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文檔簡介
1、光 電 子 激 光journal of optoelectron ics laser第 19 卷 第 11 期 2008 年 11 月vol . 19 no . 11 no v. 2008一種基于視覺特性及形態(tài)網(wǎng)屏編碼的紙介質(zhì)信息防偽3方法3趙立龍3 3 , 顧澤蒼 , 方志良 , 母國光(南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所 ,光電信息技術(shù)教育部重點實驗室 ,天津 300071)摘要 :提出一種基于視覺特性及形態(tài)網(wǎng)屏編碼的紙介質(zhì)信息防偽方法。其原理是通過控制網(wǎng)屏點陣的數(shù)學(xué)形態(tài)變化 ,將警告性圖案(文字) 隱藏在證件的背景底紋中 ,利用人眼視覺特性和復(fù)印機復(fù)印特性的差異制作出視 覺不可見 ,但一經(jīng)復(fù)印機復(fù)印
2、 ,即可浮現(xiàn)出隱藏的警告信息。通過設(shè)計不同數(shù)學(xué)形態(tài)的網(wǎng)屏點陣編碼將證件上 的證明信息埋入到背景中 ,用提取的隱藏信息與證件上的明文信息的比對來驗證真?zhèn)?。通過對多種財務(wù)票據(jù)、 證書的大量實驗結(jié)果表明 ,該方法驗證正確率達到 98 %以上。關(guān)鍵詞 :網(wǎng)屏 ; 防偽 ; 信息隱藏中圖分類號 : tp309文獻標(biāo)識碼 :a文章編號 :100520086 (2008) 1121526204an anti2fake method based on visual characteristics and morphology screen codingzhao li2long 3 3 , gu ze2cang
3、 , fan g zhi2liang , mu guo2guang( instit ute of modern optics , nankai university , t he key laboratory of opto2elect ronic information science andtechnology ,mo e , tianjin 300071 ,china)abstract :an paper information anti2fake met hod based on human visual characteristics and morphology screen co
4、de technol2 ogy was proposed t hrough cont rolling t he dist ribution of mat hematical morphology of screen dot2mat rix ,warning mark was hid in background text ure. because of t he differences between human vision and duplicate characteristic of copy machine ,hu2 man eye can not distinguish t he ma
5、rk f rom t he text ure. but warning mark will emerge after copy. meanwhile plaintext or ot her certificate information will be embedded into background text ure by different mat hematical morphology screen dot2ma2 t rix code. embedded information was ext racted f rom scanned image of certificate via
6、 recognition program ,by comparison wit h plaintext printed on certificate ,counterfeit or fake certificates can be identificated. the met hod was applied in many bills and certificates , experimental result s showed t hat t he identification accuracy is above 98 %.key words :screen ; anti2fake ; in
7、formation hiding常用的印刷防偽方法主要有二維條碼 68 和底紋。其廣泛使用的二維條碼必須單獨出現(xiàn) ,占據(jù)一定的特定空間 , 費了有限的信息存儲空間 ,且易于被復(fù)制 ,防偽安全性差。 紋技術(shù)是利用線條的粗細和顏色等的變化進行防偽 ,缺點是 通消費者難辨真假。本文提出一種基于半色調(diào)網(wǎng)屏理論 ,利用人眼視覺感知 性與復(fù)印機復(fù)印特性的差異形成的防偽造、防篡改方案。其理是用網(wǎng)點的不同微觀數(shù)學(xué)形態(tài)編碼隱藏警告圖案和嵌入 藏信息 ,使描述相同灰度視覺感的不同微觀數(shù)學(xué)形態(tài)的網(wǎng)屏 述不同信息 ,完全不同于傳統(tǒng)的描述灰度的半色調(diào)技術(shù)。具 成本低廉 ,消費者不需要專業(yè)知識就容易識別。1引言隨著高速個
8、人計算機、高分辨率激光打/ 復(fù)印機、掃描儀和 電荷耦合器件的發(fā)明和商業(yè)化應(yīng)用 ,使的各種證件、證明材料、 票據(jù)被非法復(fù)制、篡改。傳統(tǒng)防偽技術(shù)是通過采用特殊工藝、 特殊材料制造出使他人無法仿制的產(chǎn)品 ,如激光打印和光刻、 激光全息圖、激光防偽、特制水印紙防偽、熒光防偽、磁性防偽 及各種特殊油墨防偽 1 等。這些防偽技術(shù)在一定程度上起到 了防偽作用 ,但是也增加了成本 ,同時沒有注意消費者的識別 能力與水平 ,造成防偽效果不甚理想。目前 ,數(shù)字水印技術(shù) 25 ,是多媒體信息安全研究領(lǐng)域的 一個熱點 ,也是信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域的重要分支 ,但主要是 為解決電子文件的防復(fù)制或防篡改等的安全問題 ,大多
9、數(shù)算法 都不能抵抗打印掃描的攻擊 ,這是由于打印掃描涉及 da 和ad 兩次轉(zhuǎn)換 ,同時受輸出、輸入設(shè)備和紙張材料影響很大。2 視覺特性2. 1 視覺分辨率人眼系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng) ,一般情況下可以把它3收稿日期 :2008201224 修訂日期 :20082032303 基金項目 :天津市重點科技攻關(guān)項目(o5 yf gzgx09800)3 3 e2mail :nk_endy 163. com作由一套光學(xué)系統(tǒng)和一套感光系統(tǒng)構(gòu)成。由于受到瞳孔孔徑、視細胞尺寸和響應(yīng)范圍等的影響 ,人眼只具有有限的分辨率。 瑞利給出恰可分辨兩個物點的判據(jù) :點物 s1 的艾里斑中心恰 好與另一個點物 s2 的
10、艾里斑邊緣(第 1 衍射極小) 相重合時 , 恰可分辨兩物點,則最小分辨角公式。網(wǎng)點。a 系列所有網(wǎng)點都是集中一起的 ,b 系列網(wǎng)點都是分離的。但是復(fù)印機對不同數(shù)學(xué)形態(tài)的網(wǎng)點的復(fù)印能力是 有差別的。復(fù)印后 ,由取樣定理知 ,對 a 系列網(wǎng)點重建精度 明顯高于 b 系列 ,因此由 a 、b 兩個系列形態(tài)網(wǎng)點組成的圖 像經(jīng)復(fù)印后 ,結(jié)果中只會留下 a 類型網(wǎng)點 ,進而用 a 系列 網(wǎng)點編碼的警告性文字 、圖案就浮現(xiàn)出來 , 實現(xiàn)防復(fù)印 效果。 = 1. 22 (1)d觀察距離為 d 時 ,最小可分辨的距離為 :l = d 1. 22 (2)d公式(2) 中, d 分別為光波波長和瞳孔直徑 , 平均
11、波長選取為 550 nm ,瞳孔直徑為 2. 50 mm 。觀察距離 d 為 450. 00 mm 時 ,根據(jù)公式(2) 計算出的眼睛能夠分辨的兩點或兩線對 瞳孔中心的最小可分辨距離是 0. 13 mm 。2. 2 視覺掩蔽這里我們主要考慮亮度掩蔽性和紋理掩蔽性。圖像在空 間上某點的視覺掩蔽特性不僅與該點所處鄰域的背景亮度有 關(guān) ,還與鄰域的亮度在空間上的變化有關(guān)。人眼視覺的敏感性主要由高對比度紋理決定的。背景亮度變化越劇烈 ,視覺越高 ,即人眼的對比度靈敏度越低。這種現(xiàn)象稱為空間域中的視 覺的掩蔽效應(yīng)。如圖 1 所示 ,我們通過疊加兩張具有不同紋理 對比度圖片制作出第 3 個圖片 ,結(jié)果合成
12、圖片和具有高對比度 圖片很相似 ,低對比度圖像特征幾乎看不到。圖 2 網(wǎng)點形態(tài)fig. 2 morphology of screen dot為進一步加強視覺效果 ,降低人眼對不同形態(tài)網(wǎng)點的視覺敏感度 ,將形態(tài)網(wǎng)點排列成具有一定圖案特征網(wǎng)紋 ,利用網(wǎng)紋 圖案的高對比敏感度進一步掩蔽微觀形態(tài)網(wǎng)點的細節(jié)特征 ,增 強了隱藏圖案的不可見性。形態(tài)網(wǎng)屏編碼防復(fù)印功能制作流程如圖 3 所示 ,選擇隱藏圖案 e( x , y) ,采用圖 2 中 a 系列中的 a1 形態(tài)網(wǎng)點平鋪形成網(wǎng) 屏點陣化圖像 m1 ( x , y) ,將 e( x , y) 與 m1 ( x , y) 進行 e( x , y) m1 (
13、 x , y) 運算( 是“與”運算, e( x , y) 黑色部分被網(wǎng)屏點陣化 , 得到被編碼的隱藏圖案的圖像 m2 ( x , y) 。同理將底紋圖案 p 與用圖 2 中用 b 系列中 b1 網(wǎng)點網(wǎng)屏化的圖像 n1 ( x , y) 進行 p ( x , y) n1 ( x , y) 運算 , 得到被編碼的底紋圖案的圖像 n2 ( x , y) ,將 n2 ( x , y) 和 m2 ( x , y) 進行 n2 ( x , y) m2 ( x , y) 合并運算就得到了利用兩種不同形態(tài)網(wǎng)點分別對隱藏圖像 e( x , y) 和底紋圖案 p( x , y) 編碼后的圖像 f( x , y)
14、 。其中 是“合并”運算 ,是在相同的位置處用 m2 ( x , y) 中形態(tài)網(wǎng)點取代 n2 ( x , y) 中形 態(tài)網(wǎng)點。在 f( x , y) 的局部放大圖像 l ( x , y) 中我們可以清楚看到兩種不同形態(tài)網(wǎng)點。具體編碼過程表示為 :圖 1 視覺掩蔽fig. 1 visual masking3 形態(tài)網(wǎng)屏編碼3. 1 防復(fù)印編碼印刷或者打印機只能輸出固定大小的網(wǎng)點和控制著墨與 否 ,無法直接表現(xiàn)圖像的連續(xù)灰度。半色調(diào)網(wǎng)屏技術(shù) 911 是利用單一顏色網(wǎng)點的各種分布狀態(tài)間接的模仿出百余種灰度等 級 ,而人眼在處理視覺信息的最初階段具有低通特性 ,使得人 眼在一定的視角范圍內(nèi)細節(jié)分辨能力低
15、 ,從而使得二值圖像表 現(xiàn)出灰度的變化。在輸出設(shè)備分辨率為 600 dpi 時 ,輸出設(shè)備最小元素點 大小為 0 . 042 mm ,人眼可以分辨的最小距離是 4 個元素點 的距離。即人眼在一定的距離外對一個 4 4 像素點的小面元內(nèi)部的點陣形態(tài)是不能分辨的 ,對其灰度的感覺是對 該面元的總的灰度 ,即在視覺效果上是具有相同灰度視覺 感的、不可區(qū)分的小區(qū)域。每個半色調(diào)矩陣網(wǎng)格中元素點 的數(shù)目決定著該網(wǎng)點描述的灰度 ,元素點越多 , 色調(diào)越暗。圖 2 給出了多個在 4 個灰度級、具有不同數(shù)學(xué)形態(tài)的結(jié)構(gòu)圖 3 編碼流程fig. 3 flowchart of encoding光 電 子激 光 200
16、8 年 第 19 卷1528 f( x , y) = e( x , y) m1 ( x , y) p( x , y) n1 ( x , y) (3)3. 2 信息嵌入及識別編碼防復(fù)印功能在一定程度上能夠鑒別證件的真?zhèn)?,為進一步 加強該防偽技術(shù)的安全性和檢測的準(zhǔn)確性 ,可以將必要的證明 信息利用形態(tài)網(wǎng)點編碼埋入到底紋中 ,通過對隱藏信息的識別 來驗證證件的真?zhèn)?。為保證最佳的防復(fù)印效果 ,僅將信息嵌入 到隱藏圖案的形態(tài)網(wǎng)點中。該形態(tài)網(wǎng)屏必須滿足兩個條件 :1) 滿足人眼視覺特性;2) 與原形態(tài)網(wǎng)點形態(tài)差異大。根據(jù)該條件我們選擇圖 4 所示兩種不同灰度下的兩種不同數(shù)學(xué)形態(tài)的網(wǎng)點分別描述信息 1 和
17、信息 0 。嵌入的警告性圖像信息是 cop y 文字。圖 5 (b) 是證書的復(fù)件 ,復(fù)印結(jié)果將原件中隱藏的警示性文字就顯現(xiàn)出來 ,據(jù)此 別證書真?zhèn)?。圖 4 信息網(wǎng)點fig. 4 inf ormation screen dots信息嵌入和提取算法如下 :1) 根據(jù)具體的隱藏圖案記錄下組成隱藏圖案網(wǎng)點的位置 集合 ,其中 k 大于 np = p1 , p2ps , s = 1 ,2 , k2) 將嵌入信息轉(zhuǎn)換為 n 位二進制序列 : m = m1 , m2mn ,mi 0 ,1 , i = 1 ,2 , n3) 根據(jù)隱秘密鑰 k ,從可用位置集合 p 中選取 n 個 ,組成 嵌入信息的可用位置序
18、列,并將其記為 b = b1 , b2 bn , 其中密鑰采用混沌算法或單向函數(shù)加密算法產(chǎn)生。4) 嵌入信息。我們根據(jù)信息序列 m 控制嵌入信息位置的 網(wǎng)點的變換 ,將信息序列 m 依次嵌入到位置集合 b 中 , 其中將 第 i 位信息 mi 按下述規(guī)則嵌入到 b 中 :當(dāng) mi = 0 時,用圖 4 中 b 形態(tài)網(wǎng)點替換原始 a 形態(tài)網(wǎng)點。 當(dāng) mi = 1 時 ,不做網(wǎng)點替換。本文的信息嵌入算法是可逆的 ,信息提取算法是嵌入算法的逆算法。提取時利用形態(tài)模版模糊匹配算法識別兩種信息 網(wǎng)點。4 實驗結(jié)果和討論本文算法是在 vc + + 試驗平臺上實現(xiàn)的。試驗中采用的 打印機是 o ki2020
19、 ,掃描儀 canoscan5200f ,復(fù)印機為 can2ond323 。其中打印機輸出分辨率為 600 dpi ,掃描儀輸入分辨率為 600 dpi 。圖 5 (a) 是本文方法應(yīng)用在證書/ 證件防偽方面的實例。在 證書內(nèi)容打印的同時 ,通過控制打印機輸出網(wǎng)點形態(tài)的變化將 警告性圖案信息編碼成防偽網(wǎng)屏底紋打印在紙上 ,這樣輸出的 證書就具有防偽的背景底紋。圖 5 (a) 是證書原件 ,文件底紋中圖 5fig. 5本方案應(yīng)用于證書的實例及復(fù)印結(jié)果example of this method and copied result在打印的同時 ,我們可以將重要的信息或者特殊的密文息嵌入到底紋中 ,
20、從而使證書具有可見防偽信息和不可見的 藏信息雙重功效。例如我們將證書持有人、發(fā)證時間、有效限、發(fā)證單位等重要信息嵌入到背景底紋中。在檢測時通過描儀掃描圖像 ,圖像經(jīng)過校正調(diào)整后 ,利用嵌入算法的逆算 進行信息的提取 ,將提取出的信息和證書上印有的明文信息 行比對 ,就可以檢測證書的真?zhèn)?。信息嵌入算法中我們還利用信息的冗余和 rs 糾錯算 進一步增強了信息識別算法的魯棒性。圖 6 所示證件(a) 被 法篡改了持有者姓名和發(fā)證時間; (b) 證件部分受到涂抹 ,造重要信息的不可識別。(c) 證件部分破損 ,造成部分信息的失。(d) 為對以上證件隱藏信息的識別結(jié)果。通過與證件表 的明文信息的比對可以
21、檢測出證書(a) 是非法篡改證件 ,其將持有者信息由“張成”改成“張?zhí)斐伞?。發(fā)證日期由“1998”改成“2008”年。對受到污染和破損證書( b) , (c) 通過對隱藏證明信息提取 ,實現(xiàn)對其真?zhèn)蔚蔫b定。為保證信息識別的準(zhǔn) 率 ,一般情況下受到污染或者破損的面積應(yīng)小于總面積的 1/以下。圖 6 篡改 、破損和涂抹的證書fig. 6 tampered ,damaged and smeared certif icate在實驗中我們看到打印機輸出的網(wǎng)點大小和點增益效應(yīng)的不同對打印出來的背景底紋灰度有一定的影響 ,同時不同掃 描儀掃描的圖像質(zhì)量直接關(guān)系到信息提取的精度。我們對多 種財務(wù)票據(jù)、證書的大
22、量實驗結(jié)果表明 ,驗證正確率達到 98 % 以上。security ,steganography ,and watermarking of multimedia contents vi c . 2004 ,5306 :6702684.li jie ,peng jing ,chu heng ,et al. hierarchical digital watermarking using human visual system propertiesj . journal of optoelectronics laser (光電子 激光) ,2007 ,18 (6) :7342737. (in chi
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25、 sunyat seni (中山大 學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) ,2004. 43 :21225. (in chinese)fu m s ,au o c. data hiding watermarking for halftone images j . ieee transaction on image processing ,2002 ,11 (4) :4772484.4 5 5 結(jié)論本文提出一種基于網(wǎng)屏技術(shù)的防偽方法。其特點是利用人眼視覺和復(fù)印機復(fù)印特性的差別制作出特殊的水印防偽效 果。同時借助不同的形態(tài)網(wǎng)屏點陣編碼信息將證件上的證明信息埋入到背景中 ,通過信息的提取比對就可以驗證證件的真?zhèn)?。實驗結(jié)果證明了該方法的有效性 ,特別是證件受破損、污 染、涂抹、篡改等情況下仍然能夠準(zhǔn)確鑒定證件的真?zhèn)?。該方法可以很好的解決證件、證書的偽造和篡改問題 ,成本低廉。本文
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