基于光学微结构的防复印图像水印方法
【专利摘要】本发明提供一种检测复印件和原件的方法，从而达到防复印的目的，其基本原理是将经过编码和加密后的水印信息嵌入到载体直线上，再结合光学上的折射理论设计光学微结构并将其印刷到纸介质上，用以校正嵌入水印造成的载体失真。而在检测阶段则采用四步相移技术对待检测材料成像，再经过水印提取算法提取水印信息。该方法包括水印嵌入和提取两个过程，包括步骤：水印形式和载体形式选择；水印编码和加密；水印嵌入到载体；光学微结构修复失真；四步相移技术成像；水印提取算法提取水印。本技术可以有效的区分原件和复印件，并且有较好的鲁棒性，可用于票据、文档等重要材料的防伪中。
【专利说明】基于光学微结构的防复印图像水印方法
【技术领域】
[0001]本发明属于通信与信息系统领域，涉及信息理论与编码、图像处理和材料光学等技术，特别涉及数字图像水印技术。
【背景技术】
[0002]随着高清扫描和打印设备的快速发展，通过复印的方式对纸质材料进行非授权复制和翻录现象日益严重，严重侵犯了材料所有者的利益。甚至有些不法分子将这种手法用于复印票据、证书、证件等，严重扰乱了社会秩序，给国家和人民财产造成了损失。数字水印正是在这种环境下应运而生。它可以用于作品的知识产权保护，票据防伪，真伪鉴别，文件篡改提示等等。本发明主要为了应对通过对纸质材料的非法复印以达到以假乱真的目的的非法行为。
[0003]国内外从上世纪70年代后期就开始了对纸张防复印技术的研究，已经取得了一定的研究成果，其中最具代表性的方法可分为三类:基于纸张的防复印技术、基于隐形图文的防复印技术、基于特殊油墨的防复印技术。
[0004]基于纸张的防复印技术:扫描仪或复印机的原理是用强光照射纸介质，没有被纸介质吸收的光线将被反射到光学感应器上。仪器接收到这些信号后，将其转换成可以显示的图像，从而达到扫描复制的目的。基于纸张的防复印技术主要思想是通过在纸介质中添加特殊物质，当其被扫描仪的强光照射时会出现模糊或者变色的情况，从而达到防复印的目的。这种技术虽然可以有效的防止复印，但缺点是影响阅读效果，而且其在抗潮湿耐高温性方面较差。
[0005]基于隐形图文的防复印技术:该技术的主要思想是将要印制于纸质介质上的信息与各种图像混杂、交叠在一起印刷，使之不可被阅读机直接读取也不可被肉眼直接看见。印刷后，通过设计的一种识别片，可以达到被阅读机识别、用肉眼可见但是彩色复印机仍不可复印的效果。这种设计虽然也达到了防复印的目的，但是不利于日常使用，人们不可能接受每次读书看报都要通过一个识别片，这样操作太麻烦了。
[0006]基于特殊油墨的防复印技术:这种技术的思想是在油墨中加入一些特殊物质，一般这种物质具有一些特性，比如热敏性、光敏性、磁性。经过特殊的工艺加工成有防复印功能的特殊油墨。
[0007]以上介绍的三种方法都可以实现纸介质材料的防复印，但都是通过改变纸介质或油墨的属性，而在防伪检测中，经常要用到这些属性，所以虽然达到了防复印的目的，但却很难做到快速批量检测纸介质材料的真伪。
[0008]本发明从隐形图案和介质材料的角度，提出一种在纸质材料中嵌入和提取水印的方法，从而达到防伪的目的。
【发明内容】
[0009]本发明的主要目的是提供一种检测复印件和原件的方法，从而达到防复印的目的。主要原理是将水印信息嵌入到图形载体上，然后印刷到纸介质上。在嵌入水印时会造成载体的失真，反映到载体图形上就是产生弯曲形变。为了弥补失真，我们采取的策略是在形变处添加特殊的光学材料，这种材料可以将光线折射，根据失真的大小，计算材料的参数，然后设计出这种材料将其覆盖到形变处，从而修复失真，使其看上去并没有发生变化。根据扫描仪的原理，它的扫描得到的结果是经过光学微结构校正后的，没有失真的载体，因此是不包含任何的水印信息的。水印检测阶段，采用四步相移数字全息技术重建图像。这种技术的特点是光线可以穿透覆盖在失真处的光学微结构，得到被覆盖处的真实图像，也就是含有水印的载体的图像。经过识别算法，就可以识别出嵌入到载体中的水印信息。而对于复印的材料，因为复印的结果是不含任何水印信息的，所以不能识别，从而达到区分原件和复印件的目的，整体流程图如图1所示。
[0010]本发明提出水印嵌入和检测可以实现防复印的目的，整个发明可分为三个功能模块，具体如下:
[0011]1.水印信息的嵌入
[0012]这一模块主要完成在载体中嵌入水印信息。本发明中选择的载体是直线，可以是一条或多条直线，具体根据嵌入水印信息的长度选择。要嵌入的水印信息是0、1序列。当然如果需要嵌入字母等水印，可以先根据字母的ASCALL码将其转换成O、I序列然后进行嵌入。为了提高水印识别的精度，我们采用了对0、1序列进行重复编码，虽然增加了信息冗余，但提高了识别的准确率。而为了保证信息的安全性，我们对重复编码后的0、1序列进行了 arnold置乱，使得水印信息杂乱无章，毫无规律。经过置乱的O、I序列就是最终要嵌入载体直线的水印信息。嵌入策略是根据水印O或者I修改直线上一些像素的位置，使之形成凸起或凹陷，以达到保存信息的目的。最终形成的直线上就会有许多的凸起或凹陷，将这些直线印刷在纸质材料上就完成了水印信息的嵌入。
[0013]2.光学微结构的设计及CXD成像
[0014]第一个模块将水印信息嵌入到了载体直线中，造成了载体直线的失真，也就是产生了凹凸，为了校正这些失真，设计了一种光学微结构，将它覆盖到凹凸处，由于其对光线有较大的折射率，因此在扫描仪和肉眼看上去，并没有形变产生，从而达到隐藏信息的目的。为了在检测阶段能够读取到光学微结构下的真实水印信息，CCD成像时采用了光学中的四步相移数字全息技术。四步相移数字全息技术是光学中广泛采用的精确可靠的检测方法。它是基于光的干涉，因此虽然有光学微结构覆盖，它仍然可以穿透光学微结构而读取到覆盖在其下的真实的水印信息。
[0015]3.水印的检测
[0016]经过CXD成像后，就得到了含有水印信息的载体的图像。这一模块要完成的任务是从图像中提取原始的水印信息。因为印刷在纸介质上的水印图片可能遭到各种噪声的污染，比如椒盐噪声，高斯噪声等等，所以在识别前需要对图像进行去噪处理。本发明设计的仿真系统也模拟了椒盐噪声，高斯噪声，高斯滤波的攻击。经过预处理后得到了含有少量噪声的图像，考虑到在CCD成像过程中，纸质材料相对于成像平面有倾斜的情况，此处对图像进行倾斜校正。具体做法是识别图像中的载体直线，根据直线的倾斜角度，旋转图片从而消除倾斜对后续识别的影响。下一步就是从图片中识别载体，进一步提取出嵌入载体的水印信息，具体的识别算法下文会讲到。【专利附图】
【附图说明】[0017]图1为系统整体流程图。[0018]图2为有无光学微结构的扫描光路图。[0019]图3为微结构底边长度与微结构高度的关系图。[0020]图4为四步相移基本光路图。[0021]图5为原始隐藏水印信息图。[0022]图6为不同相移下的干涉图。[0023]图7为四步相移技术恢复出的水印信息。[0024]图8为Hough变换图。[0025]图9为不同的旋转形式图。【具体实施方式】[0026]下面结合附图详细说明本发明所提供的方法中涉及的各个细节问题。[0027]1.水印信息的嵌入[0028]本发明提供的水印信息嵌入的具体实施方案如下:[0029](I)载体形式选择和水印形式选择:本发明提供的载体形式有三种，分别是一条
载体直线、两条载体直线、三条载体直线。提供的水印的形式也有三种，分别是基于凹凸差异性方案、基于凸起高度差异性方案、基于图案自身特性的方案(长度)。三种水印形式各有优缺点。对于凹凸差异性方案，水印O和水印I区分最明显，因此识别精度也最高。基于凸起高度差异性方案，识别精度没有第一种高，而且要设计多种光学微结构，但是它可以用于水印载体一侧有较大噪声影响的情况，因为它只选择水印载体的一侧进行嵌入。基于图案自身特性的方案(长度)，它具有和第二种方案相同的优点，但是它对于噪声比较敏感，因为表示水印I的图案宽度宽，如果受到较强噪声影响，可能会将其分成多个较短的图案，造成识别错误，因此精度没有第一种高。可以根据实际情况选择这三种水印形式中的一种。
[0030](2)水印重复编码和arnold置乱:得到用户输入的O、I水印序列后，为了保证水印信息有一定的纠检错能力，也为了保证水印有保密性，我们对原始水印序列进行了重复编码和arnold置乱。重复编码就是把原始水印中的O或I用多个O或I (3个或5个)表示，比如010经过编码后变成000111000 (重复三次)。经过重复编码后的水印信息直接看上去有一定的规律性，因此需要对其进行arnold置乱。arnold变换是一种常用的图像置乱技术，其变换的对象是N*N的矩阵，因此在对水印序列置乱前，需要将它变成N*N的矩阵，少的元素用0、1交替补上。arnold变换后新下标为i' = (i+j)mod N, j' = (i+2j)mod N,i，j为原坐标。arnold置乱有周期性，即经过若干次变换后，矩阵回到最初状态，不同的阶数N对应一个周期Tn。因此在置乱阶段对原水印信息置乱X次，则经过Tn-X次就可以恢复。X可以当做arnold置乱的密钥保存，用于识别后的解码操作。
[0031](3)将水印嵌入到载体中:这一步将预处理过后的水印序列按照选择的水印形式和载体形式嵌入到载体直线中。依次读取水印序列中的一位，根据水印形式及水印参数，修改直线上一段像素的位置，形成凸起或凹陷。将所有的水印信息都嵌入载体后，这一模块就完成了。[0032]根据上述描述，本发明中水印嵌入模块水印可以选择多种载体和水印形式，并且对水印进行了编码和置乱操作，提高了水印的健壮性和安全性。
[0033]2.光学微结构的设计及CXD成像
[0034]I)利用光学微结构进行水印隐藏
[0035]这一步中，为了隐藏信息，设计了一种光学微结构，将其覆盖到嵌入水印的位置。经光学微结构隐藏后的水印信息，即使用高清扫描仪进行扫描，仍然无法读出被隐藏的水印信息。如图2，对无微结构的图像进行扫描，扫描光路为简单的反射光路，扫描后的图像与扫描前的图像不会发生变化。当扫描图像中含有特定的微结构时，扫描光路变为折射光路，使得红色区域的成像位置发生偏移，与蓝色区域重合。下面推导光学微结构的参数。
[0036]设光学微结构的厚度为h，折射率为η。对图像扫描的过程中，待加工的水印经扫描仪照明系统照明后，可看成一个普通的发光物体。物体上一点发出光线以角度β入射到玻璃薄膜表面上，之后以折射角为Y出射，经扫描系统后成像。扫描仪拍到的像由于微结构的折射作用，发生了位移量为Λ的平移，与蓝色区域重合在一条线上。
[0037]由图2所示，入射角为β，折射角Y，根据折射定律有:
[0038]nsin β =sin Y (I)
[0039]其中
【权利要求】
1.一种基于光学微结构的防复印图像水印方法，其技术要点是:采用直线作为水印载体，用O，I序列作为嵌入的水印信息，选择不同的水印形式将经过编码和加密的水印信息嵌入到载体直线上形成凹凸，以保存信息。利用设计的一种光学微结构覆盖到嵌入水印的地方，修复这些凹凸失真使扫描仪不能扫描到水印信息，达到隐藏水印的目的。最后经过四步相移技术成像和水印提取算法提取载体直线中的水印信息。实现水印的嵌入的具体步骤是: (1)载体形式选择和水印形式选择:本发明提供的载体形式有三种，分别是一条载体直线、两条载体直线、三条载体直线。提供的水印的形式也有三种，分别是基于凹凸差异性方案、基于凸起高度差异性方案、基于图案自身特性的方案(长度)。可以根据实际情况选择这三种水印形式中的一种。 (2)水印重复编码和置乱:得到用户输入的0、1水印序列后，为了保证水印信息有一定的纠检错能力，也为了保证水印有保密性，对原始水印序列进行了重复编码和置乱。 (3)将水印嵌入到载体中:将预处理过后的水印序列按照选择的水印形式和载体形式嵌入到载体直线中。依次读取水印序列中的一位，根据水印形式及水印参数，修改直线上一段像素的位置，形成凸起或凹陷。将所有的水印信息都嵌入载体后，完成水印的嵌入。
2.根据权利要求1所述的基于光学微结构的防复印图像水印方法，其特征是光学微结构具有较大的折射率，使通过它的光线发生折射，用以修复嵌入水印造成的图像失真。设计如下:从侧面看光学微结构为直角三角形，一个直角边h与介质面垂直，与斜边夹角为Θ，折射率为η。光线由底直角边I射入，由斜边射出要产生Λ的平移。设Itl为需要的移动线条的宽度，根据水印嵌入位置失真的大小△，计算光学微结构的参数如下: 微结构底边长度I根据式(I)确定为:
3.根据权利要求1所述的基于光学微结构的防复印图像水印方法，其特征是利用四步相移技术检测被隐藏的水印信息。设参考光为R(x，y)，物光为0(x,y)。其中相移器(PhaseShifter)由计算机控制给参考光加入不同的相位延迟，采用值k =。不同相移值下，由CCD记录相应的全息图，分别为:
4.根据权利要求1所述的基于光学微结构的防复印图像水印方法，其特征是实现水印信息的提取具体步骤是: (1)对含有水印的图像去噪处理:在采用CCD成像得到含水印的图像过程中，由于仪器自身存在的噪声以及纸介质本身可能遭到污染等，图像含有很多的噪声，采用高斯滤波和中值滤波课有效的去除这些噪声。除此而外成像过程中，可能存在倾斜，所以采用Hough直线识别，识别出载体直线的倾斜角Θ，对图像旋转-Θ角。达到倾斜校正的目的，提高识别水印的精度。 (2)水印嵌入位置的识别以及水印区域的切割:嵌入水印的载体可以是多条直线，必须识别出每个载体所在的位置，继而切分出每个载体，对其运用识别算法以提取出水印。采取的主要策略是对图像进行投影操作，达到一定阈值的识别为载体。 (3)水印信息提取:水印图像在经过噪声攻击和去噪后，载体直线可能变得不再规整了，存在锯齿状，对于后续的识别过程及识别精度带来影响。因此，在识别前，先对直线的宽度进行归一化。即就是先扫描整条直线，统计出现次数最多的宽度，将其识别为直线的宽度W,然后重新扫描整条直线，宽度不为W的,根据其左右像素点分布情况,将其宽度调整为W。接下来根据选定的水印嵌入类型，扫描水印所在的像素带，统计出每位水印的长度。水印长度确定后，用其做为阈值重新扫描，大于这个长度的就识别为水印的一位，然后根据嵌入时不同策略的差异，确定是水印O还是水印1，将每一位识别结果连起来经过反置乱，水印解码得到原始的水印信息， 完成整个识别过程。
【文档编号】G06T1/00GK103606127SQ201310633528
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】肖俊, 李登宇, 李拓, 史祎诗, 王雅丽 申请人:中国科学院大学