《電子技術(shù)應(yīng)用》
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能識(shí)別二次掃描和印刷的半脆弱數(shù)字水印算法
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第10期
王 堅(jiān), 李玉柏, 柴 松
電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院, 四川 成都 610054
摘要: 提出了一種能識(shí)別二次掃描和印刷的半脆弱數(shù)字水印算法。該算法利用了矩陣奇異值的特性和印刷過程中色域轉(zhuǎn)換的誤差,對(duì)常見的幾何攻擊有較強(qiáng)的抵抗能力,同時(shí)對(duì)原始圖像掃描和印刷的次數(shù)有著嚴(yán)格的要求,適用于印刷品防偽。
中圖分類號(hào): TN911.73 TP391.7
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2010)10-0136-03
A semi-fragile digital watermark algorithm identifying scan and printing times
WANG Jian, LI Yu Bai, CHAI Song
School of Communication and Information Engineering of UESTC, Chengdu 610054, China
Abstract: This paper novel digital watermark algorithm identifying scan and printing times, which can be used in printing anti-counterfeiting. The algorithm makes use of the character of singularity value and the error in color-space conversion, making it robust for the geometric distortion and sensitive for the times of scan and printing.
Key words : digital watermark; semi-fragile; ticket anti-counterfeiting; singularity value divides (SVD); chaos sequence

    在我國(guó),印刷品防偽的商業(yè)空間巨大,而數(shù)字水印以其低廉的成本備受青睞。國(guó)外IEEE的Transaction及許多國(guó)際重要期刊都設(shè)有關(guān)于數(shù)字水印的技術(shù)專刊[1-5],國(guó)內(nèi)許多研究人員也以各種不同的形式發(fā)表了自己的研究成果[6-9]。
    數(shù)字水印算法根據(jù)魯棒性強(qiáng)弱程度分為魯棒性水印和脆弱水印兩大類。其中,常見的魯棒性水印算法有:參考文獻(xiàn)[10]中的基于離散小波變換的算法,參考文獻(xiàn)[11]中的基于離散余弦變換的算法;參考文獻(xiàn)[12]中的基于離散傅里葉變換的算法以及參考文獻(xiàn)[13-14]中的基于矩陣奇異值分解的算法等。常見的脆弱水印算法有參考文獻(xiàn)[15]中的LSB算法及參考文獻(xiàn)[16]中的對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行量化的算法等。
 但是,以上算法在印刷品防偽方面的應(yīng)用并不成功,因?yàn)閷⑦@些算法應(yīng)用到印刷品防偽中時(shí),印刷過程中的色域轉(zhuǎn)換[17]帶來(lái)的誤差將對(duì)算法的魯棒性帶來(lái)極大的挑戰(zhàn),而在視頻、音像防偽中魯棒性很好的算法有可能在印刷品防偽中成為脆弱水印,在經(jīng)過印刷后無(wú)法檢測(cè)。同樣,脆弱水印也存在著相同的問題,使得數(shù)字水印技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)。
   本文針對(duì)門票防偽實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了研究,在此基礎(chǔ)上提出了一種適用于印刷品防偽的半脆弱水印算法,并以彩色圖像作為原始圖像,對(duì)該算法做了大量仿真,最后將該算法應(yīng)用到門票與香煙防偽中,取得了較好的效果。
1 門票防偽原理
1.1 門票防偽對(duì)算法的要求

 門票防偽的實(shí)際應(yīng)用中,以下問題是必須要考慮的:
 (1)驗(yàn)票的時(shí)間不能太長(zhǎng),要求水印檢測(cè)算法應(yīng)該盡可能地簡(jiǎn)單。
 (2)從買到票到驗(yàn)票入場(chǎng)這一段時(shí)間內(nèi),門票會(huì)受到各種各樣的損傷。因此要求設(shè)計(jì)出來(lái)的算法對(duì)噪聲攻擊有很強(qiáng)的魯棒性;
 (3)在檢測(cè)門票時(shí),采集到的圖像數(shù)據(jù)相對(duì)加水印時(shí)的圖像會(huì)受到旋轉(zhuǎn)、移位攻擊,并有可能受到剪切攻擊。因此要求算法對(duì)幾何攻擊的魯棒性極強(qiáng)。
 (4)要能夠快速、準(zhǔn)確地把假票區(qū)分出來(lái)。
1.2 印刷與掃描誤差分析
   印刷與掃描是門票防偽中不可缺少的一部分,也會(huì)對(duì)印刷品防偽技術(shù)帶來(lái)影響。
 (1) 印刷的影響
   印刷帶來(lái)的影響主要體現(xiàn)在色域轉(zhuǎn)換帶來(lái)的誤差以及分辨率改變帶來(lái)的誤差。
 在電腦中,圖片的色彩模式默認(rèn)為RGB(R-紅,G-綠,B-藍(lán))模式,而印刷中卻普遍采用四色印刷的CMYK(C-青,M-品紅,Y-黃,K-黑)模式,其色域比RGB小。因此,彩色圖片印刷時(shí),顏色空間從RGB到CMYK轉(zhuǎn)換,一定會(huì)使顏色失真。此外,由于絕大多數(shù)印刷品的分辨率最多能做到375 dpi,而原始圖像可以是任意精度,因此在印刷過程中可能有插值或抽取操作以改變圖像分辨率。
 (2) 掃描的影響
?、俨蓸诱`差:掃描儀分辨率(dpi)決定著掃描儀在圖片每英寸上的采樣點(diǎn)數(shù)。對(duì)給定的圖片而言,dpi偏低會(huì)導(dǎo)致圖片細(xì)節(jié)丟失,dpi過高則使像素點(diǎn)成幾何級(jí)數(shù)增加。
?、诹炕`差:采集到的數(shù)據(jù)必定是模擬信號(hào),它通過掃描儀的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。模數(shù)的轉(zhuǎn)換必定存在誤差,誤差的大小取決于掃描儀的量化單位。
?、蹘缀喂簦河捎趻呙瓒ㄎ徽`差,經(jīng)過掃描的圖片必定受到幾何攻擊。
 除此以外,掃描噪聲也會(huì)影響到掃描后的圖片效果。



3.2 無(wú)意義水印檢測(cè)算法
    無(wú)意義水印檢測(cè)不會(huì)用到未加水印的原圖像,因此是盲檢測(cè)算法。其方法如下:

new_M即為檢測(cè)到的經(jīng)過排序變換后的水印序列。
    (4)將加入的原始水印序列按照矩陣C進(jìn)行初等變換,即:
   
    然后將new_M′與原始水印序列M求相關(guān),檢測(cè)其相關(guān)值是否大于門限,以判定該序列是否已被二次掃描和印刷。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與比較
    選取512×512×8、256級(jí)色彩的Lean彩色圖像為原圖,嵌入了水印序列,并根據(jù)可能受到的各種攻擊進(jìn)行仿真,以評(píng)估該算法在印刷品防偽中的性能。本實(shí)驗(yàn)掃描儀采用方正F5600來(lái)模擬印刷過程,打印機(jī)采用EPSON ME 1+,打印紙選用照相紙。
4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)估
    水印的隱藏性評(píng)價(jià)如表1所示,各種攻擊測(cè)試如表2所示。


    在攻擊中,旋轉(zhuǎn)攻擊是無(wú)剪切旋轉(zhuǎn)10°,剪切攻擊是剪掉左上角10%大小的圖像,移位攻擊是向右下方各移動(dòng)50個(gè)像素。由此可見,只要適當(dāng)?shù)剡x取門限,就可以把一次打印、掃描與二次打印、掃描區(qū)分開來(lái)。
4.2 與其他算法的比較
    數(shù)字水印中的常見算法分為兩大類,在空域中嵌水印和在變換域嵌水印。絕大多數(shù)的變換域嵌水印的方法并不能抵抗旋轉(zhuǎn)攻擊,如普通的DCT變換、二維小波變換[10-11]等。這對(duì)印刷品防偽的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是致命的,因?yàn)樵趯?shí)際的檢測(cè)系統(tǒng)中,有一定的旋轉(zhuǎn)和移位是不可避免的。而一些能抵抗旋轉(zhuǎn)攻擊的變換域方法,如參考文獻(xiàn)[18]中的基于傅里葉變換的方法以及參考文獻(xiàn)[19]中的基于三維小波變換的方法,算法過于復(fù)雜,不能滿足實(shí)時(shí)性的要求,如表3所示。
 在空域嵌入數(shù)字水印的各種算法中,基于奇異值分解的方法是數(shù)字水印技術(shù)最常見算法之一,但在參考文獻(xiàn)[13-14]的作者所采用的奇異值分解算法中,由于應(yīng)用角度不同,沒有考慮完全無(wú)關(guān)的圖像以及未加水印的原圖像會(huì)造成檢測(cè)設(shè)備漏報(bào)的問題,導(dǎo)致漏報(bào)的概率很高,如表4所示。


   本文針對(duì)數(shù)字水印在票務(wù)防偽應(yīng)用中的特點(diǎn)進(jìn)行了的研究;在魯棒性數(shù)字水印的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種半脆弱水印算法,該算法對(duì)常見的幾何攻擊有很好的魯棒性,對(duì)打印與掃描而言又是半脆弱的。并對(duì)以上的算法作了大量仿真,模擬了大量可能的攻擊,以驗(yàn)證該算法的可行性。由于條件的限制,研究過程主要針對(duì)圖像進(jìn)行,其中還有很多不足的地方需要進(jìn)一步完善,如應(yīng)該選擇不同的原始圖像進(jìn)行測(cè)試,以及應(yīng)對(duì)影響算法性能的細(xì)節(jié)因素進(jìn)行更深入的研究等。
參考文獻(xiàn)
[1]  MOULIN P, O’SULLIVAN J A. Information-theoretic  analysis of watermarking[C]. Proc. Int. Conf. On Ac., Sp.And Sig., Proc(ICASSP), Istanbul, Turkey, June 2000. [2]     PETITCOLAS F A P, ANDERSON R J. KUHN A M.  Information hiding-a survey[J]. Proceedings of the IEEE, Special Issue on Protection of Multimedia Content,1999, 87(7):1062-1078.
[3]  TIRKEL A, RANKIN G, VAN S R, et al. Electronic watermark[C]. Proceedings DICTA,1993:666-672.
[4]  MACQ B, DELAIGIE J F, VLEESCHOUWER D. Digital watermarking[C]. Proc. SPIE 2659; Optical Security and  Counterfeit Deterrence Technique, 1996:99-110.
[5]  KUTTER M, WINKLER S. A vision-base masking model for spread spectrum image watermarking[J]. IEEE Trans. Image Processing, 2002,11(1):16-25.
[6]  鄧銘輝.抗幾何攻擊的魯棒性數(shù)字水印技術(shù)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué), 2005.
[7]  羅雪萍.魯棒性數(shù)字水印技術(shù)研究[D]. 蘭州:蘭州大學(xué), 2005.
[8]  胡惠博.抗拷貝攻擊的盲圖像數(shù)字水印方法[D].山東: 山東大學(xué), 2005.
[9]  張春田,蘇育挺,管曉康,等.多媒體數(shù)字水印技術(shù)[J]. 通信學(xué)報(bào), 2000,21(9).
[10] KUNDUR D, HATZINAKOS D. A robust digital image watermarking method using wavelet-based fusion[C], Proc. of ICIP’97, 1997.
[11] O′RUANAIDH J, DOWLING W, BOLAND F. Phase watermarking of digital images[C]. Proc. of ICIP’96, Vol.3, 1996:239-242.
[12] COX I J, KILIAN J, LEIGHTON F T, et al. Secure  spread spectrum watermarking for multimedia[J]. IEEE Trans.on Image Processing, 1997,6(12):1673-1687.
[13] 劉瑞禎,譚鐵牛.基于奇異值分解的數(shù)字圖象水印方法[J].    電子學(xué)報(bào),2001.29(2):168-171.
[14] 周波,陳健.基于奇異值分解的、抗幾何失真的數(shù)字水印算法[J].中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào),2004,9(4):507-509.
[15] SCHYNDEL R V,TIRKEL A,OSBORNE C. A digital  watermark[C].Proc.of the IEEE International Conference on  Image Processing(ICIP’94),Austin Texas,1994.
[16] KUNDUR D, HATZINAKOS D. Digital watermarking for  telltale tamper proofing and authentication[A]. Proceedings of the IEEE Special Issue on Identification and Protection  of Multimedia Information[C],1999.
[17] 馮瑞乾. 印刷概論[M].北京:石油工業(yè)出版社,1998.
[18] 施燕.抗幾何攻擊圖像數(shù)字水印技術(shù)研究及其應(yīng)用[D]. 南京:南京理工大學(xué),2003.
[19] 鄧銘輝.抗幾何攻擊的魯棒性數(shù)字水印技術(shù)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2004.

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