防偽電子票打印掃描過(guò)程中的數(shù)字水印失真和還原技術(shù)

摘 要： 數(shù)字水印失真和還原技術(shù)是當(dāng)前信息保密的重要研究方向。通過(guò)介紹打印掃描數(shù)字水印技術(shù)，闡述了數(shù)字水印系統(tǒng)的基本框架、分類特征、典型算法和性能評(píng)估；通過(guò)對(duì)數(shù)字圖像的打印掃描過(guò)程分析，介紹了連續(xù)色調(diào)方法基本模型以及掃描、打印過(guò)程對(duì)圖像的影響，并對(duì)像素失真和幾何失真進(jìn)行了具體分析，同時(shí)提出了修正方法；最后從數(shù)字水印的提取和嵌入兩個(gè)方面，設(shè)計(jì)了基于DCT的抗打印掃描數(shù)字水印系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)相關(guān)魯棒性試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的打印掃描數(shù)字水印系統(tǒng)具有良好的防偽和防篡改性能，與其他算法相比具有讀取和嵌入速度快、誤碼率低的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 打印掃描； 數(shù)字水印； 水印失真； 還原技術(shù)； 防偽

中圖分類號(hào)： TN911.73?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）17?0075?04

0 引 言

為了有效保護(hù)數(shù)字圖像媒體的版權(quán)和信息安全，數(shù)字水印技術(shù)被應(yīng)用到了信息安全領(lǐng)域中。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在我國(guó)每年有數(shù)十萬(wàn)人因?yàn)榧侔l(fā)票、假電子票等印刷品而造成了數(shù)億人民幣的損失。因此，開(kāi)展防偽電子票打印掃描過(guò)程中的數(shù)字水印失真和還原技術(shù)研究工作是非常具有實(shí)用價(jià)值的。

1 打印掃描數(shù)字水印技術(shù)概述

1.1 數(shù)字水印系統(tǒng)的基本框架

數(shù)字水印技術(shù)在發(fā)明之初的目的就是希望通過(guò)采取一種信息隱藏技術(shù)對(duì)數(shù)字產(chǎn)品進(jìn)行保護(hù)。在包括音頻、視頻、數(shù)字圖像等的數(shù)字媒體中嵌入秘密信息，是數(shù)字水印技術(shù)的基本思想。嵌入的秘密信息可以是多種多樣的，它可以是產(chǎn)品的序列號(hào)、防偽密碼、版權(quán)標(biāo)志等各種圖文信息。將這些圖文信息經(jīng)過(guò)一定技術(shù)的變換后，就成為了數(shù)字產(chǎn)品中的數(shù)字水印。

數(shù)字水印系統(tǒng)的基本框架由六元組進(jìn)行表示。水印算法的密匙用字母K表示；待嵌入水印的載體集合用字母X表示；水印生成算法和嵌入算法分別用G和E表示；原始水印信息用字母W表示；水印檢測(cè)算法用字母D表示。

1.2 數(shù)字水印的典型算法

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字水印技術(shù)的算法研究得到了極大發(fā)展。當(dāng)前較為流行的算法是變換域算法和空間域算法。其中，變換域算法可在視頻、圖像等載體中載入水印信息，而空間域算法是直接將水印通過(guò)信號(hào)空間載入載體。

變換域算法主要有DCT域水印算法、DWT域圖像水印、DFT域水印算法等。這些算法具有魯棒性能好、水印信息量大、不可感知性優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前較為集中的數(shù)字水印研究領(lǐng)域。

空間域算法主要有LSB最低有效位法、文檔結(jié)構(gòu)微調(diào)算法、Patchwork算法等。這些算法與變換域算法相比，具有運(yùn)算速度快、算法簡(jiǎn)便、復(fù)雜程度低等優(yōu)點(diǎn)，但在魯棒性能方面表現(xiàn)較差。

1.3 數(shù)字水印系統(tǒng)的性能評(píng)估

水印的魯棒性能、系統(tǒng)的安全性能、數(shù)字作品的感知質(zhì)量是考察數(shù)字水印系統(tǒng)的三個(gè)重要評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

魯棒性能：該指標(biāo)是指數(shù)字水印在遇到惡意攻擊和干擾信號(hào)時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的抵抗能力。其中常見(jiàn)的信號(hào)攻擊和處理方法有低通濾波、幾何失真、增強(qiáng)處理、多重水印攻擊。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，要求數(shù)字水印技術(shù)具備綜合的抗攻擊能力。

感知質(zhì)量：數(shù)字水印在嵌入載體之后必須具備和原始載體相似的感知性，其中主觀測(cè)試和矢量定量測(cè)試是當(dāng)前兩種較為成熟的測(cè)試感知質(zhì)量的方法。

2 數(shù)字圖像的打印掃描過(guò)程分析

2.1 連續(xù)色調(diào)方法基本模型

嵌入水印和提取水印是抗打印掃描數(shù)字圖像水印技術(shù)的兩個(gè)關(guān)鍵過(guò)程。而在印刷工程中，這兩個(gè)關(guān)鍵過(guò)程變?yōu)榱藬?shù)模的轉(zhuǎn)換，即掃描和打印。在掃描和打印過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)像素失真、旋轉(zhuǎn)失真、縮放失真等。其中，數(shù)字圖像水印系統(tǒng)的輸出模型如圖1所示。

從模型圖中可以看出：在嵌入函數(shù)[E]中通過(guò)輸入水印[W]和原始圖像[X]就生成了含水印的圖像，這就是水印的嵌入過(guò)程；在圖像的傳輸流通過(guò)程中，必然會(huì)產(chǎn)生如圖像磨損、折舊等多方面的攻擊；校正過(guò)程主要是通過(guò)調(diào)整圖像像素亮度來(lái)檢測(cè)水印的存在。

2.2 打印?掃描過(guò)程對(duì)圖像的影響

數(shù)字圖像向模擬圖像的轉(zhuǎn)換主要通過(guò)打印和掃描實(shí)現(xiàn)，具體的模型見(jiàn)圖2。在打印和掃描過(guò)程中可能存在旋轉(zhuǎn)失真、縮放失真、像素失真等多個(gè)失真現(xiàn)象。這種影響主要包括兩個(gè)方面：信息失真和丟失；受到幾何攻擊產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、尺寸變化、剪切。

打印過(guò)程對(duì)圖像的影響主要包括：打印機(jī)分辨率較低導(dǎo)致產(chǎn)生像素失真，因此打印機(jī)的分辨率是決定圖像輸出質(zhì)量的重要因素；半色調(diào)處理對(duì)輸入圖像產(chǎn)生嚴(yán)重失真，這主要是由于打印過(guò)程中經(jīng)過(guò)抖動(dòng)法處理造成的；打印機(jī)物理機(jī)械特性產(chǎn)生的像素失真，打印機(jī)在打印過(guò)程中會(huì)受到低通濾波攻擊而丟失高頻細(xì)節(jié)信息。

掃描過(guò)程對(duì)圖像的影響主要包括：掃描儀分辨率設(shè)置造成的失真影響；掃描過(guò)程代理的圖像重采樣影響；掃描儀物理機(jī)械特性造成的失真影響；掃描過(guò)程中圖片模式轉(zhuǎn)換帶來(lái)的影響。

2.3 像素失真分析及校正方案

（1） 圖片的像素失真分析

為研究打印掃描過(guò)程對(duì)圖像的失真影響，本文對(duì)實(shí)際圖像進(jìn)行了試驗(yàn)，具體圖片見(jiàn)圖3。該圖的亮度值沿對(duì)角線增大，灰度級(jí)為0～255。試驗(yàn)用的圖片可以有效降低打印掃描過(guò)程代理的像素失真。打印掃描后的圖片如圖4所示。

從圖中可以看出，試驗(yàn)圖片經(jīng)過(guò)打印掃描之后其灰度級(jí)和像素值發(fā)生了較大變化。打印掃描后的灰度級(jí)范圍縮小較多，并且像素值也逐漸集中到了低灰度范圍內(nèi)。

（2） 亮度變換

為了測(cè)試圖片在打印掃描前后的亮度變換，本文進(jìn)行了亮度測(cè)試試驗(yàn)。為了減少掃描過(guò)程產(chǎn)生的像素偏差，在試驗(yàn)過(guò)程中刪除了邊緣像素。其中掃描前、掃描后、校正后的圖片如圖6所示。

通過(guò)對(duì)圖片掃描前、掃描后、校正后的亮度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)校正后的圖片亮度得到了明顯提高，圖像在校正后的峰值信噪比比校正前有大幅提高。

（3） 對(duì)比度拉伸變換

為了測(cè)試圖片拉伸對(duì)像素的失真影響，本文又進(jìn)行了對(duì)比度拉伸變換測(cè)試試驗(yàn)。其中掃描前、掃描后、校正后的圖片見(jiàn)圖7。

通過(guò)對(duì)圖片掃描前、掃描后、校正后的PSNR數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)校正后的圖片PSNR值得到了明顯提高，圖像在校正后的峰值信噪比比校正前有大幅提高。

2.4 幾何失真分析及校正方案

（1） 抗幾何失真的常用方法

當(dāng)前水印技術(shù)研究的熱點(diǎn)是抗幾何失真的魯棒性水印算法研究。其中，最常見(jiàn)的散裝幾何攻擊是尺度變換、旋轉(zhuǎn)、偏移。根據(jù)相關(guān)技術(shù)人員的研究，針對(duì)幾何失真提出了如下幾種方法：將水印信息嵌入不變域；使用模板水印技術(shù)；利用Radon變換。

（2） Radon變換試驗(yàn)

為了測(cè)試Radon變換對(duì)抗幾何失真的試驗(yàn)效果，對(duì)試驗(yàn)圖片進(jìn)行了Radon變換測(cè)試。測(cè)試時(shí)首先對(duì)圖片進(jìn)行邊緣檢測(cè)和Radon變換，之后對(duì)圖像旋轉(zhuǎn)一定角度進(jìn)行校正，最后根據(jù)三次插值法對(duì)圖像進(jìn)行采樣并恢復(fù)大小。

通過(guò)對(duì)圖片校正前后的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)校正后的圖片峰值信噪比比校正前有大幅提高。這說(shuō)明Radon變換可有效提高抗幾何失真的魯棒性。

3 基于DCT的抗打印掃描數(shù)字水印系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與實(shí)現(xiàn)

3.1 抗打印掃描數(shù)字水印系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于DCT的抗打印掃描數(shù)字水印系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖見(jiàn)圖8。該流程圖主要包括水印嵌入、打印?掃描圖像預(yù)處理、水印提取三個(gè)過(guò)程。

圖8 基于DCT的抗打印掃描數(shù)字水印系統(tǒng)流程圖

3.2 數(shù)字水印的嵌入

數(shù)字水印的嵌入過(guò)程如下：在嵌入前將灰度值由0，255轉(zhuǎn)化為0，1，進(jìn)行數(shù)字水印的預(yù)處理；去掉[M×M]灰度圖像邊緣的兩個(gè)像素，之后再進(jìn)行分塊處理，并得到DCT矩陣；去掉[N×N]的兩個(gè)邊緣系數(shù)，并將系數(shù)矩陣進(jìn)行一維數(shù)據(jù)排列，從中選取64個(gè)中低頻系數(shù)；將選擇的64個(gè)中低頻系數(shù)進(jìn)行絕對(duì)值排列，之后進(jìn)行信息嵌入。

3.3 數(shù)字水印的提取

數(shù)字水印的提取算法其實(shí)是嵌入算法的逆過(guò)程。具體步驟為：首先通過(guò)Radon變換、三次內(nèi)插法、亮度變換法對(duì)掃描后的圖形進(jìn)行幾何失真校正、像素失真校正，具體流程見(jiàn)圖9；將預(yù)處理圖形刪除兩個(gè)像素，并對(duì)其分塊作DCT變換，得到DCT系數(shù)；根據(jù)水印嵌入密匙得到水印序列；估計(jì)逆值算法，計(jì)算出數(shù)字提取鑰匙，完成逆變換。

3.4 試驗(yàn)與結(jié)果

本文利用HP激光打印機(jī)和Epson Perfection 1200掃描儀進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10。

對(duì)試驗(yàn)后的圖像進(jìn)行了掃描順序測(cè)定，并根據(jù)嵌入水印的容量確定了相關(guān)系數(shù)。其中掃描順序表如圖11所示。之后將圖像進(jìn)行了幾何失真校正和像素失真校正，校正后的圖片如圖12所示。

對(duì)校正后的圖像進(jìn)行了主觀評(píng)估和客觀評(píng)估兩方面測(cè)試。以PSNR作為主觀評(píng)估和客觀評(píng)估的定量標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果顯示水印提取的性能指標(biāo)較為優(yōu)秀，已經(jīng)非常接近原始水印信號(hào)，說(shuō)明該水印算法較為先進(jìn)。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了基于DCT的抗打印掃描數(shù)字水印系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)相關(guān)魯棒性試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的打印掃描數(shù)字水印系統(tǒng)具有良好的防偽和防篡改性能，與其他算法相比具有讀取和嵌入速度快、誤碼率低的優(yōu)點(diǎn)。

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