基于彩色二維碼圖像的數字水印算法研究

呂慧中 藍鳳華 李宏昌

（武警工程大學，陜西西安 710086）

基于彩色二維碼圖像的數字水印算法研究

呂慧中 藍鳳華 李宏昌

（武警工程大學，陜西西安 710086）

在介紹了傳統黑白二維碼的基礎上,對彩色二維碼進行了介紹.將二維碼變成彩色,提供了更多的水印嵌入位置和更高的不可見性。通過Matlab仿真實驗，驗證了在彩色二維碼中嵌入水印信息的可行性,并結合彩色二維碼的特點，對數字水印在彩色二維碼中的應用進行研究，采用R、G和B三種顏色分量分別平移和旋轉的方法嵌入水印，設計出了一種可抵抗幾何攻擊的彩色二維碼水印算法，提高了二維碼的安全性和實用性。

數字水印 彩色二維碼 抗幾何攻擊

1 引言

目前，二維碼技術已經滲入到社會生活的方方面面，隨之也產生了一系列安全問題。某些不法分子借助二維碼傳播病毒、木馬程序和釣魚網站等，以達到其竊取信息和欺騙訛詐的目的。二維碼不具備防偽功能，只要有二維碼生成軟件，一般人都可以制作。犯罪分子正是利用這一特點，將木馬病毒或手機吸費軟件等惡意程序通過網址鏈接生成二維碼，誘導用戶進行掃描，一旦中毒，手機中存儲的通訊錄和銀行卡卡號，包括交易時銀行發來的驗證碼等隱私信息都會泄露出去。因此，將含有身份認證的數字水印信息嵌入到二維碼中，通過這些隱藏在載體中的信息，可以達到確認內容創建者、購買者、傳送隱秘信息或者判斷載體是否被篡改等目的，從而提高了二維碼的安全性。

若將傳統二維碼的外觀變成彩色，就形成了彩色二維碼。彩色二維碼與黑白二維碼的區別僅僅是外觀上更具吸引力，其本質并未改變。然而，從數字水印的角度來看，彩色圖像相對于二值圖像和灰度圖像而言具有更大的水印嵌入容量，在水印嵌入強度相同的情況下具有更高的不可見性。但目前鮮少有人專門對彩色二維碼水印進行過研究。因此，在分析了二維碼的發展現狀和現有的二維碼水印技術后，本文提出了一種基于彩色二維碼的數字水印研究技術。

2 二維碼

二維碼是在橫向和縱向2個方向上同時進行編碼和解碼的，具有信息容量大、可靠性高、成本低和魯棒性強等特點[1]。目前，國內外關于二維碼信息隱藏技術的文獻不是很多，研究對象主要是四一七條碼（Portable Data File 417，PDF417碼）。在國內，針對PDF417碼的研究較多且以空域水印為主；在國外，以研究QR碼居多，以頻域水印為主[2]。

QR Code[3]是一種矩陣二維碼符號，是日本Denso公司于1994年9月研制的，它除了具有一維條碼及其他二維碼所具有的優點外，還有如下主要特點：超高速全方位識讀、能夠有效地表示中國漢字和日本漢字。QR碼有40個版本，4個糾錯等級，單個字符最大可以容納1 817個字符，最高糾錯等級可以糾錯約30%的數據碼字，因此本文著重于對QR碼的水印研究。

QR碼符號如圖1所示，它由編碼區域和包括位置探測圖形、定位圖形和校正圖形在內的功能圖形組成[4]。編碼區域的作用是數據編碼，功能圖形不用于數據編碼，符號的四周留有寬度至少為4個模塊的空白區。

圖1 QR碼符號

彩色二維碼是一種特殊的二維碼，它具有傳統黑白二維碼的所有功能，但彩色二維碼需滿足前景色為深色、背景色為淺色，并且定位點的顏色與其他模塊的顏色類似的條件，否則會影響掃碼軟件的識讀。前景色為多彩色，背景色為純白色構成的一幅彩色二維碼圖像如圖2所示。

圖2 彩色二維碼

3 彩色二維碼水印算法

3.1 圖像預處理

針對QR碼數據容量和安全性的要求，必須對擬嵌入圖像進行預處理。對嵌入圖像進行壓縮，采用Arnold變換置亂圖像，使的Arnold變換[5]的定義為：

式中,x、y∈{0,1,K,N-1}，（x,y）、（x',y'）分別表示像素在圖像矩陣中變換前后的坐標，N為圖像階數。Arnold變換運算遍歷圖像所有像素以后，將坐標（x,y）對應的圖像信息映像到新坐標（xc,yc）即可得到一幅新的與原先截然不同的圖像。對水印圖W像進行Arnold置亂，再將其展開成一維序列后進行混沌加密，得到水印序列Wk（如果水印本身就是二值序列，可直接進行混沌加密）。置亂次數n以及混沌發生器的初值作為密鑰保存。

3.2 水印嵌入

為了提高彩色二維碼的安全性，在其中嵌入數字水印，具體算法如下：

①由于二維碼的空白區大小不定，且在此區域作修改會影響二維碼的正常識讀，因此嵌入水印前需將空白部分裁剪掉，只保留中間部分作為水印嵌入區域[6]。因此，首先對彩色二維碼圖像I0去除空白區，并進行4×4大小的模塊標準化得到I，經過去除空白區和模塊標準化的二維碼核心部分如圖3所示；

圖3 去空白標準化

②對I進行RGB色彩分離，得到R、G和B三個分量的灰度圖；

③對R分量進行8×8大小的不重疊分塊，分塊大小應等于模塊大小的整數倍，以抵抗縮放等攻擊；

④對各分塊做DCT變換（離散余弦變換），得到DC系數，記為dij；

⑤對某一分塊嵌入強度為α，對所有的dij做如下四舍五入取整變換：s=round(dij/α)，若mod(s+Wk,2)=1，則dij'= (s-0.5)×α；若mod(s+Wk,2)=0，則dij'=(s+0.5)×α；

⑥對各分塊做DCT反變換，得到含水印的R分量圖像，記為R'；

⑦將G分量旋轉90°并向右循環平移圖像大小的1/2，將B分量旋轉180°并向上循環平移圖像大小的1/2，與R分量相同，分別對變換后的分量執行第2至5步，然后分別逆旋轉和循環平移恢復得到G'和B'；

⑧合并R'、G'和B'三個分量得到含水印的彩色圖像，添加空白區域使之變為標準的二維碼圖像I'。

3.3水印提取

水印提取基本上是嵌入的逆過程，不需原始載體圖像參與，實現了水印的盲提?。?/p>

①對含水印的彩色二維碼圖像Ic0校正后去除空白區，并進行4×4大小的模塊標準化，得到Ic；

②對Ic進行RGB色彩分離，得到3個分量的灰度圖；

③對R分量進行8×8大小的不重疊分塊；

④對各分塊做DCT變換，得到DC系數，記為dij；

⑤對某一分塊中所有dij做如下檢測處理：s=floor(dij/α)，若mod(s,2)=1，則該塊計數器W1(k)=W1(k)+1；若mod(s,2)=0，則該塊計數器W0(k)=W0(k)+1；當該塊DC系數全部檢測完成后，若W1(k)＞W0(k)，則該塊提取出水印WR(k)=1；反之，WR(k) =0。

⑥將G分量旋轉90°并向右循環平移載體圖像大小的1/2，將B分量旋轉180°并向上循環平移載體圖像大小的1/2，之后按照與R分量相同的提取過程，得到WG和WB；

⑦對WR、WG和WB每一位按照多數原則進行合并，得到一維水印序列W'；

⑧對W'進行混沌解密，還原為二維矩陣后對其進行Arnold逆變換，得到水印圖像Wc。

4 仿真實驗

選用大小為326×326的圖2作為原始載體圖像，以大小為32×32的“工程大學”字樣的二值圖像作為水印圖像，如圖4所示，實驗平臺為Matlab7.0。嵌入水印后的載體圖像和提取出來的水印圖像分別為圖5和圖6所示，PSNR=37.1891，NC=1，用二維碼檢測器可以正確識讀含水印載體圖像，這說明該算法滿足了二維碼水印不可見的條件，是有效的。

圖4 原始水印圖像

圖5 含水印載體圖

圖6 提取水印

對含水印的載體圖像進行放大和縮小2倍的縮放攻擊，如圖7（a）和圖8（a）所示，提取出的水印如圖7（b）和圖8（b）所示。對提取水印進行標準化縮放校正，其NC值分別為1和0.9916，這證明該算法具有較好的抗縮放攻擊能力，滿足二維碼水印的要求。

圖7 放大2倍

圖8 縮小1/2

將含水印載體圖像的中心部分裁剪掉1/5，如圖9所示，從不同分量中提取出的水印以及最終得到的水印如圖10所示，NC=0.9859。由此可見，該算法可較好地抵抗裁剪涂抹攻擊，對于類似在二維碼中心覆蓋不超過1/10圖片的攻擊，水印信息也可以準確地提取出來。同時，通過不同分量中提取出的水印可以直觀的看出，在嵌入水印時對彩色二維碼載體圖像不同分量的旋轉和平移，可以有效地分散局部連續涂抹攻擊對同一位置水印信息的影響。此外，單個分量中提取出水印的NC值也分別能達到0.7142、0.8824和0.8685，基本滿足了水印有效性的指標。因此，在沒有特別要求時，可在不同分量中嵌入不同的水印信息，這樣便能夠成倍地增加彩色二維碼嵌入水印的容量。

圖9 中心裁剪1/5圖像

圖10 提取水印

5 結束語

本文通過理論分析與仿真實驗分析，證明了在彩色二維碼中嵌入水印序列是可行的。彩色二維碼提供了更多的水印嵌入位置和更高的不可見性，對于提高二維碼水印抗攻擊能力有較為明顯的作用，提高了二維碼水印的安全性和實用性。

[1]劉麗,周亞建.二維條碼數字水印技術研究[J].理論研究, 2014(1):56-60.

[2]朱本威,萬武南,陳運.基于LSB的QR碼數字水印算法研究[J].成都信息工程學院學報,2012,12(27):541-547.

[3]王瑞玲.面向二維條形碼的數字水印技術研究[D].杭州電子科技大學,2010:1-6.

[4]Guo Zuhua,Ma Shixia,Xinxiang,et al.An Algorithm Based on Double-Fragile Digital Watermarking of Distance Education's Electronic Seal:proceedings of 2010 the Third IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology,July 9,2010[C].Chengdu,2010.

[5]黃大足,陳志剛.基于廣義貓映射與神經網絡的圖像空域水印算法[J].計算機應用研究,2008,25(4):1114-1146.

[6]孫丙,高美鳳.基于QR碼的數字水印算法研究[J].計算機與現代化,2011(11):74-77.

Research on Digital Watermarking Algorithm Based on Color Two-dimensional Code Image

LV Hui-zhong,LAN Feng-hua,LI Hong-chang
(Engineering University of CAPF,Xi爺an Shaanxi 710086,China)

This paper introduces the color two-dimensional code on the basis of introducing the traditional black and white two-dimensional code.The two dimensional code is changed into color to provide more watermark embedding position and higher visibility.The MATLAB simulation experiment proves the feasibility of embedding the watermark information in the two-dimensional code.Based on characteristics of color two-dimensional code,this paper studies the application of digital watermark in color two-dimensional code.By embedding watermark through through R,G,B color component translation and rotation,this paper designs a watermarking algorithm based on the color two-dimensional code,which can resist geometric attacks and improve the security and practicability of two-dimensional code.

digital watermarking;color two-dimensional code;anti-geometrical attack

TP319

A

1008-1739（2015）21-58-4

定稿日期：2015-10-12