防偽電子票打印掃描過程中的數字水印失真和還原技術

摘 要： 數字水印失真和還原技術是當前信息保密的重要研究方向。通過介紹打印掃描數字水印技術，闡述了數字水印系統的基本框架、分類特征、典型算法和性能評估；通過對數字圖像的打印掃描過程分析，介紹了連續色調方法基本模型以及掃描、打印過程對圖像的影響，并對像素失真和幾何失真進行了具體分析，同時提出了修正方法；最后從數字水印的提取和嵌入兩個方面，設計了基于DCT的抗打印掃描數字水印系統，經過相關魯棒性試驗研究發現，設計的打印掃描數字水印系統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、誤碼率低的優點。

關鍵詞： 打印掃描； 數字水印； 水印失真； 還原技術； 防偽

中圖分類號： TN911.73?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）17?0075?04

0 引 言

為了有效保護數字圖像媒體的版權和信息安全，數字水印技術被應用到了信息安全領域中。相關數據表明，在我國每年有數十萬人因為假發票、假電子票等印刷品而造成了數億人民幣的損失。因此，開展防偽電子票打印掃描過程中的數字水印失真和還原技術研究工作是非常具有實用價值的。

1 打印掃描數字水印技術概述

1.1 數字水印系統的基本框架

數字水印技術在發明之初的目的就是希望通過采取一種信息隱藏技術對數字產品進行保護。在包括音頻、視頻、數字圖像等的數字媒體中嵌入秘密信息，是數字水印技術的基本思想。嵌入的秘密信息可以是多種多樣的，它可以是產品的序列號、防偽密碼、版權標志等各種圖文信息。將這些圖文信息經過一定技術的變換后，就成為了數字產品中的數字水印。

數字水印系統的基本框架由六元組進行表示。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；水印檢測算法用字母D表示。

1.2 數字水印的典型算法

隨著科學技術的進步，數字水印技術的算法研究得到了極大發展。當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信號空間載入載體。

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、不可感知性優良的優點，是當前較為集中的數字水印研究領域。

空間域算法主要有LSB最低有效位法、文檔結構微調算法、Patchwork算法等。這些算法與變換域算法相比，具有運算速度快、算法簡便、復雜程度低等優點，但在魯棒性能方面表現較差。

1.3 數字水印系統的性能評估

水印的魯棒性能、系統的安全性能、數字作品的感知質量是考察數字水印系統的三個重要評估標準。

魯棒性能：該指標是指數字水印在遇到惡意攻擊和干擾信號時所表現出來的抵抗能力。其中常見的信號攻擊和處理方法有低通濾波、幾何失真、增強處理、多重水印攻擊。在具體實現時，要求數字水印技術具備綜合的抗攻擊能力。

感知質量：數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，其中主觀測試和矢量定量測試是當前兩種較為成熟的測試感知質量的方法。

2 數字圖像的打印掃描過程分析

2.1 連續色調方法基本模型

嵌入水印和提取水印是抗打印掃描數字圖像水印技術的兩個關鍵過程。而在印刷工程中，這兩個關鍵過程變為了數模的轉換，即掃描和打印。在掃描和打印過程中可能會出現像素失真、旋轉失真、縮放失真等。其中，數字圖像水印系統的輸出模型如圖1所示。

從模型圖中可以看出：在嵌入函數[E]中通過輸入水印[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程；在圖像的傳輸流通過程中，必然會產生如圖像磨損、折舊等多方面的攻擊；校正過程主要是通過調整圖像像素亮度來檢測水印的存在。

2.2 打印?掃描過程對圖像的影響

數字圖像向模擬圖像的轉換主要通過打印和掃描實現，具體的模型見圖2。在打印和掃描過程中可能存在旋轉失真、縮放失真、像素失真等多個失真現象。這種影響主要包括兩個方面：信息失真和丟失；受到幾何攻擊產生旋轉、尺寸變化、剪切。

打印過程對圖像的影響主要包括：打印機分辨率較低導致產生像素失真，因此打印機的分辨率是決定圖像輸出質量的重要因素；半色調處理對輸入圖像產生嚴重失真，這主要是由于打印過程中經過抖動法處理造成的；打印機物理機械特性產生的像素失真，打印機在打印過程中會受到低通濾波攻擊而丟失高頻細節信息。

掃描過程對圖像的影響主要包括：掃描儀分辨率設置造成的失真影響；掃描過程代理的圖像重采樣影響；掃描儀物理機械特性造成的失真影響；掃描過程中圖片模式轉換帶來的影響。

2.3 像素失真分析及校正方案

（1） 圖片的像素失真分析

為研究打印掃描過程對圖像的失真影響，本文對實際圖像進行了試驗，具體圖片見圖3。該圖的亮度值沿對角線增大，灰度級為0～255。試驗用的圖片可以有效降低打印掃描過程代理的像素失真。打印掃描后的圖片如圖4所示。

從圖中可以看出，試驗圖片經過打印掃描之后其灰度級和像素值發生了較大變化。打印掃描后的灰度級范圍縮小較多，并且像素值也逐漸集中到了低灰度范圍內。

（2） 亮度變換

為了測試圖片在打印掃描前后的亮度變換，本文進行了亮度測試試驗。為了減少掃描過程產生的像素偏差，在試驗過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。

通過對圖片掃描前、掃描后、校正后的亮度數據監測發現，經過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） 對比度拉伸變換

為了測試圖片拉伸對像素的失真影響，本文又進行了對比度拉伸變換測試試驗。其中掃描前、掃描后、校正后的圖片見圖7。

通過對圖片掃描前、掃描后、校正后的PSNR數據監測發現，經過校正后的圖片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

當前水印技術研究的熱點是抗幾何失真的魯棒性水印算法研究。其中，最常見的散裝幾何攻擊是尺度變換、旋轉、偏移。根據相關技術人員的研究，針對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；利用Radon變換。

（2） Radon變換試驗

為了測試Radon變換對抗幾何失真的試驗效果，對試驗圖片進行了Radon變換測試。測試時首先對圖片進行邊緣檢測和Radon變換，之后對圖像旋轉一定角度進行校正，最后根據三次插值法對圖像進行采樣并恢復大小。

通過對圖片校正前后的數據監測發現，經過校正后的圖片峰值信噪比比校正前有大幅提高。這說明Radon變換可有效提高抗幾何失真的魯棒性。

3 基于DCT的抗打印掃描數字水印系統設計

與實現

3.1 抗打印掃描數字水印系統的設計

基于DCT的抗打印掃描數字水印系統設計流程圖見圖8。該流程圖主要包括水印嵌入、打印?掃描圖像預處理、水印提取三個過程。

圖8 基于DCT的抗打印掃描數字水印系統流程圖

3.2 數字水印的嵌入

數字水印的嵌入過程如下：在嵌入前將灰度值由0，255轉化為0，1，進行數字水印的預處理；去掉[M×M]灰度圖像邊緣的兩個像素，之后再進行分塊處理，并得到DCT矩陣；去掉[N×N]的兩個邊緣系數，并將系數矩陣進行一維數據排列，從中選取64個中低頻系數；將選擇的64個中低頻系數進行絕對值排列，之后進行信息嵌入。

3.3 數字水印的提取

數字水印的提取算法其實是嵌入算法的逆過程。具體步驟為：首先通過Radon變換、三次內插法、亮度變換法對掃描后的圖形進行幾何失真校正、像素失真校正，具體流程見圖9；將預處理圖形刪除兩個像素，并對其分塊作DCT變換，得到DCT系數；根據水印嵌入密匙得到水印序列；估計逆值算法，計算出數字提取鑰匙，完成逆變換。

3.4 試驗與結果

本文利用HP激光打印機和Epson Perfection 1200掃描儀進行了試驗。試驗結果見圖10。

對試驗后的圖像進行了掃描順序測定，并根據嵌入水印的容量確定了相關系數。其中掃描順序表如圖11所示。之后將圖像進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。

對校正后的圖像進行了主觀評估和客觀評估兩方面測試。以PSNR作為主觀評估和客觀評估的定量標準，結果顯示水印提取的性能指標較為優秀，已經非常接近原始水印信號，說明該水印算法較為先進。

4 結 論

本文設計了基于DCT的抗打印掃描數字水印系統，經過相關魯棒性試驗研究發現，設計的打印掃描數字水印系統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、誤碼率低的優點。

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