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防伪印刷中数字水印研究上

2022-04-29 来源:宜兴市机械信息网

防伪印刷中数字水印研究(上)

提起水印,我们就会立刻想到用于钞票印刷的水印纸。它是大多数人比较熟悉的一种防伪技术,由于它具有良好一线防伪效果,所以被广泛应用于许多纸币、票证之中,然而,由于传统防伪水印技术存在的一些技术不完善,使不法分子有机可乘。此外,对一些诸如音像制品、电影拷贝、网络出版、电子图书版权、证卡之类等防伪,这种传统的水印纸也只能望洋兴叹了。如今随着科技的不断发展,开发出了新的防伪技术——数字水印,它们对于艺术品防伪、音像制品等电子产品以及网络出版、电子图书等防伪,起到了重要的作用。

数字水印技术不同于传统的水印纸,它是利用数字信号处理的相关技术,在媒体数据作品中嵌入微量数据(一般为数字、序列号、文字、图像标志等版权信息)。水印技术嵌入后,原始的媒体数据并没有发生改变,也不影响原始数据的正常使用。数字水印使人们无法从表面感知水印,只有专用的检测器或软件才可以检测出隐藏的水印。例如,一幅经过数字水印技术处理的山水画,经专家输入计算机编程,人们从投影屏上清晰地看到了画上各种个性化的版权标识,提取1次就见1种,提取4次就见4种。目前,已开发出印刷数字水印技术应用软件。在采用了数字水印技术的一本书的封面上,加上一个视频头和一个专用软件,就可以看到一个隐藏的防伪标识;从电脑上下载一段音乐,经过特殊的软件处理,可以显示一篇数千字的文章。将数字水印技术用于印刷防伪,不仅安全可靠,还具有无需改变原有印刷工艺流程、无需增加印刷成本等特点,只需通过专用软件处理就可将防伪信息嵌入印刷品。它在各种产品印刷包装、商标,发票、支票、证券、信用卡的防伪造、数字媒体的版权保护和跟踪,电子商务中的机要通信和防篡改、防抵赖等方面,有极为广泛的用途。

一、数字水印的特点

数字水印也叫数码水印,就是用数码化技术将图像、音频、视频、文本、网络等目标直接隐藏在静止图像、活动图像或其他数码化传播媒体中的技术,它被称为图像数码化水印处理技术。其实质就是图像信息的隐藏或称为图像水印处理技术。依据所嵌入的主媒体不同,主要可分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印和网络水印。与传统加密系统不同的是,数字水印技术应用的主要目的并不是限制对媒体的访问,而是确保媒体中水印不被改变或消除,从而为媒体提供必要的证明信息;此外,也可用于保密通信和隐含信息标注等。

从视觉效果考虑,图像水印分为可见和不可见两种。由于可见水印的应用范围和技术受到较大限制,因此应用范围不太广泛;而不可见(隐形)水印则是目前图像水印的主要研究内容。通过在原始图像中嵌入秘密信息——水印来证实该数据的所有权归属或数据的完整性。

水印可以是代表所有权的文字或ID、图形、图像、音频数据、随机序列等。从图像处理的角度看,嵌入水印可以视为在强背景(原始图像)下叠加一个弱信号(水印)。由于人的视觉系统分辨率受到一定的限制,只要叠加信号的幅度低于HVS的对比度门限,HVS就无法感觉到信号的存在。对比度门限受视觉系统的空间、时间和频率特性的影响。因此,通过对原始图像做一定的调整,有可能在不改变视觉效果的情况下嵌入一些信息。另一方面,从数码通信的角度看,水印编码(嵌入)可理解为在一个宽带信道(原始图像)上用扩频通信技术传输一个窄带信号(水印)。尽管水印信号具有一定的能量,但分布到信道中任一频率上的能量是难以检测到的。水印的译码(检测)则是一个有噪信道中弱信号的检测问题。

在一些应用场合下,水印的检测允许有原始图像的辅助;而在另外一些场合下,有可能无法得到原始图像。通常由于水印信号与原始图像信号相比弱得多,没有原始图像辅助的检测方法将更加困难。也就是说,借助原始图像,水印算法的抗噪声稳健性能更好一些。在几何变换和几何失真的情况下,水印分量的同步问题也将使检测更加复杂。随机序列作为水印,只能给出“Yes”或“No”的结论,换句话说,放进图像的秘密信息事实上仅为此1bit。在许多应用场合,要求嵌入图像的信息是可读的或可视的,如有意义的文字串或者一个图像(商标、印鉴)等,这种有意义的水印与无意义的伪随机噪声相比,所具有的优点是不言而喻的。如何在图像中嵌入有意义的信息将是极具实际价值的研究内容。

对于图像隐形水印来说,其基本要求有5个方面。

(1)不可见性。水印应该是视觉上不可见的,即它的存在不应该使原始图像视觉质量发生变化或影响原始图像的视觉效果;

(2)稳健性。即水印图像经过一些常见的改变后,水印仍具有较好的可检测性。这些改变包括常见图像处理(如数据压缩、低通滤波、图像增强、二次抽样、二次量化、 A/D和D/A转换等)、几何变换和几何失真(如裁剪、尺度拉伸、平移、旋转、扭曲等)、噪声干扰、多重水印的重塑等。对不同的应用场合,要求有不同的稳健性。需要指出的是,存在另一种与稳健水印性质相反的水印,称为易损水印,它可用来证实原始媒体是否被改变过;

(3)低复杂性。算法应容易实现,在某些应用场合(如视频水印)下,甚至要求水印算法的实现满足实时性的要求;

(4)秘密性。嵌入过程(嵌入方法和水印结构)是秘密的,水印是统计上不可检测的。对于通过改变水印图像来消除和破坏水印的企图,水印应该保持存在直到图像已严重失真而丧失使用价值。对于原版媒体的证实,通过识别水印是否失真应能判断原版媒体是否被改变过;

(5)正确解决所有权的死锁(不确定性)问题。即水印用来作为所有权证明时,应能给判断提供惟一性的证据。

在上述5个方面中,不可见性和稳健性是对隐形水印的最基本要求,也是一对矛盾的两个因素。实现图像隐形水印的原则是,在保证不改变原始图像视觉感知效果(即不可见性)的前提下,实现水印具有较好的稳健性和抗攻击性。

(待续)

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