CN108460716A - 专色印刷图像数字水印方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明基于专色印刷中颜色空间的转换原理，结合IWT和SVD提出了一种专色印刷图像数字水印方法及系统。该方法和系统将载体图像分解成专色通道，对专色通道进行IWT转换，然后将水印信息直接嵌入一级IWT各子带的奇异值中；为提高水印安全性，对水印图像进行Arnold置乱加密处理，并在嵌入水印的图像的U和V中嵌入一个能够抵抗印刷‑扫描过程的数字签名；为提高数字签名和水印的鲁棒性，提出了扫描专色图像的阶调校正模型，对扫描图像进行校正，然后提取数字签名进行验证，验证通过则提取水印信息。本发明在水印透明性、鲁棒性和容量方面表现优良，能够抵抗胶版印刷‑扫描过程，且算法复杂度低，执行效率高，提取时间不到1秒。

Description

专色印刷图像数字水印方法及系统

技术领域

本发明属于印刷图像数字水印技术领域，具体涉及一种专色印刷图像数字水印方法及系统。

背景技术

印刷图像的颜色再现有两种方式：第一种是减色法再现，使用青(C)、品红(M)、黄(Y)和黑(K)油墨套印实现彩色图像的复制；第二种是专色印刷再现，是指采用CMYK四色墨以外的其他油墨来复制原稿颜色的方式。如图1所示，专色PANTONE168C使用四色印刷时，可分解为C、M、Y和K四个通道，而使用专色印刷时只分解成一个专色通道。因此，专色印刷图像可嵌入水印信息的通道更少，对水印算法的鲁棒性和透明性要求更高。当彩色原稿的颜色超出了四色印刷的色域范围，或者需要产生如珠光、荧光等特殊的效果，无法用四色套印实现颜色的准确复制，需要调制特定的专色印刷，其广泛应用于包装印刷、艺术品印刷和高保真印刷领域。

近些年来印刷图像数字水印已取得了一些成果，但这些算法都是针对CMYK四色印刷工艺而提出的，专色不能分解成CMYK成分，因此，并不适用于专色印刷。专色印刷信息通道少，对水印鲁棒性、透明性和容量提出了更高的要求。

2003年，Alattar,O.和Reed,A.等人首次提出了专色数字水印算法，首先计算专色亮度映射因数和黄色饱和度对水印信号进行调制，再嵌入专色通道中，同时通过强度因数对每一个像素进行动态调整，算法对大部分专色是有效的，但对部分专色是无效的，如：银光黄、银光金、银色和金色等；2015年，Reed A.和Filler T.等人提出包装印刷中专色水印算法，该算法将一定比例的专色使用CMY三色叠印，在CMY三色通道中嵌入水印信息，如PANTONE 221专色，可以分解为75％的专色通道和25％的CMY通道叠加，水印在25％的CMY通道中嵌入，但是使用CMY模拟专色会产生一定的色差，而且额外增加了C、M和Y三个印版，增加了印刷成本。

近些年来，为了提高水印的鲁棒性、透明性和容量，提出了不同转换相结合的水印算法，可以利用这些转换的不同特征达到预期的效果，其中基于小波变换和奇异值分解(SVD)的混合转换域水印最受关注。图像的SVD是将图像矩阵分解为两个正交矩阵(U和V)和一个奇异值矩阵S，基于SVD的混合转换域水印的最大优点是图像的奇异值稳定性非常高，在奇异值S中嵌入水印的方法具有很高的鲁棒性，同时图像质量能得到保证，水印容量较大，可以嵌入灰度图像，适用于信息通道少的专色图像。然而，SVD水印算法也存在缺陷，基于SVD水印算法在嵌入水印信息时只使用了载体图像的奇异值特征向量S，由于图像的奇异值S仅仅代表了图像的亮度信息，而U和V两个正交矩阵体现了图像的纹理和几何结构特征，如果在提取水印时，使用U和V与没有嵌入水印的图像的S向量合成，也可重构出一幅与原始水印图像结构相似的图像，从而造成检测安全问题。针对此问题，基于数字签名机制解决方案是较成熟，但抵抗印刷的鲁棒性有待提高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种适用于专色印刷的图像水印方法，该方法基于专色印刷复制原理，利用IWT变换良好的重构特性和SVD变换的高稳定性，提出了满足专色印刷工艺的鲁棒水印算法。本发明的专色水印算法在水印透明性、鲁棒性和容量方面均有更加优良的表现，能够抵抗胶版印刷-扫描过程，且算法复杂度低，执行效率高。

本发明采用了以下技术方案：

专色印刷图像数字水印方法，步骤如下：

(1)水印预处理

对水印图像进行Arnold置乱加密处理，生成置乱加密的水印图像信息；

(2)专色分色

对彩色图像使用纽介堡数学模型进行专色墨量的计算，获得专色分色图；

(3)水印嵌入

对专色分色图进行Haar提升整数小波分解，获得LL、HL、LH和HH四个子带；对各子带进行SVD分解，获得各子带奇异值矩阵；各子带SVD分解后的奇异值矩阵中使用加性水印算法嵌入置乱加密的水印图像信息，并再次进行SVD分解，得到嵌入水印信息的奇异值矩阵；最后，进行逆SVD和IWT(整数小波变换)操作，得到嵌入水印后的专色分色图像；

(4)数字签名生成

在步骤(3)中，在各子带奇异值矩阵S_i中加入水印信息，并对其进行了再次SVD分解得到嵌入水印信息的奇异值矩阵，同时也获得和矩阵，使用各子带的和矩阵生成数字签名；

(5)数字签名嵌入

在步骤(3)得到嵌入水印后的专色分色图像中，嵌入数字签名；

(6)出版印刷

对含数字签名和水印的信息的专色分色图进行加网制作印版，并使用专色印刷；

(7)扫描专色印刷图像

扫描专色印刷图像，专色图像扫描成灰度图像；

(8)校正扫描图像

当专色图像扫描成灰度图像时，不同的专色其阶调范围不同，即分色图上相同的网点面积率使用不同的专色印刷之后，转换成的灰度值不尽相同，相同的油墨覆盖率不同的专色扫描转换后的灰度值不同，通常，专色越明亮越鲜艳，转换成灰度后的图像阶调失真越严重，为了校正扫描后灰度图像的阶调失真，使用专色梯尺，为每一个专色建立阶调校正模型，根据扫描后灰度梯尺上每个色块的平均灰度值和专色分色图上的梯尺每个色块的灰度值，生成专色网点转移曲线；根据专色网点转移曲线建立校正曲线，使用校正曲线对专色印刷扫描成的灰度图像的阶调进行校正；

(9)数字签名提取和验证

在校正后的灰度图像中提取数字签名并验证，若数字签名与生成的数字签名匹配，则继续水印信息提取，否则，终止程序；

(10)水印提取

对校正后含水印信息的灰度图进行一级IWT转换，生成LL、HL、LH和HH四个子带；对所有子带进行SVD分解，使用水印嵌入的逆过程从各个子带中提取的水印信息。

进一步地，所述的专色分色，使用纽介堡数学模型进行专色墨量的计算，获得专色分色图，专色图像的L*、a*和b*是已知的，使用公式(ⅰ)获得三刺激值X、Y和Z值，使用公式(ⅱ)计算得到原彩色图像每个像素的专色网点面积率a_s，印刷图像通过网点的大小(即网点面积率)或频率呈现原稿的阶调，因此印刷前必须将原稿的像素值转换成网点面积率；

式中：X、Y、Z为颜色的三刺激值，X_r、Y_r、Z_r为CIE标准照明体的三刺激值，L^*为颜色的明度，a*和b*为颜色的色度；

式中：X₀、Y₀和Z₀是纸张的三刺激值；

进一步地，所述的水印嵌入，采用如下方法进行：

(1)对专色分色图进行Haar提升整数小波分解，获得LL、HL、LH和HH四个子带；

(2)对各子带进行SVD分解，如式(ⅲ)所示：

式中：i表示LL、HL、LH和HH子带，A_i表示图像矩阵，U_i和V_i表示SVD分解后的正交矩阵，S_i是A_i的奇异值矩阵，T表示转置；

(3)在各子带的奇异值矩阵S_i中嵌入置乱加密的水印图像信息，水印嵌入公式如式(ⅳ)所示：

式中：W为置乱加密后的水印图像信息，α为水印强度，S_i是A_i的奇异值矩阵，是嵌入置乱加密的水印图像信息后的奇异值矩阵，和是嵌入水印信息后SVD分解得到的正交矩阵；

(4)使用嵌入置乱加密的水印图像信息后的对各子带进行逆SVD操作，产生嵌入水印后的IWT系数，如式(ⅴ)所示，然后进行逆IWT操作，产生含水印的专色分色图像A^W；

式中：A′_i表示逆SVD操作后生成的各子带图像矩阵，是嵌入置乱加密的水印图像信息后的奇异值矩阵，U_i和V_i表示原各子带图像矩阵A_i进行SVD分解后的正交矩阵。

进一步地，所述的水印提取，其提取方法步骤如下：

(1)对校正后含水印信息的灰度图A*^W进行一级IWT转换，生成LL、HL、LH和HH四个子带；

(2)对所有子带进行SVD操作：

(3)用式(ⅵ)提取水印：

式中：W_i ^*即为从各个子带中提取的水印。

进一步地，所述的数字签名生成，其生成方法的步骤如下：

(1)将四个子带的二维正交矩阵和转换到一维；

(2)使用安全哈希算法SHA-1算法对和进行哈希运算，如式(ⅶ)所示：

式中：i代表LL，LH，HL和HH子带；

(3)将和转换为相应的二进制，并进行异或运算，记为R_1i；

(4)设定一个密钥并将其转换成二进制R_2i，并于R_1i进行异或运算生成R_3i；

(5)选择R_3i的前8位，生成一个8位的数字签名，每个子带生成一个数字签名，分别记为Sig__LL，Sig__HL，Sig__LH和Sig__HH，对其进行异或运算，生成最终的数字签名Sig__Final。

进一步地，所述的数字签名嵌入，嵌入方法的步骤如下：

(1)对嵌入水印的专色分色图像使用db2小波，进行DWT操作；

(2)对LL子带进行8×8分块处理；

(3)使用密钥随机选择8个子块，并对所选择的子块进行SVD操作；

(4)每一子块对应一位数字签名，基于对应数字签名的位值，检查并修改SVD分解后U矩阵中U_2,1和U_3,1，U_2,1和U_3,1分别表示U矩阵中第二行第一列的数据和第三行第一列的数据，若数字签名位值为1，则让U_2,1-U_3,1>T；否则，则让U_3,1-U_2,1>T，T为阈值；

(5)对已选择的8个子块进行逆SVD操作；

(6)DWT逆操作。

进一步地，所述的数字签名提取和验证，数字签名提取是嵌入的逆过程，数字签名提取的方法，步骤如下：

(1)对扫描校正后的灰度图像使用db小波，进行DWT操作；

(2)对LL子带进行8×8分块处理；

(3)使用密钥随机选择8个子块，并对所选择的子块进行SVD操作；

(4)检验U_2,1和U_3,1，若U_2,1>U_3,1，则数字签名位值为1，否则为0。

进一步地，所述的校正扫描图像中使用专色梯尺为每一个专色建立阶调校正模型的方法，其步骤如下：

(1)根据原彩色图像的颜色，确定原彩色图像使用的专色；

(2)为原彩色图像中的每一个专色设计专色梯尺，

(3)分色加网出版并印刷，专色梯尺可以设置在原彩色图的空白部分，随原彩色图像一起分色加网，或者单独分色出版印刷，每一个专色梯尺在分色图或分色版上相当于0％-100％的灰度梯尺，使用相应的专色油墨印刷专色梯尺；

(4)扫描专色梯尺，将专色梯尺扫描成灰度图，根据扫描后灰度梯尺上每个色块的平均灰度值和专色分色图上的梯尺每个色块的灰度值，建立专色网点转移曲线，生成专色网点转移曲线；

(5)根据专色网点转移曲线建立校正曲线，使用校正曲线对专色印刷扫描成的灰度图像的阶调进行校正。

进一步地，所述的专色梯尺的设计方法，以10％为步长，设计从0％-100％网点面积率的专色色块，每个专色梯尺由11个色块构成。

专色印刷图像数字水印系统，包括：

水印预处理单元，其用于对水印图像进行Arnold置乱加密处理，生成置乱加密的水印图像信息；

专色分色单元，其用于对彩色图像进行专色墨量的计算，获得专色分色图；

水印嵌入单元，其用于对专色分色图嵌入水印，嵌入水印的过程是：首先对专色分色图进行Haar提升整数小波分解，获得LL、HL、LH和HH四个子带；然后对各子带进行SVD分解，获得各子带奇异值矩阵；在各子带SVD分解后的奇异值矩阵中使用加性水印算法嵌入置乱加密的水印图像信息，并再次进行SVD分解，得到嵌入水印信息的奇异值矩阵；最后，进行逆SVD和IWT操作，得到嵌入水印后的专色分色图；

数字签名处理单元，其用于保证专色印刷水印提取的安全性，首先生成数字签名，然后在嵌入水印后的专色分色图中嵌入数字签名，最后在出版印刷并校正后的扫描灰度图像中提取数字签名，验证与生成的数字签名匹配性。

出版印刷单元，其用于对含数字签名和水印的信息的专色分色图进行加网制作印版，并使用专色印刷；

扫描专色印刷图像单元，其用于将专色图像扫描成灰度图像；

校正扫描图像单元，其用于校正扫描后灰度图像的阶调失真，通过使用专色梯尺，为每一个专色建立阶调校正模型，根据扫描后灰度图像的梯尺上每个色块的平均灰度值和专色分色图上的梯尺每个色块的灰度值，生成专色网点转移曲线，根据专色网点转移曲线建立校正曲线，使用校正曲线对专色印刷扫描成的灰度图像的阶调进行校正；

水印提取单元，其用于提取校正后的灰度图的水印提取，提取过程首先对校正后含水印信息的灰度图进行一级IWT转换，生成LL、HL、LH和HH四个子带，然后对所有子带进行SVD分解，使用水印嵌入的逆过程从各个子带中提取的水印信息。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明基于专色印刷复制原理，利用IWT变换良好的重构特性和SVD变换的高稳定性，提出了满足专色印刷工艺的鲁棒水印。

1、提出了基于IWT-SVD在专色分色通道中嵌入水印信息，可在四个子带中分别嵌入的水印图像大小为1/2原载体图像，在小波变换的四个子带中可以嵌入相同的水印图像或者是不同的水印图像，若原载体图像大小为1024×1024，则在每个子带中可嵌入的水印图像大小为512×512，故四个子带中共嵌入即可以嵌入1048576位水印，并且水印图像可以是二值图像或者是灰度图像，水印图像为灰度图像时，水印图像的像素值范围为0～255，通过实验测试发现，在LL子带中嵌入灰度图像的水印强度范围是0.04～0.07，其他子带中为0.004～0.009。本发明提出的水印算法具有较大的水印容量。

2、使用水印图像置乱加密和数字签名机制解决了水印安全问题，在提取水印之前先提取数字签名进行验证，本发明实验中嵌入了8位二进制数字，印刷扫描后能够提取的正确位是6～8位，因此，通过此方法嵌入的数字签名能够抵抗图像专色印刷和扫描过程，能很好的解决SVD水印算法的安全性问题。

3、提出基于专色校正模型的扫描灰度图像提取算法，有效地避免了提取水印时由于专色颜色转换引起的像素失真，提高了水印鲁棒性。最后，在胶版印刷工艺流程下，进行了算法的实验测试，并和目前专色水印算法进行了对比分析，实验结果显示，本发明提出的专色水印算法在水印透明性、鲁棒性和容量方面均有更加优良的表现，能够抵抗胶版印刷-扫描过程，且算法复杂度低，执行效率高，提取时间不到1秒。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是四色印刷和专色印刷流程对比图；

图2是本发明专色印刷图像数字水印方法流程框架图；

图3是本发明实施例1中水印嵌入流程图；

图4是本发明实施例1中水印提取流程图；

图5是本发明实施例1中的专色梯尺，(a)原设计图，(b)分色图，(c)印刷-扫描灰度图；

图6是本发明实施例1中专色网点转移曲线和校正曲线，(a)专色印刷网点转移曲线，(b)校正曲线；

图7是本发明实施例2对比实验中专色测试图像和水印图像，(a)Lena图像、专色PANTONE 174C，(b)Flower图像、专色PANTONE Red 032C，(c)水印图像；

图8是实施例2中不同扫描分别率下本发明方法和现有技术扫描含水印图像的效果对比图；

图9是实施例2中本发明方法和现有技术印刷扫描图像和原图像色差统计图，(a)本发明方法印刷扫描图像和原图像色差统计图，(b)现有技术印刷扫描图像和原图像色差统计图；

图10是实施例2中本发明方法提取的水印图像；

图11是实施例2中本发明和现有技术抵抗印刷扫描过程中几何变换的鲁棒性实验效果图对比图；

图12是本发明专色印刷图像数字水印系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明的技术方案作进一步具体说明。

实施例1

如图2所示，专色印刷图像数字水印方法，具体步骤如下：

(1)水印预处理

为了提高水印安全性，对水印图像进行Arnold置乱加密处理，生成置乱加密的水印图像信息；置乱之后的水印图像是一幅没有规则形状、没有明显纹理特征、没有规律的乱码图像；通过对水印置乱，可以通过空间像素点的移动将错误比特的分布点重新分散开。因此，水印图象的置乱加密处理可增强水印的安全性和鲁棒性。

(2)专色分色

对彩色图像使用纽介堡数学模型进行专色墨量的计算，获得专色分色图，专色图像的L*、a*和b*是已知的，使用公式(ⅰ)获得三刺激值X、Y和Z值，使用公式(ⅱ)计算得到原彩色图像每个像素的专色网点面积率a_s，印刷使用的印版上的信息就是由网点面积率决定的，印刷图像通过网点的大小(即网点面积率)或频率呈现原稿的阶调，因此印刷前必须将原稿的像素值转换成网点面积率。

式中：X、Y、Z为颜色的三刺激值，X_r、Y_r、Z_r为CIE标准照明体的三刺激值，L^*为颜色的明度，a*和b*为颜色的色度；

式中：X₀、Y₀和Z₀是纸张的三刺激值。

本实施例中使用的纸张和专色的三次刺激值如表1所示，若PANTONE 174C专色原稿中一像素的L*、a*和b*值分别为：68、48和21，使用公式(ⅰ)可得三刺激值分别为X＝53.19、Y＝37.97、Z＝19.59，使用公式(ⅱ)可得，专色网点面积率为65％。

表1纸张三刺激值和专色实地三刺激值

(3)水印嵌入

如图3所示，对专色分色图进行Haar提升整数小波分解，获得LL、HL、LH和HH四个子带；对各子带进行SVD分解，获得各子带奇异值矩阵；在各子带SVD分解后的奇异值矩阵S_i中使用加性水印算法嵌入置乱加密的水印图像信息，并再次进行SVD分解，得到嵌入水印信息的奇异值矩阵；最后，进行逆SVD和IWT(整数小波变换)操作，得到嵌入水印后的专色分色图像，具体步骤如下：

①对专色分色图进行Haar提升整数小波分解，获得LL、HL、LH和HH四个子带；

②对各子带进行SVD分解，如式(ⅲ)所示：

式中：i表示LL、HL、LH和HH子带，A_i表示图像矩阵，U_i和V_i表示SVD分解后的正交矩阵，S_i是A_i的奇异值矩阵，T表示转置；

③在各子带的奇异值矩阵S_i中使用加性水印算法嵌入置乱加密的水印图像信息，水印嵌入公式如式(ⅳ)所示：

式中：W为置乱加密后的水印图像信息，α为水印强度，S_i是A_i的奇异值矩阵，是嵌入置乱加密的水印图像信息后的奇异值矩阵，和是嵌入水印信息后SVD分解得到的正交矩阵；

④使用嵌入置乱加密的水印图像信息后的对各子带进行逆SVD操作，产生嵌入水印后的IWT系数，如式(ⅴ)所示，然后进行逆IWT操作，产生含水印的专色分色图像A^W；

式中：A′_i表示逆SVD操作后生成的各子带图像矩阵，是嵌入置乱加密的水印图像信息后的奇异值矩阵，U_i和V_i表示原各子带图像矩阵A_i进行SVD分解后的正交矩阵。

(4)数字签名生成

在步骤(3)中，对各子带奇异值S_i进行了SVD分解得到嵌入水印信息的奇异值同时也获得U和V矩阵，即和使用各子带的U和V矩阵生成数字签名Sig__Final，具体步骤如下：

①将四个子带的二维正交矩阵和转换到一维；

②使用安全哈希算法SHA-1算法对和进行哈希运算，如式(ⅶ)所示：

式中：i代表LL，LH，HL和HH子带；

③将和转换为相应的二进制，并进行异或运算，记为R_1i；

④设定一个密钥并将其转换成二进制R_2i，并于R_1i进行异或运算生成R_3i；

⑤选择R_3i的前8位，生成一个8位的数字签名，每个子带生成一个数字签名，分别记为Sig__LL，Sig__HL，Sig__LH和Sig__HH，对其进行异或运算，生成最终的数字签名Sig__Final。

(5)数字签名嵌入

在嵌入水印后的专色分色图像中，嵌入数字签名，具体步骤如下：

①对嵌入水印的专色分色图像使用db2小波，进行一级离散小波变换(DWT)；

②对LL子带进行8×8分块处理；

③使用密钥随机选择8个子块，并对所选择的子块进行SVD操作；

④每一子块对应一位数字签名，基于对应数字签名的位值，检查并修改SVD分解后U矩阵中U_2,1和U_3,1，U_2,1和U_3,1分别表示U矩阵中第二行第一列的数据和第三行第一列的数据，若数字签名位值为1，则让U_2,1-U_3,1>T；否则，则让U_3,1-U_2,1>T，T为阈值；

⑤对已选择的8个子块进行逆SVD操作；

⑥DWT逆操作。

(6)出版印刷

根据步骤(2)专色分色中公式(ⅱ)计算得到原彩色图像每个像素的专色网点面积率a_s，对含数字签名和水印的信息的专色分色图进行加网制作印版，并使用专色印刷；

(7)扫描专色印刷图像

扫描专色印刷图像，专色图像扫描成灰度图像；

(8)校正扫描图像

当专色图像扫描成灰度图像时，不同的专色其阶调范围不同，即分色图上相同的网点面积率使用不同的专色印刷之后，转换成的灰度值不尽相同，相同的油墨覆盖率不同的专色扫描转换后的灰度值不同，通常，专色越明亮越鲜艳，转换成灰度后的图像阶调失真越严重，为了校正扫描后灰度图像的阶调失真，使用专色梯尺，为每一个专色建立阶调校正模型，建立的具体方法如下：

①根据原彩色载体图像的颜色，确定原彩色图像使用的专色；

②为原彩色图像中的每一个专色设计专色梯尺，专色梯尺的设计方法是：以10％为步长，设计从0％-100％网点面积率的专色色块，每个专色梯尺由11个色块构成；

③分色加网出版并印刷，专色梯尺可以设置在原彩色图的空白部分，随原彩色图一起分色加网，也可以单独分色出版印刷。每一个专色梯尺在分色图(或分色版)上相当于0％-100％的灰度梯尺，使用相应的专色油墨印刷专色梯尺；

④扫描专色梯尺，将专色梯尺扫描成灰度图，根据扫描后灰度梯尺上每个色块的平均灰度值和专色分色图上的梯尺每个色块的灰度值，生成专色网点转移曲线；

⑤根据专色网点转移曲线建立校正曲线，使用校正曲线对专色印刷扫描成的灰度图像的阶调进行校正。

本实施例中选择了两种专色进行实验，分别是PANTONE 174 C和PANTONE Red 032C专色，专色梯尺从0％～100％，以10％为步长，如图5所示，和测试图像一起印刷专色梯尺，然后扫描成灰度，根据扫描后梯尺上每个色块的平均灰度值和原设计梯尺上每个色块的灰度值建立网点转移模型，生成专色网点转移曲线，如图6(a)所示；根据专色网点转移曲线建立校正曲线，如图6(b)所示，使用校正曲线对专色印刷扫描灰度图的阶调进行校正，使其与原分色图的阶调尽量保持一致，提高水印的鲁棒性。

(9)数字签名提取和验证

在校正后的灰度图像中提取数字签名并验证，若数字签名与生成的数字签名匹配，则继续水印信息提取，否则，终止程序，具体步骤如下：

①对扫描校正后的灰度图像使用db小波，进行一级离散小波变换(DWT)；

②对LL子带进行8×8分块处理；

③使用密钥随机选择8个子块，并对所选择的子块进行SVD操作；

④检验U_2,1和U_3,1，若U_2,1>U_3,1，则数字签名位值为1，否则为0。

(10)水印提取

如图4所示，水印提取方法，具体步骤如下：

①对校正后含水印信息的灰度图A*^W进行一级IWT转换，生成LL、HL、LH和HH四个子带；

②对所有子带进行SVD操作：

③用式(ⅵ)提取水印：

式中：W_i ^*即为从各个子带中提取的水印。

如图12所示，上述专色印刷图像数字水印方法的系统，包括：

水印预处理单元，其用于对水印图像进行Arnold置乱加密处理，生成置乱加密的水印图像信息；

专色分色单元，其用于对彩色图像进行专色墨量的计算，获得专色分色图；

水印嵌入单元，其用于对专色分色图嵌入水印，嵌入水印的过程是：首先对专色分色图进行Haar提升整数小波分解，获得LL、HL、LH和HH四个子带；然后对各子带进行SVD分解，获得各子带奇异值矩阵；在各子带SVD分解后的奇异值矩阵S_i中使用加性水印算法嵌入置乱加密的水印图像信息，并再次进行SVD分解，得到嵌入水印信息的奇异值矩阵；最后，进行逆SVD和IWT操作，得到嵌入水印后的专色分色图；

数字签名处理单元，其用于保证专色印刷水印提取的安全性，首先生成数字签名，然后在嵌入水印后的专色分色图中嵌入数字签名，最后在出版印刷并校正后的扫描灰度图像中提取数字签名，验证与生成的数字签名匹配性。

出版印刷单元，其用于对含数字签名和水印的信息的专色分色图进行加网制作印版，并使用专色印刷；

扫描专色印刷图像单元，其用于将专色图像扫描成灰度图像；

校正扫描图像单元，其用于校正扫描后灰度图像的阶调失真，通过使用专色梯尺，为每一个专色建立阶调校正模型；根据扫描后灰度梯尺上每个色块的平均灰度值和专色分色图上的梯尺每个色块的灰度值，生成专色网点转移曲线；最后，根据专色网点转移曲线建立校正曲线，使用校正曲线对专色印刷扫描成的灰度图像的阶调进行校正；

水印提取单元，其用于提取校正后的灰度图的水印提取，提取过程首先对校正后含水印信息的灰度图进行一级IWT转换，生成LL、HL、LH和HH四个子带，然后对所有子带进行SVD分解，使用水印嵌入的逆过程从各个子带中提取的水印信息。

上述系统中各单元功能实现的具体方法如上述方法中所述。

实施例2

为了验证本发明的有效性，发明人进行了一系列实验；通过充分查阅文献，近些年针对专色印刷图像的水印算法较少，只有文献Reed A,Filler T,Falkenstern K,etal.Watermarking spot colors in packaging[C]//SPIE/IS&T ElectronicImaging.International Society for Optics and Photonics,Bellingham,WA,US,2015,(9409):061-0613.(以下简称“现有技术”)，在以往的研究基础上提出了专色图像印刷水印算法，故实验中和现有技术中提出的专色印刷图像水印算法进行了全面的比较，主要包括含水印透明性评价、数字签名提取测试和抵抗印刷-扫描过程的鲁棒性测试。

1、实验环境和参数设置

本实施例对比实验中，印刷设备和主要工艺参数有：制版机CREO Trendsetter800II和胶版印刷机KBA Rapida 105；专色加网角度为45°，加网线数和形状分别为：150线/英寸和圆形，文献[38]将专色S使用75％的专色S和25％的CMY叠印模拟专色，在CMY中嵌入水印，四个颜色的加网角度分别为：C75°，M15°，Y0°，S45°。

扫描设备使用扫描仪AGFA SNAPSAN 600，扫描分辨率选有100dpi、200dpi和300dpi，扫描图像的保存格式为JPEG。实验中使用Lena和Flower图像作为载体图像，大小为512*512，分别选择PANTONE 174C和PANTONE Red 032C专色印刷图像，水印图像为大连理工大学logo，大小为128*128，如图7所示。

通过实验，应用公式(ⅳ)中水印强度α的取值，LL子带中的水印嵌入强度最终确定为0.06，其他子带中水印嵌入强度为0.008，此为水印嵌入强度时，水印的透明性和鲁棒性能达到较好的平衡。)

2、水印透明性评价

(1)本实施例中对本发明和现有技术的峰值信噪比PSNR值进行了比较，本发明和现有技术含水印图像和原图像、印刷扫描含水印图像和原图像的PSNR值如表2所示。

表2本发明算法和现有技术算法的PSNR值统计表

有表2可以看出，本发明含水印图像的PSNR值均高于42，明显高于现有技术。

(2)分别以100dpi、200dpi和300dpi扫描分辨率扫描含水印的印刷图像，印刷-扫描图像如图8所示，结果显示：本发明得到的印刷-扫描图像的视觉效果更好，不管是较暗的专色PANTONE 174 C，还是较鲜艳的专色PANTONE Red 032 C，印刷-扫描图像的颜色和阶调与原图像更加接近。

当两种颜色的颜色差值小于3时，人眼几乎感觉不出来，当色差在3～6之间时人眼有些许感觉，大于6时，人眼感觉明显，对本发明的印刷扫描图像和原图像进行色差统计分析，如图9(a)所示，18％的像素色差小于3，色差大于6的像素数比率为43％，平均色差为10.31；而现有技术中，色差大于6的像素数比率为78％，如图9(b)所示。专色复制过程中的色差原因：一方面是调配的专色本身存在一定的误差；另一方面是扫描成彩色图像之后是以RGB模式再现的，转换到LAB后引起颜色的差异。

3、数字签名认证测试

在水印提取之前需要提取验证数字签名，本发明以胶版印刷为工业应用背景，在印刷-扫描后数字签名是否依然能正确的提取是关键，本发明对印刷扫描后的含水印图像进行了数字签名提取测试，主要包括在不同的扫描分辨率下，数字签名提取的正确位，在扫描中存在放大、缩小或者剪切等几何变换时数字签名提取的正确位测试，测试结果如表3所示。

表3数字签名提取的正确位测试结果统计表

在扫描中存在几何变换的情况下，首先对扫描图像在图像处理软件中进行手动校正，再提取数字签名，数字签名提取的正确位数依然在6以上，图像被裁剪50％以下数字签名都能正确的提取，故本发明数字签名嵌入算法具有很好的鲁棒性。

4、抵抗印刷-扫描过程的鲁棒性评价

评价水印鲁棒性最常用的参数是归一化相关系数(NCC)，NCC用于测量原水印图像和提取水印图像的相似度，NCC值越接近1，表示原水印图像和提取的水印图像越相似，水印鲁棒性越好。本发明分别在图像小波变换的四个子带中均嵌入了水印信息，提取的水印图像如图10所示。

从图10可以看出，当扫描分辨增加时，提取的水印与原水印的归一化相关系数稍大一些，但效果并不显著，当扫描分辨为100dpi时，从中提取的水印依然能清晰可辨，在LL中提取的水印信息的NCC始终都在0.99以上，当扫描分辨低于100dpi时对HL子带的水印影响较大，当扫描分辨大于等于200dpi时，在HL子带中提取的水印信息与原水印信息的NCC大于0.98，视觉清晰可辨，由于印刷过程中的加网和扫描过程对图像高频影响较大，因此，不管是低分辨率扫描还是高分辨率扫描，在HH子带中提取的水印信息比其他子带中提取的失真严重一些，当分辨率增大时，稍有改善，但效果并不显著。因此，本发明提出的水印算法对扫描分辨率的要求并不高，只要大于等于200dpi即可。

另一方面，在扫描过程中容易出现平移、旋转、缩放和裁剪等几何攻击，而且在扫描过程中出现的这些几何变换通常是随机，为了能更加准确的提取数字签名，提高水印信息的检测正确率，以300dpi扫描分辨率对含水印的专色印刷图像进行扫描，对经历了几何变换的扫描图像在图像处理软件中进行校正，然后提取数字签名和水印信息，在几何攻击实验中，使用lena测试图像进行实验，水印提取结果图11所示。从图11的实验结果可知，在扫描过程中发生平移、旋转、缩放和裁剪后，对图像进行校正之后，在LL中提取的水印信息归一化相关系数都在0.99以上，且视觉可清晰辨认，旋转和裁剪之后，对HL中的水印信息影响较大，其他通道中提取的信息视觉均可清晰可辨。

本发明提出了基于IWT-SVD在专色分色通道中嵌入水印信息，可在四个子带中分别嵌入的水印图像大小为1/2原载体图像，在小波变换的四个子带中可以嵌入相同的水印图像或者是不同的水印图像，若原载体图像大小为1024×1024，则在每个子带中可嵌入的水印图像大小为512×512，故四个子带中共嵌入即可以嵌入1048576位水印，并且水印图像可以是二值图像或者是灰度图像，水印图像为灰度图像时，水印图像的像素值范围为0～255，通过实验测试发现，在LL子带中嵌入灰度图像的水印强度范围是0.04～0.07，其他子带中为0.004～0.009。本发明具有较大的水印容量。

其次，本发明使用水印图像置乱加密和数字签名机制解决了水印安全问题，在提取水印之前先提取数字签名进行验证，上述实施例1中嵌入了8位二进制数字，印刷扫描后能够提取的正确位是6～8位，因此，通过此方法嵌入的数字签名能够抵抗图像专色印刷和扫描过程，能很好的解决SVD水印算法的安全性问题。

另外，本发明提出基于专色校正模型的扫描灰度图像提取算法，有效地避免了提取水印时由于专色颜色转换引起的像素失真，提高了水印鲁棒性。

最后，在胶版印刷工艺流程下，进行了算法的实验测试，并和目前专色水印算法进行了对比分析，实验结果显示，本发明提出的专色水印算法在水印透明性、鲁棒性和容量方面均有更加优良的表现，能够抵抗胶版印刷-扫描过程，且算法复杂度低，执行效率高，提取时间不到1秒。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.专色印刷图像数字水印方法，其特征在于，步骤如下：

(1)水印预处理

对水印图像进行Arnold置乱加密处理，生成置乱加密的水印图像信息；

(2)专色分色

对彩色图像使用纽介堡数学模型进行专色墨量的计算，获得专色分色图；

(3)水印嵌入

对专色分色图进行Haar提升整数小波分解，获得LL、HL、LH和HH四个子带；对各子带进行奇异值分解，获得各子带奇异值矩阵S_i；在各子带SVD分解后的奇异值矩阵中使用加性水印算法嵌入置乱加密的水印图像信息，并再次进行SVD分解，得到嵌入水印信息的奇异值矩阵最后，进行逆SVD和IWT操作，得到嵌入水印后的专色分色图像；

(4)数字签名生成

在步骤(3)中，在各子带奇异值矩阵S_i中加入水印信息，并对其进行了再次SVD分解得到嵌入水印信息的奇异值矩阵同时也获得和V_i ^TW矩阵，使用各子带的和V_i ^TW矩阵生成数字签名；

(5)数字签名嵌入

在步骤(3)得到嵌入水印后的专色分色图像中，嵌入数字签名；

(6)出版印刷

对含数字签名和水印信息的专色分色图进行加网制作印版，并使用专色印刷；

(7)扫描专色印刷图像

扫描专色印刷图像，专色图像扫描成灰度图像；

(8)校正扫描图像

使用专色梯尺，为每一个专色建立阶调校正模型，根据扫描后灰度图像的梯尺上每个色块的平均灰度值和专色分色图上的梯尺每个色块的灰度值，生成专色网点转移曲线，根据专色网点转移曲线建立校正曲线，使用校正曲线对专色印刷扫描成的灰度图像的阶调进行校正；

(9)数字签名提取和验证

在校正后的灰度图像中提取数字签名并验证，若数字签名与生成的数字签名匹配，则继续水印信息提取，否则，终止程序；

(10)水印提取

对校正后含水印信息的灰度图进行一级IWT转换，生成LL、HL、LH和HH四个子带；对所有子带进行SVD分解，使用水印嵌入的逆过程从各个子带中提取水印信息。

2.根据权利要求1所述的专色印刷图像数字水印方法，其特征在于，所述的专色分色，使用纽介堡数学模型进行专色墨量的计算，获得专色分色图，专色图像的L*、a*和b*是已知的，使用公式(ⅰ)获得三刺激值X、Y和Z值，使用公式(ⅱ)计算得到原彩色图像每个像素的专色网点面积率a_s；

式中：X、Y、Z为颜色的三刺激值，X_r、Y_r、Z_r为CIE标准照明体的三刺激值，L^*为颜色的明度，a*和b*为颜色的色度；

式中：X₀、Y₀和Z₀是纸张的三刺激值。

3.根据权利要求1所述的专色印刷图像数字水印方法，其特征在于，所述的水印嵌入，采用如下方法进行：

(1)对专色分色图进行Haar提升整数小波分解，获得LL、HL、LH和HH四个子带；

(2)对各子带进行SVD分解，如式(ⅲ)所示：

A_i＝U_iS_iV_i ^T (ⅲ)

式中：i表示LL、HL、LH和HH子带，A_i表示图像矩阵，U_i和V_i表示SVD分解后的正交矩阵，S_i是A_i的奇异值矩阵，T表示转置；

(3)在各子带的奇异值矩阵S_i中嵌入置乱加密的水印图像信息，水印嵌入公式如式(ⅳ)所示：

式中：W为置乱加密后的水印图像信息，α为水印强度，S_i是A_i的奇异值矩阵，是嵌入置乱加密的水印图像信息后的奇异值矩阵，和V_i ^TW是嵌入水印信息后SVD分解得到的正交矩阵；

(4)使用嵌入置乱加密的水印图像信息后的对各子带进行逆SVD操作，产生嵌入水印后的IWT系数，如式(ⅴ)所示，然后进行逆IWT操作，产生含水印的专色分色图像A^W；

式中：A′_i表示逆SVD操作后生成的各子带图像矩阵，是嵌入置乱加密的水印图像信息后的奇异值矩阵，U_i和V_i表示原各子带图像矩阵A_i进行SVD分解后的正交矩阵。

4.根据权利要求3所述的专色印刷图像数字水印方法，其特征在于，所述的水印提取，其提取方法步骤如下：

(1)对校正后含水印信息的灰度图进行一级IWT转换，生成LL、HL、LH和HH四个子带；

(2)对所有子带进行SVD操作：

(3)用式(ⅵ)提取水印：

式中：W_i ^*即为从各个子带中提取的水印。

5.根据权利要求3所述的专色印刷图像数字水印方法，其特征在于，所述的数字签名生成，其生成方法的步骤如下：

(1)将四个子带的二维正交矩阵和V_i ^TW转换到一维；

(2)使用安全哈希算法SHA-1算法对和V_i ^TW进行哈希运算，如式(ⅶ)所示：

式中：i代表LL，LH，HL和HH子带；

(3)将和Digest_V_i ^TW转换为相应的二进制，并进行异或运算，记为R_1i；

(4)设定一个密钥并将其转换成二进制R_2i，并于R_1i进行异或运算生成R_3i；

(5)选择R_3i的前8位，生成一个8位的数字签名，每个子带生成一个数字签名，分别记为Sig__LL，Sig__HL，Sig__LH和Sig__HH，对其进行异或运算，生成最终的数字签名Sig__Final。

6.根据权利要求1所述的专色印刷图像数字水印方法，其特征在于，所述的数字签名嵌入，嵌入方法的步骤如下：

(1)对嵌入水印的专色分色图像使用db2小波，进行DWT操作；

(2)对LL子带进行8×8分块处理；

(3)使用密钥随机选择8个子块，并对所选择的子块进行SVD操作；

(4)每一子块对应一位数字签名，基于对应数字签名的位值，检查并修改SVD分解后U矩阵中U_2,1和U_3,1，U_2,1和U_3,1分别表示U矩阵中第二行第一列的数据和第三行第一列的数据，若数字签名位值为1，则让U_2,1-U_3,1>T；否则，则让U_3,1-U_2,1>T，T为阈值；

(5)对已选择的8个子块进行逆SVD操作；

(6)DWT逆操作。

7.根据权利要求6所述的专色印刷图像数字水印方法，其特征在于，所述的数字签名提取和验证，数字签名提取是嵌入的逆过程，数字签名提取的方法，步骤如下：

(1)对扫描校正后的灰度图像使用db小波，进行DWT操作；

(2)对LL子带进行8×8分块处理；

(3)使用密钥随机选择8个子块，并对所选择的子块进行SVD操作；

(4)检验U_2,1和U_3,1，若U_2,1>U_3,1，则数字签名位值为1，否则为0。

8.根据权利要求1所述的专色印刷图像数字水印方法，其特征在于，所述的校正扫描图像中使用专色梯尺为每一个专色建立阶调校正模型的方法，其步骤如下：

(1)根据原彩色图像的颜色，确定原彩色图像使用的专色；

(2)为原彩色图像中的每一个专色设计专色梯尺，

(3)分色加网出版并印刷，专色梯尺可以设置在原彩色图的空白部分，随原彩色图像一起分色加网，或者单独分色出版印刷，每一个专色梯尺在分色图或分色版上相当于0％-100％的灰度梯尺，使用相应的专色油墨印刷专色梯尺；

(4)扫描专色梯尺，将专色梯尺扫描成灰度图，根据扫描后灰度梯尺上每个色块的平均灰度值和专色分色图上的梯尺每个色块的灰度值，建立专色网点转移曲线，生成专色网点转移曲线；

(5)根据专色网点转移曲线建立校正曲线，使用校正曲线对专色印刷扫描成的灰度图像的阶调进行校正。

9.根据权利要求1所述的专色印刷图像数字水印方法，其特征在于，所述的专色梯尺的设计方法，以10％为步长，设计从0％-100％网点面积率的专色色块，每个专色梯尺由11个色块构成。

10.专色印刷图像数字水印系统，其特征在于，包括：

水印预处理单元，其用于对水印图像进行Arnold置乱加密处理，生成置乱加密的水印图像信息；

专色分色单元，其用于对彩色图像进行专色墨量的计算，获得专色分色图；

水印嵌入单元，其用于对专色分色图嵌入水印，嵌入水印的过程是：首先对专色分色图进行Haar提升整数小波分解，获得LL、HL、LH和HH四个子带；然后对各子带进行SVD分解，获得各子带奇异值矩阵；在各子带SVD分解后的奇异值矩阵中使用加性水印算法嵌入置乱加密的水印图像信息，并再次进行SVD分解，得到嵌入水印信息的奇异值矩阵；最后，进行逆SVD和IWT操作，得到嵌入水印后的专色分色图；

数字签名处理单元，其用于保证专色印刷水印提取的安全性，首先生成数字签名，然后在嵌入水印后的专色分色图中嵌入数字签名，最后在出版印刷并校正后的扫描灰度图像中提取数字签名，验证与生成的数字签名匹配性。

出版印刷单元，其用于对含数字签名和水印的信息的专色分色图进行加网制作印版，并使用专色印刷；

扫描专色印刷图像单元，其用于将专色图像扫描成灰度图像；

校正扫描图像单元，其用于校正扫描后灰度图像的阶调失真，通过使用专色梯尺，为每一个专色建立阶调校正模型，根据扫描后灰度图像的梯尺上每个色块的平均灰度值和专色分色图上的梯尺每个色块的灰度值，生成专色网点转移曲线，根据专色网点转移曲线建立校正曲线，使用校正曲线对专色印刷扫描成的灰度图像的阶调进行校正；

水印提取单元，其用于提取校正后的灰度图的水印提取，提取过程首先对校正后含水印信息的灰度图进行一级IWT转换，生成LL、HL、LH和HH四个子带，然后对所有子带进行SVD分解，使用水印嵌入的逆过程从各个子带中提取的水印信息。