基于PDF417二維條碼的頑健數(shù)字水印方法

蔣翠玲，黃帥，吳安雯，于文欣，康周茂，李永強(qiáng)

（華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237）

基于PDF417二維條碼的頑健數(shù)字水印方法

蔣翠玲，黃帥，吳安雯，于文欣，康周茂，李永強(qiáng)

（華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237）

利用PDF417二維條碼其條塊邊角的特點(diǎn)，提出了一種基于條塊邊角的PDF417條碼水印方法。首先對水印信息整體進(jìn)行預(yù)判，以選擇合適的黑白交界區(qū)域作為水印嵌入位置，根據(jù)水印內(nèi)容對二維碼圖像的相關(guān)信息進(jìn)行修改，以實(shí)現(xiàn)水印的嵌入和提取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此算法相比同類空間域水印算法，具有更大的水印嵌入容量和更高的圖像品質(zhì)。同時(shí)，具有較好的抗JPEG壓縮、高斯噪聲和打印掃描功能，具有較強(qiáng)的頑健性。

二維條碼；數(shù)字水?。蝗萘?；頑健性

目前，國內(nèi)外關(guān)于二維碼信息隱藏技術(shù)的文獻(xiàn)不是很多，研究對象主要是PDF417碼（portable data file 417）和QR（quick response）碼。文獻(xiàn)［3］提出結(jié)合 Freeman 鏈碼和B樣條曲線誤差對PDF417二維碼先進(jìn)行預(yù)處理，再將與該圖像內(nèi)容相關(guān)的散列值作為水印信息嵌入，可進(jìn)行篡改驗(yàn)證，容量有所提高但算法實(shí)現(xiàn)繁瑣，而且水印信息受限。文獻(xiàn)［4］利用變形技術(shù)對PDF417碼符號字符組成單元的寬度進(jìn)行適量的變動以實(shí)現(xiàn)隱藏信息的嵌入，能有效地抗打印和掃描攻擊，但隱藏信息容量不大。文獻(xiàn)［5］提出了一種基于QR二維碼的證件認(rèn)證技術(shù)。文獻(xiàn)［6］在DCT（discrete cosine transform）基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一種結(jié)合PDF417碼的水印嵌入算法，采用PDF417編碼將水印信號擴(kuò)展成比信息帶寬大得多的帶寬信號，提高了數(shù)字水印的穩(wěn)健性，該算法可有效滿足水印的透明性和頑健性要求。文獻(xiàn)［7］提出了一種改進(jìn)的二維碼水印算法，在二維條碼中嵌入水印信息，并引入加密方法，進(jìn)一步提高了水印嵌入的安全性。文獻(xiàn)［8］根據(jù)PDF417二維條碼自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對其進(jìn)行適量的結(jié)構(gòu)微調(diào)，提出明隱藏和暗隱藏方法，將信息隱藏進(jìn)條碼當(dāng)中。文獻(xiàn)［9～11］將二維碼技術(shù)應(yīng)用于身份證管理和電子票證中以實(shí)現(xiàn)防偽目的的認(rèn)證。

2 PDF417條碼的原理及相關(guān)工作

2.1 PDF417條碼的原理

PDF417二維條碼的每一個(gè)條碼字符由4個(gè)條和4個(gè)空共17個(gè)模組構(gòu)成，稱為一個(gè)字碼模塊，每個(gè)條或空的寬度都必須是單位模組寬度的整數(shù)倍，故稱為PDF417條碼，如圖1所示。條碼圖形上下以及左右各有一個(gè)被稱為空白區(qū)的區(qū)域（圖1中未顯示），除空白區(qū)外，條碼圖的組成包括起始符號區(qū)、左層指示符、數(shù)據(jù)符號區(qū)、右層指示符、終止符號區(qū)。左右空白區(qū)的目的是為了將條形碼和其他圖形符號區(qū)別開來；起始符號區(qū)和終止符號區(qū)是為了標(biāo)識條碼的起始和終止位置，在所有的PDF4l7條碼中它們都是不變的；左右層指示符內(nèi)容相同，都是為了指示每層圖形碼的層號；數(shù)據(jù)符號區(qū)由多個(gè)數(shù)據(jù)符號組成，編碼了圖形碼所攜帶的信息。

基于PDF417二維條碼的數(shù)字水印技術(shù)一般包括2個(gè)階段：嵌入水印信息的過程和檢測提取水印信息的過程。嵌入階段就是在PDF417二維條碼中嵌入水印信息，通常包含預(yù)處理和嵌入2個(gè)過程。提取階段是相對于嵌入階段設(shè)計(jì)合理的提取算法，將水印信息從PDF417二維條碼中提取出來。

圖1 PDF417二維條碼

2.2 相關(guān)工作

二維條碼PDF417圖像是一種特殊的二值圖像，在二值圖像中嵌入信息時(shí)，必須考慮該像素的鄰域狀況。在二值圖像中，如果在周圍全是0的區(qū)域中將一個(gè)像素由0修改成1，即在一片黑色區(qū)域中出現(xiàn)一個(gè)白點(diǎn)，則會引起明顯的圖像失真；而如果在黑白區(qū)域交接處將一個(gè)像素由0修改為l，就不會引人注意，因此，在二值圖像中嵌入信息最好在黑白區(qū)域交接處進(jìn)行。

文獻(xiàn)［7］分析了基于二維條碼圖像圖形空間結(jié)構(gòu)的水印嵌入方法，針對該類方法存在算法略顯繁冗和算法結(jié)束條件的判斷不夠清晰等問題進(jìn)行了改進(jìn)。文獻(xiàn)［8］根據(jù)PDF417二維條碼自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對其進(jìn)行適量的結(jié)構(gòu)微調(diào)，提出明隱藏和暗隱藏方法，將信息隱藏進(jìn)條碼當(dāng)中。相比文獻(xiàn)［4，6，7］，文獻(xiàn)［8］具有更大的水印容量，并具有一定的頑健性。本文在文獻(xiàn)［8］算法的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的基于條塊邊角的PDF417條碼的水印方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不僅提高了水印容量，兼顧了頑健性，保證了二維條碼的可讀性，并具有抗掃描打印功能。

3 基于條塊邊角的PDF417條碼水印方法

本文改進(jìn)的條塊邊角空域二維碼水印算法在每一個(gè)PDF417字碼的邊界嵌入水印，通過找出每一個(gè)PDF417字符內(nèi)模組寬度在2～6之間的黑條（或白空），改變每一個(gè)這樣的黑條塊（或白空）的右下角（或左下角）像素，以實(shí)現(xiàn)水印信息的嵌入和提取。改進(jìn)算法的二維碼水印嵌入流程如圖2所示。

3.1 嵌入算法

本文改進(jìn)算法的嵌入思想是將水印信息編碼成特定的比特流，首先對水印比特信息進(jìn)行預(yù)判，選擇嵌入水印到“黑條”還是“白空”，然后嵌入到相應(yīng)條塊符合要求的邊角像素點(diǎn)。

定義row：像素行數(shù)/模組高h(yuǎn)igh， row也稱之為層；column：每層中的字碼模塊個(gè)數(shù)。

具體步驟如下。

1） 對水印比特信息進(jìn)行預(yù)判，若所含“0”多于“1”，則選擇“黑條”嵌入；反之，則選“白空”嵌入。

2） 略去二維條碼圖像的上下左右4個(gè)靜空區(qū)后，連續(xù)讀取每兩行（第i行、第i+1行）像素值。

3） 比較每2個(gè)像素行的像素值，若相同，則轉(zhuǎn)到步驟1），繼續(xù)往下讀取，若不相同，則可確定這兩行像素為PDF417字碼的邊界處，可以在此處嵌入水印信息，同時(shí)能夠依據(jù)PDF417二維條碼的特性得到每層字碼的像素高h(yuǎn)igh，方便后續(xù)尋找下一邊界的判斷。

4） 通過判斷邊界緊鄰的上一行像素值，找到邊界緊鄰的2個(gè)像素行：m和m+1，尋找m行中連續(xù)為黑（或白）的像素點(diǎn)達(dá)2～6個(gè)的黑條（或白空），水印信息將在黑條（或白空）的末（或首）個(gè)像素點(diǎn)處嵌入，及其同列的上一行（m-1行）像素點(diǎn)處嵌入。

圖2 本文改進(jìn)算法的二維碼水印嵌入流程

5） 在加密編碼成比特流的待嵌入水印信息中取一個(gè)比特，若比特信息為0，則繼續(xù)往下進(jìn)行，不做改動；若比特信息為1，則修改連續(xù)的黑像素點(diǎn)為白像素點(diǎn)；反之，同理進(jìn)行。

6） 若水印信息已嵌入完畢，結(jié)束；否則，若連續(xù)點(diǎn)已用完，則轉(zhuǎn)到步驟2），繼續(xù)往下尋找下一邊界，若已經(jīng)無邊界，則說明該二維條碼圖像不足以嵌入全部水印信息，退出。

3.2 提取算法

提取算法的主要思想：將水印信息從嵌入水印后的PDF417二維條碼圖像中提取出來，是水印嵌入的逆過程，由于嵌入水印時(shí)只用到了邊界緊鄰的上方一行像素的信息，并改變了該行某些符合要求的像素點(diǎn)。相應(yīng)地，在提取的過程中就不需要用到多行像素的信息，只需要根據(jù)PDF417碼的特性，以嵌入過程中得到的每行堆疊字碼的像素高為依據(jù)判斷邊界，找到邊界緊鄰的上方一行，即為水印信息嵌入行。另外，由于嵌入過程中對水印信息做出了預(yù)判，相應(yīng)地，提取過程需要以嵌入過程的預(yù)判結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行水印信息的提取。水印提取流程是嵌入的相反過程。具體算法步驟如下。

1） 以嵌入過程的預(yù)判結(jié)果為依據(jù)，判斷提取方法。

2） 忽略二維條碼圖像的上下左右4個(gè)靜空區(qū)后，依據(jù)二維碼生成規(guī)則，連續(xù)讀取每層字碼中的倒數(shù)3行（該3行描述為：第k行，第k+1行，第k+2行）的像素值。

3） 根據(jù)讀取的每層字碼的第k行像素值，若連續(xù)的黑（或白）像素小于2個(gè)，則轉(zhuǎn)到步驟1），依據(jù)步驟2）的規(guī)則繼續(xù)讀取下一層像素值，若連續(xù)的黑（或白）像素為2～6個(gè)，則可確定這一層字碼的第k+1行和第k+2行像素包含水印信息，且位于PDF417字碼邊界的上方，緊鄰邊界。

4） 尋找當(dāng)前層的第k行中連續(xù)的黑（或白）像素為2～6個(gè)的黑條（或白空）塊，找出相應(yīng)的第k+1行和第k+2行中列所對應(yīng)的黑條（或白空）塊的最后（或最前）一個(gè)像素點(diǎn)，記錄位置。

5） 由水印嵌入算法可知，在記錄下的連續(xù)像素點(diǎn)中，水印信息就包含在第k+1行和第k+2行里。若這2行像素為黑，則對應(yīng)水印比特信息為0；否則，若這2行像素為白，則對應(yīng)水印比特信息為1；反之也成立。

重復(fù)步驟2）～步驟5），直到處理完全部二維條碼圖像。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)用Matlab編程實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的基于條塊邊角空域二維碼水印算法，實(shí)驗(yàn)樣本選取隨機(jī)生成的50～100幅二維碼圖像進(jìn)行測試。以生成攜帶信息“華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院信息工程專業(yè)”的PDF417條碼圖像ecust.bmp為例，大小為43×153，水印樣本大小為8×16的二值圖像“E-white.bmp”、超鏈接“http://www.ecust.edu.cn”等。分別進(jìn)行常見的3種攻擊測試：JPEG壓縮、高斯噪聲（均值為0，方差為0.01）和打印掃描攻擊（打印機(jī)、掃描儀的分辨率均為600 dpi）。本實(shí)驗(yàn)中，將改進(jìn)的算法與文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［8］中明隱藏算法進(jìn)行比較，采用PSNR（峰值信噪比）和NC（相似度）性能指標(biāo)作參數(shù)對比。PSNR反映圖像的品質(zhì)，NC表示兩幅圖像的相關(guān)程度。其中，Xij載體圖像像素值；Xij為含水印信息圖像像素值；M、N為圖像的寬度和高度。

JPEG壓縮是一種常見的圖像處理操作，表1給出了改進(jìn)的條塊邊角空域二維碼水印算法與文獻(xiàn)［8］中的算法經(jīng)過JPEG壓縮時(shí)，嵌入水印圖像E-white時(shí)，2種算法的PSNR和NC參數(shù)的比較。由表1可以看出，改進(jìn)算法具有相對較大的PSNR，說明在相同條件的JPEG壓縮下，改進(jìn)算法的圖像失真度要小于文獻(xiàn)［8］中的算法，即其抗JPEG壓縮性能更佳。表2表明，改進(jìn)算法的含水印二維條碼進(jìn)行品質(zhì)因子為20～70的JPEG壓縮后，與原二維條碼樣本圖像仍具有較高的相似性。圖3給出了在不同JPEG壓縮時(shí)的含水印二維碼圖像，從視覺上看，不同JPEG壓縮因子時(shí)的二維碼與原始二維碼及含水印的二維碼圖像非常相似。圖4給出了在不同JPEG壓縮因子時(shí)提取的水印信息，當(dāng)壓縮因子低于70時(shí)，提取的水印會有不同程度的失真，但仍不影響原有二維條碼內(nèi)容的識讀性。

表1 不同JPEG品質(zhì)因子時(shí)算法的PSNR性能比較

表2 不同JPEG品質(zhì)因子時(shí)算法的NC性能比較

表3給出了3種算法的嵌入容量比較。文獻(xiàn)［7］的容量公式Capacity = 4（row-1）column，其中，row·column是二維碼中字符個(gè)數(shù)，每個(gè)字符由4個(gè)條和4個(gè)空組成，條空交界處可以嵌入1 bit信息，所以理論上一個(gè)字符可以嵌入4 bit信息，因?yàn)槭窃谛羞吔缜度胨。允莚ow-1。文獻(xiàn)［8］中算法理論最大隱藏容量公式Capacity = 4row·column（row·column是二維碼中字符個(gè)數(shù)，每個(gè)字符由4個(gè)條4個(gè)空組成，條空交界處可以嵌入1 bit信息，所以理論上一個(gè)字符可以嵌入4 bit信息），本文改進(jìn)算法的理論最大隱藏容量公式可表示為Capacity = 4row·column·2（因?yàn)椴捎妹麟[藏方式，每個(gè)黑白交界處可以嵌入2 bit信息，所以嵌入信息總量為2倍）。相比文獻(xiàn)［8］，本文改進(jìn)算法容量擴(kuò)大了2倍。當(dāng)high≥3時(shí)，high值越大，本算法效果越好。表4給出了在均值為0，方差為0.01時(shí)抗高斯噪聲的3種方法性能對比。由表4可以看出，改進(jìn)算法在同等高斯噪聲攻擊下，PSNR和NC值略小于其他2種方法，具有可接受的抗Gaussian噪聲性能。

圖4 不同JPEG壓縮（壓縮因子20%～70%）后提取出的水印

表3 最大嵌入容量比較

表4 抗Gaussian噪聲的性能對比

圖5表明，當(dāng)加入高斯噪聲攻擊時(shí)，由于圖像有損，提取出的水印不是二值圖像，因而直觀顯示與原始水印有一定差別，但把提取出的水印轉(zhuǎn)化為二值圖像時(shí)，得到的水印與原始水印一致。

圖5 高斯噪聲攻擊

在打印機(jī)、掃描儀的分辨率均為600 dpi的條件下，嵌入水印后進(jìn)行抗打印掃描測試的 PDF417二維條碼圖像如圖6所示，由于打印掃描后圖像有一定的失真度，可由視覺直觀看出，得到的二維條碼圖像放大后可看出有一定的邊緣毛刺。由于像素分辨率變化，對應(yīng)水印提取過程需要先對掃描圖像進(jìn)行二值化處理，然后根據(jù)算法尋找到水印嵌入行，逐行依次提取。掃描后提取的水印如圖7所示，可以看出，提取出的水印與原始水印完全一致，故該算法具有較好的抗打印掃描功能。

圖6 本文方法的嵌入水印E-white.bmp后進(jìn)行打印掃描的二維條碼和其局部放大圖

圖7 打印掃描前后的水印圖像對比

同樣，使用PDF417二維條碼解碼軟件解碼后得到相關(guān)二維條碼攜帶的原始信息，未加入攻擊的嵌水印圖像和加入3種典型攻擊后得到的含水印圖像均能夠保持不失真解碼，尤其當(dāng) JPEG壓縮因子為20時(shí)，二維條碼仍然能夠保持不失真解碼，具有較高的識讀性，保證了二維條碼攜帶數(shù)據(jù)的完整性。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于條塊邊角的PDF417條碼水印方法，結(jié)合PDF417二維條碼自身的特點(diǎn)，利用其條塊邊角特點(diǎn)來進(jìn)行水印的嵌入和提取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的算法具有較強(qiáng)的頑健性，同時(shí)具有較好的抗打印掃描功能，具有一定的實(shí)用價(jià)值。二維條碼與數(shù)字水印技術(shù)相結(jié)合，并推廣應(yīng)用到具體相關(guān)領(lǐng)域是下一步深入研究的重點(diǎn)。

［1］ 賈助軍.基于二維條形碼的數(shù)字水印技術(shù)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012. JIANG Z J. Digital watermarked technique based on two-dimension code［D］. Wuhan： Wuhan University of Science and Technology， 2012.

［2］ IANG X H， GANG W， JOHAN S. Fragment-type UHF RFID tag embedded in QR barcode label［J］. Electronics Letters， 2015， 51（4）：313-315.

［3］ 吳桐樹.基于二維碼的數(shù)字水印技術(shù)研究［D］. 杭州： 浙江理工大學(xué)， 2015. WU T S. Study on digital watermarked technique based on twodimension code［D］. Hangzhou： Zhejiang University of Science and technology， 2015.

［4］ 牛夏牧， 黃文軍， 吳迪， 等. 基于二維條碼的信息隱藏技術(shù)［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，43（22）：21-25. NIU X M， HUANG W J， WU D， et al. Information hiding technique based on 2D barcode［J］.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni，2004，43（22）：21-25.

［5］ 潘璐. 基于二維碼的證件認(rèn)證技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［D］. 北京： 北京郵電大學(xué)，2014. PAN L. Research and implementation of a technology of certificate authentication based on two-dimension code［D］. Beijing： Beijing University of Posts and Telecommunications， 2014.

［6］ 張基宏， 肖薇薇， 紀(jì)震. 基于二維條碼PDF417的數(shù)字圖像水印算法［J］. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）， 2002，19（1）：1-6. ZHANG J H， XIAO W W， JI Z. Digital image watermarked algorithm based on two-dimension code［J］. Journal of Shenzhen University （Science & Engineering）， 2002， 19（1）： 1-6.

［7］ 魏偉光. 二維條碼空間域數(shù)字水印嵌入方法研究［J］. 北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2010， 22（3）：5-9. WEI W G. Research of method of digital watermarking in 2-D barcode based on space Structure［J］. Journal of North China University of Technology，2010，22（3）：5-9.

［8］ 趙博.二維條碼研究［D］. 西安： 西安電子科技大學(xué)，2007. ZHAO B. Study on 2D barcode［D］. Xi'an： Xidian University， 2007.

［9］ 林海.二維碼技術(shù)在身份證管理中的應(yīng)用研究［D］.天津：天津大學(xué)，2012. LIN H. Research and application of identification management base on two-dimension code［D］. Tianjin： Tianjin University， 2012.

［10］ 歐陽麒. 移動二維條碼電子票證安全數(shù)字水印方案研究［D］. 上海：上海交通大學(xué)，2007. OUYANG Q. A new security framework of mobile twodimensional bar code electronic ticket system-based on digital watermark［D］. Shanghai： Shanghai Jiaotong University， 2007.

［11］ 武莎莎. 基于PDF417二維條碼的數(shù)字水印技術(shù)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)， 2010. WU S S. Study on digital watermarked technique based on PDF417 two-dimension code［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2010.

蔣翠玲（1976-），女，湖北隨州人，博士，華東理工大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)樾畔㈦[藏、圖像處理。

黃帥（1994-），男，安徽安慶人，華東理工大學(xué)本科生，主要研究方向?yàn)閳D像處理。

吳安雯（1994-），女，江蘇南通人，華東理工大學(xué)本科生，主要研究方向?yàn)閳D像處理。

于文欣（1995-），女，山東煙臺人，華東理工大學(xué)本科生，主要研究方向?yàn)閳D像處理。

康周茂（1995-），男，甘肅天水人，華東理工大學(xué)本科生，主要研究方向?yàn)閳D像處理。

李永強(qiáng)（1995-），男，福建福鼎人，華東理工大學(xué)本科生，主要研究方向?yàn)閳D像處理。

Robust digital watermark method based on PDF417 two-dimension code

JIANG Cui-ling， HUANG Shuai， WU An-wen， YU Wen-xin， KANG Zhou-mao， LI Yong-qiang
（School of Information Science and Engineering， East China University of Science and Technology， Shanghai 200237， China）

A digital watermark method based on the bar-block-margin characteristics of PDF417 two-dimension code was presented. The proposed method prejudges the watermark information to choose the suitable embedding positions. According to the watermark， the information of the original PDF417 image was modified for embedding and extracting. The experimental results showed that， in comparison with the other methods in the spatial domain，the proposed method has a higher capacity and better watermarked image quality， as well as better robustness against JPEG compression， Gaussian noise and printing and scanning.

two-dimension code， digital watermark， capacity， robustness

1 引言

二維條碼是近年來在一維條碼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型條碼，從本質(zhì)上來說是一種特殊的二值圖像。二值圖像即黑白圖像，其每個(gè)像素點(diǎn)只用一位表示，“0”代表黑，“1”代表白，其存儲簡單、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)使二值圖像在數(shù)據(jù)傳真、文字識別、條碼識別中得到廣泛應(yīng)用［1,2］。在二維條形碼中嵌入數(shù)字水印信息，能夠?qū)崿F(xiàn)如電子票據(jù)二維條形碼的防偽等。PDF417二維條碼是二維碼中的一種，是一種高密度、高信息含量的便攜式數(shù)據(jù)文件。

s： The National Natural Science Foundation of China （No.61371150， No.61501187）， National University Student Innovation Program of East China University of Science and Technology （No.201510251055）， Innovation Program of East China University of Science and Technology （No.XY201505， No.2016S16065）

TP309

A

10.11959/j.issn.2096-109x.2016.00095

2016-07-12；

2016-08-28。通信作者：蔣翠玲， cuilingjiang@ecust.edu.cn

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61371150， No.61501187）；華東理工大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（No.201510251055）；華東理工大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（No.XY201505， No.2016S16065）