至今日数字水印技术在印刷图文防伪中的应用

数字水印技术在印刷图文防伪中的应用

近年来，随着数字技术和计算机络的迅速发展，越来越多的数字媒体，包括声音、文字、图像、视频等济南实验机厂传感器是将所感知的某种物理、化学、生物等信息转换成便于检测、处理的信息并具有独立功能的器件或组合件.通常由敏感元件和处理电路两部份组成.前者履行传感功能,后者对敏感元件输出的信息进行放大、传输等处理.传感器根据不同功能可分为温度传感器、光传感器、压力传感器、磁传感器、气体传感器、湿度传感器、射线传感器等.得以广泛传播。数字媒体易于存储、复制和传播，使得大量的数字媒体在以合法的形式传播的同时，也在以非法的途径广泛传播。传统的一些加密技术，虽然在数据的传输的过程中虽具有保护作用，但却没有很好的解决非版权人的传播和复制问题，作为传统加密技术的有效补充，数字水印技术应运而生。

1、数字水印技术在国内外的发展状况

数字水印技术属于隐藏技术的一个分支，也是解决数字媒体的版权保护和身份鉴定的有效补充办法。其基本原理是将特制的不可见标记，利用数字内嵌的方法隐藏在数字图像、声音、文档、图书、视频等数字产品中，用以证明原创作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据，同时通过对水印的探测和分析保证数字信息的完整可靠性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效4.本系统为全微机控制手段。数字水印的基本特性包括以下几个方面：

·鲁棒性：图像在经过一些常见的信号处理（如滤波、剪切、A/D、D/A转换等操作）、几何变换和几何失真（如平移，旋转、尺度拉伸等）后，图像视觉效果保持不变且不影响水印的可提取性。

·不可见性：嵌入到数字图像中的水印在人眼视觉系统正常观测条件下不能有任何可见的痕迹。

·具有水印的图像和原始图像在统计特性上的一致。

可以说自从有了人类文化，人类就有了保护信息的想法，而首先应用的技术和术语是密码学和隐秘术。相对而言，图像数字水印技术应用的较晚，它是随着计算机技术和络通讯技术的发展而出现的，第一篇关于图像数字水印的文章发表于1990年，1995年以后，数字水印技术获得了广泛的关注并且得到了较快的发展，对水印技术的研究也成为当今学术界的焦点，总结前人的研究成果，从嵌入点来看所提出的方法大体上可以分为两种：空间域调制和频率域调制。

下面是几个具有代表性的算法：

①、最底有效位方法。rner与n Schyndel 等人先后利用该算法将特定标记隐藏于数字音频和数字图像内，该方法通过调整原始图像像素的最底几位来隐藏水印，使一般用户对于隐藏信息，在视觉和听觉上很难觉察。该方法具有算法简单，容易实现等优点，但这种水印很脆弱且容易被擦除和绕过。虽然这种算法有较大的信息嵌入量，但作为数字水印算法，因其基本原理限制，所隐藏的数字水印信息是极为脆弱的，无法经受一些常用有损信号处理。

②、文档结构微调法。Brassil等人提出了三种在通用文档图像(Postscript)隐藏特定二进制信息的技术，数字信息通过轻微调整文档中的以下结构来完成编码：垂直移动行距；水平调整文字距；调整文字特性（如字体）。该算法可以抵抗一些标准的文档操作，如照相复制和扫描复制，但该技术也极易被经验丰富的攻击者破坏，而且仅适用于文档图像类。

③、量化噪声发。Tanaka等人通过研究将内嵌数字水印设计的与量化噪声相似，这是由于通常数字信号中的量化噪声很难被观察者发现。他们通过控制预测量化器的量化等级的选择来嵌入数字水印，引入其中的特定数据对于图像而言近似一种量化噪声；对于抖动图像，则将水印设计成一种抖动矩阵的形式。

④、Patchwork方法。这是Bander 等人提出的一种基于统计的数据水印嵌入方案。Patchwork任意选择N对图像点，在增加一点亮度的同时，相应降低另一点的亮度值。通过这一调整过程完成水印的嵌入。该算法具有不易察觉性，并且对于有损压缩编码(JPEG)和一些恶意攻击具有抵抗力。

⑤、纹理块映射编码方法。该算法也是Bander等人提出的，它将数字信息隐藏于数字图像的任意纹理部分。该算法对于滤波，压缩和扭转等操作具有抵抗能力，但仅适于具有大量任意纹理区域的图像，而且尚不能完全自动完成。

⑥、频率域数字水印方法。Cox等人较早提出了基于图像全局变换的数字水印方法 ，他的主要贡献在于明确提出加载在图像的视觉敏感部分的数字水印才能有较强的稳健性。这是一种用类似扩频通信的技术来隐藏数据的方法。该技术将隐藏信息经过一定的频率域调制隐藏于数字媒体的感知最重要的频谱成分中。该技术可以抗击有损压缩编码和其它一些具有信号失真的数据处理过程。

除上述有代表性的算法外，还有一些变换域数字水印算法，它们中相当一部分都是上述算法的改进及发展，其中有代表性的算法是dichuk和Zeng Wen-jun提出的算法。在实际应用中，由于基于变换域的技术可以嵌入大量比特数据而不会导致可察觉的缺陷，且对于常见信号处理和几何变换鲁棒性很强，应用范围较空域法更为广泛，所以目前决大多数数字水印算法都是基于变换域的，这些变换包括离散余弦变换(DCT)、小波变换(WT)、付氏变换(FT或FFT)以及哈达马变换(Hada mard transform)等等。其中基于分块的DCT是最常用的变换之一，现在国际上所采用的静止图像压缩标准JEPG也是基于分块DCT的。

2、数字水印技术在印刷图文防伪中的应用

要想在印刷图文中隐含信息，就必须了解图文在打印、扫描一系列过程中的变化。众所周知，在我们把印刷图文用扫描仪扫进电脑中后，往往会看到图文有变化，分析其中的原因不难得知，造成图文但是大家常常把拉力实验机的抗拉强度和屈从强度混乱和原图在对比度、色调和饱和度等方面有出入的原因主要有两个环节：打印和扫描。

（1）打印过程对图像失真影响

数字图像大都是由激光打印机或喷墨打印机输出，激光打印机属于点阵打印机，目前激光打印机多采用的半色调技术是抖动法，其工作原理为，图像都具有一定的纹理，在图像的任何一个小局部，纹理在很大程度上是相似的，像素灰度值也是相近的，而人眼视觉系统又具有空间的低通特性，抖动法正是利用这些特点，用一组打印点代表相同个数的一组像素，并通过这组打印点综合出这些像素的整体灰度效果。一般来说，抖动法输出的图像在局部细节上往往有失真，常见对1些可能出现误操作而破坏机器的位置都增加了相应的安全保护装置的情况是在图像上出现高频抖动的纹理。另一方面，由半色调复合点的形状、激光束的扩散、纸张的吸水特性和光滑度等因素造成的半色调复合点变化（包括复合点增益和曝光），也常会导致输出图文变得模糊。打印机的分辨率DPI决定图文每英寸上的打印点数，通常DPI越高，输出图文质量越好。

（2）扫描过程对图文失真造成的影响

目前市场上的扫描仪都不同程度地存在以下几个方面的问题：整体反差失真、影像偏色、纹、聚焦不准等。此外，扫描仪的质量还取决于扫描仪中传感器的性能、A/D转换器对传感器输出电压的采样能力及扫描分辨率，这些因素对输出图像的质量都有很大的影响。扫描仪分辨率DPI决定扫描仪在其它公司很难打开市场图像每英寸上的采样点数，对给定的一幅图像，扫描分辨率应适当，分辨率过低不但会导致图像细节丢失，而且可能使扫描输入的图像出现混叠和麻点；过高的分辨率不但对输出图像帮助不大根据实验的不同内容，反而会使图像的像素成几何级数的增加。从扫描的整个过程看，除了仪器的质量因素外，人为因素也很重要，例如，假使打印图像在扫描平板上放置时发生偏斜，则最后经扫描得到的图像可看作是打印图像经过旋转、缩放和剪切（或平移）这一系列几何变换后并且含有扫描噪声的失真版本。因此，不当的图像扫描对信息隐含是很不利的。

（3）在印刷图文中隐含信息的技术措施

为了隐含信息，必须解决图像扫描前后信息的丢失问题，这就是如何控制打印—扫描操作。对于由人为因素造成的影响如，扫描率选择、仪器的搭配设置等等，只要认真、仔细都是可以避免的。而对于非人为因素造成的影响如，D/A过程中数字图像的半色调处理等，就必须进行算法的设计。水印算法往往是根据具体的应用要求设计的，任何一种算法都不可能抵抗各种攻击，而只能是对其中一种或几种攻击鲁棒性较强。这是由数字水印的特性决定的，因为水印的鲁棒性和不可见性本身就是一对矛盾，鲁棒性要求加入的信息量和信息强度要大，如果加入的信息量过大势必影响不可见性，因此只能取一个折中的情况。

由于是针对的是印刷品防伪问题，所以算法要能经受一次A/D转换和一次D/A转换，为了在转换过程中尽量减少信息的丢失，提高算法的鲁棒性，必须考虑图像的色彩空间转换。众所周知，显示器、扫描仪所采用的是加色三原色RGB色彩空间，而打印机则采用的是减色三原色CMY(CMYK)色彩空间，这就造成了不同彩色设备的成色原理不同。通常情况下CMYK色空间要比RGB色空间的色域小一些，如果直接进行A/D或D/A转换肯定会丢失大量信息，影响算法的鲁棒性。因此，在进行A/D或D/A转换前必须进行色彩空间转换。在目前的诸多色彩空间中，有计算机图形学中的色彩空间RGB、CMY、HIS(HLS、HSB)等，以及彩色电视色彩空间YUV、YIQ、YCrCb、CIELuv等，其中只有基于CIE的色彩空间是独立于设备的，由于其中CIELab色彩模式与YUV色彩空间类似，且均是用亮度和色差来描述色彩分量，因此它是目前唯一既能直观感觉，又能用于参数描述的色彩空间，可以客观准确地描述、传递、管理与复制色彩。由于CIELab可以保证在进行色彩模式转换时，CMYK范围内的色彩没有损失，所以这种情况下可以采用色彩空间最广的CIELab色彩模式来作为转换的基础，并且水印的添加与提取都应该在Lab色彩空间进行。

小波变换作为一种新的信号处理工具，在图像处理领域正受到越来越广泛的注意，其中一个主要因素就是小波变换能够较好地匹配HVS特性。因此可以考虑在小波域中结合HVS特性，建立视觉门限模型，定义视觉掩盖函数，在给图像加水印过程中，使得在每个小波系数所加的幅值不超过此系数所能掩盖的失真，这样可以在保证水印不可见的前提下尽可能提高坚固性。水印的嵌入和提取在对嵌入水印以前，首先利用二维离散小波变换将宿主图像进行小波分解，得到不同空间、不同频率的子带图像。通常情况下都是对宿主图像进行4级小波分解，得到分

同时正值新1轮科技革命、产业变革大潮与我国加快转变发展方式构成的历史性交汇重要节点