CN1960428A - 抗打印扫描大容量有意义数字水印实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抗打印扫描大容量有意义数字水印实现方法，属防伪及信息安全技术领域，采取的技术方案是：一、生成大容量数字水印信号；二、预处理待嵌入水印的原始图像；三、嵌入水印信息；四、提取水印前对水印图像的处理；五、提取水印；六、图像水印信息的加强。本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：可以嵌入二值图像等有意义的大容量的水印信息，增强了水印信息的可识别性。具有很强的抗打印扫描攻击的鲁棒性，可广泛用于各种证件及印刷品的防伪。利用基于Hausdorff距离的几何校正过程，可以有效的校正水印信号在打印扫描过程所受到的各种几何攻击，如：旋转、缩放、平移等。算法设计简单，校正时间短，有利于满足实际应用的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种防伪及信息安全技术领域，是一种可以嵌入大容量并且抵抗打印扫描攻击的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 0,126,064 2006.07.15
2. 美国 6,983,056 2006.01.03
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4. 美国 0,056,700 2005.03.17
5. 美国 6,775,393 2004.08.12
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7. 中国 CN2681239 2005.02.03
8. 中国 CN1512438 2004.07.14
现代科学技术的发展，大大提高了各国防伪技术的水平。但是，我们必须充分认识到，任何一种防伪技术都不是绝对的。因为高新技术的发展也给伪造者提供了新的伪造手段。今天，数码相机、录像机、扫描仪、打印机等设备和功能强大的软件，已被全球范围的用户用于创作、处理和享用数字多媒体数据如音频、图像、视频等。互联网也为多媒体信息分发和交换提供了广阔便捷的渠道。特别是高精度彩色喷墨、激光打印机和高精度扫描仪的普及，为人们的工作和生活带来了许多便利，但是同时也使各种产品包装、证件、支票、证券和证明文档的伪造及篡改变得非常容易。
基于数字水印的证件/印刷防伪技术与传统的防伪技术不同，它彻底更新了防伪的传统观念，并在印刷防伪中具有独特的性质。作为识别标志的水印以视觉不可见的形式隐藏在证件等各类印刷品中，只有通过计算机软件或特定的检测设备才可识别。隐藏的数字水印标志可以是有意义的数字和随机的数码、文本信息、图像甚至声音。用户可以根据被保护物品的不同要求加入不同内容的水印信息，数字水印不会因为印刷品经过各种地点和人员而变异，在这些环节上没有泄露和扩散的可能性。数字水印的加入位置具有随机性。每一种印刷品所隐藏的数字水印可以不同，加入数字水印的位置也是随机的，技术掌握人本身也不知道数字水印的具体隐藏位置，这样的随机性和变化特征使伪造者难以仿冒伪造。
Haas；Bertrand等的专利《Method and system for printing an original imageand for determining if a printed image is an original or has been altered》，美国专利，专利号为0,126,094，此专利提出了一种通过打印扫描检测图片、文件是原始的拥有所有权的还是已经被窜改的图片、文件的方法和系统。为了检测打印扫描后的图片文件的真伪，该专利同时用可见的条形码和不可见的脆弱性数据处理证书电子印章数字水印进行保护。其中电子印章数字水印是由关于图片或文件信息如签发时间的种子产生的随机序列。检测时首先直观的对比条形码然后将取扫描后的图片、文件的数字水印与检测序列之间的汉明距与事先指定的阈值做比较，若小于阈值，则该图片、文件是真的，反之已被窜改。
Amano Tomio的专利《Method and device for embedding and detecting watermarkinginformation into a black and white binary document image》，美国专利，专利号6,983,056，此专利提出了一种针对黑白二值图片的抗打印扫描算法。由于打印扫描后图片的象素值将改变，该专利针此特点，通过首先对需要保护的黑白二值图片进行分块，对每一子块再平分为两个子块。嵌入水印时，根据嵌入的水印位是“0”或“1”将一子块中的两个子块的象素值一个增加，一个减小，同时不能影响视觉效果，完成水印的嵌入。扫描后提取水印时，每一子块先平分为两个子块，将两个子块的象素值进行相减，通过阈值比较确定水印信号嵌入的是“0”还是“1”。
Haas Bertrand的专利《Watermarking method with print-scan compensation》美国专利，专利号1,533,750，此专利提出了一种针对打印扫描失真而设计的补偿变换方法。在对打印扫描过程研究的基础上，该专利将打印扫描过程视为一个线性滤波过程，提出在对打印扫描前首先对待保护的图片，或者待嵌入的水印信号进行抗打印扫描的补偿变换。通过变换，待保护的图片和待嵌入的水印的象素值都将非线性的增加，灰度值集中在取值大的范围内，减小灰度值小的象素所占的比例。在抗打印扫描的补偿变换的基础上，结合具体的已有的算法，实现数字水印抗打印扫描过程攻击。
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。
李海峰等的专利《基于移动通信网络的数字水印证件防伪方法》，中国专利，专利号为CN1710577，此专利提出了一种通过移动通信网实现数字水印证件防伪技术，采用两重数字水印方案实现证件的防伪数字水印服务平台技术；主要算法是在DCT变换的三层金字塔方式的多分辨率的基础上，针对打印扫描失真设计的hash函数和公钥加密算法的安全水印生成算法和改进的Turbo编解码算法。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。
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。
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。
采用数字水印技术进行证件/印刷品防伪存在的主要问题是：
(1)水印信息提取困难，鉴别证件真伪的传统方法是使用专门的仪器进行扫描将证件数字化后进行水印信息的提取，更先进的方法如专利CN1710577提到的通过手机拍摄证件并利用已有的移动通信网络，将数字化的证件传送到数字水印服务平台进行水印信息的提取，利用提取的水印信息进行证件真伪的鉴别。无论采用那种方法，在水印信息提取前，嵌入水印的图像已经受了各种攻击，其中最严重和难以克服的攻击是制作证件过程中的打印攻击以及将证件数字化过程中的扫描攻击以及几何攻击，这些攻击导致水印信息提取的困难，也正是这一点限制了利用数字水印技术进行证件防伪的广泛应用。
(2)水印嵌入容量小，已有的用于证件防伪的数字水印技术，嵌入的水印信息通常是1比特信息或一个随机序列，只能检测水印的有/无。
发明内容
本发明提供一种可以嵌入一幅有意义的二值图像的大容量的数字水印实现方法，水印信息提取前作自动几何校正，提取算法简单，准确率高。
本发明采取的技术方案是：
一、预处理待嵌入水印的原始图像，对数字形式的原始图像在嵌入水印前先对其作低通滤波、对比度增强以及边界处理，这些处理的目的是全面提高水印的嵌入强度以及不可感知性，同时也为水印提取前的几何校正提供方便；
二、生成大容量数字水印信号，首先将作为数字水印的有意义的二值图像用Arnold变换进行置乱，然后用Walsh函数调制置乱后的水印信号。一方面，增强了水印抵抗各种攻击的能力；另一方面，提高了水印的正确提取率；
三、嵌入水印信息，将预处理后的原始图像分成若干个N×N的子块，并对每一小块做离散小波变换，求每一小块的噪声可见函数(NVF)值，选取嵌入强度，用NVF值作为视觉控制因子，修改每一子块的低频子带小波系数嵌入水印信息，用水印不可感知性评价值NLPE2作为评价水印是否达到不可感知性的依据，从而自适应选取每一小块的嵌入强度；
四、提取水印前对水印图像的处理，分别提取水印图像和原始图像的尺度空间的几何不变特征点集M和I，计算两个点集之间的Hausdorff距离，如果小于给定阈值则无需做几何校正，直接进入水印提取过程，否则的话，选定几何变换参数的搜索范围，利用快速算法，计算准确的几何变换参数，利用算得的几何参数校正水印图像。
五、水印的提取，将处理后的水印图像分成若干个N×N的小块，并做离散小波变换，将低频子带小波系数与生成水印信号相同的Walsh函数进行相关运算，即可提取出置乱后的水印信号，再对其进行反置乱即可获得图像水印信息；
六、图像水印信息的加强，为了使水印图像更加清晰可变，对提取出的水印图像建立退化模型，并用相应的复原滤波器对其做滤波处理。
本发明一个重要实施方式中，水印信号生成中采用具有强相关性的Walsh函数调制水印信号，有两方面的作用，一是增强水印抵抗打印扫描攻击的鲁棒性；二是提高水印信号的正确提取率。
本发明的另一个重要实施方式中，嵌入水印前对原始图像进行的低通滤波、对比度增强以及边界处理有利于提高水印的嵌入强度同时保证不可感知性，尤其是边界处理为水印提取前的几何校正提供方便；
本发明的另一个重要实施方式中，水印的嵌入采用先分块然后做小波分解，求出每一子块的低频子带的噪声可见函数(NVF)，然后用NVF值作为视觉控制因子，修改每一子块的低频子带小波系数嵌入水印信息，这种先分块后做小波分解的方法一定程度上克服了小波变换不具有平移、旋转和缩放不变性的弱点，提高了其抵抗局部几何攻击的能力。
本发明的另一个重要实施方式中，水印提取前需要对其做几何校正，首先依据水印图像和原始图像的尺度空间的几何不变特征点集的Hausdorff距离是否小于给定阈值，来判断水印图像是否需要做几何校正，如果需要的话，采用基于Hausdorff距离的快速算法计算几何变换参数，对水印图像进行几何校正。
本发明的另一个重要实施方式中，水印信号提取出来以后，对其作进一步的加强处理，增强水印信息的可读性。
本发明的数字水印实施方案在嵌入大容量的水印信息的情况下仍然具有很强的抗打印扫描攻击的鲁棒性，可广泛用于各种证件的防伪，操作方法简单，适合人群广泛，同时在商标等印刷品防伪上也具有很好的应用前景。
本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：
第一，本发明可以嵌入二值图像等有意义的大容量的水印信息，增强了水印信息的可识别性。
第二，本发明具有很强的抗打印扫描攻击的鲁棒性，可广泛用于各种证件及印刷品的防伪。
第三，本发明利用基于Hausdorff距离的几何校正过程，可以有效的校正水印信号在打印扫描过程所受到的各种几何攻击，如：旋转、缩放、平移等。算法设计简单，校正时间短，有利于满足实际应用的需求。
附图说明
图1为本发明的流程框图；
图2为本发明的大容量数字水印信号的生成框图；
图3为本发明的原始图像预处理框图；
图4为向照片中嵌入水印流程图；
图5为本发明的数字水印证件预处理框图；
图6本发明的几何校正流程图；
图7为本发明的数字水印提取框图；
图8为本发明的数字水图像的加强处理框图；
具体实施方式
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。
本发明可分为水印嵌入过程001以及水印提取过程002。其中嵌入过程001首先用扫描仪或数码相机1将需要保护的模拟形式的图片转换为数字形式的图片，然后用模块2对获得数字形式的图片进行预处理，模块3用于生成大容量数字水印信号，模块4嵌入数字水印，最后用打印机输出模拟形式图片5；水印提取过程002首先用扫描仪等图像采集装置6将含有数字水印信息的打印图片扫描输入，水印图片由模拟形式转换为数字形式7，然后用模块8对数字形式的图像做预处理，模块9提取数字水印信息并恢复成可识别的信息，模块10对提取的水印信息进行图像复原得到最终提取的可读图像水印信息10。本发明各组成部分的相互关系如框图1所示。
如图2所示，获得数字形式图片并进行预处理模块2包括：
低通滤波过程21，采用中值滤波，
对比度增强过程22，利用扫描软件中设置的对比度增强调节功能，
边界处理过程23，给图片加1～4象素的黑边；
大容量数字水印信号生成模块3是生成具有强相关性的数字水印信号38的过程，如图3所示。一方面，用密钥将可识别的有意义的原始水印图片信息31Arnold置乱32得到置乱后的水印信号33；另一方面，采用正态序列发生器34生成Walsh函数密钥35，进一步用该密钥和Walsh函数发生器36生成Walsh函数37，然后用Walsh函数调制置乱的水印信号38，得到用于嵌入的水印信号39。
数字水印嵌入模块4是将经过调制后的水印信息39嵌入处理后的数字图像24的过程。如图4所示。包括以下步骤：取得处理后的数字形式的图像24；将图像分成1～10个N×N子块并对每一子块做离散小波变换(DWT)41，本例中可具体选择8×8～64×64的子块；求每一子块小波域的噪声可见函数(NVF)值42；选取嵌入强度α43，用NVF值作为视觉控制因子，修改每一子块的低频子带小波系数，F’＝F+NVF·α·F，嵌入水印信息；计算每一小块的水印不可感知性评价值NLPE2并判断是否小于给定阈值44，如果满足则完成水印的嵌入过程，否则重新回到43并修改嵌入强度；进行离散小波反变换(IDWT)45，得到含有水印信息的图片46。
扫描仪读取的水印图片预处理模块8是对模拟形式的图片5用扫描仪扫描得到数字形式的水印图片7，然后采用几何校正过程81对其进行几何校正获得待提取水印图片82的过程。如图5所示。其中几何校正过程用于校正扫描过程中产生的旋转、缩放及偏移等几何攻击。如图6所示。811是对扫描后的水印图片7提取尺度空间几何不变特征点集M的过程；812是对原始图片2提取尺度空间几何不变特征点集I的过程；813计算两个点集之间的Hausdorff距离；采取《采用Hausdorff距离的有效目标定位方法》(‘Efficiently Locating Objects Using theHausdorff Distance’International Jourmal of Computer Vision 24(3)，251-270(1991)文献中提供的方法，判断算得的Hausdorff距离是否小于给定阈值814，如果小于给定阈值则跳过步骤814至817直接得到处理后的水印图像82，否则的话，利用Hausdorff距离，选定几何变换参数的搜索范围，利用快速算法，计算准确的几何变换参数815；利用前一步获得的几何变换参数校正水印图像816；判断校正后的水印图像与原始图像的Hausdorff距离是否小于给定阈值817，如果小于给定阈值则校正完成，得到处理后的水印图像82，否则的话，返回步骤811。
提取数字水印信息并恢复成可识别的信息模块9，如图7所示。图片分块91将处理后的水印图像82分成1～10个N×N的小块，本例可采用8×8～64×64，对每一子块进行离散小波变换(DWT)，提取低频子带系数92；用与嵌入过程中相同的步骤34至37得到的Walsh函数与上一步的低频子带小波系数做相关运算93；提取到的水印信息94；对上一步的水印信息做Arnold反置乱95，得到反置乱后的水印信号96；对反置乱后的水印信息进行加强处理97，得到最后提取的水印信号图片9。
对反置乱后的水印信息进行加强处理过程97，包括建立退化模型过程971，选取滤波器参数，和复原滤波器滤波过程972，复原滤波器可以采用中值滤波。如图8所示。
以上所述仅为本发明的较佳的实施方案而已，利用本发明的设计思想所作的各种变化，仍应包含于本案专利之内。
Claims (6)
1、抗打印扫描大容量有意义数字水印实现方法，其特征在于包括下列步骤：
一、预处理待嵌入水印的原始图像，对数字形式的原始图像在嵌入水印前先对其作低通滤波、对比度增强以及边界处理，这些处理的目的是全面提高水印的嵌入强度以及不可感知性，同时也为水印提取前的几何校正提供方便；
二、生成大容量数字水印信号，首先将作为数字水印的有意义的二值图像用Arnold变换进行置乱，然后用Walsh函数调制置乱后的水印信号。一方面，增强了水印抵抗各种攻击的能力；另一方面，提高了水印的正确提取率；
三、嵌入水印信息，将预处理后的原始图像分成若干个N×N的子块，并对每一小块做离散小波变换，求每一小块的噪声可见函数(NVF)值，选取嵌入强度，用NVF值作为视觉控制因子，修改每一子块的低频子带小波系数嵌入水印信息，用水印不可感知性评价值NLPE2作为评价水印是否达到不可感知性的依据，从而自适应选取每一小块的嵌入强度；
四、提取水印前对水印图像的处理，分别提取水印图像和原始图像的尺度空间的几何不变特征点集M和I，计算两个点集之间的Hausdorff距离，如果小于给定阈值则无需做几何校正，直接进入水印提取过程，否则的话，选定几何变换参数的搜索范围，利用快速算法，计算准确的几何变换参数，利用算得的几何参数校正水印图像。
五、水印的提取，将处理后的水印图像分成若干个N×N的小块，并做离散小波变换，将低频子带小波系数与生成水印信号相同的Walsh函数进行相关运算，即可提取出置乱后的水印信号，再对其进行反置乱即可获得图像水印信息；
六、图像水印信息的加强，为了使水印图像更加清晰可变，对提取出的水印图像建立退化模型，并用相应的复原滤波器对其做滤波处理。
2、根据权利要求1所述的抗打印扫描大容量有意义数字水印实现方法，其特征在于：水印信号的生成中采用Arnold变换和Walsh函数调制以及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Walsh函数调制技术增强水印抵抗打印扫描攻击的鲁棒性以及提高水印的正确提取率。
3、根据权利要求1所述的抗打印扫描大容量有意义数字水印实现方法，其特征在于：预处理待嵌入水印的原始图像，对数字形式的原始图像在嵌入水印前先对其作低通滤波、对比度增强以及边界处理，这些处理的目的是全面提高水印的嵌入强度以及不可感知性，同时也为水印提取前的几何校正提供方便。
4、根据权利要求1所述的抗打印扫描大容量有意义数字水印实现方法，其特征在于：嵌入水印信息前先对图像分块然后对每一小块分别做离散小波变换，利用噪声可见函数(NVF)值作为视觉控制因子，用水印不可感知性评价值NLPE2作为评价水印是否达到不可感知性的依据，从而自适应选取每一小块的嵌入强度；
5、根据权利要求1所述的抗打印扫描大容量有意义数字水印实现方法，其特征在于：提取水印前需要对水印图像做预处理，利用基于Hausdorff距离的快速算法计算扫描后的水印图像的几何变换参数，并对其进行校正。
6、根据权利要求1所述的抗打印扫描大容量有意义数字水印实现方法，其特征在于：对提取出的水印图像建立退化模型，并用相应的复原滤波器对其做滤波处理。
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