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数字水印技术与图文防伪领域将大有作为

2021-07-23 来源:天水农业机械网

数字水印技术与图文防伪领域将大有作为

编者按:近年来,随着数字技术和计算机网络技术的迅速发展,越来越多的数字信息,包括文字、图像、视频等得以广泛传播。由于数字媒体易于存储、复制和传播,使得大量数字媒体在以合法形式进行传播的同时,经常遭遇非法复制与传播。而一些传统加密技术在数据传输中又不能有效地防止伪造及侵权行为,在这种形势下,作为传统加密技术的有效补充,数字水印技术应运而生。

本文主要介绍应用数字水印解决印刷图文数据防伪的技术。

数字水印技术档案

1、数字水印技术分类

1)以检测方法分类

根据检测水印是否需要原始图像,可将数字水印技术分为私有水印技术(Private Watermarking)、半私有水印技术(Semiprivate Watermarking)和公开水印技术(Public Watermarking或Blind Watermarking)。私有水印技术是指检测水印时需要原作品,因此,在数据跟踪与监控或视频水印等情况下,要获得原始图像是不现实的,因此这种技术的应用有限。半私有水印技术是指检测水印时不需要原作品,且水印是随机序列,这种水印技术是根据假设检验理论来判断水印是否存在,但不能判断水印是什么。公开水印技术是指提取水印时不需要原作品,且水印是一个有意义的图案或文字,这种水印技术实用性很强,是今后的重点研究方向。目前大多数水印技术为前两种类型。

2)以数字水印的加载方法分类

根据数字水印加载方法的不同,可将数字水印分为空间域数字水印和变换域数字水印两大类。

所谓空间域数字水印,即将数字水印直接加载在数据上, 即图像的像素值上,典型方法有最低有效位方法(LSB)和Patchwork法。前一种方法具有算法简单、容易实现等优点,缺点是嵌入的数字信息比较脆弱,无法经受常见的数字信号处理;Patchwork法是一种基于统计的数据水印嵌入方案.具有不易察觉性,并且对于有损压缩编码(JPEG)和一些恶意攻击具有一定的抵抗力。

变换域数字水印是先将图像进行正交变换,在变换域内嵌入水印,再经过反变换而成为含水印的图像。在基于图像全部变换的数字水印力法中,明确提出加载于图像的视觉敏感部分的数字水印才有较强的稳定性。而且基于变换域的技术可以嵌入大量信息而不会轻易被发现。这类技术一般基于常用的图像变换,基于局部或是全部变换,这些变换包括基于奇异值分解变换(SVD)、离散余弦变换(DCT)、小波变换(DWT)、付氏变换(FT或FFT)及哈达马变换等。其中,基于分块酌DCT是最常用的变换之一,现在国际上所采用的静止图像压缩标准JEPG也是基于分块DCT的变换。

2、数字水印技术的发展

数字水印是数字信号处理、图像处理,密码学应用、通信理论、算法设计等学科的交叉领域,是国际学术界的研究热点之一。目前,国际上数字水印技术已可提供以下服务:有关水印的信息指南,链接数字水印主页、下载文章、下载软件、水印图像数字、水印数字视频、水印数字音频等。并已开发出有关数字水印及信息隐藏方面的商业软件,有一些软件和源代码可免费获得。

在国内,从有关数字水印方面的文献来看,尚无数字水印或信息隐藏的商业软件,虽然一些单位已开发出实验软件或演示软件,但从理论和研究成果两方面来看,国内在数字水印方面的研究工作还处于起步阶段。

将数字水印技术应用于印刷图文防伪还只是一种尝试性研究,它的成熟有待于今后不断的开拓与探讨。

3、提取数字水印用相关设备

采用以上方法提取数字水印所用仪器比较简单,只需要彩色打印机、扫描仪及计算机。打印机和扫描仪可采用中档产品,计算机的配置应为:内存32MB以上,显存16MB以上,CPU赛扬300以上,以保证数字水印的顺利提取。

数字水印对印刷图文的保护

1、印刷工艺对图像处理的特殊性

1)处理对象

印刷行业对图像处理有许多特殊性.印前处理面对的是大量的彩色图文信息,同时还要考虑印刷工艺所能复制的图像层次及密度范围,并要求图像处理过程中层次与色彩的损失尽可能小。

2)表现方法

显示器是采用“一对一”的映射方式显示图像,每个发光点可取代与像素值相应的数字,图像的像素与显示器的显示点呈现“一一对应”关系。而印刷机(包括数字印刷机和不同类型的打印机)是典型的单值设备。在一个固定位置(像素点)上只能以”有”或“无”两种状态存在。

这种以大小不同的印刷网点来模拟连续调原稿的印刷方式,从微观角度看,图像是不连续的,而且印刷图像中的每个网点又需要用一系列按某一规则排列的、更小的像素组成,即数字图像中的1个像素需要用有限个设备像素来组成。因此,为了忠实再现原稿,印刷数字图像需要具有较高的分辨率。

2、扫描、打印过程对隐藏信息的影响

1)扫描过程的图文失真

目前市场上的扫描仪都不同程度地存在一些缺陷,如扫描后,整体反差失真、偏色、有龟纹、聚焦不准等。此外,扫描仪的质量还取决于扫描仪中传感器的性能、A/D转换器与传感器对输出电压的采样能力及扫描分辨率,这些因素对输出图像的质量都有很大的影响:扫描仪分辨率决定扫描仪在每英寸图像上的采样点数,对给定的一幅图像,扫描分辨率应适当,分辨率过低会导致图像细节丢失,而且可能使扫描输入的图像出现混叠和麻点;过高的分辨率不但对输出图像帮助不大,反而会使图像的像素成几何级数增加。从扫描的整个过程看,除了仪器的质量因素外,人为因素也很重要,如图像原稿在扫描平板上的放置位置有偏斜,则经扫描得到的图像就相当于经过了旋转、缩放和剪切(或平移)这一系列几何变换,成为含有扫描噪声的失真版本,会破坏数字水印的效果。因此,不当的图像扫描对信息隐含是很不利的。

2)打印过程的图像失真

数字图像可由激光打印机或喷墨打印机输出。激光打印机属于点阵打印机,加网方法多为抖动法,利用图像具有的纹理.局部纹理和像素灰度值具有相近性,而人眼视觉系统又具有空间低通性的特点,通过计算形成网点,用一组打印点代表相同个数的一组像素,并通过这组打印点表现这些像素的整体灰度效果。但抖动法输出的图像在局部细节上往往有一定的失真,在图像上偶尔会出现高频抖动的纹理。另一方面,由网点形状.激光束的形式。纸张的表面特性,如光滑度等因素造成的网点变化(增大与减小)也常会导致输出图文变得模糊。

3、隐含印刷图文信息的基本技术

为了隐含信息,必须解决图像扫描前后信息的丢失问题。即如何控制扫描和打印操作中的各种因素。其中的人为因素,如扫描分辨率的选择、仪器的配置等,只要操作认真,即可以避免出现问题。而对于非人为因素,如D/A过程中数字图像的网目调处理等,就必须进行算法设计。算法设计是根据水印的不可感知性、可靠性和鲁棒性这3个要求进行的。任何一种算法都不可能抵抗各种攻击,只能对其中一种或几种攻击鲁棒性较强,这是由数字水印的特性决定的。因为水印的鲁棒性和不可见性本身就是一对矛盾,鲁棒性要求加入的信息量和信息强度大,然而,如果加入的信息量过大又势必影响水印的不可见性,因此只能取一个折中。

针对印刷品防伪问题的特殊性,可以采取两种办法来提高算法的鲁棒性。

1)图像的色彩空间转换

众所周知,显示器、扫描仪所采用的是加色三原色RGB色彩空间,而印刷及打印成像采用的是减色三原色CMY(CMYK)色彩空间,这就造成了不同彩色设备的成色原理不同。如果直接进行A/D或D/A转换肯定会丢失大量信息。因此,在进行A/D或D/A转换前必须先进行色彩空间转换。目前常用的色彩空间中,有计算机图形学中的色彩空间RGB、CMY、HIS(HLS、HSB)等.还有视频色彩空间YUV、YIO、YCrCb、CIELuv等,其中只有基于CIE的色彩空间是独立于设备的。由于CIELab色彩模式与YUV色彩空间类似,且均是用亮度和色差来描述色彩成分,因此它是目前惟一既能直观感觉,又能用于参数描述的色彩空间,可以客观准确地描述、传递、管理与复制色彩。

2)建立视觉门限模型

利用小波的优良性能——能够较好地匹配HVS的特性,建立视觉门限模型,定义视觉掩盖函数,在图像的数字水印实施过程中,使得每个小波系数所加的幅值不超过此系数所能掩盖的失真。在嵌入水印以前,首先利用二维离散小波变换将宿主图像进行小波分解,得到不同空间,不同频率的子带图像,即对宿主图像进行4级小波分解,得到分别代表低频子带和水平、垂直、对角方向的高频子带图像LL、HL、LH、HH。而水印的嵌入点则应该结合人类视觉系统(HVS)的照度掩蔽特性和纹理掩蔽特性进行恰当选择。

数字水印的技术方向

由于数字水印技术是近几年兴起的一个前沿学科,涉及到许多学科领域的技术和理论,发展历史较短,因此,在应用中还有一些问题需要继续探讨。

1)算法分析

通过对现有数字水印算法的鲁棒性、安全性、抗攻击性等特性的研究,结合数字信号处理技术、HVS或HAS的特点,寻找出它们之间的关系,从而发现更好的数字水印技术。

2)具有特征的数字水印技术

因为基于统计特征的数字水印

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