印刷品防偽數字水印的嵌入方法及其檢測方法

2023-09-17 17:21:40

專利名稱：印刷品防偽數字水印的嵌入方法及其檢測方法
技術領域：
本發明涉及印刷品防偽領域，特別涉及一種印刷品防偽數字水印的嵌入方法及其對應的印刷品真偽的檢測方法。
背景技術：
數字水印技術是隨著信息媒體的數位化而誕生的技術，因為媒體數位化在為信息的存取提供極大便利的同時，也顯著提高了信息表達的效率和準確性。數字水印作為一種有效的版權保護和信息安全技術成為了研究熱點，它利用人類視覺系統(HVS，Human Vision System)的冗餘，通過一定的算法將一些標誌性的信息直接嵌入到載體媒體信息當中，但不影響原內容的價值和使用，並且不能被人的視覺系統所察覺到。傳統的數字水印技術，其使用對象都是指的數位化的信息媒體。
現有的一種常見的用於印刷品防偽的方法是在印刷品上附加其他防偽標記進行防偽，如雷射標記、防偽條碼等。這種技術的特點就是通過其他技術製造出具有防偽功能的標記，再將此標記通過物理連接的方式與印刷品結合起來，從而達到通過對附加的防偽標記的識別來判斷印刷品及其產品的真偽的目的。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種能向印刷品的圖像嵌入水印、使印刷品本身具有防偽功能的印刷品防偽數字水印的嵌入方法以及一種能實現對含有數字水印的印刷品的真偽進行檢測的含有數字水印的印刷品真偽的檢測方法。
為解決上述的技術問題，本發明提供了一種印刷品防偽數字水印的嵌入方法，包括步驟a.在RGB色域空間中，分別將原始圖像和水印圖像分成R、G、B三個子通道矩陣，原始圖像的子通道矩陣分別記為IR、IG、IB，水印圖像的子通道矩陣分別記為WR、WG、WB；b.對步驟a中由水印圖像分成的三個矩陣中任一矩陣及相應的由原始圖像分成的矩陣進行奇異值分解；c.將步驟b中的水印圖像分成的任一矩陣的奇異值嵌入到相應的原始圖像分成的矩陣的奇異值上去，然後利用形成的新奇異值重構出一個新的矩陣；d.將由步驟c得到的新的矩陣與原始圖像的另外兩個矩陣合併，重構出圖像。
所述步驟b中相應的矩陣指進行奇異值分解的兩子通道矩陣對應的是同一通道。
所述步驟b中，對任一矩陣I，奇異值分解公式為I＝USVT所述步驟c奇異值的嵌入公式為S(i,i)=x1S(i,i)+x2SW(i-1,i-1)i=2,3,......,n-1S(i,i)i=1,n+2,......]]>式中S′為嵌入水印後的奇異值，S為原始圖像分成的任一矩陣的奇異值，SW為水印圖像對應矩陣的奇異值。其中X1+X2＝1。
作為一種優選方案，所述步驟b為對水印圖像B通道的矩陣WR及相應的由原始圖像B通道的矩陣IR進行奇異值分解。
本發明還提供一種含有數字水印的印刷品真偽的檢測方法，包括步驟a.對待檢測的印刷品進行採樣，將其轉變成待檢測數字圖像；b.將待檢測數字圖像分成R、G、B三個子通道矩陣，提取出有水印存在的子通道矩陣，並對該矩陣進行奇異值分解；c.判斷待檢測數字圖像與原始圖像是否為相似圖像，若為「否」，則待檢測數字圖像為偽製品，若為「是」，則進行下一步；d.提取待檢測數字圖像中存有水印圖像子通道矩陣的奇異值，重構出水印圖像該子通道的矩陣；e.通過由步驟d中重構出的水印圖像子通道矩陣與正確水印圖像相應的子通道矩陣的相關性，判斷待檢測數字圖像中是否已嵌入水印信息，若為「否」，則待檢測數字圖像為偽製品，若為「是」，則進行下一步；f.判斷帶有正確水印的待檢測數字圖像是否為真品，若為「是」，則對應的待檢測的印刷品為真品，若為「否」，則對應的待檢測的印刷品為偽品。
所述步驟c中待檢測數字圖像與原始圖像是否為相似圖像的方法為判斷待檢測數字圖像的子通道矩陣與原始圖像的相應子通道矩陣的相關性。
所述步驟d中的提取待檢測數字圖像中存有水印圖像子通道矩陣的奇異值的計算為SW(i-1,i-1)=1x2(S(i,i)-x1S(i,i))i=2,3,......,n+1]]>式中S″為由步驟b得出的子通道矩陣的奇異值，S為原始圖像相應子通道矩陣的奇異值。
所述步驟f所述的檢測印刷品是否為真品的方法為用正確的水印圖像作為信號，用檢測出的水印圖像為噪聲，得到一個峰值信噪比值(PSNR，PeakSignal to Noise Ratio)，若該值高於門限值，則該印刷品是第一次列印，為真品；若該值低於門限值，則該印刷品不是第一次列印，為偽品。
與現有技術相比，本發明的印刷品防偽數字水印的嵌入方法，通過向印刷品嵌入水印圖像，使印刷品印刷出來就含有水印信息，這樣就讓印刷品本身就具有防偽的功能，而不需要印刷品附加任何外部的東西。本發明的含有數字水印的印刷品真偽的檢測方法，先將待檢測的印刷品數位化形成待檢測的數字圖像，提出待檢測的數字圖像中含有數字水印的子通道矩陣，並進行奇異值分解，然後依次判斷待檢測的數字圖像與原始圖像的相似性、待檢測數字圖像中水印圖像與正確水印圖像的相似性，最後通過信噪比來確定印刷品是否為第一次印刷的真品。通過整個流程，從而完成了對印刷品真偽的檢測。
下面結合


和具體實施方式

對本發明作進一步的描述。

圖1為本發明實施例的數字水印嵌入的整體流程框圖。
圖2為本發明實施例中數字水印嵌入印刷品的數字圖像的流程框圖。
圖3為本發明實施例中印刷品真偽檢測的流程框圖。
具體實施例方式
具體實施例方式參照圖1，數字水印的嵌入是指在待印刷的數字圖像中另外添加一種有意義的圖形，這個圖形具有明確的指示含義，能夠提供分辨真偽的依據。整個嵌入的過程為1.對原始圖像和水印圖像進行處理；2.在原始圖像中嵌入水印圖像；3.還原為可印刷圖像；4.交付印刷或列印。
這四個步驟中，對水印和原始圖像進行處理是指在數字空間中，將水印圖像和原始圖像轉換成適合嵌入水印和實現變換的格式，以便於實現水印的嵌入。第二步是在數字系統中，將水印按照既定的方法嵌入到原始圖像中，第三步是將已嵌入水印圖像的原始圖像還原為可以印刷或者列印的圖像，最後一步是將圖像印刷或列印出來成為產品。
本發明的數字水印嵌入和提取算法是基於RGB色域空間的。水印加入以後，要求經過HVS系統，其差別不能被發現，由於人眼對B通道信息最不敏感，因此優選在B通道中進行操作。
上述四步驟中最複雜最重要的就是第二步在原始圖像中嵌入水印。
參照圖2，本實施例中，印刷品防偽數字水印的嵌入方法的步驟為a.在RGB色域空間中，分別將原始圖像和水印圖像分成R、G、B三個矩陣，原始圖像的子通道矩陣分別記為IR、IG、IB，水印圖像的子通道矩陣分別記為WR、WG、WB，此時就將圖像的三維矩陣變為了二維矩陣；因為對於一個三維矩陣來說，進行矩陣的分解在算法上和實現上都要比一個二維矩陣困難得多，在實現為實際的硬體系統的時候，也要求算法不能太複雜，否則會造成硬體過於複雜。變化為RGB主要考慮到是人眼對B通道的不敏感性，在B通道上疊加可以增加水印的隱藏性能。所以將矩陣分解為RGB三個通道，既是三個子矩陣。再分別在這三個子矩陣中進行變換，提取矩陣的矩陣特性。
b.將IB和WB分別進行奇異值分解，其分解公式如下IB=UBSBVBTWB=UWBSWBVWBT]]>對奇異值分解的原因是因為奇異值作為矩陣的一種特性，其本身在矩陣做平移，旋轉，剪切等變換的時候就具有較好的魯棒性，因此，選擇奇異值分解可以使得在最後檢測的時候，能使得圖像抗旋轉、剪切、位移等物理變換的性能得到提升。
c.將水印圖像B通道的奇異值嵌入到原始圖像B通道的奇異值上去，再利用UB和VB重構出新的IB記為IB』。由於水印圖像應該比原始圖像小，所以假設SWB為一個n×n的矩陣。新圖像的奇異值矩陣由如下公式得到。
SB(i,i)=x1SB(i,i)+x2SWB(i-1,i-1)i=2,3,......,n+1SB(i,i)i=1,n+2,......]]>其中，由於奇異值中的最大值遠遠大於其他奇異值，如果改變該值將會在視覺效果上產生較大影響，既是HVS系統對該值較為敏感，因此從第二位奇異值開始加入水印序列。在加入水印的時候，我們採用了兩個影響因子x1和x2來控制水印添加的強度。其目的是使得添加了水印後的圖像對HVS系統產生的影響最小，如果直接採用SB(i，i)+cSWB(i-1，i-1)的方式來添加，則必然會造成奇異值的加強，最直接的後果就是會造成列印出來的圖片的亮度增加。因此我們採用雙影響因子的方式，並要求x1和x2滿足條件x1+x2＝1，這樣，我們就可以找到一對影響因子，使得對圖片的視覺效果影響最小。值得注意的是，對於不同的圖片，x1和x2的選取將可能不一樣，最佳選擇應該根據具體的圖像再來確定，但是雙影響因子的選取對於水印的嵌入算法和檢測算法並沒有本質上的影響。雙影響因子選取得好，只是使得嵌入了水印得圖像與原始圖像在視覺上更接近而已。
此處，水印可以看成是密鑰，只有在知道水印圖像的情況下才能重構出正確的圖像。另外，加權因子x1和x2也是另外一個密鑰，只有知道準確的x1和x2的值才能得到準確的圖像。這就使得在保密性上，所製造出來的印刷品具有了雙重的密鑰保護，提高了保密的強度。
另外，水印的疊加還可以有更複雜的變化，例如可以不只加入一個單一的水印，也可以使用一組水印，那麼就要使用一個序列串X＝{x1x2x3......xn)為影響因子，這就可以在一幅圖像中添加(n-1)個水印。而序列串X和每個水印都可以作為密鑰。這樣，由於序列串的使用，水印的保密性得到了提高，增加了水印嵌入和檢測的複雜程度，但是基本原理是一樣的。
最後，我們重構出嵌入水印後的圖像的B通道，公式如下。
IB=UBSBVBT]]>d.將R和G通道的信息與嵌入水印後的B通道信息合併，重構出圖像。
I′＝IR+IG+IB′在本實施例中，水印嵌入技術是在B通道中實現的，這是因為HVS對B通道最不敏感。對於R和G通道，我們也可以通過類似的方法來實現水印的嵌入，這根據實際的需求和複雜度的要求而定。基本思路和方法與B通道的處理方式是類似的，也可在此基礎上進行一些方法擴展，加入其他的變換手段，如小波變換、密鑰等。
印刷品數字水印的檢測，在技術上來說是數字水印嵌入的逆過程，就是通過對嵌入在印刷品中的水印信息的提取，還原出水印來，從而確定印刷品的真偽。其步驟可以分為三個部分，首先是將印刷品通過特定的設備，如掃描儀、照相機等進行採樣，轉變成數字圖像。採樣後的文件經過一些預處理以後就成為可進行檢測的數字圖像。這些預處理過程包括調整採集後圖像的邊界，調整圖像的大小等。接下來就是通過特定的算法進行真偽判斷的水印檢測部分，最後是顯示部分，通過一些特定的信號指示出檢測的結果，也可以通過顯示設備顯示出實際檢測到的水印圖像。在這三部分中，最重要和核心的就是水印檢測部分。
參照圖3，本實施例中，下面詳細敘述一下印刷品數字水印的檢測的步驟
a.對待檢測的印刷品進行採樣，將其轉變成待檢測數字圖像；b.將待檢測的數字圖像分成R、G、B三個子通道矩陣，提取出B通道。記B通道矩陣為IB//。並將IB//進行奇異值分解，得到相應的矩陣IB//＝UB//SB//VBT//這是進行數字水印分析的第一步，由於水印是疊加在圖像的奇異值分量上，所以首先要提取出待檢測圖像的奇異值。
c.在我們設計的算法中，最後是對檢測出的水印圖像與原始水印圖像的B通道進行相關性分析，來判斷水印是否存在。但是在實際的過程中，一幅與待檢測圖像完全不相同的另一圖像在奇異值檢測的時候，仍然可以計算出奇異值，也可以得出水印的B通道的奇異值。由於有意義的水印檢測是需要將水印還原出來，這就有可能使得一幅完全不同的圖像反而被檢測成含有水印的圖像。這是因為其相關性正好落在了檢測區間中。因此，奇異值檢測的方法應該是對與原始圖像相似的圖像才有效，在實際的過程中就有必要首先判斷待檢測的圖像是否與原始圖像是類似的圖像，也就是說，檢測是在人眼不能分辨出差別的情況下才被需要的。在本方法中，我們通過判斷IB//和IB的相似性來確定是否為類似圖像，如果兩個矩陣的相關性高於某一個值η1，則認為是相似圖像，反之就不是。其公式如下ifη1＜corr(IB//，IB) 是相似圖像ifη1＞corr(IB//，IB) 不是相似圖像其中矩陣的相關性計算公式為corr=mn(Amn-A)(Bmn-B)(mn(Amn-A)2)(mn(Bmn-B)2)]]>
η1的取值只要能保證圖像在視覺上的相關性就可以了，因為對η1的判斷是一種預判決，其目的是為了找到相似圖像，避免不相關圖像的幹擾。從視覺上來判斷，一般要求η1的取值大於70％，即0.7。
d.在判定待檢測圖像為相似圖像以後，則進行水印圖像奇異值的提取和水印圖像的重構。重構水印B通道的奇異值由下式計算得到。
SWB(i-1,i-1)=1x2(SB(i,i)-x1SB(i,i))i=2,3,......,n+1]]>在得到水印奇異值以後，並不直接通過奇異值來判定水印的存在與否，而是需要通過奇異值將水印圖像重構出來，通過實際的水印圖像來判定水印的有無和真偽，重構出水印圖像的B通道矩陣WB=UWBSWBVWBT]]>e.計算重構出來的的矩陣WB″的特性值，與原始的水印圖像進行相關性的比較，如果相關性高於某一個門限η2，則表示為加了水印的圖像，否則為未加水印的圖像。具體公式如下若η2＜corr(WB，WB″)是嵌入水印的圖像若η2＞corr(WB，WB″)不是嵌入水印的圖像η2的取值與η1的取值類似，因為兩者都是進行相似程度的判定，這種判定只是確定是否存在水印，並不區分水印是真實的或者是偽造的。因此η2的取值仍然是0.7。當然，根據具體的情況，也可以調整η2的取值。
f.如果經過上面的判斷為真，則只能說明有水印存在，但是如果將已經添加了水印的印刷品經過複印，再列印成印刷品，仍然可以檢測到水印。雖然經過複印和二次列印的水印圖像在相關性檢測時候會由於細節損失而使得相關性在一般情況下略低於一次列印的印刷品，但是其差別用於區分一次和二次列印的圖像並不十分準確，因為其他的因素，如旋轉和位移也會帶來相關性的降低。因此，我們用另外一個指標來區分一次和二次列印。這個指標就是PSNR。圖片經過二次列印後，由於細節的損失，峰值信噪比將會下降，我們用原始的水印圖像作為信號，用檢測出來的水印圖像作為噪聲，就可以得到一個PSNR的值。如果這個值高於某一個門限η3，則為一次列印的印刷品，否則就不是。
若η3＜PSNR(WBWB″)強度足夠，是一次列印圖像若η3＞PSNR(WBWB″)強度不足，不是一次列印圖像PSNR=10log102552MSE]]>其中MSE=1MNi=0M-1j=0N-1(WB(i,j)-WB(i,j))2]]>M和N分別為矩陣的行數和列數，在這裡就是表示圖像的大小。
η3的取值與前面兩個不同，其判斷的標準是依據PSNR來確定的，PSNR反映的是圖像細節的相似程度，其值越高，表示兩幅圖像在細節上越接近，反之差異越大。而在印刷品偽造的過程中，最容易損失的就是圖像的細節，這種細節的損失往往不能被HVS所察覺。在視覺上可能會覺得是一樣的。通過對PSNR值的計算，我們就可以分辨出真品和偽造品。η3的取值是不同的，對於不同的圖像來說，其取值也不一樣，在設定η3的取值的時候要根據圖像來選擇合適的值。一般來說，其門限值應該是真品檢測結果的75％，例如，真品檢測的結果是PSNR為20，那麼η3的取值就是15。
此處本發明的用於印刷品防偽的數字水印算法與其他傳統的數字水印防偽技術具有以下區別1.應用對象不同。傳統的數字水印算法應用的對象是數字媒體，主要包括以數字格式為基礎的媒體，如數字圖片、數字音頻、數字視頻等。而我們的技術主要是針對印刷品，這是一種實際實體，具有模擬性質，包括通過印刷過程生產的印刷品，印表機列印的圖片等。
2.解決的問題不一樣。傳統的用於數字媒體的數字水印算法主要針對的是在數字的環境中，進行各種變換使得水印仍然能被有效的保持的問題。這就要求水印要針對數字變換的情況下，具有很好的魯棒性。而用於印刷品防偽的數字水印主要是針對印刷過程中，水印保持，並在檢測的時候將水印測試出來。該過程面臨兩個主要問題，一個是要求在將圖像變成印刷品的印刷過程中，水印嵌入和檢測的方法能夠保證水印仍然能存在於生產出來的印刷品中，這就要求水印具有較好的魯棒性；第二是在對印刷品的偽造過程中，水印又需要損失掉，這樣才能使得偽造的印刷品中不會檢測到水印，就要求水印又具有脆弱性。這就需要我們通過算法來保證水印是一種易檢測的脆弱水印。
3.所針對的攻擊不一樣。傳統的數字水印算法主要要求水印能承受各種數字攻擊，比如壓縮、色域空間轉換、拷貝、數據格式轉換等。而印刷品防偽，在印刷品生成的時候是數模轉換，在印刷品檢測的階段則需要進行模數轉換。除了模數、數模轉換的攻擊以外，印刷品在使用和檢測的過程中主要受到的是一些物理攻擊，如缺損、旋轉、位移、幾何形變、光線等。模數轉換中，由於採樣而引起的失真也會引起數字水印數據精度的損失。因此，我們的方法就需要針對與傳統方法不同的攻擊來設計。
權利要求
1.一種印刷品防偽數字水印的嵌入方法，其特徵在於，所述印刷品防偽數字水印的嵌入方法包括步驟a.在RGB色域空間中，分別將原始圖像和水印圖像分成R、G、B三個子通道矩陣，原始圖像的子通道矩陣分別記為IR、IG、IB，水印圖像的子通道矩陣分別記為WR、WG、WB；b.對步驟a中由水印圖像分成的三個矩陣中任一矩陣或所有矩陣及相應的由原始圖像分成的矩陣進行奇異值分解；c.將步驟b中的水印圖像分成的任一矩陣的奇異值嵌入到相應的原始圖像分成的矩陣的奇異值上去，然後利用形成的新奇異值重構出一個新的矩陣；d.將由步驟c得到的新的矩陣與原始圖像的另外兩個矩陣合併，重構出圖像。
2.如權利要求1所述的用於印刷品防偽數字水印的嵌入方法，其特徵在於，所述步驟b中，對任一矩陣I，奇異值分解公式為I＝USVT
3.如權利要求1所述的用於印刷品防偽數字水印的嵌入方法，其特徵在於，所述步驟c奇異值的嵌入公式為S(i,i)=x1S(i,i)+x2SW(i-1,i-1)i=2,3,......,n+1S(i,i)i=1,n+2,......]]>式中S′為嵌入水印後的奇異值，S為原始圖像分成的任一矩陣的奇異值，Sw為水印圖像對應矩陣的奇異值。
4.如權利要求3所述的用於印刷品防偽數字水印的嵌入方法，其特徵在於，所述疊加公式中，X1+X2＝1。
5.如權利要求1所述的用於印刷品防偽數字水印的嵌入方法，其特徵在於，所述步驟b為對水印圖像B通道的矩陣WR及相應的由原始圖像B通道的矩陣IR進行奇異值分解。
6.一種含有數字水印的印刷品真偽的檢測方法，其特徵在於，所述含有數字水印的印刷品真偽的檢測方法，包括步驟a.對待檢測的印刷品進行採樣，將其轉變成待檢測數字圖像；b.將待檢測數字圖像分成R、G、B三個子通道矩陣，提取出有水印存在的子通道矩陣，並對該矩陣進行奇異值分解；c.判斷待檢測數字圖像與原始圖像是否為相似圖像，若為「否」，則待檢測數字圖像為偽製品，若為「是」，則進行下一步；d.提取待檢測數字圖像中存有水印圖像子通道矩陣的奇異值，重構出水印圖像的該子通道的矩陣；e.通過由步驟d中重構出的水印圖像子通道矩陣與正確水印圖像相應的子通道矩陣的相關性，判斷待檢測數字圖像中是否已嵌入水印信息，若為「否」，則待檢測數字圖像為偽製品，若為「是」，則進行下一步；f.判斷帶有正確水印的待檢測數字圖像是否為真品，若為「是」，則對應的待檢測的印刷品為真品，若為「否」，則對應的待檢測的印刷品為偽品。
7.如權利要求6所述的含有數字水印的印刷品真偽的檢測方法，其特徵在於，所述步驟c中待檢測數字圖像與原始圖像是否為相似圖像的方法為判斷待檢測數字圖像的子通道矩陣與原始圖像的相應子通道矩陣的相關性。
8.如權利要求6所述的含有數字水印的印刷品真偽的檢測方法，其特徵在於，所述步驟d中的提取待檢測數字圖像中存有水印圖像子通道矩陣的奇異值的計算為SW(i-1,i-1)=1x2(S(i,i)-x1S(i,i)),i=2,3,......,n+1]]>式中S″為由步驟b得出的子通道矩陣的奇異值，S為原始圖像相應子通道矩陣的奇異值。
9.如權利要求6所述的含有數字水印的印刷品真偽的檢測方法，其特徵在於，所述步驟f所述的檢測印刷品是否為真品的方法為用正確的水印圖像作為信號，用檢測出的水印圖像為噪聲，得到一個峰值信噪比值，若該值高於門限值，則該印刷品是第一次列印或者印刷，為真品；若該值低於門限值，則該印刷品不是真品，為偽造品。
全文摘要
本發明公開了一種印刷品防偽數字水印的嵌入方法及其檢測方法。本發明的印刷品防偽數字水印的嵌入方法，通過在計算圖像子通道矩陣的奇異值，然後在相應的子通道上疊加水印圖像，添加影響因子的方法，來實現使印刷品本身具有防偽的特性；本發明還提供了一種與數字水印嵌入相逆的檢測方法，實現對印刷品真偽的檢測。本發明可廣泛應用於印刷品防偽領域。
文檔編號B41M3/00GK101071499SQ200710049090
公開日2007年11月14日 申請日期2007年5月14日 優先權日2007年5月14日
發明者武暢, 彭啟琮, 李玉柏, 王堅 申請人:電子科技大學