CN1710577A - 基于移动通信网络的数字水印证件防伪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于移动通信网络的数字水印证件防伪方法，属于防伪及信息安全技术领域。采取的技术方案是：一.制作出含有水印信息的待保护的证件；二.采集、传送水印信息；三.提取出嵌入在照片和文档中的水印；四.利用上述提取出的主码到信息数据库中进行查询，五.最后将证件的真伪相关信息返回数字水印服务平台，再由数字水印服务平台将结果以短信形式发回查询用户手机。本发明无需专门的检测设备，普通用户利用可拍照手机就可以方便的验证含水印证件的真伪。本发明操作简单，适合人群广泛，同时在商标等印刷品防伪上也具有良好的应用前景。

Description

基于移动通信网络的数字水印证件防伪方法

技术领域

本发明涉及一种防伪及信息安全技术领域，是一种可在开放的网络环境下实现信息隐藏与跟踪的数字水印技术。

背景技术

通过查阅相关资料和有关专利，主要引证下列专利：

      国名        专利公开号        公开日期

1.    美国        0,179,413         2003.09.25

2.    美国        0,133,427         2004.07.08

3.    美国        0,056,700         2005.03.17

4.    美国        6,775,393         2004.04.10

5.    美国        0,158,724         2004.08.12

6.    中国        CN2681239         2005.02.23

7.    中国        CN1457987         2003.11.26

8.    中国        CN1512438         2004.07.14

数字水印技术是防伪及信息安全技术领域的一个崭新方向，是一种可在开放的网络环境下实现信息隐藏与跟踪的新型技术。数字水印是基于内容的非密码机制的信息隐藏技术，是迄今为止惟一可以跨媒体应用的信息安全与防伪技术。数字水印技术是通过对媒体数据的内容做微量修改来嵌入水印信息，从而达到信息隐藏的目的。该过程不影响原来数据的正常使用，不改变原来数据量的大小，不改变原媒体的外观。嵌入的水印信息可以通过专门的技术软件或仪器提取或者检测出来。如水印信息嵌入到印刷品上，则可以通过专门的检测仪器，特殊的机读设备或软件来检测，提取出水印信息。

近年来，随着证件、商标、包装等印刷品防伪需求的增加，各种防伪技术不断出现。现有防伪技术的欠缺，使不法分子有了可乘之机，利用假包装、假汇票、假证件进行违法活动的案例屡见不鲜，制假售假已成为仅次于贩毒的世界第二大公害。在这种情况下，印刷、打印数字水印技术在印刷品防伪中彰显了其强大的作用。应用于印刷品的数字水印技术主要是以证件、印刷品为载体的数字水印技术，这种技术彻底更新了传统的防伪及版权保护的概念。

Gray A.Lenz等的专利《Identification card watermarking》，美国专利，专利号为0,179,413，设计了一套可以制作含有数字水印的证件制作的硬件和软件系统。此发明将水印图像和含有证件人信息的主图像在打印作业产生程序中完成水印的嵌入，并将含有水印的主图像打印在卡片的感光层上，最后经过证件塑封过程后就完成了含数字水印的证件制作过程。在该套系统中还设计了一个水印验证子系统，通过这个子系统可以在一定程度上保证在用该系统制作出来的证件中提取出水印。

Adnan M.Alattar等的专利《Computing Distortion of Media Signals Using Embedded Datawith Log-polar Mapping》，美国专利，专利号为0,133,427，此专利提出一种恢复含有水印图像同步信息的方法。当含有水印的证件在扫描被数字化的过程中，不可避免的会受到旋转和缩放的攻击，这样破坏了水印提取时的同步信息。为了恢复这些同步信息，此专利提出利用对数极映射和相位匹配滤波器来计算出证件在扫描过程中旋转和缩放的大小，并对其进行同步校正，可以找到嵌入水印的真正位置，最后利用普通的提取算法进行水印提取。

Tyler J.McKinley等的专利《Digital Watermarks and Trading Cards》，美国专利，专利号为0,056,700，此专利提供了一种利用数字水印技术进行贸易卡防伪的方法。嵌入贸易卡中的水印既可以用来辨别卡的真伪，又可以利用相关的检测设备从卡中提取水印信息，并利用此水印信息去查找与此卡内容相关的网页，利用网络提供的更详细的信息，来实现多种服务的目的(如网上的预付费和在线代收机构等)。这里的水印被不可感知的嵌入到卡片中，避免了利用条形码或直接将网址印刷在卡片上的而给卡片的美观带来的影响，同时又免除了直接输入网址的麻烦。该方法方便快捷的实现了用户的多方面服务。

Levy等的专利《Hardcopy watermarking》，美国专利，专利号为6,775,393，此专利也是针对抵抗打印扫描攻击而设计的水印算法根据要嵌入信息的比特值修改数字图像的变换系数来完成水印的嵌入，在水印提取之前，先对水印图像进行尺寸缩放和旋转角度纠正，再用极大似然估计法估计每一个嵌入位的值，最终得到嵌入信息。该专利的嵌入算法简单且鲁棒性较好，但提取算法计算量太大而且需要假设图像变换系数的概率密度函数已知。

J.Scott Carr等的专利《Digital watermarking for identification documents》，美国专利，专利号为0,158,724，此专利介绍基于数字水印技术的证件防伪系统，通过识别证件中人脸的区域和轮廓再从中提取水印信息的方式来进行证件的防伪，采用在线识别的方式进行，即将提取的信息通过internet或者局域网实时传给一个数据库系统，确认真伪之后在反馈回信息。

李炳法等的专利《数字水印电子检测仪》，中国专利，专利号为CN2681239，本实用新型公开了一种数字水印电子检测仪，包括拍摄部分和支撑部分，其特征在于镜头外加装有一个用于识别数字水印的光学透镜，该光学透镜与印刷品、票据等需要防伪的物品中印有的水印标记建立有对应关系，从而有效地起到防伪效果。而该专利的技术是与被检测的物品中的水印标记建立对应关系，有效的起到防伪作用。

牛夏牧等的专利《带有生物信息特征数字水印证件的制作和识别方法》，中国专利，专利号为CN1457987，该发明是读取人体生物信息特征，将人体生物信息特征(指纹、眼虹膜、脸型、嗓音等)转换成数字水印信息，并将此数字水印信息嵌入数字形式的证件中，最后制作实物证件。在判断证件真伪时，将实物证件读成数字形式，从证件中提取数字水印信息并析出人体生物信息特征，同时现场读取证件持有人的人体生物信息特征，对分析出的人体生物信息特征与现场读取的人体生物信息特征进行比较来判断证件是否有效。此发明杜绝了利用他人证件的现象，因为每个人的人体生物信息特征完全相同的机率是非常小的。所以此发明安全性非常高，且极难被仿制、冒充。

梁华庆等的专利《一种基于数字水印的文件防伪方法及其装置》，中国专利，专利号为CN1512438，此发明公开了一种基于数字水印的文件防伪方法及其装置。在证件类文件制作过程中将一个预先设计的不可见数字水印嵌入所述文件中，形成防伪证件；在对防伪证件进行鉴别时，用图像扫描/摄取装置对证件中人像部分进行扫描，并提取水印，根据扫描/印刷制作的证件上印有证件持有人的数字人像照片，数字水印嵌入数字人像照片中，数字水印是由证件的ID号通过密钥加密后作为种子产生的随机序列。该方法与其装置不仅可以抵抗打印扫描过程引起的图像几何畸变和象素值严重失真带来的诸多问题，而且其计算量小、使用简单、操作方便、可靠性强。

采用上述数字水印技术进行证件防伪中存在的主要问题是：

(1)在水印检测过程中，需要使用专门的仪器进行扫描将证件数字化后才可以检测水印的真伪，这使得水印检测只有专门的机构或制作专门的仪器才可以完成，大大限制了应用数字水印进行证件真伪辨别的范围。

(2)在上述的证件检测方法中，只是对证件的真伪进行鉴别，或可以通过证件中检测出的水印信息链接到与之相关的网页中去，以提供更多的相关信息。但这种方法需要个人拥有上网的设备如电脑、网络服务功能等，对于缺少这些设备的场合则无法进行这种操作。

发明内容

本发明提供一种基于移动通信网络的数字水印证件防伪方法，以解决现有的使用数字水印技术进行证件防伪时存在的上述问题，设计了一种利用移动通信网络的数字水印证件防伪技术。本发明采取的技术方案是：

一、制作出含有水印信息的待保护的证件，水印信号生成过程中采用了Hash函数处理和针对打印扫描攻击的改进的Turbo纠错编码技术，保证了水印的唯一性，并增强了水印抵抗多种攻击的能力，水印嵌入过程中，采用如下水印嵌入方案：用嵌入水印后的照片、嵌入水印后的文档和二维条码制成数字形式的证件；既保证了水印的鲁棒性，又保证了水印的不可见性；

二、采集水印信息、传送该水印信息至数字水印服务平台；利用带有摄像功能的手机拍摄证件，并利用现有的移动服务通信网络，如GSM、CDMA等网，将拍摄图片发送至数字水印服务平台待检测；

三、提取出嵌入在照片和文档中的水印，将该水印作为数据库查询主码，提取过程中增加了图像预处理功能，提高水印检测性能，同时，将从照片中提取的水印与从文档中提取的水印进行比较，只有两部分都提取出水印时，才认为水印提取成功；

四、利用上述提取出的主码到信息数据库中进行查询，如果在信息数据库中可以查询到该主码水印，并且和主码对应的证件编号信息与从该证件的二维条码中恢复的证件编号信息一致，则说明该证件是真的，否则说明本证件是假的；

五、最后将证件的真伪相关信息返回数字水印服务平台，再由数字水印服务平台将结果以短信形式发回查询用户手机。

本发明一个重要实施方式中，水印信号的生成中采用Hash函数处理和公钥加密技术来保证产生水印信息的唯一性和安全性，采用改进的Turbo纠错编码技术来增强水印抵抗打印扫描攻击的鲁棒性。

本发明另一个重要实施方式中，数字水印嵌入中采用在照片及文档资料中同时嵌入同一水印的方法来加强水印的提取可靠性。相应的水印算法也分为两种：基于分块DCT域的金字塔结构层间系数统计量关系的静止图像水印嵌入算法和文档水印嵌入算法。

本发明另一个重要实施方式中，数字水印服务平台是利用已有的移动通信网络来传输含有水印的证件的图片信息，同时将证件的真伪检测结果及相关信息以短信形式发回用户手机。

本发明另一个重要实施方式中，将接收到的彩信图片在水印提取前，先进行图片的几何失真校正及滤波处理，一定程度上减小图片在手机摄像和彩信传输过程中遭受的失真，这些预处理由相关软件完成。

本发明另一个重要实施方式中，本发明中水印的采集使用可拍照功能的手机完成，并可同时获取与证件相关信息。

本发明另一个重要实施方式中，在水印提取过程中利用分块DCT域的金字塔结构层间系数统计量关系的静止图像水印提取算法和文档水印提取算法进行水印提取。

本发明另一个重要实施方式中，通过与信息数据库系统进行连接，将从数字水印服务平台接收到的待检测的证件图片传送给信息数据库，并从数据库中查询到的信息自动返回给数字水印返回平台。

本发明利用两种不同的水印嵌入方法，在数字形式的证件的照片、文档中均嵌入相同的水印信息，并将加密后的证件号码制作成二维条码放在证件上，作为证件的一部分内容，最后用打印机打出来。当要验证证件的真伪时，只需使用通常的手机对证件进行摄像，并将摄取的图片通过彩信的形式传递到专门的数字水印短信服务平台，水印提取模块从数字水印短信服务平台获取含有水印的数字证件图片，进行水印的提取。利用提取出的n位主码水印到信息数据库中进行搜索，如果能够查询到该证件的相关信息，并且该相关信息中的证件号码与二维条码中提取出的证件号码一致，则说明该证件是真的，否则就可以判断该证件是伪造的。最后，将证件的真伪信息和一些相关信息返回给数字水印短信服务平台，再由水印短信服务平台将这些信息以手机短信形式发回给用户手机。利用本发明可以不使用专门的检测仪器或扫描仪进行水印的提取，操作方便快捷，获得的信息量大。本发明不仅可以解决证件的防伪问题，而且可以利用手机自身的功能获得大量相关的信息，完全替代了专门的数码相机或扫描仪，也不需要制作专门的水印检测设备，普通用户也可以方便的检测到证件的真伪。本发明操作简单，适合人群广泛，同时在商标等印刷品防伪上也具有良好的应用前景。

本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：

第一，本发明无需专门的检测设备，普通用户利用可拍照手机就可以方便的验证含水印证件的真伪。

第二，由于提取出的n位数据库查询主码水印要作为查询条件到数据库中进行检索，保存在数据库中的证件持有者的相关信息可以通过我们编制的数字水印服务平台自动发回用户手机，用户可以不仅可以得知证件真伪，而且可以获得更多的证件持有人的相关信息。

第三，多种水印方案的融合，照片和文档中利用不同的水印嵌入方法嵌入同一水印(即n位数据库查询主码水印)。当水印提取时，要分别从照片和文档中都提取出水印，并且提取的水印一致时，才认为成功提取水印，证件没有被修改或伪造，否则我们就认为该证件是假的，这样可以双重保证证件的真伪，并可以判断证件被改动的情况。另外，在证件制作过程中，我们将加密后的证件编号做成二维条码的形式一并做在证件中，该二维条码起到辅助判断证件真伪的作用。利用含有水印的照片、含有水印的文档和含有加密编码信息的二维条码，我们可以三重保证证件的真伪判断结果。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为本发明的数字水印嵌入和证件制作流程图；

图3为本发明的水印信号生成框图；

图4为向照片中嵌入水印流程图；

图5为8×8块DCT变换的三层金字塔方式的多分辨率表示图；

图6为文档水印嵌入流程图；

图7为本发明的数字水印提取框图；

图8为本发明的数字水印证件预处理框图；

图9从照片中提取水印流程图

图10为从文档信息中提取水印流程图；

图11从二维条码中读取证件信息流程图；

具体实施方式

包括下列步骤：

一、制作出含有水印信息的待保护的证件，包括水印信号的生成，在水印嵌入过程中，采用如下水印嵌入方案：用嵌入水印后的照片、嵌入水印后的文档和二维条码制成数字形式的证件；既保证了水印的鲁棒性，又保证了水印的不可见性；

二、采集水印信息、传送该水印信息至数字水印服务平台；利用带有摄像功能的手机拍摄证件，并利用现有的移动服务通信网络，如GSM、CDMA等网，将拍摄图片发送至数字水印服务平台待检测；

三、提取出嵌入在照片和文档中的水印，将该水印作为数据库查询主码，提取过程中增加了图像预处理功能，提高水印检测性能，同时，将从照片中提取的水印与从文档中提取的水印进行比较，只有两部分都提取出水印时，才认为水印提取成功；

四、利用上述提取出的主码到信息数据库中进行查询，如果在信息数据库中可以查询到该主码水印，并且和主码对应的证件编号信息与从该证件的二维条码中恢复的证件编号信息一致，则说明该证件是真的，否则说明本证件是假的；

五、最后将证件的真伪相关信息返回数字水印服务平台，再由数字水印服务平台将结果以短信形式发回查询用户手机。

下面结合附图和一种较佳的具体实施方案对本发明作进一步的详细说明。本发明所称的模块为一种方法的组合。

本发明可分为数字水印证件制作模块1、数字水印服务平台模块2、数字水印提取模块3、信息数据库查询及查询信息返回模块4。本发明各步骤的相互关系如框图1所示。

如图2所示，其中数字水印证件制作模块1由水印信息生成过程11、照片水印嵌入过程12、文档水印嵌入过程13、二维条码制作过程14、数字形式证件生成过程15和证件打印过程16五个方面组成。

水印信息生成过程11是将证件号码111用Hash函数进行处理，得到唯一的Hash消息摘要112，将消息摘要112用公钥加密的方法进行加密，得到水印加密密钥113，然后用得到的加密密钥113去加密n位数据库查询主码水印114，在对主码水印114用改进的Turbo纠错编码技术进行编码处理，最后得到安全的水印信号115，其生成框图见图3所示。

照片水印嵌入过程12是将经过加密和纠错编码后的水印信息115嵌入数字照片的过程。如图4所示，它包含以下几个步骤：取得数字形式证件的照片部分；122将照片部分分成若干个N×N的子块；123对每一子块进行离散余弦变换(DCT)，并对每一小块中的变换系数按金字塔方式的多分辨率表示方式从左上角到右下角进行排列，例如8×8块的DCT系数X＝{Xu，0≤u≤63}，就可排成如图5所示的三层金字塔结构。其中系数X₀～X₃代表最低分辨率层(低频子带)，它是该块图像的粗糙信息，系数X₄～X₁₅代表较精细的中分辨率层(中频子带)。系数X₁₆～X₆₃则代表最高分辨率层(高频子带)，它是图像块的精细图像信息；124依据人类视觉特性，通过改变金字塔结构层间系数统计量的关系嵌入水印位，该水印位就是安全水印信号115；125进行离散余弦反变换；126判断图像是否满足系统鲁棒性和不可感知性的要求，如果满足则完成照片中嵌入水印的过程，得到含有水印的照片128；否则利用JND对步骤124的水印嵌入强度进行折衷优化127。

文档水印嵌入过程13是将经过加密和纠错编码后的水印信息115嵌入数字文档的过程。如图6所示，它包含以下几个步骤：取得经加密并纠错编码后的水印信息115；131取得数字形式证件的文档部分；132定义一些待嵌入水印的特定区域，并将各区域分成两部分；133依据各特定区域内字符的特征改变相应区域内两部分水平笔画的宽度，嵌入水印位；134嵌入完成，获得含有水印的文档。

二维条码制作过程14中，首先将证件号码用密钥进行加密141，然后将加密后的证件号码制成二维条码142。

最后，将含有水印的照片128、含有水印的文档134以及含有证件编码信息的二维条码142做成数字形式的证件15，然后直接打印输出，生成实物证件16。

数字水印服务平台模块2有两部分功能：第一，接收含有水印证件的彩色图片信息并送至水印提取模块中；第二，接受数据库发送来的证件真伪信息及证件相关信息，将这些信息以手机短信形式发回用户手机。

数字水印提取模块3中是一个从数字水印证件中提取n位主码水印的过程。如图7所示。

其中数字水印提取模块3由数字证件预处理32、图像水印提取过程33、文档水印提取34和二维条码证件编号读取35四方面组成。

其中数字证件预处理32中包括数字证件的几何校正321和滤波处理322两部分。

图像水印提取过程33包含以下几个步骤：331取得数字形式证件中的照片部分；332按照水印嵌入过程中相同的分块方法和顺序将照片部分进行分块处理；333对每一子块进行离散余弦变换；334对分块DCT系数按金字塔方式的多分辨率表示方式排列；335检测金字塔结构层间系数统计量的关系；336提取照片部分的数字水印信息；337对336步骤提取的水印信息用改进Turbo纠错解码进行解码，获得n位主码水印信息。

文档水印提取过程34包含以下几个步骤：341取得数字形式证件中的文档部分图像水印提取过程；342找到与嵌入水印时相同的特定区域；343检测各特定区域内两部分包含的水平笔画宽度平均值的差；344提取文档部分的数字水印信息；345对344步骤提取的水印信息用改进Turbo纠错码进行解码，获得n位主码水印信息。

在照片水印提取过程33和文档水印提取过程34中，要分别从照片和文档中都提取出水印，并且提取的水印一致时，才可以判定该证件是真的，没有被修改或伪造，否则我们就认为该证件是假的36，这样可以双重保证证件的真伪，并可以判断证件被改动的情况。

二维条码证件信息读取35包括取得数字形式证件的二维条码351、从二维条码中读取加密后的证件号码352和解密证件号码353三部分。从二维条码中获符的证件号码与信息数据库4中获得的证件号码进行比较，如果一致，则表明该证件是真的37。

最后，将36判断提取水印是否一致和37判断证件编号是否一致中判断后的证件真伪信息发回至数字水印服务平台2。

如果在数字水印提取模块中，由于拍摄的照片失真严重等原因(例如拍摄的照片缺损严重等)而导致无法判别证件的真伪时，数字水印检测模块将向数字水印服务平台发送“水印无法检测”的信息，再由水印服务平台向查询用户手机发送内容为“拍摄照片失真严重，请重新拍摄”的信息，提示用户重新采集证件图片信息。

信息数据库查询及查询信息返回模块4包含所有与n位主码水印相对应的所有证件信息的数据库，利用提取出的n位主码水印到数据库中进行搜索，如果能够查询到该证件的相关信息，并且该相关信息中的证件号码与二维条码中提取出的证件号码一致，则说明该证件是真的，否则就可以判断该证件是伪造的。最后，将证件的真伪信息和一些相关信息返回给数字水印服务平台，再由数字水印服务平台负责将这些信息以手机短信形式发回给用户手机。

Claims (8)

1、一种基于移动通信网络的数字水印证件防伪方法，其特征在于包括下列步骤：

一、制作出含有水印信息的待保护的证件，包括水印信号的生成，在水印嵌入过程中，采用如下水印嵌入方案：用嵌入水印后的照片、嵌入水印后的文档和二维条码制成数字形式的证件；既保证了水印的鲁棒性，又保证了水印的不可见性；

二、采集水印信息、传送该水印信息至数字水印服务平台；利用带有摄像功能的手机拍摄证件，并利用现有的移动服务通信网络，如GSM、CDMA等网，将拍摄图片发送至数字水印服务平台待检测；

三、提取出嵌入在照片和文档中的水印，将该水印作为数据库查询主码，提取过程中增加了图像预处理功能，提高水印检测性能，同时，将从照片中提取的水印与从文档中提取的水印进行比较，只有两部分都提取出水印时，才认为水印提取成功；

四、利用上述提取出的主码到信息数据库中进行查询，如果在信息数据库中可以查询到该主码水印，并且和主码对应的证件编号信息与从该证件的二维条码中恢复的证件编号信息一致，则说明该证件是真的，否则说明本证件是假的；

五、最后将证件的真伪相关信息返回数字水印服务平台，再由数字水印服务平台将结果以短信形式发回查询用户手机。

2、根据权利要求1所述的基于移动通信网络的数字水印证件防伪方法，其特征在于，水印信号的生成中采用Hash函数处理和公钥加密技术来保证产生水印信息的唯一性和安全性，采用改进的Turbo纠错编码技术来增强水印抵抗打印扫描攻击的鲁棒性。

3、根据权利要求1所述的基于移动通信网络的数字水印证件防伪方法，其特征在于，数字水印嵌入中采用在照片及文档资料中同时嵌入同一水印的方法来加强水印的提取可靠性。相应的水印算法也分为两种：基于分块DCT域的金字塔结构层间系数统计量关系的静止图像水印嵌入算法和文档水印嵌入算法。

4、根据权利要求1所述的基于移动通信网络的数字水印证件防伪方法，其特征在于，数字水印服务平台是利用已有的移动通信网络来传输含有水印的证件的图片信息，同时将证件的真伪检测结果及相关信息以短信形式发回用户手机。

5、根据权利要求1所述的基于移动通信网络的数字水印证件防伪方法，其特征在于，将接收到的彩信图片在水印提取前，先进行图片的几何失真校正及滤波处理，一定程度上减小图片在手机摄像和彩信传输过程中遭受的失真，这些预处理由相关软件完成。

6、根据权利要求5所述的基于移动通信网络的数字水印证件防伪方法，其特征在于水印的采集使用可拍照功能的手机完成，并可同时获取与证件相关信息。

7、根据权利要求5所述的基于移动通信网络的数字水印证件防伪方法，其特征在于在水印提取过程中利用分块DCT域的金字塔结构层间系数统计量关系的静止图像水印提取算法和文档水印提取算法进行水印提取。

8、根据权利要求1所述的基于移动通信网络的数字水印证件防伪方法，其特征在于，通过与信息数据库系统进行连接，将从数字水印服务平台接收到的待检测的证件图片传送给信息数据库，并从数据库中查询到的信息自动返回给数字水印返回平台。

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