一种基于灰度图像光水印的防扫描复印方法
【专利摘要】一种基于灰度图像光水印的防扫描复印方法，对图像灰度进行分级处理，将光水印从二值域扩展到灰度域，提出灰度图像光水印算法，使得水印区域可以以一定的形式表现，并对灰度图像光水印的基础点阵生成规则、单层水印嵌入方法、多层水印叠加方法以及加权水印对比度评价方法进行了详细阐述。在此基础上，结合扫描复印过程中产生的边缘扩散的模糊效应，构建一层防扫描复印水印，将该层水印与其他灰度图像光水印进行叠加，并嵌入文档图片，以达到对打印文档防扫描复印的效果。
【专利说明】一种基于灰度图像光水印的防扫描复印方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及多媒体数字水印构造、嵌入、叠加和检测方法，特别涉及一种基于灰度图像光水印的防扫描复印方法。
【背景技术】
[0002]随着现代科技的不断进步，电子文档的使用越来越广泛，而一些重要的文档仍然需要通过打印机、扫描仪或复印机等数字印刷技术以纸张的形式传播，在传播的过程中如何鉴别文件原件与拷贝的问题受到人们越来越多的重视。科技的发展使得制造原版文件的拷贝成本降低，进而使得伪造、盗版等问题愈发严重，易对社会或个人造成重大的政治或经济损失。因此，在现代社会中对打印文档的真实可信性实施有效保护已成为一个严峻的社会问题。
[0003]打印文档防伪技术作为一门新兴学科开始受到人们的重视。传统的打印文档防伪技术主要包括物理防伪技术、化学防伪油墨技术、生物防伪技术、材料防伪技术、防伪印刷技术等。传统的打印文档防伪技术主要是通过特殊的设备、材质和制作工艺来实现防伪，不仅增加了生产成本，而且工艺比较复杂，导致其应用范围较窄，无法普遍推广。基于数字图像的打印文档防伪技术是近些年来兴起的研究领域，该技术主要通过一些数字图像处理的手段，结合打印机、扫描仪、复印机的工作原理，对要打印的电子文档本身做相应的处理，使得电子文档在打印成纸质文档以后能保证防伪的特性。
[0004]缩微打印技术是一种防扫描复印技术，它是通过特殊的打印机来对图片做一些处理，比如把只能在放大镜下看到的极其微小的文字印在肉眼看似一条实线或虚线上，当然，缩微文字也可印在组成图的线条上或点上。经过扫描复印后一些小的字符由于扫描仪或复印机的分辨率不足而无法识别，从而导致图像内容失真。缩微打印是一种在纸币、银行、支票和其他有价印刷品上广泛使用的防伪技术。
[0005]应用于打印文档防伪的数字水印技术主要包括抗打印扫描水印和光水印两种，其中抗打印扫描水印一般是把水印嵌入到数学变换域，比如离散傅里叶变换(DFT)或离散余弦变换(DCT)，该水印是一种不可见水印。光水印是一种可见水印,是数字水印领域一个重要而实用的研究方向。光水印是一种能够嵌入多层水印信息的数字水印算法，该方法主要基于调制与解调的基本原理，对单层水印进行嵌入和提取。光水印中每一个单层水印对应一个解码器，多个单层水印可以按照一定的规则做叠加并嵌入到图片中，通过不同的解码器提取达到防伪的目的，并可使光水印具有更好的隐蔽性。
[0006]S.Spannenburg (参 见 Spannenburg S.Frequency modulation of printedgratings as a protection against copying[C].Holographic Optical SecuritySystems, 1991:88-104)在SPIE上最先提出了基于频率调制的光水印算法。Q.B.Sun等(参见 Sun Q B，Feng P R, Deng R.An optical watermarking solution for authenticatingprinted documents[C].Proceedings International Conference on InformationTechnology:Coding and Computing, 2001:65-70)在 2001 年提出了一种改进的基于频率调制的光水印算法，该算法使用了密钥分享的方法将待嵌入的信息分成多份密钥。然后选择某一个密钥将其嵌入到图像中。但是该种方法实验效果较差，目前在这方面做的研究较少。2007 年，S.Huang 等(参见 Huang S，Wu J K.0ptical watermarking for printeddocument authentication[J].1EEE Transactions on Information Forensics andSecurity, 2007,2(2): 164-173)在IEEE上提出了一种基于相位调制的光水印算法，该算法的实现基于周期性的点阵。该算法可以在嵌入阶段通过选择不同的嵌入周期和角度嵌入多层水印，取得不错的嵌入和提取效果，并且嵌入水印容量较大。2008年，Y.Lu等(参见Lu Y，Li X, Qi ff, et al.A further study on an optical watermarking scheme[C].9thInternational Conference on Signal Processing, 2008:2213-2216)在 S.Huang 的基础上提出了一种基于莫奈(Moir6)现象的方法。该方法的基础层选用的是基于余弦线阵的黑白条纹，当多层叠加时多层条纹会产生莫奈干涉，会导致引入比较大的噪声，使得水印嵌入容量较小。2009 年,Hrishikesh (参见 Hrishikesh C，Shefali S.Printed DocumentWatermarking Using Phase Modulation[C].2009 2nd International Conference onEmerging Trends in Engineering and Technology (ICETET)，2009:222-227)在 S.Huang的实验基础上进行了更多的峰值信噪比(PSNR)的分析，给出了更多的实验结果，实验中对点阵的X坐标和y坐标的周期Tx和Ty不同取值做了对比，实验结果表明当时Tx = Ty结果最佳。但是目前的光水印研究主要还是集中在二值图像领域，由于二值图像光水印只是在二值空间来做处理，前景与背景的反差较大，所以生成的水印是一张杂乱无章的图片；而如果将其扩展到灰度空间，由于灰度图像对于事物的表现能力更强，如果巧妙的利用不同灰度之间的对比可以增加一些应用。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提出一种基于灰度图像光水印的防扫描复印方法，该方法首先针对二值图像光水印在事物表现方面的缺陷，提出一种灰度图像光水印算法；然后提出一种用于对灰度图像光水印的提取效果进行评价的加权水印对比度方法；最后，基于扫描复印过程中产生的边缘扩散的模糊效应，设计防扫描复印水印，并与多层灰度图像光水印叠加并嵌入到打印文档图片中，以达到对打印文档防扫描复印的作用。
[0008]本发明解决其技术问题所采用的技术方案:一种基于灰度图像光水印的防扫描复印方法，包括灰度图像光水印设计、防扫描复印层设计、水印嵌入和水印提取四大部分。灰度图像光水印设计是基于相位调制的原理，将光水印从二值图像扩展到灰度图像；防扫描复印层设计是基于扫描复印过程中产生的边缘扩散的模糊效应构造防扫描复印水印层；水印嵌入是将灰度图像光水印与防扫描复印层叠加以适当的水印参数属性嵌入到打印文档中；水印提取是通过光水印层解码器及防扫描复印层解码器进行水印提取；
[0009]灰度图像光水印设计过程如下:
[0010]a.生成基于灰度分级的基础点阵，构建基础层；
[0011]b.嵌入单层灰度图像光水印，并生成光水印层解码器；
[0012]c.多层灰度图像光水印的叠加；
[0013]d.提出加权水印对比度方法，用于对灰度图像光水印的提取效果进行评价；[0014]防扫描复印层设计过程如下:
[0015]a.分析扫描复印过程中产生的边缘扩散的模糊效应；
[0016]b.设计替换矩阵，对灰度基础点阵进行替换，构建出防扫描复印层水印及防扫描复印层解码器；
[0017]水印的嵌入过程如下:
[0018]a.基于加权水印对比度，对灰度分级与基础点阵随机概率进行分析；
[0019]b.根据预设的线宽、水印周期、嵌入角度、灰度分级以及基础点阵随机概率、替换矩阵替换概率，进行灰度图像光水印以及防扫描复印水印的嵌入与叠加；
[0020]水印的提取过程如下:
[0021]a.通过相应的光水印层解码器及防扫描复印层解码器进行水印的提取；
[0022]本发明与现有技术相比所具有的优点是:
[0023](I)本发明所述的基于灰度图像光水印的防扫描复印方法，通过将光水印从二值域扩展到灰度域，增强了光水印丰富表现事物的能力。
[0024](2)本发明所述的基于灰度图像光水印的防扫描复印方法，提出了加权水印对比度的方法，该方法用于有效地衡量灰度图像光水印中水印提取的效果。
[0025](3)本发明所述的基于灰度图像光水印的防扫描复印方法，基于扫描复印过程中产生的边缘扩散的模糊效应，构建出防扫描复印层水印，与灰度图像光水印进行叠加，并对水印嵌入周期、嵌入角度、灰度分级及基础点阵随机概率等关键参数进行了大量的分析与实验，结果表明本方法能够对打印文档的真实可信性实施有效保护。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明方法整体框架结构图；
[0027]图2为本发明中的灰度图像光水印基础点阵示意图；
[0028]图3a为本发明中待嵌入光水印的源图像示意图；
[0029]图3b为本发明中灰度光水印单层嵌入的效果示意图；
[0030]图3c为本发明中一度光水印单层嵌入的提取效果示意图；
[0031]图4为本发明中的灰度多层水印嵌入角度示意图；
[0032]图5a为本发明中实验选择的待嵌入的基本水印信息示意图
[0033]图5b为本发明中实验选择的防扫描复印水印信息示意图
[0034]图5c为本发明中对图5b按照替换概率0.4做矩阵替换的效果示意图
[0035]图6为本发明中的基础矩阵随机概率与灰度级别关系示意图；
[0036]图7a为本发明中的对原始打印文档进行普通水印提取效果示意图；
[0037]图7b为本发明中的对原始打印文档进行防扫描复印层水印提取效果示意图；
[0038]图8a为本发明中的对原始文档的复印件进行普通水印提取效果示意图；
[0039]图Sb为本发明中的对原始文档的复印件进行防扫描复印层水印提取效果示意图；
[0040]图9a为本发明中的对原始文档的扫描件进行普通水印提取效果示意图；
[0041]图9b为本发明中的对原始文档的扫描件进行防扫描复印层水印提取效果示意图；【具体实施方式】
[0042]本发明的基于灰度图像光水印的防复印扫描方法的整体框架图如图1所示。整体流程包括灰度图像光水印设计、防扫描复印层设计、水印嵌入和水印提取四大步骤。
[0043]一、灰度图像光水印设计
[0044]( I)生成基于灰度分级的基础点阵，构建基础层
[0045]光水印的嵌入与普通数字水印的区别是光水印的载体是一个满足周期性的特征的点阵或线阵，而普通数字水印的载体一般是图片、音频、视频等多媒体文件。我们选取嵌入和提取效果较好的点阵作为基础层来研究，其中基础层是一个符合正交的点阵。
[0046]目前使用较多的是8位灰度图像，其灰度值取值范围为0~255，本文以8位灰度图像为例，并且对256个灰度值做分级别处理，设总共分为级，由于点阵中要标记黑色点与普通白色背景的区别，在灰度图像光水印中需要将黑色点和普通白色背景做灰度化处理，因此假设黑色点取前级别的灰度值来代替，白色背景部分取后级别的灰度值来代替。基于上述分析，我们可以构建如图2的基础灰度点阵，其灰度点阵的构造方法如公式(I)所示，其中函数的定义如公式(2)所示。基础层在方向和方向均具有周期性。
【权利要求】
1.一种基于灰度图像光水印的防扫描复印方法，其特征在于，包括如下步骤:灰度图像光水印设计、水印嵌入和水印提取；灰度图像光水印设计是基于相位调制的原理，将光水印从二值图像扩展到灰度图像；防扫描复印层设计是基于扫描复印过程中产生的边缘扩散的模糊效应构造防扫描复印水印层；水印嵌入是将灰度图像光水印与防扫描复印层叠加以适当的水印参数嵌入到打印文档中；水印提取是通过相应的光水印层解码器及防扫描复印层解码器进行水印提取；以下为具体步骤: 步骤一，灰度图像光水印设计，过程如下: a.生成基于灰度分级的基础点阵，构建基础层； b.嵌入单层灰度图像光水印，并生成光水印层解码器； c.多层灰度图像光水印的叠加； d.提出加权水印对比度方法，用于对灰度图像光水印的提取效果进行评价； 步骤二，防扫描复印层设计，过程如下: a.分析扫描复印过程中产生的边缘扩散的模糊效应； b.设计替换矩阵，对灰度基础点阵进行替换，构建出防扫描复印层水印及防扫描复印层解码器； 步骤三、水印的嵌入，过程如下: a.以加权水印对比度作为衡量标准，对灰度分级与基础点阵随机概率进行分析； b.根据预设的线宽、水印周期、嵌入角度、灰度分级以及基础点阵随机概率、替换矩阵替换概率，进行灰度图像光水印及防扫描复印水印的嵌入与叠加； 步骤四、水印的提取，过程如下: a.通过相应的光水印层解码器及防扫描复印层解码器进行水印的提取。
2.根据权利要求1所述的基于灰度图像光水印的防扫描复印方法，其特征在于:在所述的灰度图像光水印设计过程中，将光水印从二值域扩展到灰度域，增强了水印表现事物的能力。
3.根据权利要求1所述的基于灰度图像光水印的防扫描复印方法，其特征在于:在所述的灰度图像光水印设计过程中，提出加权水印对比度方法，用于对灰度图像光水印的提取效果做评价，其计算方法为 contrast = abs ^alance1 X shift/ (T/2) _balance2),其中balancei和balance2分别表示水印部分及水印外部分的加权平衡度，shift表示偏移量；加权平衡度的计算方法为balance = (PB_PW)/MXN，其中Pb表示图像点阵中灰度值大于128的“点”的个数，Pw表示图像点阵中灰度值小于128的背景部分“点”的个数，MXN
\p - Y Pi It <1/2表示图像的大小为MXN个像素。匕和匕的计算方法如J ^ ^ //0 ，其中
[PiV = I^Pt /,>"2 I/,<//2 in 1pt=\ ,，Pt表示t点处的加权值，I为对灰度的分级，It 点处 1-—1 I, >1/2.1/2 //2 1的灰度级别。
4.根据权利要求1所述的基于灰度图像光水印的防扫描复印方法，其特征在于:在所述的防扫描复印层设计过程中，分析图像扫描复印过程中产生会产生模糊效应，将待嵌入的信息做特殊的稀疏化处理，使得经过稀疏后的信息在经过扫描复印过程后的模糊效果会被放大。
5.根据权利要求1所述的基于灰度图像光水印的防扫描复印方法，其特征在于:在所述的防扫描复印层设计过程中，设计的替换矩阵如下表所示，并按照公式
【文档编号】G06T1/00GK103679624SQ201310528980
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】张立鑫, 陈真勇, 王美娟, 付方杰, 熊璋 申请人:北京航空航天大学