基于文本和圖像雙重?cái)?shù)字水印的證件防偽系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘 要】設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字水印技術(shù)的證件防偽系統(tǒng)，把文本水印信息和圖像水印信息隱藏到證件中，通過(guò)對(duì)提取出來(lái)的兩種水印信息識(shí)別判斷，即可鑒別證件的真?zhèn)巍?shí)驗(yàn)表明，該證件防偽系統(tǒng)有較強(qiáng)的可靠性和實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】證件防偽；文本水?。粓D像水?。浑p重水印

Abstract：A credential anti-counterfeiting system was designed based on digital watermarking technology.Text watermarking information and image watermarking information were hid into credential’s number and photo.People can identify the credential through checkup of the extracted watermarking information.Experiments show that the anti-counterfeiting system has stronger reliability and practicability.

Keyword：credential anti-counterfeiting；text watermarking；image watermarking；Double digital watermarking

社會(huì)上偽造證件的犯罪活動(dòng)日益增多，迫使證件必須采用一定的防偽技術(shù)。目前的證件防偽技術(shù)主要采用特種材料和特種加工工藝，導(dǎo)致證件成本增加和制作周期延長(zhǎng)，且容易被造假分子發(fā)現(xiàn)和掌握，導(dǎo)致防偽措施失效。數(shù)字水印技術(shù)是信息隱藏技術(shù)的一個(gè)分支，它通過(guò)特定的方法將水印信息隱藏嵌入到數(shù)字化的載體數(shù)據(jù)中，以此作為鑒別載體文件真?zhèn)魏桶鏅?quán)保護(hù)的依據(jù)。我們可以將數(shù)字水印技術(shù)與證件防偽相結(jié)合，將特定的信息隱藏到證件的版面內(nèi)容中，利用這些不可見的信息來(lái)防止偽造和鑒別真?zhèn)巍＿@種方法不需要特殊材料，不用改變和增加證件制造的步驟，只要在印前處理階段把信息隱藏到版面內(nèi)容中去即可，是一種經(jīng)濟(jì)、可靠的證件防偽方法。

1.證件防偽系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

證件種類眾多，但各種證件提供的信息一般都包括：姓名、證件編號(hào)、個(gè)人照片、相關(guān)文字信息等。數(shù)字水印按載體大致可分為：文本水印、圖像水印、音頻水印、視頻水印。考慮證件上有文字和圖像，可以將文本水印和圖像水印分別隱藏到證件的文本中和照片圖像中，采用雙重水印實(shí)現(xiàn)較為可靠的防偽效果。造假者不知道隱藏信息的內(nèi)容和方法，仿造的證件中沒(méi)有正確的水印信息，可馬上檢測(cè)出來(lái)證件的真?zhèn)巍?/p>

檢測(cè)辨別證件的真?zhèn)螘r(shí)，只需將證件掃描，對(duì)獲取到的整個(gè)證件圖像，分別處理檢測(cè)文本部分和照片圖像部分，看能否提取出與隱藏信息相同的兩種水印，即可得出可靠的判定結(jié)果，且提取時(shí)不需要原始圖像的參與，實(shí)現(xiàn)盲檢測(cè)，能更好的滿足證件防偽的實(shí)際需要。

圖1 水印的嵌入與檢測(cè)流程

2.文本數(shù)字水印與圖像數(shù)字水印的嵌入方法

文本數(shù)字水印的原理主要是微調(diào)行間距、字間距、字符特征等，這些方法大多適用于英文字符，對(duì)于復(fù)雜多變的漢字不太適用。為了嵌入和提取的方便性，我們選擇把水印信息隱藏到相對(duì)簡(jiǎn)單的編號(hào)數(shù)字中，通過(guò)輕微改變證件編號(hào)的數(shù)字與數(shù)字之間的間距來(lái)表示隱藏的水印信息。選擇證書編號(hào)的最后三位數(shù)字，轉(zhuǎn)換成4位的二進(jìn)制編碼，如表1所示，三位數(shù)字共轉(zhuǎn)換成12位的二進(jìn)制編碼，作為要嵌入的文本水印信息，每一位二進(jìn)制編碼對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字與數(shù)字的間距，根據(jù)其值來(lái)設(shè)置各個(gè)間距（見表1）。

若用n表示一位二進(jìn)制數(shù)，DIS表示要設(shè)置的間距，D表示加寬的間距，d表示標(biāo)準(zhǔn)的間距，則文本水印的嵌入規(guī)則如下：

以證件編號(hào)10833113232265為例，最后三位數(shù)字為265，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼為：001001100101，從左邊第一個(gè)間距開始算起，5個(gè)1所對(duì)應(yīng)的間距要略微加寬，其它間距保持正常，效果如圖2所示。

圖2 文本水印嵌入效果圖

圖像數(shù)字水印的研究是當(dāng)前的熱點(diǎn)，嵌入水印的方法多種多樣，可分為空間域和變換域兩種算法。本系統(tǒng)采用較為成熟的離散余弦變換（DCT）算法，通過(guò)輕微調(diào)整它的中頻系數(shù)，對(duì)圖像水印重復(fù)嵌入，具體算法如下：

（1）選擇證件編號(hào)最后一位數(shù)字的二值圖像，將其像素值轉(zhuǎn)換成一維序列，記為a（i），（i=1，2，…，N），作為要嵌入的圖像水印信息。

（2）選擇證件照片的圖像作為水印載體，將它分成放多8×8的小塊，對(duì)每一塊圖像作DCT變換，將系數(shù)矩陣的中頻系數(shù)進(jìn)行分組，如表2所示，沿橫折方向，三個(gè)系數(shù)一組，共得到7組，用b（m，n）表示（見表2）。

（3）選定合適的閾值K，用Dif表示每一組中三個(gè)系數(shù)的最大值減去最小值的差值，min和max表示最小和最大值，則水印嵌入規(guī)則如下：

（4）對(duì)每一個(gè)分塊圖像按此規(guī)則繼續(xù)進(jìn)行水印的嵌入操作，直到把所有的a（i）信息全部嵌入到照片圖像中。若照片圖像分塊數(shù)目遠(yuǎn)大于嵌入的信息數(shù)量，可在多次多塊圖像中重復(fù)進(jìn)行同一信息的嵌入，以提高水印強(qiáng)度，最后對(duì)圖像進(jìn)行反離散余弦變換。

3.水印的檢測(cè)提取

水印的檢測(cè)提取是水印嵌入的逆向過(guò)程，將制作好打印出來(lái)的證件，用掃描儀進(jìn)行掃描，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)，縮放，裁切模糊邊緣，對(duì)比度增強(qiáng)等處理后，分別按嵌入方法的逆向算法提取文本水印和圖像水印，通過(guò)檢測(cè)數(shù)字間距的寬度來(lái)提取出文本水印，對(duì)比b（m，2）和另外二個(gè)DCT系數(shù)來(lái)提取圖像水印，并對(duì)提取結(jié)果判斷正確與否。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)

對(duì)提取出來(lái)的文本水印和數(shù)字水印，首先可進(jìn)行視覺上的主觀判斷，文本水印是一串?dāng)?shù)字，只要將證件上最后三位數(shù)字轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制，比對(duì)數(shù)字即可判斷提取的水印正確與否。圖像水印是最后一位編號(hào)數(shù)字的二值圖像，通過(guò)觀察即可馬上判斷它們形狀是否相似。

對(duì)圖像水印來(lái)說(shuō)，當(dāng)視覺上不容易根據(jù)提取出的水印形狀判斷的時(shí)候，借助于歸一化相似度系數(shù)進(jìn)行輔助判斷，若用W表示等待判斷的水印的二值圖像，Wi’表示標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字的二值圖像，則二者的相似度系數(shù)為：

它在一定程度上反映了W和Wi’的相似程度，當(dāng)Similarity取最大值時(shí)，表示水印圖像與Wi’所表示的數(shù)字最為相似，從而輔助我們進(jìn)一步確定W的值。

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)采用HP LaserJet 5200LX打印機(jī)和Epson Perfection V330掃描儀，編寫程序隨機(jī)生成80個(gè)證件并嵌入水印，分別采用600DPI和300DPI的分辨率打印，掃描分辨率均為300DPI，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

實(shí)驗(yàn)表明，圖像的打印分辨率設(shè)置的較高，水印提取結(jié)果的正確率也較高；圖像旋轉(zhuǎn)校正不夠精確時(shí)，會(huì)導(dǎo)致提取錯(cuò)誤；圖像有輕微的磨損和臟污時(shí)，可正確提取水印。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

打印分辨率測(cè)試次數(shù)正確識(shí)別水印正確識(shí)

別率

文本水印600DPI（有旋轉(zhuǎn)校正）4040100%

300DPI403997.5%

圖像水印600DPI（有旋轉(zhuǎn)校正）403997.5%

300DPI403587.5%

600DPI（有磨損、臟污）10770%

5.結(jié)論

本文采用的數(shù)字水印方法既有良好的不可感知性，又有較強(qiáng)的抵抗打印與掃描的能力，對(duì)整潔的證件，各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置適當(dāng)時(shí)，能準(zhǔn)確的檢測(cè)到水印信息的正確與否，比較適合于證件防偽系統(tǒng)的要求，而且這種方法不會(huì)造成證件成本的增加，水印的嵌入和提取都比較方便，從而為證件防偽提供了一種成本較低并且靈活可靠的新方法。