基于數字水印的即開型彩票防偽探究

樊東霞

（中國福利彩票發行管理中心數據部，北京 100101）

0 引言

彩票是指國家為籌集社會公益資金，促進社會公益事業發展而特許發行、依法銷售，自然人自愿購買，并按照特定規則獲得中獎機會的憑證［1］。目前，市面上主流的彩票品種有即開型、數字型、樂透型、競猜型、基諾型等多種類型，即開型彩票指由發行機構預先設定游戲名稱、面值、獎組、玩法規則和獎級結構等內容，并組織印制發行的即買、即開、即兌型彩票品種［2］。

本文探討的是即開型彩票的防偽印刷，目前印刷防偽主要通過專用紙張、專用油墨、激光防偽等技術，存在成本過高、工藝繁瑣復雜、防偽有效期短等不足。如何在保證效果的前提下，降低防偽成本變成彩票機構需要研究解決的課題。本文提出通過數字水印技術達到防偽目的，水印檢測率高、安全性高，能夠驗證即開票的真偽，防止不法分子偽造，同時水印技術成熟便捷，能夠顯著降低防偽成本。

1 數字水印技術

1.1 數字水印簡介

數字水印技術是一種有效的信息隱藏與安全維護技術，最初是為了在開放的網絡環境下表征數字產品產權而設計發明的。數字水印能夠在不影響原始數據的價值和使用的情況下，將圖像、文字、符號、數字等一切可以作為標記的數字信息與原始數據緊密結合并隱藏其中，原始數據又稱為載體，可以是文本、音頻、圖像、視頻等格式。

數字水印需具備以下幾個特征：①抗篡改性，數字水印是難以偽造或改變的；②隱蔽性，數字水印的嵌入不影響載體的使用效果；③穩健性，數字水印難以被去除；④標識性，數字水印的容量要足以表達所有者的標識；⑤安全性，水印算法應該是公開的，不通過算法保證數字水印的安全。

數字水印常用的分類有以下幾種：①根據數字水印的載體數據，分為圖像水印、文本水印、音頻水印、網格水印等；②根據數字水印的用途，分為證件防偽、版權標識、篡改提示等；③根據數字水印的應用要求，分為魯棒性水印和脆弱性水印［3］。魯棒性水印要求水印經得起變換處理或圖像攻擊，比如壓縮、位移等；脆弱性水印對變更敏感，用于完整性保護。

1.2 數字水印算法

以圖像為載體的數字水印算法，根據數字水印的嵌入位置，可分為空間域水印和變換域水印。

1.2.1 空間域算法

指對數字圖像在空間域上進行處理的一類算法，這類算法一般處理速度較快，但是水印魯棒性較差，容易遭受攻擊被破壞。常見的空間域算法有最低有效位（LSB）法、拼湊（Patchwork）算法等。

1.2.2 變換域算法

指通過傅里葉變換（DFT）、離散余弦變換（DCT）、小波變換等將圖像從空間域轉換到相應的頻率域，在頻率域進行處理后，再反轉變換到空間域的一類算法。相對空間域算法，變換域算法更復雜，計算量更大，但魯棒性更強。

1.3 數字水印在印刷域應用

隨著近年來信息處理技術和科技工業的發展，高精度的掃描儀、高質量的打印機等圖像處理設備和功能強大的圖像處理軟件取得長足發展并在市場上廣泛應用，給人們生活提供便利的同時，也使得證件、票據等重要文件的篡改偽造變得更加簡單。

數字水印防偽技術在印刷業應用指的是將水印隱藏在印刷載體中，人眼不可見，但通過特定的設備或者軟件可以識別檢測。水印信息需要一直存在于印刷載體中，不能因為地點、時間的變換而產生變換，同時數字水印技術與印刷設備、材料無關，不會增加額外的印刷成本。由于水印是不可見的，嵌入的位置又是隨機的，水印信息難以被輕易識別和偽造，提高了該技術的安全系數。

目前，印刷品防偽和版權保護方面的數字水印應用，在市場推廣已有一定進展，例如：在傳統媒體或票據中隱藏不可見的數字水印，通過網絡攝像機掃描，可推送與傳統媒體或票據相關的網址，并顯示相關屬性信息。通過數字水印阻止商標及重要文檔的偽造、盜版和篡改。通過數據水印鑒定載體來源、證實載體完整性、判斷是否被篡改以及定位篡改的位置。

2 即開型彩票防偽

彩票具備娛樂、公益的屬性，尤其即開票主題豐富、畫面精美、文化承載能力強，豐富多彩的票面設計能吸引彩民購彩、宣傳公益理念，有利于文化的傳播。2021年，高頻快開游戲全面退市后，即開型彩票抓住時機，乘勢而上，市場規模持續擴大，當年即開票銷量達540多億元，創下歷年銷量新高。

高額的獎等、大規模的市場份額、購彩者無須實名的特點，使得即開票很容易成為不法分子的目標，在此場景下，即開票如何高效并且低成本地防偽變得至關重要。本文設計用哈希算法結合隨機數列生成的水印信息，并通過DCT算法嵌入到即開票的印刷圖像標識中，通過掃描設備和專門的應用軟件檢測即開票印刷圖像中的數字水印，水印防偽流程如圖1所示。

圖1 水印防偽流程圖

假如不法分子利用彩票掃描后圖像再次印刷偽造，一般流程如圖2所示。

圖2 偽造流程

由圖2可以看出，偽造即開票多了一次掃描印刷的過程，由于電子電路的不穩定性會不可避免地產生噪聲，所以圖像在打印掃描的過程中，幾乎都存在一定程度的失真問題，包括明暗差距、影像偏色、幾何失真等。通過對比原始水印與掃描提取出的水印信息，根據水印信息的相似程度可以判斷即開票真偽。

2.1 數字水印的生成

針對不同游戲不同批次的即開票產品，可由發行機構選擇根據游戲編碼、即開票票號、批次編號作為水印生成要素，通過哈希算法結合隨機數列生成水印信息。

世界上廣泛應用的哈希算法包括MD5與SHA系列，哈希算法能夠對任意長度的輸入信息進行壓縮或者填充，輸出固定長度的哈希值，輸出信息的長度只取決于所使用的哈希算法。隨著計算機技術的發展，MD5和SHA1已相繼被破解，本文采用更加安全的SHA256哈希算法，該算法的輸出是256位的二進制串，可以表示為

為了增強水印的魯棒性，通過隨機數發生器生成兩個偽隨機實數序列K1，K0：

重新組合生成偽隨機數列W：

將W順序按行轉換為16×16的方陣，作為水印信息存儲在系統后臺。

不同的即開票對應了不同的游戲編碼、票號，作為水印的生成要素，利用哈希算法單向、不可逆的特性，保證了數字水印的安全性、標識性和抗篡改性，結合隨機數列能夠保證數字水印具有隨機性，增加了不法分子偽造的難度。

2.2 數字水印的嵌入

數字水印可以選擇嵌入到載體的任意位置，比如選擇嵌入在即開票面的中國福利彩票標識的徽標圖像中。圖像在計算機的存儲可表示為數學中M行N列的二維矩陣，矩陣中的數值表示圖像對應位置上像素的顏色信息，數字圖像的處理實質是矩陣的各種數學運算和處理。在常用的圖像格式文件中，由于BMP格式是不使用壓縮技術處理的位圖圖像，雖然格式簡單，但往往圖片過大不利于存儲，JPG格式采用有損壓縮技術除去冗余信息，可能會導致數據丟失，所以即開票采用可支持無損壓縮技術的PNG格式作為即開票畫面圖像的電子文件格式。PNG格式支持RGB真彩色圖像，圖像中每一個像素的長度是24位，由R（紅）、G（綠）、B（藍）三原色疊加組成，數據類型是8位無符號整型，所以每一種顏色的取值范圍為0x00～0xFF，能夠很好地展示彩票的票面設計。RGB真彩色圖像用三維矩陣表示，即M×N×3，三個矩陣分別表示對應行列值位置上的像素顏色分量。

基于人類視覺系統（HVS）的研究表明，人眼對藍色的敏感性最弱，所以選擇將水印嵌入到藍色通道效果最好。作為載體圖像的PNG格式大小一般為幾十KB到幾MB，遠大于數字水印的字節長度，利用載體圖像的冗余信息足以嵌入數字水印。

在印刷的過程中圖像會不可避免地失真，因此需要選擇具備強魯棒性的水印。本文采用DCT算法作為數字水印的嵌入算法，DCT算法是DFT算法的特殊變種，具備計算復雜性相對簡單，信息聚集能力和隱蔽性較好的特點，是目前應用最為廣泛的變換域算法之一。通過提取載體圖像的藍色分量，將圖像從色彩域轉換到頻率域，經過DCT變換得到的系數矩陣表示一系列頻率中每一個頻率所對應的變化程度。

對于M×N大小的數字圖像，DCT正變換公式為

其中：

DCT逆變換公式為

其中：x，y為空間采樣值；u，v為頻域采樣值。

在圖像取樣中選擇方陣，計算相對簡單，即N=M，二維DCT正反變換可以簡化為

對載體圖像進行DCT變換，對變換后的某些DCT系數進行小幅度的變換，完成水印信息的嵌入。步驟如下：

（1）DCT變換先將圖像分解為8×8大小的不重疊子像素塊Ti( )i=1,2,…,N8＞16；對每一個子塊Ti分別進行DCT變換，對DCT分塊變換后的圖像頻率系數進行Zig-Zag方式掃描排列，共64個DCT系數。

掃描順序如下：

（2）將對Ti掃描后的DCT系數重新排列成一維向量y={ }y1,y2,…,y64，選擇其中的16個中頻數據，取出序列中第20到35的中頻系數部分，得到Yi={Y1,Y2,…,Y16}。

在DCT系數矩陣中，左上角第一個值為直流系數，其余是交流系數。左上為直流和交流低頻系數，中間為交流中頻系數，右下為交流高頻系數。DCT算法具備可分離性和能量集中的特點，圖像的低頻分量反映了基本圖像，高頻分量代表圖像細節部分，DCT變換后圖像能量集中在圖像的低頻部分，黃繼武等［4］在對DCT直流系數（DC）和交流系數（AC）分量的定性和定量分析的基礎上，指出DC分量比AC分量更適合嵌入水印，嵌入DC分量的水印具有更好的穩健性。因此，水印嵌入到低頻分量，具備較好的魯棒性，水印嵌入到高頻分量，魯棒性差但具備更高的不可見性，本文選擇將水印嵌入到中頻分量，實現魯棒性與不可見性之間的平衡。

（3）將水印信息W依次順序按行分解為16組，用Ki表示分解后其中的一組，排成一維向量。

（4）對Ti像素塊的Yi序列值進行修改，a表示水印強度系數，取a=0.5。

（5）對修改后的中頻系數Y′i通過Zig-Zag逆變換形式重組，再進行DCT逆變換，得到嵌有數字水印的圖像子塊。

（6）將圖像子塊重新組合成嵌入數字水印的圖像。

2.3 數字水印的提取

水印提取的過程是水印嵌入的逆操作，掃描需要驗證的即開票，對掃描得到的圖像進行水印提取，并比對后臺存儲的票號和水印信息，設原始水印信息為W，提取出的水印信息為W′，計算相似度NC（normalized correlation）驗證該票真偽，通用的NC計算公式如下：

計算機系統和掃描儀采用RGB彩色空間描述顏色，但是目前印刷業普遍使用的是CMYK顏色空間，由于印刷和掃描過程中圖像在不同彩色空間之間的轉換可能會引起顏色丟失、亮點失真等，影響水印的質量，因此，可以根據水印信息的相似度判斷即開票的真偽。根據經驗正品水印的相似度NC都是大于0.7的，該技術簡單易操作、速度快、效率高，同時因為數字水印的隱蔽性，肉眼無法察覺，不影響票面美觀，適合應用在即開票領域。

3 結語

作為最具靈活性和最易獲客的產品類型，即開票將進一步加大研發創新力度和資源投放力度，成為品牌宣傳、營銷獲客、拓展市場的彩票拳頭品類。2022年，各級彩票機構通過派獎促銷、擴大銷售渠道等途徑，全年銷售規模有望創造新高，如何高效保證即開票的安全是彩票發行機構的必修課。

本文探索即開票的防偽設計，運用數字技術賦能，通過數字水印技術，利用哈希函數的單向性結合隨機數列生成水印，選擇魯棒性強的DCT水印算法，增強破解難度，通過比較水印信息的相似度達到安全防偽的目的，相較于傳統的防偽技術，不需增加印刷材料或設備，不會改變即開票原有的設計圖案，成本低廉、效果更優，為未來的即開票市場發展做好技術保障，有助于即開票的安全健康發展。