：

（1）隐藏的信息量大

本方案在每个5*5像素大小的正方形区域内中隐藏1bit信息，设需要隐藏的总信息量为N字节，则一个方形编码块的行数x_row和列数x_col分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{row}}=(\sqrt{8*N+2}+1)/2*2+1\\ x_{\mathrm{col}}=x_{\mathrm{row}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

因此，一个编码块的宽w和高h的像素数分别为：

$\left\{\begin{array}{c}w=(x_{\mathrm{row}}-1)*5\\ h=w\end{array}\right.---\left(6\right)$

如果换算成A4幅面大小，信息量的计算为：假设一张A4幅面在600dpi分辨率下的图像大小大约是4960*7016像素，在打印过程中，整张A4纸的内容不能完全被打印出，边界将被裁掉一部分。假设打印可保留的像素区域是4642*6600，在点阵的周围需要留宽度大约为32像素的边，因此可容纳点阵的列数为

（4642-32*2）/5=915（取奇数）

可容纳点阵的行数为：

（6600-32*2）/5=1307

则总信息量为：

（（915-1）*（1307-1）-2）/8/1024=145.7KB

大约相当于大约七万两千个汉字，这个信息量还是非常大。

（2）隐藏视觉效果好

本方案将生成的埋入信息的网点图案与同样大小的随机点阵相融合，由于点阵中网点大小一致，且除在5*5像素大小方形区域中心位置和固定点出现的位置外，均可能出现随机网点。因此融合结果中只有少部分网点用于埋入信息，大部分都是随机分布，视觉效果较好。

（3）检测方式简单高效，识别率高。

相对于其他底纹隐藏的方案，本方案避开了诸如检测网点的几何、物理特征或同时检测多个区域以确定隐藏信息的方式，仅通过某一特定区域网点的有无提取水印，探测方式简单高效，减少了误差产生的概率。

2）利用半色调图像挂网隐藏及提取图文信息的方法

将票据编号信息转换为点阵位图，利用半色调图像挂网方法隐藏在票据的背景图案载体中。该方法属于一线防伪技术，通过低成本的塑料膜片就可以解码出隐藏在纸质票据背景图案中的编号信息，跟明码显示的编号信息比对判断票据真伪，效果非常形象直观。

3）二值文本图像水印算法

分别采用基于文本水印算法和数字图像水印算法,将票据中的可变内容信息隐藏在票据中的固定文字内容和图像块中。

S106，最后将合并后的完整票据拼版数据发送至打印机上进行打印输出为纸质文件。

本发明实现了防伪票据的可变打印输出，打印输出的分辨率设置为600dpi。

所述对纸质票据上的防伪信息进行验证的核验处理过程进一步包括：

S107，将纸质票据文件扫描成数字图像数据，并从可见元素中提取隐藏的所有信息；

通过扫描仪设备将纸质票据文件扫描成计算机可以处理的数字图像数据，扫描时得分辨率必须为原始打印分辨率的四倍。比如打印机分辨率为600dpi时，扫描分辨率设置为2400dpi，这样扫描后的数字图像大小是原始图像大小的四倍。相应地，每个黑色网点的大小则变为4*4像素大小，方便后续的网点元素识别。

从扫描后的数字图像中提取的所有信息包括：所有图像区域的纹理特征信息，每个区域的中心点位置信息，每个区域的宽度和长度信息，票据编号信息，可变内容数据信息，可变内容信息的摘要信息。

下面具体说明一下从扫描后的随机网点组成的背景底纹图像中提取上述信息的过程：

Step1：按照从左到右、从上到下的顺序扫描图像中的黑点（打印扫描前的网点大小为1*1像素，四倍分辨率扫描后的网点大小区域变为4*4像素，水印信息提取时需要将4*4像素大小的黑色区域识别为黑色网点，后续简称为黑点）；

Step2：在找到其中一个黑点后继续探测其周围是否有其它的黑点存在，并与该黑点组成“十”字形状。根据定位点的排布规律，在背景底纹图像中可以找到大量由上、中、下、左和右五个点组成的“十”字形图案；

Step3：假设找到的组成“十”字形图案的黑点的坐标分别为U(X_U,Y_U)、C(X_C,Y_C)、B(X_B,Y_B)、L(X_L,Y_L)和R(X_R,Y_R)，计算其相邻两点间的距离D，方法为：分别计算上下左右四个黑点到中心黑点间的距离，并取其平均值作为两相邻点间的中心距离；

Step4：考虑扫描过程的不可控因素，扫描后的票据图像会不可避免地发生小角度偏转，因此在提取识别时需要进行必要的纠偏处理，即在以某个定位点为基准跳转到下一个定位点时不会沿着横平竖直的方向搜索，而是存在一个偏移向量。相对于原始点阵中网点中心距离为D的两个网点，在水平方向上的偏移向量的计算方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{HR}}=\frac{X_R-X_L-4D}{4}\\ Y_{\mathrm{HR}}=\frac{Y_R-Y_L}{4}\end{array}\right.---\left(7\right)$

相应地，竖直方向的偏移向量的计算方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{VR}}=\frac{X_B-X_U}{4}\\ Y_{\mathrm{VR}}=\frac{Y_B-Y_U-4D}{4}\end{array}\right.---\left(4\right)$

Step5：假设搜索到的定位点坐标位置为P(X_p,Y_p)，则按照式（7）和式（8）所示的偏移向量确定其相邻的右侧和下侧的两个定位点搜索范围，其搜索范围中心位置O1和O2的计算方法为：

O1：(X_P+2(D+X_HR),Y_P+2Y_HR)（9）

O2：(X_P+2X_VR,Y_P+2(D+Y_VR))（10）

Step6：经过上述步骤可以搜索出所有的定位点位置，根据相邻的四个定位点可以分别确定出四个矩阵排列的20*20像素大小方形子图像块区域（打印前该区域原始点阵大小为5*5像素）。再根据式（3）和式（4）计算出每个子图像块区域中心的编码点位置，通过检测编码点位置处是否存在黑点判断水印信息，即存在的话，表示信息位串1，否则表示信息位串0，最终提取出所有的水印信息位串。

S108，从步骤S107中获得信息中分离出票据版面区域的中心点位置信息，并以这些中心点为参考位置，利用步骤S101中的所述方法再次获取票据的纹理图像数据。

S109，按照步骤102所述方法重新计算提取纹理图像特征信息，并与步骤S107中所包含的纹理图像特征信息进行比对，若不一致，则判定票据为假，否则进行步骤S110。

S110，依次比较票据编号信息和可变内容数据信息是否一致，若一致则判定票据为真，否则票据为假。

分别采用基于文本水印算法和数字图像水印算法从票据版面中固定文字内容和图像块中提取票据编号信息，然后跟随机网点底纹中提取的编号信息和版面中明码显示的编号信息进行比对。若一致，则票据为真，否则票据为假。

基于同一发明构思，本发明还提供了采用上述方法的基于纹理图像特征的防伪票据生成装置100，以及对生成的防伪票据进行核验的装置200，其构成单元如图7所示。

其中，防伪票据生成装置100包括：

快速影像设备101，用于在票据打印前的纸质载体上随机选取一定数目的不同区域，获取并保存所选区域内所包含的纸张纹理图像数据和区域中心点位置信息；

纹理图像特征信息提取单元102，连接所述快速映像设备101，用于将获得的纸张纹理图像数据进行预处理并提取纹理图像特征信息；

票据编号信息生成单元103，用于根据票据编码规则生成每张票据唯一的编号信息，并作为明码插入到票据版面的指定位置；

可变内容数据处理单元104，用于计算票据版面中可变内容数据的摘要信息流；

信息隐藏单元105，连接所述纹理图像特征信息提取单元102、票据编号信息生成单元103和可变内容数据处理单元104，用于将获取的所有信息进行编码后，利用数字水印的方法隐藏在票据中的可见元素中；

打印机106，连接所述信息隐藏单元105，用于打印完整票据拼版数据，输出为纸质票据文件。

对上述装置生成的防伪票据进行核验的装置200包括：

图像扫描设备201，用于将纸质票据文件扫描成数字图像数据，并从可见元素中提取隐藏的所有信息；

信息提取单元202，连接所述图像扫描设备201，用于从获得的信息中分离出票据版面区域的中心点位置信息，并以这些中心点为参考位置，再次获取票据的纹理图像数据，并重新计算提取纹理图像特征信息；

票据真伪判定单元203，连接所述信息提取单元202，用于将重新提取的纹理图像特征信息与所述图像扫描设备获取的纹理图像特征信息进行比对，若不一致，则判定票据为假；否则，比较票据编号信息和可变内容数据信息是否一致，若一致则判定票据为真，否则判定票据为假。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于纹理图像特征的防伪票据生成方法，其步骤包括：

1)利用快速影像设备在票据打印前的纸质载体上随机选取一定数目的不同区域，获取并保存所选区域内所包含的纸张纹理图像数据和区域中心点位置信息；

2)将获得的纸张纹理图像数据进行预处理并提取纹理图像特征信息；

3)根据票据编码规则生成每张票据唯一的编号信息，并作为明码插入到票据版面的指定位置；

4)计算票据版面中可变内容数据的摘要信息；

5)将步骤1)至步骤4)获取的所有信息进行编码后，利用数字水印的方法隐藏在票据元素中；

6)将获得的完整票据拼版数据发送至打印机上进行打印，输出为纸质票据文件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中随机选取的区域数目不少于3个，每个区域的中心位置不同，区域大小不同，每两个区域之间的交集不与其他任意一个区域完全相同。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)采用下列方法中的一种或者多种的结合提取所述纹理图像特征信息：灰度共生矩阵的统计方法，形式语言的结构法，Gabor滤波器的频谱法，Markov的模型法。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5)所述获取的所有信息包括：所有图像区域的纹理图像特征信息，每个区域的中心点位置信息，每个区域的宽度和长度信息，票据编号信息，可变内容数据和可变内容数据的摘要信息。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5)所述获取的所有信息，对其进行加密处理后隐藏在动态生成的由随机网点组成的背景底纹图案中，并将生成的背景底纹图案插入到票据版面元素中，其中隐藏方法为：首先在编码块的起始位置处选取一组规则排列的单个像素大小网点组成图案作为编码图像块头标志；整个编码图像块由大量的5*5的正方形区域组成；其中对于每个5*5大小的正方形区域，若该区域中心存在黑点，则表示信息位串1，反之，表示信息位串0；将生成的点阵图像与随机生成的点阵图像相融合，生成最终的包含隐藏信息的背景底纹图案。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5)所述的数字水印的方法将票据编号信息转换为点阵位图，利用半色调图像挂网方法隐藏在票据的背景底纹图案载体中。

7.一种对权利要求1所述方法生成的防伪票据进行核验的方法，其步骤包括：

1)将纸质票据文件扫描成数字图像数据，并从可见元素中提取隐藏的所有信息；

2)从步骤1)获得的信息中分离出票据版面区域的中心点位置信息，并以这些中心点为参考位置，再次获取票据的纹理图像数据；

3)重新计算提取纹理图像特征信息，并与步骤1)提取的信息中所包含的纹理图像特征信息进行比对，若不一致，则判定票据为假，否则进行步骤4)；

4)比较票据编号信息和可变内容数据是否一致，若一致则判定票据为真，否则判定票据为假。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤1)所述提取隐藏的所有信息包括：所有图像区域的纹理图像特征信息，每个区域的中心点位置信息，每个区域的宽度和长度信息，票据编号信息，可变内容数据，可变内容数据的摘要信息；步骤4)所述的比较票据编号信息，是比较从票据版面中固定文字内容和图像块中提取的票据编号信息、随机背景底纹图案中提取的编号信息和版面中明码显示的编号信息是否一致。

9.一种采用权利要求1所述方法的基于纹理图像特征的防伪票据生成装置，其特征在于，包括：

快速影像设备，用于在票据打印前的纸质载体上随机选取一定数目的不同区域，获取并保存所选区域内所包含的纸张纹理图像数据和区域中心点位置信息；

纹理图像特征信息提取单元，连接所述快速影像设备，用于将获得的纸张纹理图像数据进行预处理并提取纹理图像特征信息；

票据编号信息生成单元，用于根据票据编码规则生成每张票据唯一的编号信息，并作为明码插入到票据版面的指定位置；

可变内容数据处理单元，用于计算票据版面中可变内容数据的摘要信息；

信息隐藏单元，连接所述纹理图像特征信息提取单元、票据编号信息生成单元和可变内容数据处理单元，用于将获取的所有信息进行编码后，利用数字水印的方法隐藏在票据中的可见元素中；

打印机，连接所述信息隐藏单元，用于打印完整票据拼版数据，输出为纸质票据文件。

10.一种对权利要求9所述装置生成的防伪票据进行核验的装置，其特征在于，包括：

图像扫描设备，用于将纸质票据文件扫描成数字图像数据，并从可见元素中提取隐藏的所有信息；

信息提取单元，连接所述图像扫描设备，用于从获得的信息中分离出票据版面区域的中心点位置信息，并以这些中心点为参考位置，再次获取票据的纹理图像数据，并重新计算提取纹理图像特征信息；

票据真伪判定单元，连接所述信息提取单元，用于将重新提取的纹理图像特征信息与所述图像扫描设备提取的信息中所包含的纹理图像特征信息进行比对，若不一致，则判定票据为假；否则，比较票据编号信息和可变内容数据是否一致，若一致则判定票据为真，否则判定票据为假。