專利名稱：一種打印文檔防偽的數(shù)字水印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多媒體數(shù)字水印構(gòu)造、嵌入和檢測方法，特別涉及一種打印文檔防偽的數(shù)字水印方法。
背景技術(shù)：
目前，各種證件、票據(jù)、商標(biāo)等打印文檔在人們的生活中發(fā)揮了不可替代的重要作用，然而隨著數(shù)字技術(shù)的不斷普及和因特網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，偽造，盜版等問題愈演愈烈， 如何保護(hù)這些與我們息息相關(guān)的產(chǎn)品，即版權(quán)保護(hù)、信息安全、數(shù)據(jù)認(rèn)證以及訪問控制等等，成為現(xiàn)在迫切需要解決的問題。常用的打印文檔防偽技術(shù)有紙張防偽、特殊油墨防偽、不干膠微縮文字印刷防偽、 票據(jù)特種防偽印刷、安全線、加密技術(shù)、激光全息轉(zhuǎn)移技術(shù)、定位燙印、電話電碼防偽、原子核雙卡防偽、防偽標(biāo)識(shí)以及手工雕刻凹版印刷等。但是，這些技術(shù)存在各自弱點(diǎn)，比如，紙張防偽和特殊油墨防偽需要特殊的材料或者制作工藝。而且，傳統(tǒng)防偽技術(shù)容易被造假者掌握，從而失去其防偽功能。另一方面，傳統(tǒng)的打印文檔防偽技術(shù)與使用的設(shè)備和材質(zhì)緊密相關(guān)，無法做到通用性，應(yīng)用范圍比較窄。數(shù)字水印的出現(xiàn)，為打印文檔防偽提供了一種新的解決方案。與傳統(tǒng)方式相比，數(shù)字水印技術(shù)具有隱藏性好、成本低、保密性好、難于偽造等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。應(yīng)用于打印文檔防偽的數(shù)字水印主要包括抗打印掃描水印和視覺水印兩種，其中，視覺水印是近些年發(fā)展起來的一種可視水印技術(shù)，具有高效、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。Adi Shamir申請的美國專利使用了一種用于打印圖像的可視水印，采用了把一塊圖像用精細(xì)構(gòu)造的黑白像素替代來實(shí)現(xiàn)防偽，這種方法對掃描設(shè)備比較敏感，而且隨著掃描設(shè)備的發(fā)展，其效果也越來越差。William H. Mowry申請的另一個(gè)美國專利使用了一種控制像素打印后大小的方法來實(shí)現(xiàn)防偽，由于大像素保留下來的會(huì)更多，而小像素在打印后會(huì)有由于打印機(jī)的誤差而消失， 此種方法一般是針對特定的打印機(jī)，特定的分辨率進(jìn)行，效果的提升依賴于微縮打印的機(jī)器。Huang和mi于2007年提出的基于點(diǎn)陣的多層光水印，該方法在調(diào)制解調(diào)原理的基礎(chǔ)上，使用相位調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)，而后Lu YiFeng于2008年提出了基于莫奈現(xiàn)象的光水印，與基于點(diǎn)陣的光水印相比，莫奈現(xiàn)象是由黑白條紋干涉而成，所以本身有比較大的噪聲，實(shí)現(xiàn)多層的水印比較困難，而且容量較小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種打印文檔防偽的數(shù)字水印方法，該方法首先通過分析影響水印提取效果的因素，提出了水印對比度的標(biāo)準(zhǔn)來衡量多層水印的效果，然后在基于這個(gè)基礎(chǔ)上對構(gòu)造多層水印的參數(shù)進(jìn)行了分析，并具體分析了周期與線寬的關(guān)系，然后分析了多層水印的角度問題，根據(jù)分析結(jié)果構(gòu)建出多層水印。最后本文在分析掃描儀工作的特點(diǎn)之后，提出了防偽水印層，結(jié)合多層水印，最終得到多層的掃描防偽水印。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案一種打印文檔防偽的數(shù)字水印方法， 包括水印對比度分析、防掃描/復(fù)印水印層、水印嵌入和水印提取四大部分。水印對比度分析是利用對比度和顏色差這兩個(gè)人眼辨別物體重要因素使用水印對比度來量化水印提取效果；防掃描/復(fù)印水印層是通過對掃描過程進(jìn)行分析，根據(jù)掃描特性來構(gòu)造防掃描/復(fù)印水印層；水印嵌入是在水印對比度分析的基礎(chǔ)，根據(jù)分析結(jié)果選擇合適的嵌入周期和角度， 并結(jié)合防掃描/復(fù)印水印層構(gòu)造多層防偽水??；對水印對比度的分析過程如下al.分析影響人類視覺辨認(rèn)物體的因素；a2.提出水印對比度；a3.對水印提取效果進(jìn)行數(shù)學(xué)分析；a4.依據(jù)分析結(jié)果選擇合適的嵌入周期和角度；防掃描/復(fù)印水印層的構(gòu)建過程如下bl.分析掃描過程對圖像的影響b2.根據(jù)掃描特性構(gòu)建防掃描/復(fù)印水印層水印的嵌入過程如下cl.根據(jù)選擇的嵌入周期和角度構(gòu)建基礎(chǔ)層；c2.選擇某一層作為防掃描/復(fù)印水印層；c3.將水印嵌入基礎(chǔ)層中；c4.構(gòu)建多層水?。籧5.生成相應(yīng)解碼器；水印的提取過程如下dl.使用相應(yīng)的解碼器進(jìn)行水印提??；本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)是(1)提出了一種新的衡量水印提取效果的標(biāo)準(zhǔn)——水印對比度，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以更為有效的量化水印的提取效果。(2)對影響水印提取效果的嵌入周期進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，并使用了大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)對分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明根據(jù)分析結(jié)果選擇的嵌入周期較大的提升了水印提取效果。(3)對影響水印提取效果的嵌入角度進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，并使用了大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)對分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明根據(jù)分析結(jié)果選擇的嵌入角度有效的防止了同一解碼器提取多幅水印和多個(gè)解碼器只能提取同一水印的異常情況。(4)對掃描過程進(jìn)行分析，并根據(jù)掃描特性構(gòu)造了防掃描/復(fù)印水印層，該層水印對掃描/復(fù)印比較脆弱，在掃描或者復(fù)印后會(huì)消失，可以有效的保護(hù)打印文檔。


圖1為本發(fā)明一種打印文檔防偽的數(shù)字水印方法整體流程圖；圖2為本發(fā)明中的水印對比度示意圖；圖3為本發(fā)明中D = 1隨著周期增加，水印對比度在下降示意圖；圖4為本發(fā)明中D > Im = 2最優(yōu)周期為業(yè)+1示意圖5為本發(fā)明中D > Im = 3最優(yōu)周期為3k+l示意圖；圖6為本發(fā)明中圖像掃描前后變化示意圖；圖7為本發(fā)明中原始水印示意圖；圖8為本發(fā)明中數(shù)字替換后水印示意圖；圖9為本發(fā)明中基礎(chǔ)層示意圖；圖10為本發(fā)明中嵌入水印后圖像示意圖；圖11為本發(fā)明中解碼器示意圖；圖12為本發(fā)明中未加入防掃描/復(fù)印水印層的水印提取示意圖；圖13為本發(fā)明中防掃描/復(fù)印水印層的水印提取示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描敘。本發(fā)明的一種打印文檔防偽的數(shù)字水印方法的整體流程圖如圖1所示。整體流程包括水印對比度分析、防掃描/復(fù)印水印層、水印嵌入和水印提取四大部分。一、水印對比度分析本部分的研究路線包括四個(gè)步驟第al步，影響人類視覺辨認(rèn)物體的因素；第a2 步，提出水印對比度的概念；第a3步，分析水印提取效果；第a4步，選擇合適的嵌入周期和角度。具體如下步驟al 影響人類視覺辨認(rèn)物體的因素由于水印的提取效果對于人眼來講是比較明顯的，但是計(jì)算機(jī)上是無法進(jìn)行衡量的，所以在進(jìn)行數(shù)學(xué)分析之前，需要尋找一個(gè)合適的衡量水印提取效果的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù) Hrishikesh的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，傳統(tǒng)衡量水印提取效果的標(biāo)PSNR與周期基本沒有規(guī)律，所以在這種情況下PSNR已不適合用來進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，所以需要一種衡量水印提取效果的新標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)Peter G. J. Barten以及Oracle相關(guān)資料對人眼的分析，影響對物體分辨的因素主要有兩個(gè)背景與前景的反差，以及背景與前景的顏色。步驟a2:水印對比度由于本文的水印圖像為二值圖像，所以不涉及顏色的問題，因此衡量水印提取效果的最好手段就是去衡量提取出水印的對比度。基于以上分析，本文提出了一種衡量此種情況下水印提取效果的新標(biāo)準(zhǔn)——水印對比度，其定義如公式⑴所示contrast = (A-B)/M X N (1)其中A代表黑色點(diǎn)的個(gè)數(shù)，B代表白色點(diǎn)的個(gè)數(shù)，MXN表示圖像的大小為MXN個(gè)像素，其取值范圍是[-1，1]，-1表示純白色，1表示純黑色。有了水印對比度，就可以對一幅水印圖片的提取效果進(jìn)行衡量，根據(jù)公式(1)，本文把水印對比度分成兩個(gè)部分水印部分和水印外部分。所以整體的水印對比度可以用公式(2)來計(jì)算。contrast = abs (((AfB1) /M1X N1) - ((A2-B2) /M2 X N2)) (2)其中A1表示水印部分的黑點(diǎn)，B1表示水印部分的白點(diǎn)，M1XN1表示水印部分的大?。籄2表示水印外圍部分的黑點(diǎn)，B2表示水印外圍部分的白點(diǎn)，M2XN2表示水印外圍部分的大小。contrast的取值在
之間，值越大表示反差越大，即效果越好，如圖2所示。
步驟a3 分析水印提取效果a.使用水印對比度對嵌入周期進(jìn)行分析在嵌入水印的過程中線寬D的取值會(huì)對水印的提取效果產(chǎn)生影響，設(shè)構(gòu)造過程中使用的線寬D占周期T的1/m，且因?yàn)镈為正整數(shù)，那么有D = \T!m\，所以有公式(3)的結(jié)論，其中 η < m，k = 1，2，3· · ·
權(quán)利要求
1.一種打印文檔防偽的數(shù)字水印方法，其特征在于該方法整體流程包括水印對比度分析、防掃描/復(fù)印水印層、水印嵌入和水印提取四大部分；水印對比度分析是利用對比度和顏色差這兩個(gè)人眼辨別物體重要因素使用水印對比度來量化水印提取效果；防掃描/復(fù)印水印層是通過對掃描過程進(jìn)行分析，根據(jù)掃描特性來構(gòu)造防掃描/復(fù)印水印層；水印嵌入是在水印對比度分析的基礎(chǔ)，根據(jù)分析結(jié)果選擇合適的嵌入周期和角度，并結(jié)合防掃描/ 復(fù)印水印層構(gòu)造多層防偽水??；最后為水印提取過程；具體如下水印對比度的分析過程如下al.分析影響人類視覺辨認(rèn)物體的因素；a2.提出水印對比度；a3.對水印提取效果進(jìn)行數(shù)學(xué)分析；a4.依據(jù)分析結(jié)果選擇合適的嵌入周期和角度；防掃描/復(fù)印水印層的構(gòu)建過程如下bl.分析掃描過程對圖像的影響b2.根據(jù)掃描特性構(gòu)建防掃描/復(fù)印水印層水印的嵌入過程如下Cl.根據(jù)選擇的嵌入周期和角度構(gòu)建基礎(chǔ)層；c2.選擇某一層作為防掃描/復(fù)印水印層；c3.將水印嵌入基礎(chǔ)層中；c4.構(gòu)建多層水?。籧5.生成相應(yīng)解碼器；水印的提取過程如下dl.使用相應(yīng)的解碼器進(jìn)行水印提??；其中，所述的水印對比度是量化水印提取效果的標(biāo)準(zhǔn)，其定義為contrast = (A-B)/ MX N其中A代表黑色點(diǎn)的個(gè)數(shù)，B代表白色點(diǎn)的個(gè)數(shù)，MX N表示圖像的大小為MX N個(gè)像素， 其取值范圍是[-1，1]，-1表示純白色，1表示純黑色。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種打印文檔防偽的數(shù)字水印方法，其特征在于所述的嵌入周期對水印對比度的影響與線寬相關(guān)，當(dāng)T = mXk+1時(shí)，水印對比度取最大值，其中m為線寬占周期的比例，k是自然數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種打印文檔防偽的數(shù)字水印方法，其特征在于所述的嵌入角度對水印對比度的影響是在嵌入多層時(shí)相互影響，多層嵌入時(shí)各層距離越遠(yuǎn)越好，其距離為tfo = 2扣+/，因此控制其角度差值即可。2
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種打印文檔防偽的數(shù)字水印方法，其特征在于在構(gòu)建多層水印時(shí)，加入了防掃描/復(fù)印水印層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種打印文檔防偽的數(shù)字水印方法，其特征在于由于掃描過程相當(dāng)于一次低通濾波，所以構(gòu)建防掃描/復(fù)印水印層使用一種數(shù)字結(jié)構(gòu)的水印。
全文摘要
一種打印文檔防偽的數(shù)字水印方法，是一種多層水印，用于打印文檔的防偽，起到對打印文檔的保護(hù)。本方法包括多層水印和防掃描/復(fù)印水印層兩方面，多層水印是首先利用影響人類視覺辨認(rèn)物體的因素主要有對比度和顏色差這兩個(gè)因素，然后結(jié)合本方法的使用場景提出水印對比度的概念，并進(jìn)一步通過水印對比度衡量影響水印提取效果的因素，最后綜合分析結(jié)果設(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)造多層水?。环罀呙?復(fù)印水印層首先通過對掃描過程的分析，總結(jié)掃描的特性，然后設(shè)計(jì)出一層對掃描/復(fù)印比較脆弱的水印層，以達(dá)到對掃描/復(fù)印的防偽。結(jié)合多層水印和防掃描/復(fù)印水印層構(gòu)成最終的多層水印。
文檔編號G06T1/00GK102368328SQ20111027676
公開日2012年3月7日 申請日期2011年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月19日
發(fā)明者劉永波, 熊璋, 范圍, 陳真勇 申請人:北京航空航天大學(xué)