基于QR 码的自适应抗打印扫描水印算法Word文档格式.docx
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抗打印扫描近年来,QR码广泛应用于电子客票服务、物流、邮政等领域[1—2],随着打印扫描设备的发展,QR码极易被复制,需要保证其信息安全。
数字水印技术具有不可见性好,安全性高等特点[3—4],因此如何用数字水印技术来解决QR码的抗打印扫描问题成为当前研究热点。
目前,已经提出了很多抗打印扫描的数字水印算法,取得了很大进展,但仍然存在很多不足。
2014年MIRZAMT等[5]提出了基于混合域的水印嵌入方法,将水印嵌入到空域和傅立叶变换域中,具有较强的抗压缩和旋转等攻击,但是抗打印扫描能力不够好,有待进一步提高。
2015年郭倩等[6]提出了基于DCT-SVD的双QR码水印防伪算法,利用奇异值分解将水印嵌入到图像DCT域,对一般攻击具有较强的鲁棒性,但对抵抗打印扫描的能力仍然有限。
2016年谢勇等[7]提出抗打印扫描彩色图像水印算法,利用四元数傅立叶变换和小波变换嵌入水印,在一定程度上能抵抗打印扫描,但打印扫描后提取水印效果有待进一步改善。
为了更好的满足实际需要,解决现有水印算法普遍存在抵抗打印扫描能力不强的问题,文中提出一种基于QR码的自适应抗打印扫描水印算法。
1基础原理1.1QR码QR码即快速识别矩阵码。
结构包括编码区域和含有寻像图像、分隔符、定位图形、校正图形的功能图形。
QR码不仅具有一般性条码的特点,而且具有独到的特性。
其信息容量大,读取速度快,识读方位达360°
,且纠错功能很强。
QR码的纠错等级分为L,M,Q,H这4个等级[8—10]。
1.2离散小波变换(DWT)离散小波变换是一种时频局域变换,可以在不同尺度上分析信号。
离散小波变换经过一层分解得到4个子带,分别为:
水平中频子带(HL)、垂直中频子带(LH)、对角高频子带(HH)和低频子带(LL)。
图像的大部分能量集中在低频区域,高频区域主要反映图像的细节信息。
由于打印扫描对图像影响较小的是低频信息,高频信息容易产生失真并丢失,所以将水印信息嵌入到三级小波变换的低频分量中,从而增强水印的鲁棒性[11—12]。
1.3Schur分解Schur分解是一种矩阵分解方法[13—14]。
根据文献[13],对非负矩阵4×
4分块Schur分解得到4×
4的U矩阵,其中第2行第1列元素和第3行第1列元素的差值稳定,利用这种稳定性进行水印的嵌入与盲提取。
Schur分解定义如下:
设矩阵A∈Cn×
n,则存在酉矩阵U∈Cn×
n,使得:
式中:
D为特征值对角阵;
B为上三角阵;
U⊥为U矩阵的转置矩阵。
相较于SVD分解的时间复杂度O(11N3),Schur分解的时间复杂度更低,仅O(8N3/3),算法效率更高。
2水印嵌入和提取算法2.1水印嵌入算法1)将QR码载体图像进行三级小波变换,小波基为Haar。
2)对三级低频子带分块Schur分解。
将低频子带划分成4×
4的非重叠块,对每一个子块进行Schur分解得到相应的Ui,j矩阵。
3)生成取值范围0~a的随机矩阵,再根据水印信息Wi,j调节随机矩阵使其满足式
(2),构成审核矩阵Qi,j,审核矩阵的阈值为q=a/2。
4)嵌入水印信息。
基于式(3—4)结合审核矩阵将水印信息嵌入到步骤2)得到的每一块Ui,j矩阵中的水印信息。
U2,1和U3,1分别为Ui,j矩阵中第2行第1列的元素和第3行第1列的元素,sign(U2,1)为U2,1的符号,Uavg=(|U2,1|+|U3,1|)/2,|U2,1|为U2,1的绝对值。
5)通过Schur逆变换和三级小波逆变换得到含水印信息QR码载体图像。
水印嵌入流程见图1。
图1水印嵌入流程
Fig.1Watermarkembeddingprocess2.2水印提取算法1)对含水印QR码图像进行三级小波变换。
2)低频子带进行分块Schur分解得到每个子块的U'
i,j矩阵。
3)根据每块U'
i,j矩阵的第2行第1列和第3行第1列的系数U'
2,1和U'
3,1提取水印信息,见式(5)。
W'
i,j为提取的水印信息。
4)对提取的水印进行双边滤波,二值化处理得到增强后最终水印。
水印提取流程见图2。
图2水印提取流程
Fig.2Watermarkextractingprocess3实验仿真与分析实验采用512×
512像素、纠错等级为H的QR码作为载体图像,采用64×
64像素、标有“USST”字符的二值图作为水印图像。
为验证算法的有效性,选取2个QR码进行实验,QR1码载体信息为上海理工大学官网,QR2码载体信息为上海理工大学出版印刷与艺术设计学院官网。
采用归一化相关系数NC值[15]对水印提取效果进行客观评价。
载体图像及水印图像见图3。
图3载体图像及水印图像
Fig.3Carrierimageandwatermarkimage3.1抗打印扫描实验打印扫描会对数字图像质量产生很大影响,为了增强水印抗打印扫描能力,取a=1,2,3,4进行实验确定合适的审核矩阵阈值q。
如果水印嵌入强度过小,会使得含水印的QR码经过打印扫描后丢失大量信息而难以提取水印信息;
如果嵌入强度过大,将会对原始载体QR码的质量产生一定影响,无法识别,因此选择水印强度t=0.5,0.8,1,2,3,4,5,6,7,8进行实验确定最佳水印嵌入强度。
打印扫描分辨率设置为300dpi,打印图像大小为3cm。
现以载体QR1码为例,对打印扫描后提取的水印NC值进行分析,结果见图4。
图4QR1提取水印NC值
Fig.4TheNCvaluesofwatermarkextractedbyQR1从图4可以看出,若直接嵌入水印,未加审核矩阵,提取水印NC值较低,该算法通过增加审核矩阵,自适应嵌入水印信息后,NC值基本上保持在0.8以上,有很大提升。
对不同的审核矩阵阈值q进行比较,可以发现当q值较小时,NC值提升不大;
当q值增大到1.5时,NC值达到最高;
继续增大q值为2时,NC值反而有所降低,因此,q=1.5为最合适的审核矩阵阈值。
对不同水印嵌入强度t进行比较,可以发现t=5时,NC值基本上比其他水印嵌入强度高。
t=5为最佳水印嵌入强度。
具体的提取水印图及NC值见表1和表2。
表1提取水印及NC值(t=5)
Tab.1ExtractedwatermarkandtheNCvalues(t=5)审核矩阵阈值提取水印图NC值未加审核矩阵0.750733q=0.50.839687q=10.901799q=1.50.921271q=20.846531从表1可以看出,当固定水印嵌入强度t=5,审核矩阵阈值q=1.5时提取水印效果最好,其NC值达到最大。
表2提取水印及NC值(q=1.5)
Tab.2ExtractedwatermarkandtheNCvalues(q=1.5)水印嵌入强度提取水印图NC值t=20.853372t=30.86608t=40.888563t=50.921271t60.826002t=70.844575t=80.86999从表2可以看出,当固定审核矩阵阈值q=1.5,水印嵌入强度t=5时提取水印效果最好,其NC值达到最高。
3.2攻击实验为了测试文中算法的鲁棒性,所设定的审核矩阵阈值q为1.5,水印嵌入强度t为5,进行攻击实验。
以QR1为例,实验结果见表3。
由表3可知,当含水印载体图像遭受攻击时,所提取水印NC值都在0.96以上。
当图像经过输出打印扫描后,再对其进行攻击,所提取水印NC值虽然有所降低,但仍然在0.87左右,因此文中算法具有较好的抗打印扫描能力。
为进一步改善所提取水印效果,对其进行双边滤波处理,提取水印NC值提高到0.9左右,主观视觉效果也得到很好改善。
表3水印攻击实验结果
Tab.3Experimentalresultsofwatermarkingattacks攻击类型打印扫描前打印扫描后增强后提取水印NC值提取水印NC值提取水印NC值高斯噪声0.9667640.8768330.902248椒盐噪声0.9716520.8826980.900293斑纹噪声0.9755620.866080.887586泊松噪声0.9775170.8826980.898338JPEG压缩(30%)0.9745850.8807430.905181JPEG2000压缩(30%)0.972630.8787880.9022483.3算法比较为了进一步验证文中算法的强鲁棒性,从1次打印扫描提取水印和文献[7]进行比较,从2次打印扫描提取水印和文献[6]进行比较,提取的水印及NC值见表4。
表4打印扫描鲁棒性比较
Tab.4Thecomparisonofprint-scanrobustness1次打印扫描2次打印扫描算法提取水印NC值提取水印NC值算法文献[7]0.75文献[6]<0.60文中0.92文中0.74文献[7]选取图像作为载体,经过1次打印扫描提取水印的NC值为0.75且主观视觉效果较差,文中所选载体为QR码,打印扫描后提取水印的NC值达到0.92且提取水印图像清晰。
将水印图像进行第2次打印扫描后,文献[6]提取水印NC值小于0.60且无法识别,而文中算法提取水印的NC值为0.74且含水印QR码载体信息均可正确识别,因此,文中算法的抗打印扫描能力更强,水印安全性更高。
同时,QR码和数字水印技术相结合,具有较强的实用性,可以抵抗无意或有意的打印扫描攻击,提升了数字作品的安全性。
4结语提出了一种自适应的抗打印扫描盲水印算法,该算法基于DWT和Schur分解系数差值的稳定性将二值水印嵌入到QR码载体图像中。
实验结果表明,该算法具有很强的抗打印扫描性能,且对噪声攻击和JPEG压缩等也具有很强的鲁棒性,对数字水印防伪具有很好的实际应用价值。
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(1.UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;
2.ShanghaiPublishingandPrintingCollege,Shanghai200093,China;
3.ShanghaiPrintingTradeAssociation,Shanghai200093,China)ABSTRACT:
TheworkaimstoproposeanadaptiveblindwatermarkingalgorithmresistanttoprintingandscanningbasedonQRcode.Firstly,thecarrierQRcodewasprocessedbythree-levelDWTtransformandthelow-frequencypartwassubjectto4×
4blockSchurdecomposition.Then,thebinarywatermarkinginformationwasadaptivelyembeddedintothecarrierQRcodebasedonastablecoefficientdifferenceofsub-blockUmatrix.Finally,thewatermarkinginformationwasextractedfromtheQRcodewhichwasprintedandscanned.Meanwhile,thealgorithmwasblindlyextracted.Theexperimentalresultsshowedthatthealgorithmcouldbetterresistprint-scanattack,andithadhigherrobustnessinresistingtheattackslikeGaussiannoise,saltandpeppernoise,specklenoise,PoissonnoiseandJPEGcompression.Withstrongperformanceinresistingprin-scanattack,thealgorithmcanbewidelyappliedinthecopyrightprotectionofdigitalproducts.KEYWORDS:
QRcode;
watermarking;
DWTtransform;
Schurdecomposition;
resistanttoprintingandscanning中图分类号:
TS801.3;
TP391文献标识码:
A文章编号:
1001-3563(2017)21-0186-05收稿日期:
2017-04-24基金项目:
“柔版印刷绿色制版与标准化实验室”招标课题(ZBKT201709)作者简介:
王春霞(1993—),女,硕士,上海理工大学硕士生,主攻为数字图像处理。
通讯作者:
王晓红(1971—),女,博士,上海理工大学教授,主要研究方向为颜色科学和数字图像处理。
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- 基于QR 码的自适应抗打印扫描水印算法 基于 QR 自适应 打印 扫描 水印 算法