专利名称：一种打印文档防伪的数字水印方法
技术领域：
本发明涉及多媒体数字水印构造、嵌入和检测方法，特别涉及一种打印文档防伪的数字水印方法。
背景技术：
目前，各种证件、票据、商标等打印文档在人们的生活中发挥了不可替代的重要作用，然而随着数字技术的不断普及和因特网技术的迅猛发展，伪造，盗版等问题愈演愈烈， 如何保护这些与我们息息相关的产品，即版权保护、信息安全、数据认证以及访问控制等等，成为现在迫切需要解决的问题。常用的打印文档防伪技术有纸张防伪、特殊油墨防伪、不干胶微缩文字印刷防伪、 票据特种防伪印刷、安全线、加密技术、激光全息转移技术、定位烫印、电话电码防伪、原子核双卡防伪、防伪标识以及手工雕刻凹版印刷等。但是，这些技术存在各自弱点，比如，纸张防伪和特殊油墨防伪需要特殊的材料或者制作工艺。而且，传统防伪技术容易被造假者掌握，从而失去其防伪功能。另一方面，传统的打印文档防伪技术与使用的设备和材质紧密相关，无法做到通用性，应用范围比较窄。数字水印的出现，为打印文档防伪提供了一种新的解决方案。与传统方式相比，数字水印技术具有隐藏性好、成本低、保密性好、难于伪造等优点，具有较高的实用价值。应用于打印文档防伪的数字水印主要包括抗打印扫描水印和视觉水印两种，其中，视觉水印是近些年发展起来的一种可视水印技术，具有高效、应用范围广等特点。Adi Shamir申请的美国专利使用了一种用于打印图像的可视水印，采用了把一块图像用精细构造的黑白像素替代来实现防伪，这种方法对扫描设备比较敏感，而且随着扫描设备的发展，其效果也越来越差。William H. Mowry申请的另一个美国专利使用了一种控制像素打印后大小的方法来实现防伪，由于大像素保留下来的会更多，而小像素在打印后会有由于打印机的误差而消失， 此种方法一般是针对特定的打印机，特定的分辨率进行，效果的提升依赖于微缩打印的机器。Huang和mi于2007年提出的基于点阵的多层光水印，该方法在调制解调原理的基础上，使用相位调制方法实现，而后Lu YiFeng于2008年提出了基于莫奈现象的光水印，与基于点阵的光水印相比，莫奈现象是由黑白条纹干涉而成，所以本身有比较大的噪声，实现多层的水印比较困难，而且容量较小。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种打印文档防伪的数字水印方法，该方法首先通过分析影响水印提取效果的因素，提出了水印对比度的标准来衡量多层水印的效果，然后在基于这个基础上对构造多层水印的参数进行了分析，并具体分析了周期与线宽的关系，然后分析了多层水印的角度问题，根据分析结果构建出多层水印。最后本文在分析扫描仪工作的特点之后，提出了防伪水印层，结合多层水印，最终得到多层的扫描防伪水印。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案一种打印文档防伪的数字水印方法， 包括水印对比度分析、防扫描/复印水印层、水印嵌入和水印提取四大部分。水印对比度分析是利用对比度和颜色差这两个人眼辨别物体重要因素使用水印对比度来量化水印提取效果；防扫描/复印水印层是通过对扫描过程进行分析，根据扫描特性来构造防扫描/复印水印层；水印嵌入是在水印对比度分析的基础，根据分析结果选择合适的嵌入周期和角度， 并结合防扫描/复印水印层构造多层防伪水印；对水印对比度的分析过程如下al.分析影响人类视觉辨认物体的因素；a2.提出水印对比度；a3.对水印提取效果进行数学分析；a4.依据分析结果选择合适的嵌入周期和角度；防扫描/复印水印层的构建过程如下bl.分析扫描过程对图像的影响b2.根据扫描特性构建防扫描/复印水印层水印的嵌入过程如下cl.根据选择的嵌入周期和角度构建基础层；c2.选择某一层作为防扫描/复印水印层；c3.将水印嵌入基础层中；c4.构建多层水印；c5.生成相应解码器；水印的提取过程如下dl.使用相应的解码器进行水印提取；本发明与现有技术相比所具有的优点是(1)提出了一种新的衡量水印提取效果的标准——水印对比度，这个标准可以更为有效的量化水印的提取效果。(2)对影响水印提取效果的嵌入周期进行数学分析，并使用了大量重复实验对分析结果进行了验证，实验结果表明根据分析结果选择的嵌入周期较大的提升了水印提取效果。(3)对影响水印提取效果的嵌入角度进行数学分析，并使用了大量重复实验对分析结果进行了验证，实验结果表明根据分析结果选择的嵌入角度有效的防止了同一解码器提取多幅水印和多个解码器只能提取同一水印的异常情况。(4)对扫描过程进行分析，并根据扫描特性构造了防扫描/复印水印层，该层水印对扫描/复印比较脆弱，在扫描或者复印后会消失，可以有效的保护打印文档。
图1为本发明一种打印文档防伪的数字水印方法整体流程图；图2为本发明中的水印对比度示意图；图3为本发明中D = 1随着周期增加，水印对比度在下降示意图；图4为本发明中D > Im = 2最优周期为业+1示意图5为本发明中D > Im = 3最优周期为3k+l示意图；图6为本发明中图像扫描前后变化示意图；图7为本发明中原始水印示意图；图8为本发明中数字替换后水印示意图；图9为本发明中基础层示意图；图10为本发明中嵌入水印后图像示意图；图11为本发明中解码器示意图；图12为本发明中未加入防扫描/复印水印层的水印提取示意图；图13为本发明中防扫描/复印水印层的水印提取示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描叙。本发明的一种打印文档防伪的数字水印方法的整体流程图如图1所示。整体流程包括水印对比度分析、防扫描/复印水印层、水印嵌入和水印提取四大部分。一、水印对比度分析本部分的研究路线包括四个步骤第al步，影响人类视觉辨认物体的因素；第a2 步，提出水印对比度的概念；第a3步，分析水印提取效果；第a4步，选择合适的嵌入周期和角度。具体如下步骤al 影响人类视觉辨认物体的因素由于水印的提取效果对于人眼来讲是比较明显的，但是计算机上是无法进行衡量的，所以在进行数学分析之前，需要寻找一个合适的衡量水印提取效果的标准。根据 Hrishikesh的实验结果，传统衡量水印提取效果的标PSNR与周期基本没有规律，所以在这种情况下PSNR已不适合用来进行数学分析，所以需要一种衡量水印提取效果的新标准。根据Peter G. J. Barten以及Oracle相关资料对人眼的分析，影响对物体分辨的因素主要有两个背景与前景的反差，以及背景与前景的颜色。步骤a2:水印对比度由于本文的水印图像为二值图像，所以不涉及颜色的问题，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对比度。基于以上分析，本文提出了一种衡量此种情况下水印提取效果的新标准——水印对比度，其定义如公式⑴所示contrast = (A-B)/M X N (1)其中A代表黑色点的个数，B代表白色点的个数，MXN表示图像的大小为MXN个像素，其取值范围是[-1，1]，-1表示纯白色，1表示纯黑色。有了水印对比度，就可以对一幅水印图片的提取效果进行衡量，根据公式(1)，本文把水印对比度分成两个部分水印部分和水印外部分。所以整体的水印对比度可以用公式(2)来计算。contrast = abs (((AfB1) /M1X N1) - ((A2-B2) /M2 X N2)) (2)其中A1表示水印部分的黑点，B1表示水印部分的白点，M1XN1表示水印部分的大小；A2表示水印外围部分的黑点，B2表示水印外围部分的白点，M2XN2表示水印外围部分的大小。contrast的取值在
之间，值越大表示反差越大，即效果越好，如图2所示。
步骤a3 分析水印提取效果a.使用水印对比度对嵌入周期进行分析在嵌入水印的过程中线宽D的取值会对水印的提取效果产生影响，设构造过程中使用的线宽D占周期T的1/m，且因为D为正整数，那么有D = \T!m\，所以有公式(3)的结论，其中 η < m，k = 1，2，3· · ·
权利要求
1.一种打印文档防伪的数字水印方法，其特征在于该方法整体流程包括水印对比度分析、防扫描/复印水印层、水印嵌入和水印提取四大部分；水印对比度分析是利用对比度和颜色差这两个人眼辨别物体重要因素使用水印对比度来量化水印提取效果；防扫描/复印水印层是通过对扫描过程进行分析，根据扫描特性来构造防扫描/复印水印层；水印嵌入是在水印对比度分析的基础，根据分析结果选择合适的嵌入周期和角度，并结合防扫描/ 复印水印层构造多层防伪水印；最后为水印提取过程；具体如下水印对比度的分析过程如下al.分析影响人类视觉辨认物体的因素；a2.提出水印对比度；a3.对水印提取效果进行数学分析；a4.依据分析结果选择合适的嵌入周期和角度；防扫描/复印水印层的构建过程如下bl.分析扫描过程对图像的影响b2.根据扫描特性构建防扫描/复印水印层水印的嵌入过程如下Cl.根据选择的嵌入周期和角度构建基础层；c2.选择某一层作为防扫描/复印水印层；c3.将水印嵌入基础层中；c4.构建多层水印；c5.生成相应解码器；水印的提取过程如下dl.使用相应的解码器进行水印提取；其中，所述的水印对比度是量化水印提取效果的标准，其定义为contrast = (A-B)/ MX N其中A代表黑色点的个数，B代表白色点的个数，MX N表示图像的大小为MX N个像素， 其取值范围是[-1，1]，-1表示纯白色，1表示纯黑色。
2.根据权利要求1所述的一种打印文档防伪的数字水印方法，其特征在于所述的嵌入周期对水印对比度的影响与线宽相关，当T = mXk+1时，水印对比度取最大值，其中m为线宽占周期的比例，k是自然数。
3.根据权利要求1所述的一种打印文档防伪的数字水印方法，其特征在于所述的嵌入角度对水印对比度的影响是在嵌入多层时相互影响，多层嵌入时各层距离越远越好，其距离为tfo = 2扣+/，因此控制其角度差值即可。2
4.根据权利要求1所述的一种打印文档防伪的数字水印方法，其特征在于在构建多层水印时，加入了防扫描/复印水印层。
5.根据权利要求4所述的一种打印文档防伪的数字水印方法，其特征在于由于扫描过程相当于一次低通滤波，所以构建防扫描/复印水印层使用一种数字结构的水印。
全文摘要
一种打印文档防伪的数字水印方法，是一种多层水印，用于打印文档的防伪，起到对打印文档的保护。本方法包括多层水印和防扫描/复印水印层两方面，多层水印是首先利用影响人类视觉辨认物体的因素主要有对比度和颜色差这两个因素，然后结合本方法的使用场景提出水印对比度的概念，并进一步通过水印对比度衡量影响水印提取效果的因素，最后综合分析结果设计参数，构造多层水印；防扫描/复印水印层首先通过对扫描过程的分析，总结扫描的特性，然后设计出一层对扫描/复印比较脆弱的水印层，以达到对扫描/复印的防伪。结合多层水印和防扫描/复印水印层构成最终的多层水印。
文档编号G06T1/00GK102368328SQ20111027676
公开日2012年3月7日 申请日期2011年9月19日 优先权日2011年9月19日
发明者刘永波, 熊璋, 范围, 陈真勇 申请人:北京航空航天大学