CN103886545B - 基于计算全息的变换域抗打印扫描数字水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于计算全息的变换域抗打印扫描数字水印方法，结合了QR二维码、双随机相位调制加密技术、共轭对称延拓傅立叶计算全息技术以及小波变换技术，采用QR二维码作为原始水印信息，将经过预处理的QR二维码信息作为二值水印进行双随机相位调制加密，最后利用共轭对称延拓傅立叶计算全息技术记录加密后复数图像的振幅和相位信息，得到水印全息图。这种方式生成的全息图像在全息解密和双随机相位调制解密后得到的图像是没有任何噪声的，增加了水印算法的鲁棒性；双随机相位调制加密技术的使用增加了水印算法的安全性；QR二维码不仅是一幅二值图像，还可以携带版权信息，为准确定位版权人或版权团体提供了可能。

Description

基于计算全息的变换域抗打印扫描数字水印方法

技术领域

本发明涉及一种数字水印技术，特别涉及一种基于计算全息的变换域抗打印扫描数字水印方法。

背景技术

近年来，计算机与网络通信技术迅猛发展，数字产品版权保护问题越来越受到重视。但是，印刷品的版权保护和防伪问题同等重要。研究抗打印扫描的数字水印技术可以对印刷品进行版权保护。它为印刷品的版权保护提供了另一种新的途径。由于隐藏在印刷品中的水印信息在经过二次复印和扫描后受损严重，无法被检测，故也可以作为防伪的一种手段。由于印刷含水印图像不会对印刷设备有特殊要求，且无需改变印刷材料和设备，所以印刷成本并不会因此增加，使得此种技术在实际应用中并不会产生额外的成本。

现阶段基于全息技术的抗打印扫描数字水印技术已有很多，但基本上使用的原始水印信息均为二值水印图像，无法使用有意义的字符信息；一些算法虽然具有一定的安全性但是由于生成全息图的缺陷，在原始全息解密时会产生一定的背景噪声，影响了水印算法的鲁棒性；一些算法在生成全息图之前并没有对水印进行加密处理，导致水印算法安全性很差。含水印图像经数字印刷或打印以及扫描仪扫描后，得到的数字图像由于受到了打印扫描攻击，从中恢复的水印信息会变得不清晰，只能依靠主观判断来衡量水印是否存在。

发明内容

本发明是针对现有算法在鲁棒性和客观评价上存在的问题，提出了一种基于计算全息的变换域抗打印扫描数字水印方法，本发明在保证安全性的前提下克服了噪声的缺陷，噪声干扰理论上为0，使得本水印技术可准确提取出QR二维码，增强水印算法的鲁棒性和安全性，也可提供客观评价标准。

本发明的技术方案为：一种基于计算全息的变换域抗打印扫描数字水印方法，具体包括如下步骤：

水印嵌入到灰度原始图像：

1) 将作为版权信息的字符串进行编码，转换为标准QR二维码；

2) 裁切掉QR二维码的部分非编码区域，即外围空白区域、寻象图形、分隔符，并将剩余非编码区域的校正图形、定位图形和编码区域保留，将保留部分的二值图像进行扩充，即每一像素扩充为3*3大小的像素块，块中像素值均等于对应的像素值，并将其添加在黑色图片背景上，作为待嵌入二值水印图像f(x,y)；

3) 生成两个均匀分布的随机模版P(x,y)和B(u,v)，作为空间域和频率域的相位调制加密模版，并将其作为密钥；

4) 对二值水印图像f(x,y)进行以P(x,y)为模版的空域相位调制，对调制后图像进行傅立叶变换得到复数图像，对其进行以B(u,v) 为模版的频域相位调制，再对调制后图像进行逆傅立叶变换，最终得到复数的加密图像 ；

5) 将得到的复数图像进行共轭、对称、延拓计算，并对其做傅立叶变换，得到实值的计算全息图像，作为待嵌入的全息水印；

6) 对原始灰度图像进行小波变换分解，得到原始图像的一级低频分量，再对低频分量进行小波变换分解，得到原始图像的中频对角线分量系数矩阵；

7）将步骤5得到的全息水印乘以嵌入强度K替换原始图像的中频对角线分量系数矩阵，将水印嵌入到原始图像的中频对角线分量系数矩阵中，实现水印的嵌入；

8) 对步骤7）得到的嵌入水印的原始图像采用二级逆小波变换，得到含水印的图像，通过打印或数字印刷的方式将含水印图像以常用的150DPI进行印刷输出；

从打印后的含水印灰度图中实现水印盲提取：

A:将印刷输出的含水印灰度图像以600DPI分辨率和8位灰度等级进行扫描，得到数字形式的含水印图像，并调整其尺寸;

B:将含水印的灰度图进行小波变换分解，得到含水印图像的一级低频分量，再对其对低频分量进行小波变换分解，得到含水印图像的中频对角线分量系数矩阵，作为提取出的全息水印信息；

C:对提取出的信息进行逆傅立叶变换，取所得图像的一半，并将第一行和第一列的像素裁掉，即为对应待解密的复数图像；

D:将复数图像进行傅立叶变换，对得到的频域图像进行以-B(u,v) 为模版的频域相位调制，再进行逆傅立叶变换，求其幅值并二值化得到提取出的二值水印图像f’(x,y)；

E:在提取的二值水印图像对应位置处，取出相应QR码区域，根据多数原则确定每个3*3块所代表的水印位，并将其按权利要求1步骤2的逆过程重新组合成QR码图像；

F:将所述QR二维码进行解码得到版权信息字符串。

本发明的有益效果在于：本发明由于结合了QR二维码、双随机相位调制加密技术、共轭对称延拓傅立叶计算全息技术以及小波变换技术的优点，使得含水印图像经过打印、扫描后依然可以提取水印信息，并最终可以将提取的QR码解码，取得字符串信息，达到准确确定版权和防伪的目的。

附图说明

图1为本发明嵌入水印流程图；

图2为本发明水印提取流程图；

图3为本发明原始图像图；

图4为本发明待嵌入的QR二维码图；

图5为本发明预处理后的二值水印图；

图6为本发明生成的全息水印图像；

图7为本发明直接从全息水印图像中恢复出的水印信息图；

图8为本发明打印扫描后的含水印图像；

图9为本发明提取出的全息水印图；

图10为本发明从提取出的全息图中恢复出的二值水印图；

图11为本发明重新组合成的QR二维码图。

具体实施方式

本发明结合了QR二维码、双随机相位调制加密技术、共轭对称延拓傅立叶计算全息技术以及小波变换技术，采用QR二维码作为原始水印信息，将经过预处理的QR二维码信息作为二值水印进行双随机相位调制加密，最后利用共轭对称延拓傅立叶计算全息技术记录加密后复数图像的振幅和相位信息，得到水印全息图。这种方式生成的全息图像在全息解密和双随机相位调制解密后得到的图像是理论上没有任何噪声的，增加了水印算法的鲁棒性；双随机相位调制加密技术的使用增加了水印算法的安全性；QR二维码不仅是一幅二值图像，也代表了一串有意义的字符信息，如：姓名、电话、邮件、地址等信息。将其作为原始水印信息，不仅为版权信息是否存在提供了客观评价标准，也为准确定位版权人或版权团体提供了可能。

如图1所示嵌入水印流程图，将水印嵌入灰度图像包括以下步骤：

步骤1：确定字符信息为“上海理工大学综合楼A205”，并将字符信息进行编码得到标准QR码二维码，字符串包括：英文字母大写或小写、数字、汉字，其中输入纯汉字的字数<=10个，输入纯英文字母、数字合计数量<=20个，输入汉字、字母和数字进行编码时，汉字字数<=9个且字母、数字字数<=4个；

步骤2：进行水印预处理：裁切掉QR码的部分非编码区域，即外围空白区域、寻象图形、分隔符，并将剩余非编码区域的校正图形、定位图形和编码区域保留。将保留部分的二值图像进行扩充，即每一像素扩充为3*3大小的像素块，块中像素值均等于对应的像素值。并将其添加在63 pixel×127 pixel大小的黑色图片背景上，作为待嵌入二值水印图像f(x,y)；

步骤3：生成两个63×127大小的均匀分布的随机模版P(x,y)和B(u,v)，作为空间域和频率域的相位调制加密模版，并将其作为密钥；

步骤4：对二值水印图像f(x,y)进行以P(x,y)为模版的空域相位调制，对调制后图像进行傅立叶变换得到复数图像，对其进行以B(u,v) 为模版的频域相位调制，再对调制后图像进行逆傅立叶变换，最终得到复数的加密图像；

步骤5：将得到的复数图像进行共轭、对称、延拓计算，并对其做傅立叶变换，得到128 pixel×128 pixel大小的实值计算全息图像，作为待嵌入的全息水印；

步骤6：若原始灰度图像的尺寸为512pixel×512pixel，则将其作为水印嵌入区域；若原始图像的尺寸大于512pixel×512pixel，则取左上角512pixel×512pixel大小的图像作为水印嵌入区域。对原始灰度图像进行小波变换分解，得到原始图像的一级低频分量ca_1，再对低频分量进行小波变换分解，得到原始图像的中频对角线分量系数矩阵cd_2，尺寸为128 pixel×128 pixel；

步骤7：将待嵌入的全息水印替换原始图像的中频对角线分量系数矩阵cd_2，实现水印的嵌入。

嵌入方式如下：，其中K为嵌入强度。

步骤8：对嵌入水印的原始图像采用二级逆小波变换，得到含水印的图像。通过打印或数字印刷的方式将含水印图像以150DPI进行印刷输出。

如图2所示水印提取流程图，从打印后的含水印灰度图中实现水印盲提取包括以下步骤：

步骤1: 将印刷输出的含水印灰度图像以600DPI分辨率和8位灰度等级进行扫描，得到数字形式的含水印图像，并将其调整为原始尺寸，如果原始尺寸不为512 pixel×512pixel，则取左上角512pixel×512pixel大小的图像作为水印提取区域。

步骤2: 将含水印的灰度图进行小波变换分解，得到含水印图像的一级低频分量ca_1’，再对其对低频分量进行小波变换分解，得到含水印图像的中频对角线分量系数矩阵cd_2’，作为提取出的全息水印信息，尺寸为128 pixel×128 pixel；

步骤3: 对提取出的信息进行逆傅立叶变换，取所得图像的一半，并将第一行和第一列的像素裁掉，即为待解密的复数图像；

步骤4: 利用密钥，将复数图像进行傅立叶变换，对得到的频域图像进行以-B(u,v) 为模版的频域相位调制，再进行逆傅立叶变换，即双随机解密，求其幅值得到实值的水印图像灰度图，再对其进行二值化，得到二值水印图像f’(x,y)；

步骤5: 在提取的二值水印图像对应位置处，取出相应QR码区域，根据多数原则确定每个3*3块所代表的水印位，并将其按嵌入步骤2的逆过程重新组合成QR二维码图像。

步骤6: 将所述QR二维码进行解码得到版权信息字符串。

如图3所示原始图像，原始图像是一个标准的512×512像素的灰度图。图4为待嵌入的QR二维码。如图5所示为经过嵌入水印步骤2得到的预处理后的水印图。如图6所示为通过嵌入水印步骤3、4、5得到的全息水印图像。如图7所示直接从全息水印图像中恢复出的水印信息是没有背景噪声的。如图8所示为经过提取水印步骤1得到的含水印图像。如图9所示为从打印扫描后的含水印图像中提取出的全息水印图像。由于经受了打印扫描攻击，提取出的全息图像质量会受到一定的影响。如图10所示为经过提取水印步骤3、4，并二值化后得到的二值水印图像。如图11所示为经过提取水印步骤5，通过多数原则纠错后重新组合得到的QR二维码图像。

Claims (1)

1.一种基于计算全息的变换域抗打印扫描数字水印方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

水印嵌入到灰度原始图像：

1) 将作为版权信息的字符串进行编码，转换为标准QR二维码；

2) 裁切掉QR二维码的部分非编码区域，即外围空白区域、寻象图形、分隔符，并将剩余非编码区域的校正图形、定位图形和编码区域保留，将保留部分的二值图像进行扩充，即每一像素扩充为3*3大小的像素块，块中像素值均等于对应的像素值，并将其添加在黑色图片背景上，作为待嵌入二值水印图像f(x,y)；

3) 生成两个均匀分布的随机模版P(x,y)和B(u,v)，作为空间域和频率域的相位调制加密模版，并将其作为密钥；

4) 对二值水印图像f(x,y)进行以P(x,y)为模版的空域相位调制，对调制后图像进行傅立叶变换得到复数图像，对其进行以B(u,v)为模版的频域相位调制，再对调制后图像进行逆傅立叶变换，最终得到复数的加密图像；

5) 将得到的复数图像进行共轭、对称、延拓计算，并对其做傅立叶变换，得到实值的计算全息图像，作为待嵌入的全息水印；

6) 对原始灰度图像进行小波变换分解，得到原始图像的一级低频分量，再对低频分量进行小波变换分解，得到原始图像的中频对角线分量系数矩阵；

7）将步骤5得到的全息水印乘以嵌入强度K替换原始图像的中频对角线分量系数矩阵，将水印嵌入到原始图像的中频对角线分量系数矩阵中，实现水印的嵌入；

8) 对步骤7）得到的嵌入水印的原始图像采用二级逆小波变换，得到含水印的图像，通过打印或数字印刷的方式将含水印图像以常用的150DPI进行印刷输出；

从打印后的含水印灰度图中实现水印盲提取：

A:将印刷输出的含水印灰度图像以600DPI分辨率和8位灰度等级进行扫描，得到数字形式的含水印图像，并调整其尺寸;

B:将含水印的灰度图进行小波变换分解，得到含水印图像的一级低频分量，再对其对低频分量进行小波变换分解，得到含水印图像的中频对角线分量系数矩阵，作为提取出的全息水印信息；

C:对提取出的信息进行逆傅立叶变换，取所得图像的一半，并将第一行和第一列的像素裁掉，即为对应待解密的复数图像；

D:将复数图像进行傅立叶变换，对得到的频域图像进行以-B(u,v)为模版的频域相位调制，再进行逆傅立叶变换，求其幅值并二值化得到提取出的二值水印图像f ’(x,y)；

E:在提取的二值水印图像对应位置处，取出相应QR码区域，根据多数原则确定每个3*3块所代表的水印位，并将其按权利要求1步骤2的逆过程重新组合成QR码图像；

F:将所述QR二维码进行解码得到版权信息字符串。