基于光學(xué)微結(jié)構(gòu)的防復(fù)印圖像水印方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種檢測復(fù)印件和原件的方法，從而達(dá)到防復(fù)印的目的，其基本原理是將經(jīng)過編碼和加密后的水印信息嵌入到載體直線上，再結(jié)合光學(xué)上的折射理論設(shè)計(jì)光學(xué)微結(jié)構(gòu)并將其印刷到紙介質(zhì)上，用以校正嵌入水印造成的載體失真。而在檢測階段則采用四步相移技術(shù)對待檢測材料成像，再經(jīng)過水印提取算法提取水印信息。該方法包括水印嵌入和提取兩個(gè)過程，包括步驟：水印形式和載體形式選擇；水印編碼和加密；水印嵌入到載體；光學(xué)微結(jié)構(gòu)修復(fù)失真；四步相移技術(shù)成像；水印提取算法提取水印。本技術(shù)可以有效的區(qū)分原件和復(fù)印件，并且有較好的魯棒性，可用于票據(jù)、文檔等重要材料的防偽中。
【專利說明】基于光學(xué)微結(jié)構(gòu)的防復(fù)印圖像水印方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于通信與信息系統(tǒng)領(lǐng)域，涉及信息理論與編碼、圖像處理和材料光學(xué)等技術(shù)，特別涉及數(shù)字圖像水印技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著高清掃描和打印設(shè)備的快速發(fā)展，通過復(fù)印的方式對紙質(zhì)材料進(jìn)行非授權(quán)復(fù)制和翻錄現(xiàn)象日益嚴(yán)重，嚴(yán)重侵犯了材料所有者的利益。甚至有些不法分子將這種手法用于復(fù)印票據(jù)、證書、證件等，嚴(yán)重?cái)_亂了社會秩序，給國家和人民財(cái)產(chǎn)造成了損失。數(shù)字水印正是在這種環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生。它可以用于作品的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，票據(jù)防偽，真?zhèn)舞b別，文件篡改提示等等。本發(fā)明主要為了應(yīng)對通過對紙質(zhì)材料的非法復(fù)印以達(dá)到以假亂真的目的的非法行為。
[0003]國內(nèi)外從上世紀(jì)70年代后期就開始了對紙張防復(fù)印技術(shù)的研究，已經(jīng)取得了一定的研究成果，其中最具代表性的方法可分為三類:基于紙張的防復(fù)印技術(shù)、基于隱形圖文的防復(fù)印技術(shù)、基于特殊油墨的防復(fù)印技術(shù)。
[0004]基于紙張的防復(fù)印技術(shù):掃描儀或復(fù)印機(jī)的原理是用強(qiáng)光照射紙介質(zhì)，沒有被紙介質(zhì)吸收的光線將被反射到光學(xué)感應(yīng)器上。儀器接收到這些信號后，將其轉(zhuǎn)換成可以顯示的圖像，從而達(dá)到掃描復(fù)制的目的。基于紙張的防復(fù)印技術(shù)主要思想是通過在紙介質(zhì)中添加特殊物質(zhì)，當(dāng)其被掃描儀的強(qiáng)光照射時(shí)會出現(xiàn)模糊或者變色的情況，從而達(dá)到防復(fù)印的目的。這種技術(shù)雖然可以有效的防止復(fù)印，但缺點(diǎn)是影響閱讀效果，而且其在抗潮濕耐高溫性方面較差。
[0005]基于隱形圖文的防復(fù)印技術(shù):該技術(shù)的主要思想是將要印制于紙質(zhì)介質(zhì)上的信息與各種圖像混雜、交疊在一起印刷，使之不可被閱讀機(jī)直接讀取也不可被肉眼直接看見。印刷后，通過設(shè)計(jì)的一種識別片，可以達(dá)到被閱讀機(jī)識別、用肉眼可見但是彩色復(fù)印機(jī)仍不可復(fù)印的效果。這種設(shè)計(jì)雖然也達(dá)到了防復(fù)印的目的，但是不利于日常使用，人們不可能接受每次讀書看報(bào)都要通過一個(gè)識別片，這樣操作太麻煩了。
[0006]基于特殊油墨的防復(fù)印技術(shù):這種技術(shù)的思想是在油墨中加入一些特殊物質(zhì)，一般這種物質(zhì)具有一些特性，比如熱敏性、光敏性、磁性。經(jīng)過特殊的工藝加工成有防復(fù)印功能的特殊油墨。
[0007]以上介紹的三種方法都可以實(shí)現(xiàn)紙介質(zhì)材料的防復(fù)印，但都是通過改變紙介質(zhì)或油墨的屬性，而在防偽檢測中，經(jīng)常要用到這些屬性，所以雖然達(dá)到了防復(fù)印的目的，但卻很難做到快速批量檢測紙介質(zhì)材料的真?zhèn)巍?br> [0008]本發(fā)明從隱形圖案和介質(zhì)材料的角度，提出一種在紙質(zhì)材料中嵌入和提取水印的方法，從而達(dá)到防偽的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的主要目的是提供一種檢測復(fù)印件和原件的方法，從而達(dá)到防復(fù)印的目的。主要原理是將水印信息嵌入到圖形載體上，然后印刷到紙介質(zhì)上。在嵌入水印時(shí)會造成載體的失真，反映到載體圖形上就是產(chǎn)生彎曲形變。為了彌補(bǔ)失真，我們采取的策略是在形變處添加特殊的光學(xué)材料，這種材料可以將光線折射，根據(jù)失真的大小，計(jì)算材料的參數(shù)，然后設(shè)計(jì)出這種材料將其覆蓋到形變處，從而修復(fù)失真，使其看上去并沒有發(fā)生變化。根據(jù)掃描儀的原理，它的掃描得到的結(jié)果是經(jīng)過光學(xué)微結(jié)構(gòu)校正后的，沒有失真的載體，因此是不包含任何的水印信息的。水印檢測階段，采用四步相移數(shù)字全息技術(shù)重建圖像。這種技術(shù)的特點(diǎn)是光線可以穿透覆蓋在失真處的光學(xué)微結(jié)構(gòu)，得到被覆蓋處的真實(shí)圖像，也就是含有水印的載體的圖像。經(jīng)過識別算法，就可以識別出嵌入到載體中的水印信息。而對于復(fù)印的材料，因?yàn)閺?fù)印的結(jié)果是不含任何水印信息的，所以不能識別，從而達(dá)到區(qū)分原件和復(fù)印件的目的，整體流程圖如圖1所示。
[0010]本發(fā)明提出水印嵌入和檢測可以實(shí)現(xiàn)防復(fù)印的目的，整個(gè)發(fā)明可分為三個(gè)功能模塊，具體如下:
[0011]1.水印信息的嵌入
[0012]這一模塊主要完成在載體中嵌入水印信息。本發(fā)明中選擇的載體是直線，可以是一條或多條直線，具體根據(jù)嵌入水印信息的長度選擇。要嵌入的水印信息是0、1序列。當(dāng)然如果需要嵌入字母等水印，可以先根據(jù)字母的ASCALL碼將其轉(zhuǎn)換成O、I序列然后進(jìn)行嵌入。為了提高水印識別的精度，我們采用了對0、1序列進(jìn)行重復(fù)編碼，雖然增加了信息冗余，但提高了識別的準(zhǔn)確率。而為了保證信息的安全性，我們對重復(fù)編碼后的0、1序列進(jìn)行了 arnold置亂，使得水印信息雜亂無章，毫無規(guī)律。經(jīng)過置亂的O、I序列就是最終要嵌入載體直線的水印信息。嵌入策略是根據(jù)水印O或者I修改直線上一些像素的位置，使之形成凸起或凹陷，以達(dá)到保存信息的目的。最終形成的直線上就會有許多的凸起或凹陷，將這些直線印刷在紙質(zhì)材料上就完成了水印信息的嵌入。
[0013]2.光學(xué)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及CXD成像
[0014]第一個(gè)模塊將水印信息嵌入到了載體直線中，造成了載體直線的失真，也就是產(chǎn)生了凹凸，為了校正這些失真，設(shè)計(jì)了一種光學(xué)微結(jié)構(gòu)，將它覆蓋到凹凸處，由于其對光線有較大的折射率，因此在掃描儀和肉眼看上去，并沒有形變產(chǎn)生，從而達(dá)到隱藏信息的目的。為了在檢測階段能夠讀取到光學(xué)微結(jié)構(gòu)下的真實(shí)水印信息，CCD成像時(shí)采用了光學(xué)中的四步相移數(shù)字全息技術(shù)。四步相移數(shù)字全息技術(shù)是光學(xué)中廣泛采用的精確可靠的檢測方法。它是基于光的干涉，因此雖然有光學(xué)微結(jié)構(gòu)覆蓋，它仍然可以穿透光學(xué)微結(jié)構(gòu)而讀取到覆蓋在其下的真實(shí)的水印信息。
[0015]3.水印的檢測
[0016]經(jīng)過CXD成像后，就得到了含有水印信息的載體的圖像。這一模塊要完成的任務(wù)是從圖像中提取原始的水印信息。因?yàn)橛∷⒃诩埥橘|(zhì)上的水印圖片可能遭到各種噪聲的污染，比如椒鹽噪聲，高斯噪聲等等，所以在識別前需要對圖像進(jìn)行去噪處理。本發(fā)明設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)也模擬了椒鹽噪聲，高斯噪聲，高斯濾波的攻擊。經(jīng)過預(yù)處理后得到了含有少量噪聲的圖像，考慮到在CCD成像過程中，紙質(zhì)材料相對于成像平面有傾斜的情況，此處對圖像進(jìn)行傾斜校正。具體做法是識別圖像中的載體直線，根據(jù)直線的傾斜角度，旋轉(zhuǎn)圖片從而消除傾斜對后續(xù)識別的影響。下一步就是從圖片中識別載體，進(jìn)一步提取出嵌入載體的水印信息，具體的識別算法下文會講到?！緦＠綀D】

【附圖說明】[0017]圖1為系統(tǒng)整體流程圖。[0018]圖2為有無光學(xué)微結(jié)構(gòu)的掃描光路圖。[0019]圖3為微結(jié)構(gòu)底邊長度與微結(jié)構(gòu)高度的關(guān)系圖。[0020]圖4為四步相移基本光路圖。[0021]圖5為原始隱藏水印信息圖。[0022]圖6為不同相移下的干涉圖。[0023]圖7為四步相移技術(shù)恢復(fù)出的水印信息。[0024]圖8為Hough變換圖。[0025]圖9為不同的旋轉(zhuǎn)形式圖?！揪唧w實(shí)施方式】[0026]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明所提供的方法中涉及的各個(gè)細(xì)節(jié)問題。[0027]1.水印信息的嵌入[0028]本發(fā)明提供的水印信息嵌入的具體實(shí)施方案如下:[0029](I)載體形式選擇和水印形式選擇:本發(fā)明提供的載體形式有三種，分別是一條
載體直線、兩條載體直線、三條載體直線。提供的水印的形式也有三種，分別是基于凹凸差異性方案、基于凸起高度差異性方案、基于圖案自身特性的方案(長度)。三種水印形式各有優(yōu)缺點(diǎn)。對于凹凸差異性方案，水印O和水印I區(qū)分最明顯，因此識別精度也最高?；谕蛊鸶叨炔町愋苑桨?，識別精度沒有第一種高，而且要設(shè)計(jì)多種光學(xué)微結(jié)構(gòu)，但是它可以用于水印載體一側(cè)有較大噪聲影響的情況，因?yàn)樗贿x擇水印載體的一側(cè)進(jìn)行嵌入?；趫D案自身特性的方案(長度)，它具有和第二種方案相同的優(yōu)點(diǎn)，但是它對于噪聲比較敏感，因?yàn)楸硎舅的圖案寬度寬，如果受到較強(qiáng)噪聲影響，可能會將其分成多個(gè)較短的圖案，造成識別錯(cuò)誤，因此精度沒有第一種高?？梢愿鶕?jù)實(shí)際情況選擇這三種水印形式中的一種。
[0030](2)水印重復(fù)編碼和arnold置亂:得到用戶輸入的O、I水印序列后，為了保證水印信息有一定的糾檢錯(cuò)能力，也為了保證水印有保密性，我們對原始水印序列進(jìn)行了重復(fù)編碼和arnold置亂。重復(fù)編碼就是把原始水印中的O或I用多個(gè)O或I (3個(gè)或5個(gè))表示，比如010經(jīng)過編碼后變成000111000 (重復(fù)三次)。經(jīng)過重復(fù)編碼后的水印信息直接看上去有一定的規(guī)律性，因此需要對其進(jìn)行arnold置亂。arnold變換是一種常用的圖像置亂技術(shù)，其變換的對象是N*N的矩陣，因此在對水印序列置亂前，需要將它變成N*N的矩陣，少的元素用0、1交替補(bǔ)上。arnold變換后新下標(biāo)為i' = (i+j)mod N, j' = (i+2j)mod N,i，j為原坐標(biāo)。arnold置亂有周期性，即經(jīng)過若干次變換后，矩陣回到最初狀態(tài)，不同的階數(shù)N對應(yīng)一個(gè)周期Tn。因此在置亂階段對原水印信息置亂X次，則經(jīng)過Tn-X次就可以恢復(fù)。X可以當(dāng)做arnold置亂的密鑰保存，用于識別后的解碼操作。
[0031](3)將水印嵌入到載體中:這一步將預(yù)處理過后的水印序列按照選擇的水印形式和載體形式嵌入到載體直線中。依次讀取水印序列中的一位，根據(jù)水印形式及水印參數(shù)，修改直線上一段像素的位置，形成凸起或凹陷。將所有的水印信息都嵌入載體后，這一模塊就完成了。[0032]根據(jù)上述描述，本發(fā)明中水印嵌入模塊水印可以選擇多種載體和水印形式，并且對水印進(jìn)行了編碼和置亂操作，提高了水印的健壯性和安全性。
[0033]2.光學(xué)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及CXD成像
[0034]I)利用光學(xué)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行水印隱藏
[0035]這一步中，為了隱藏信息，設(shè)計(jì)了一種光學(xué)微結(jié)構(gòu)，將其覆蓋到嵌入水印的位置。經(jīng)光學(xué)微結(jié)構(gòu)隱藏后的水印信息，即使用高清掃描儀進(jìn)行掃描，仍然無法讀出被隱藏的水印信息。如圖2，對無微結(jié)構(gòu)的圖像進(jìn)行掃描，掃描光路為簡單的反射光路，掃描后的圖像與掃描前的圖像不會發(fā)生變化。當(dāng)掃描圖像中含有特定的微結(jié)構(gòu)時(shí)，掃描光路變?yōu)檎凵涔饴?，使得紅色區(qū)域的成像位置發(fā)生偏移，與藍(lán)色區(qū)域重合。下面推導(dǎo)光學(xué)微結(jié)構(gòu)的參數(shù)。
[0036]設(shè)光學(xué)微結(jié)構(gòu)的厚度為h，折射率為η。對圖像掃描的過程中，待加工的水印經(jīng)掃描儀照明系統(tǒng)照明后，可看成一個(gè)普通的發(fā)光物體。物體上一點(diǎn)發(fā)出光線以角度β入射到玻璃薄膜表面上，之后以折射角為Y出射，經(jīng)掃描系統(tǒng)后成像。掃描儀拍到的像由于微結(jié)構(gòu)的折射作用，發(fā)生了位移量為Λ的平移，與藍(lán)色區(qū)域重合在一條線上。
[0037]由圖2所示，入射角為β，折射角Y，根據(jù)折射定律有:
[0038]nsin β =sin Y (I)
[0039]其中
【權(quán)利要求】
1.一種基于光學(xué)微結(jié)構(gòu)的防復(fù)印圖像水印方法，其技術(shù)要點(diǎn)是:采用直線作為水印載體，用O，I序列作為嵌入的水印信息，選擇不同的水印形式將經(jīng)過編碼和加密的水印信息嵌入到載體直線上形成凹凸，以保存信息。利用設(shè)計(jì)的一種光學(xué)微結(jié)構(gòu)覆蓋到嵌入水印的地方，修復(fù)這些凹凸失真使掃描儀不能掃描到水印信息，達(dá)到隱藏水印的目的。最后經(jīng)過四步相移技術(shù)成像和水印提取算法提取載體直線中的水印信息。實(shí)現(xiàn)水印的嵌入的具體步驟是: (1)載體形式選擇和水印形式選擇:本發(fā)明提供的載體形式有三種，分別是一條載體直線、兩條載體直線、三條載體直線。提供的水印的形式也有三種，分別是基于凹凸差異性方案、基于凸起高度差異性方案、基于圖案自身特性的方案(長度)。可以根據(jù)實(shí)際情況選擇這三種水印形式中的一種。 (2)水印重復(fù)編碼和置亂:得到用戶輸入的0、1水印序列后，為了保證水印信息有一定的糾檢錯(cuò)能力，也為了保證水印有保密性，對原始水印序列進(jìn)行了重復(fù)編碼和置亂。 (3)將水印嵌入到載體中:將預(yù)處理過后的水印序列按照選擇的水印形式和載體形式嵌入到載體直線中。依次讀取水印序列中的一位，根據(jù)水印形式及水印參數(shù)，修改直線上一段像素的位置，形成凸起或凹陷。將所有的水印信息都嵌入載體后，完成水印的嵌入。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)微結(jié)構(gòu)的防復(fù)印圖像水印方法，其特征是光學(xué)微結(jié)構(gòu)具有較大的折射率，使通過它的光線發(fā)生折射，用以修復(fù)嵌入水印造成的圖像失真。設(shè)計(jì)如下:從側(cè)面看光學(xué)微結(jié)構(gòu)為直角三角形，一個(gè)直角邊h與介質(zhì)面垂直，與斜邊夾角為Θ，折射率為η。光線由底直角邊I射入，由斜邊射出要產(chǎn)生Λ的平移。設(shè)Itl為需要的移動線條的寬度，根據(jù)水印嵌入位置失真的大小△，計(jì)算光學(xué)微結(jié)構(gòu)的參數(shù)如下: 微結(jié)構(gòu)底邊長度I根據(jù)式(I)確定為:


3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)微結(jié)構(gòu)的防復(fù)印圖像水印方法，其特征是利用四步相移技術(shù)檢測被隱藏的水印信息。設(shè)參考光為R(x，y)，物光為0(x,y)。其中相移器(PhaseShifter)由計(jì)算機(jī)控制給參考光加入不同的相位延遲，采用值k =。不同相移值下，由CCD記錄相應(yīng)的全息圖，分別為:

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)微結(jié)構(gòu)的防復(fù)印圖像水印方法，其特征是實(shí)現(xiàn)水印信息的提取具體步驟是: (1)對含有水印的圖像去噪處理:在采用CCD成像得到含水印的圖像過程中，由于儀器自身存在的噪聲以及紙介質(zhì)本身可能遭到污染等，圖像含有很多的噪聲，采用高斯濾波和中值濾波課有效的去除這些噪聲。除此而外成像過程中，可能存在傾斜，所以采用Hough直線識別，識別出載體直線的傾斜角Θ，對圖像旋轉(zhuǎn)-Θ角。達(dá)到傾斜校正的目的，提高識別水印的精度。 (2)水印嵌入位置的識別以及水印區(qū)域的切割:嵌入水印的載體可以是多條直線，必須識別出每個(gè)載體所在的位置，繼而切分出每個(gè)載體，對其運(yùn)用識別算法以提取出水印。采取的主要策略是對圖像進(jìn)行投影操作，達(dá)到一定閾值的識別為載體。 (3)水印信息提取:水印圖像在經(jīng)過噪聲攻擊和去噪后，載體直線可能變得不再規(guī)整了，存在鋸齒狀，對于后續(xù)的識別過程及識別精度帶來影響。因此，在識別前，先對直線的寬度進(jìn)行歸一化。即就是先掃描整條直線，統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)次數(shù)最多的寬度，將其識別為直線的寬度W,然后重新掃描整條直線，寬度不為W的,根據(jù)其左右像素點(diǎn)分布情況,將其寬度調(diào)整為W。接下來根據(jù)選定的水印嵌入類型，掃描水印所在的像素帶，統(tǒng)計(jì)出每位水印的長度。水印長度確定后，用其做為閾值重新掃描，大于這個(gè)長度的就識別為水印的一位，然后根據(jù)嵌入時(shí)不同策略的差異，確定是水印O還是水印1，將每一位識別結(jié)果連起來經(jīng)過反置亂，水印解碼得到原始的水印信息， 完成整個(gè)識別過程。
【文檔編號】G06T1/00GK103606127SQ201310633528
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】肖俊, 李登宇, 李拓, 史祎詩, 王雅麗 申請人:中國科學(xué)院大學(xué)