專利名稱：用于證件防偽的彩色圖像數(shù)字水印實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種防偽及信息安全技術(shù)領(lǐng)域，是一種可以在彩色圖像中嵌入幾百比 特水印信息并且抵抗打印掃描攻擊的可用于證件防偽的彩色圖像數(shù)字水印技術(shù)。
背景技術(shù)：
通過查閱相關(guān)資料和有關(guān)專利，主要引證下列專利國名專利公開號授權(quán)公告日期
1.中國CN13224702007.06. 20
2.中國CN1005593962009.11. 11
3.中國CN19604282009.01. 14
4.中國CN1005112772009.07. 08打印掃描問題是數(shù)字水印未來應(yīng)用中的一個至關(guān)重要的問題。如果這個問題解決 了，紙制媒體包括書、報紙、雜志等都可以利用數(shù)字水印進(jìn)行版權(quán)保護(hù)。另外，票據(jù)和證件等 可以用數(shù)字水印進(jìn)行真?zhèn)舞b別。利用數(shù)字水印技術(shù)進(jìn)行證件真?zhèn)舞b別是數(shù)字水印研究中的 一個熱點。數(shù)字水印證件防偽系統(tǒng)由兩部分組成一是證件的制作部分，如圖6所示。在這 一過程中，數(shù)碼照相機(jī)或掃描儀將模擬形式圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，再將反映特定人的全部 或部分獨有信息采用一定的水印算法，在某個密鑰的控制下嵌入到該數(shù)碼圖照片中，然后 打印輸出制成證件。二是證件鑒別部分，如圖7所示。用掃描儀輸入整個證件圖像，對照片 部分先進(jìn)行預(yù)處理，如確定基準(zhǔn)點、旋轉(zhuǎn)矯正、去噪等，然后再在相同的密鑰控制下提取水 印以確定證件的真?zhèn)?。裘正定等的專利《一種抗數(shù)模模數(shù)變換過程的數(shù)字水印防偽方法》，中國專利，專 利號為CN1322470，此發(fā)明涉及一種抗數(shù)模模數(shù)變換過程的數(shù)字水印防偽方法，包括以下步 驟a)水印嵌入過程，采用二值數(shù)字水印算法，在選定的保護(hù)對象特定區(qū)域嵌入一種包含 特殊信息的二值數(shù)字水?。籦)水印提取判決過程其特征在于選定的特定區(qū)域包括前景圖 像和背景圖像，對選定的特定區(qū)域前景圖像邊緣進(jìn)行加暈處理，對前景圖像進(jìn)行塊劃分， 并在水印嵌入前對前景圖像設(shè)置反映前景圖像幾何特征的同步信號，定義兩種不同的圖像 塊模式代表水印信息，進(jìn)行水印嵌入，在水印提取判決時用圖像塊像素值方差對圖像塊像 素的分布進(jìn)行描述，根據(jù)一個確定的閾值和圖像塊像素值方差相比較提取水印?？碉@桂等的專利《一種可抗打印掃描和幾何變換的多比特數(shù)字水印方法》，中國專 利，專利號為CN100559396，此發(fā)明公開一種可抗打印掃描和幾何變換的多比特數(shù)字水印方 法。本發(fā)明在圖像的離散傅立葉幅度系數(shù)中嵌入水印，每個水印比特嵌入哪些傅立葉幅度 系數(shù)中根據(jù)傅立葉幅度系數(shù)的離散對數(shù)極坐標(biāo)確定，當(dāng)圖像遭受縮放旋轉(zhuǎn)等幾何變換或者 打印掃描時，會使水印檢測提取失步；由于圖像的縮放和旋轉(zhuǎn)分別對應(yīng)于傅立葉對數(shù)極坐 標(biāo)域的徑向和角度方向上的平移，檢測提取水印時，根據(jù)原始模板與嵌入的模板間相關(guān)來 重同步信息水印，再提取有意義水印信息比特串，由于在水印嵌入和檢測過程中不需要對 圖像或者其傅立葉幅度系數(shù)進(jìn)行圖像內(nèi)插運算，因而不會引入插值失真并節(jié)省了時間，另外攻擊者無法去除嵌入的模板，本發(fā)明可應(yīng)用于數(shù)字圖像、視頻的版權(quán)保護(hù)，文件和證件防 偽，以及視頻廣播監(jiān)控等。王樹勛等的專利《抗打印掃描大容量有意義數(shù)字水印實現(xiàn)方法》，中國專利，專利 號為CN1960428，本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面可以嵌入二值圖像等有意 義的大容量的水印信息，增強(qiáng)了水印信息的可識別性。具有很強(qiáng)的抗打印掃描攻擊的魯棒 性，可廣泛用于各種證件及印刷品的防偽。利用基于Hausdorff距離的幾何校正過程，可以 有效的校正水印信號在打印掃描過程所受到的各種幾何攻擊，如旋轉(zhuǎn)、縮放、平移等。算法 設(shè)計簡單，校正時間短，有利于滿足實際應(yīng)用的需求。亓文法等的專利《一種用于數(shù)字圖像的數(shù)字水印方法及裝置》，中國專利，專利號 為CN100511277，此發(fā)明公開了一種用于數(shù)字圖像的數(shù)字水印嵌入、提取方法及裝置，嵌入 時包括按第一規(guī)則將數(shù)字圖像分成若干子區(qū)域；統(tǒng)計各子區(qū)域內(nèi)的黑點個數(shù)；根據(jù)各子 區(qū)域內(nèi)的黑點個數(shù)與平均黑點個數(shù)、水印信息位串、以及第一步長計算出需要翻轉(zhuǎn)的像素 第一個數(shù)；按第一個數(shù)翻轉(zhuǎn)每個子區(qū)域內(nèi)的像素點。提取時按第一規(guī)則將數(shù)字圖像分成若 干子區(qū)域；根據(jù)子區(qū)域內(nèi)的黑點個數(shù)與平均黑點個數(shù)及第一步長提取水印信息位串。本發(fā) 明可以更好地抵抗打印、掃描和復(fù)印過程中的不確定因素攻擊，尤其對于打印、復(fù)印、掃描 等圖像復(fù)制過程中的分辨率不匹配問題，以及由于不同程度的縮放因素導(dǎo)致的圖像偏差， 具有很好地適應(yīng)性和魯棒性。采用數(shù)字水印技術(shù)進(jìn)行證件防偽存在的主要問題是(1)證件制作過程中的打印以及真?zhèn)舞b別過程中的掃描對數(shù)字水印造成了極大的 攻擊，主要包括幾何攻擊和半色調(diào)攻擊。另外，證件在使用過程中的磨損也對水印造成了一 定的攻擊。這些攻擊導(dǎo)致水印信息提取的困難，也正是這一點限制了利用數(shù)字水印技術(shù)進(jìn) 行證件防偽的廣泛應(yīng)用。(2)需要有較大的嵌入容量，而嵌入容量與水印的魯棒性又是一對矛盾，如何在滿 足嵌入容量的條件下又有足夠的魯棒性是證件防偽應(yīng)用中的數(shù)字水印技術(shù)要解決的一個 重要問題。(3)水印的檢測時間不能太長，證件真?zhèn)舞b別通常需要現(xiàn)場實時進(jìn)行，所以水印算 法應(yīng)該簡單，運行時間短。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于證件防偽的彩色圖像數(shù)字水印實現(xiàn)方法，用有色噪聲水印模 式抵抗中輕度的幾何失真以及局部的、小的非線性幾何變形；關(guān)于梯度模的增函數(shù)g(|v |) 用于嵌入端，作為視覺控制因子提高水印嵌入強(qiáng)度；在提取端，用預(yù)測濾波器對水印圖像進(jìn) 行歸一化相關(guān)檢測前作預(yù)處理，濾除載體信號能量以及使殘余的載體信號更趨近于高斯分 布，提高水印信號的正確提取率。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一、將彩色圖像的RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到LW顏色空間，LW顏色空間是一種獨 立于設(shè)備的彩色模型，它是基于人類色感的三度色彩空間，根據(jù)一種色彩不能同時是綠色 和紅色，也不能同時是藍(lán)和黃色的理論，用單一明暗度描述紅/綠色和黃/藍(lán)屬性，其色彩 空間要比RGB模式的色彩空間大，且是用亮度和色差來描述色彩分量，因此它是目前唯一既能直觀感覺，又能用于參數(shù)描述的色彩空間，可以客觀準(zhǔn)確地描述、傳遞、管理與復(fù)制色 彩；在色彩管理中作為標(biāo)準(zhǔn)顏色轉(zhuǎn)換空間，可以實現(xiàn)不同設(shè)備顏色空間的轉(zhuǎn)換，還可確保彩 色圖像在不同設(shè)備上傳遞和輸出時顏色盡可能少丟失。由于LW可以保證在進(jìn)行色彩模 式轉(zhuǎn)換時，CMYK范圍內(nèi)的色彩沒有損失，有利于彩色圖像的抗打印掃描算法的實現(xiàn)，減小由 于顏色空間轉(zhuǎn)換對水印信號的攻擊；把原始圖像從RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到LW顏色空間包 含兩個過程從RGB色彩模型到XYZ色彩空間的轉(zhuǎn)換和從XYZ色彩空間到LW色彩空間 的轉(zhuǎn)換；二、生成有色噪聲水印模式信號，首先將可讀水印證件號碼，文字標(biāo)識，圖標(biāo)，編 碼為二進(jìn)制水印信號，將水印信號經(jīng)糾錯編碼并隨機(jī)交織后的單極性二轉(zhuǎn)換成雙極性序 列，然后采用碼分復(fù)用CDMA調(diào)制的方法生成水印信號，用于CDMA擴(kuò)頻調(diào)制擴(kuò)頻碼采用非高 斯分布的擴(kuò)頻碼，得到可抗幾何攻擊的有色噪聲水印模式信號；三、嵌入水印信息，為了提高水印的抗攻擊能力，采用在L*亮度分量中以加法規(guī)則 嵌入水??；多媒體內(nèi)容通常表現(xiàn)出很強(qiáng)的空間或時間相關(guān)性，對于圖像，相鄰像素的亮度一 般相差不多，任何一幅圖像中的像素值都可以合理地從它們的相鄰像素值來預(yù)測，即使受 到一定幾何攻擊后仍然可以預(yù)測出來。因此，我們選擇在彩色圖像LW顏色空間的L*亮 度分量完成水印的嵌入與提取，與變換域相比具有更強(qiáng)的抗幾何攻擊性能；四、用關(guān)于梯度模的增函數(shù)g(|V |)作為視覺控制因子，梯度模|v |的大小可用來 判斷邊緣，|v〃|大的地方為邊緣，小的地方為平坦區(qū)域，很好地描述圖像的局部特性， 與人類視覺系統(tǒng)的感覺特性相吻合，因此可以用它來控制水印的自適應(yīng)嵌入強(qiáng)度，在相同 的視覺質(zhì)量下，可以嵌入更大強(qiáng)度的水?。晃?、水印的提取，用歸一化相關(guān)的方法檢測水印，相關(guān)檢測前用預(yù)測濾波器對其進(jìn) 行預(yù)處理，目的是濾除載體信號能量以及使殘余的載體信號更趨近于高斯分布，得到水印 信號的估計值，對預(yù)處理后的信號進(jìn)行歸一化相關(guān)檢測；六、水印信息的譯碼，將提取的水印比特位經(jīng)糾錯解碼并譯碼為可讀水印信息。本發(fā)明一個重要實施方式中，將彩色圖像的RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到LW顏色空間， 由于LW顏色空間是一種獨立于設(shè)備的彩色模型，有利于彩色圖像的抗打印掃描算法的 實現(xiàn)，減小由于顏色空間轉(zhuǎn)換對水印信號的攻擊。本發(fā)明的另一個重要實施方式中，水印信號的生成過程中采用有色噪聲水印模 式，作用是對抗彩色圖像在打印掃描過程中引入中輕度的幾何失真以及局部的、小的非線 性幾何變形。本發(fā)明的另一個重要實施方式中，關(guān)于梯度模的增函數(shù)g(|Vt/|)作為視覺控制因 子，在相同的視覺質(zhì)量下，可以嵌入更大強(qiáng)度的水印，從而提高水印的魯棒性。本發(fā)明的另一個重要實施方式中，相關(guān)檢測前用預(yù)測濾波器對其進(jìn)行預(yù)處理，目 的是濾除載體信號能量以及使殘余的載體信號更趨近于高斯分布，提高相關(guān)檢測值，從而 提高水印信號提取的正確率。本發(fā)明的另一個重要實施方式中，水印信號提取出來以后，對其作進(jìn)一步的譯碼， 增強(qiáng)水印信息的可讀性。本發(fā)明的數(shù)字水印實施方案在嵌入數(shù)百比特水印信息的情況下仍然具有很強(qiáng)的抗打印掃描攻擊的魯棒性，可廣泛用于各種證件的防偽，算法簡單，應(yīng)用廣泛，同時在商標(biāo) 等印刷品防偽上也具有很好的應(yīng)用前景。本發(fā)明與以上已公開發(fā)明的提高之處是(1)與發(fā)明1和2相比，本發(fā)明在水印的嵌入與檢測過程中不需要依靠同步信號或 同步模板對抗幾何攻擊而同步信號或同步模板的嵌入既影響嵌入容量又增加算法的運行 時間。(2)與本人參與過的發(fā)明3相比，本發(fā)明不需要對待檢測圖像進(jìn)行幾何校正，而是 依靠算法本身并借助掃描軟件的調(diào)整功能實現(xiàn)對幾何攻擊的魯棒性。(3)與發(fā)明4相比，本發(fā)明是針對彩色圖像的(證件中通常使用彩色照片兒不是黑 白照片)，且在彩色圖像的LW顏色空間的L*亮度分量中完成水印的嵌入與檢測，利用圖 像本身的空間特性與特殊的水印模式實現(xiàn)水印的魯棒性，算法簡單，運行時間短，適用于各 種證件的實時鑒別。本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面第一，本發(fā)明可以在彩色圖像中嵌入幾百比特的大容量的水印信息，水印信息可 以是證件號碼、文字標(biāo)識、二值圖像等內(nèi)容。第二，本發(fā)明具有很強(qiáng)的抗打印掃描攻擊的魯棒性，可廣泛應(yīng)用于各種證件的防 偽。第三，本發(fā)明采用有色噪聲水印模式，可以對抗彩色圖像在打印掃描過程中引入 的中輕度幾何失真以及局部的、小的非線性幾何變形。第四，本發(fā)明采用關(guān)于梯度模的增函數(shù)作為視覺控制因子，在相同的視覺 質(zhì)量下，可以嵌入更大強(qiáng)度的水印，從而提高水印的魯棒性。第五，本發(fā)明采用預(yù)測濾波器預(yù)處理待檢測水印圖像，提高水印信號的正確提取率。


圖1為本發(fā)明的流程框圖；圖2為本發(fā)明的有色噪聲水印模式生成框圖；圖3為本發(fā)明的嵌入水印流程圖；圖4為本發(fā)明的提取水印前對待檢測水印圖像的預(yù)處理框圖；圖5為本發(fā)明的對提取的水印比特位的譯碼框圖。 圖6是本發(fā)明證件制作過程圖7是本發(fā)明證件鑒別過程。
具體實施例方式結(jié)合附圖和一種較佳的具體實施方案對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明所 稱的模塊為一種方法的組合。本發(fā)明可分為水印嵌入過程001以及水印提取過程002。其中嵌入過程001首先 用掃描儀1將模擬形式的彩色照片轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的圖像或用數(shù)碼相機(jī)1對人物拍照，然 后用模塊2對獲得數(shù)字形式的圖像進(jìn)行預(yù)處理，模塊3用于生成有色噪聲水印模式信號，模塊4嵌入數(shù)字水印，最后用打印機(jī)輸出包含彩色圖像的實物證件5 ；水印提取過程002首先 用掃描儀等圖像采集裝置6將含有數(shù)字水印信息的實物證件上的圖像掃描輸入，水印圖像 由模擬形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式7，然后用模塊8對數(shù)字形式的圖像做預(yù)處理，模塊9提取數(shù)字 水印比特位，模塊10對水印比特位進(jìn)行譯碼，模塊11通過提取的水印信息對證件進(jìn)行真?zhèn)?鑒別。本發(fā)明各組成部分的相互關(guān)系如框圖1所示。將彩色圖像的RGB空間轉(zhuǎn)換到LW空間模塊2包含兩個過程從RGB色彩模型 到XYZ色彩空間的轉(zhuǎn)換和從XYZ色彩空間到LW色彩空間的轉(zhuǎn)換。采用文獻(xiàn)Rafael C Gonzalez,Richard E Woods著，阮秋琦，阮宇智等譯.數(shù)字圖像處理[M].電子工業(yè)出版社， 2003，第二版54-255提供的方法1.由RGB到XYZ的轉(zhuǎn)換計算RGB三基色在CIE標(biāo)準(zhǔn)D65下的白色三刺激值X，Y，Z 'x = 0.490Λ + 0.31OG + 0.200^
權(quán)利要求
一種用于證件防偽的彩色圖像數(shù)字水印實現(xiàn)方法，其特征在于包括下列步驟一、將彩色圖像的RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到獨立于設(shè)備的L*a*b*顏色空間，為了提高水印的抗攻擊能力，利用圖像相鄰像素的亮度具有強(qiáng)相關(guān)性的特點，選擇在L*亮度分量中嵌入水??；二、生成有色噪聲水印模式信號，首先將可讀水印編碼為二進(jìn)制水印信號，將水印信號經(jīng)糾錯編碼并隨機(jī)交織后的單極性二轉(zhuǎn)換成雙極性序列，然后采用碼分復(fù)用CDMA調(diào)制的方法生成水印信號，用于CDMA擴(kuò)頻調(diào)制擴(kuò)頻碼采用非高斯分布的擴(kuò)頻碼，得到有色噪聲水印模式信號；三、用關(guān)于梯度模的增函數(shù)作為視覺控制因子，梯度模的大小可用來判斷邊緣，大的地方為邊緣，小的地方為平坦區(qū)域，很好地描述圖像的局部特性，與人類視覺系統(tǒng)的感覺特性相吻合；四、在L*亮度分量中采用加法規(guī)則嵌入水印，利用了多媒體內(nèi)容本身的空間相關(guān)性，與變換域相比具有更強(qiáng)的抗幾何攻擊性能；五、水印的提取，用歸一化相關(guān)的方法檢測水印，相關(guān)檢測前用預(yù)測濾波器對其進(jìn)行預(yù)處理，目的是濾除載體信號能量以及使殘余的載體信號更趨近于高斯分布，得到水印信號的估計值，對預(yù)處理后的信號進(jìn)行歸一化相關(guān)檢測；六、水印信息譯碼，將提取的水印比特位經(jīng)糾錯解碼并譯碼為可讀水印信息。FSA00000230673700011.tif,FSA00000230673700012.tif,FSA00000230673700013.tif,FSA00000230673700014.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于證件防偽的彩色圖像數(shù)字水印實現(xiàn)方法，其特征在于 采用加性原則將水印信號嵌入LW顏色空間的L*亮度分量中，它的改變不會引起圖像顏 色分量的變換，造成圖像的失真，可使水印信號在保證不影響原始彩色圖像質(zhì)量的前提下， 對不同設(shè)備顏色空間轉(zhuǎn)化所引起的攻擊具有較強(qiáng)的魯棒性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于證件防偽的彩色圖像數(shù)字水印實現(xiàn)方法，其特征在于 用有色噪聲水印模式抵抗中輕度的幾何失真以及局部的、小的非線性幾何變形。在掃打印 描過程中引入的視覺可感知的大角度旋轉(zhuǎn)以及尺度的縮放可以通過掃描軟件進(jìn)行調(diào)整，調(diào) 整至視覺不可感知的程度便可依靠算法本身實現(xiàn)對打印掃描的魯棒性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于證件防偽的彩色圖像數(shù)字水印實現(xiàn)方法，其特征在于 為了在相關(guān)檢測時使不同水印比特之間具有最大的可辨別性，將水印比特經(jīng)糾錯編碼并隨 機(jī)交織后的單極性二值序列轉(zhuǎn)換成雙極性序列，糾錯編碼的目的是降低信道誤碼率，隨機(jī) 交織的目的是使水印比特服從貝努利分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于證件防偽的彩色圖像數(shù)字水印實現(xiàn)方法，其特征在于 在嵌入端，用關(guān)于梯度模的增函數(shù)g(|v〃|)作為視覺控制因子，與人類視覺系統(tǒng)的感覺特性 相吻合，依據(jù)圖像的紋理特征控制水印的嵌入強(qiáng)度，實現(xiàn)水印的自適應(yīng)嵌入。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于證件防偽的彩色圖像數(shù)字水印實現(xiàn)方法，其特征在于 在檢測端，用預(yù)測濾波器對水印圖像進(jìn)行歸一化相關(guān)檢測前作預(yù)處理，圖像在打印過程中 要經(jīng)歷半色調(diào)處理，對水印構(gòu)成了很強(qiáng)的攻擊，利用圖像相鄰像素具強(qiáng)相關(guān)性的空間特性， 預(yù)測濾波器可以將圖像中的像素合理地從他們的相鄰像素預(yù)測出來，進(jìn)一步得到水印信號 的估計值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于證件防偽的彩色圖像數(shù)字水印實現(xiàn)方法，屬防偽及信息安全技術(shù)領(lǐng)域，采取的技術(shù)方案是一、將彩色圖像的RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到L*a*b*顏色空間；二、將可讀水印信息編碼并調(diào)制生成有色噪聲水印模式；三、用一個關(guān)于梯度模的增函數(shù)作為視覺控制因子；四、在L*a*b*顏色空間的L*亮度分量中嵌入水印；五、提取水印前對水印圖像作預(yù)測濾波預(yù)處理，然后采用歸一化相關(guān)的方法提取水??；六、將提取的水印比特位譯碼至可讀水印信息。本發(fā)明提高了水印信號的正確提取率。本方案具有很強(qiáng)的抗打印掃描攻擊的魯棒性，可廣泛用于各種證件的防偽。
文檔編號G06T1/00GK101950407SQ201010254328
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月11日
發(fā)明者唐笑年, 年桂君, 王丹, 王乃丹, 葛云露, 車曉鐳 申請人:吉林大學(xué)