一种基于视觉特性及形态网屏编码的纸介质信息防伪方法

1、光 电 子 激 光journal of optoelectron ics laser第 19 卷 第 11 期 2008 年 11 月vol . 19 no . 11 no v. 2008一种基于视觉特性及形态网屏编码的纸介质信息防伪3方法3赵立龙3 3 , 顾泽苍 , 方志良 , 母国光(南开大学现代光学研究所 ,光电信息技术教育部重点实验室 ,天津 300071)摘要 :提出一种基于视觉特性及形态网屏编码的纸介质信息防伪方法。其原理是通过控制网屏点阵的数学形态变化 ,将警告性图案(文字) 隐藏在证件的背景底纹中 ,利用人眼视觉特性和复印机复印特性的差异制作出视 觉不可见 ,但一经复印机复印

2、 ,即可浮现出隐藏的警告信息。通过设计不同数学形态的网屏点阵编码将证件上 的证明信息埋入到背景中 ,用提取的隐藏信息与证件上的明文信息的比对来验证真伪。通过对多种财务票据、 证书的大量实验结果表明 ,该方法验证正确率达到 98 %以上。关键词 :网屏 ; 防伪 ; 信息隐藏中图分类号 : tp309文献标识码 :a文章编号 :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常用的印刷防伪方法主要有二维条码 68 和底纹。其广泛使用的二维条码必须单独出现 ,占据一定的特定空间 , 费了有限的信息存储空间 ,且易于被复制 ,防伪安全性差。 纹技术是利用线条的粗细和颜色等的变化进行防伪 ,缺点是 通消费者难辨真假。本文提出一种基于半色调网屏理论 ,利用人眼视觉感知 性与复印机复印特性的差异形成的防伪造、防篡改方案。其理是用网点的不同微观数学形态编码隐藏警告图案和嵌入 藏信息 ,使描述相同灰度视觉感的不同微观数学形态的网屏 述不同信息 ,完全不同于传统的描述灰度的半色调技术。具 成本低廉 ,消费者不需要专业知识就容易识别。1引言随着高速个

8、人计算机、高分辨率激光打/ 复印机、扫描仪和 电荷耦合器件的发明和商业化应用 ,使的各种证件、证明材料、 票据被非法复制、篡改。传统防伪技术是通过采用特殊工艺、 特殊材料制造出使他人无法仿制的产品 ,如激光打印和光刻、 激光全息图、激光防伪、特制水印纸防伪、荧光防伪、磁性防伪 及各种特殊油墨防伪 1 等。这些防伪技术在一定程度上起到 了防伪作用 ,但是也增加了成本 ,同时没有注意消费者的识别 能力与水平 ,造成防伪效果不甚理想。目前 ,数字水印技术 25 ,是多媒体信息安全研究领域的 一个热点 ,也是信息隐藏技术研究领域的重要分支 ,但主要是 为解决电子文件的防复制或防篡改等的安全问题 ,大多

9、数算法 都不能抵抗打印扫描的攻击 ,这是由于打印扫描涉及 da 和ad 两次转换 ,同时受输出、输入设备和纸张材料影响很大。2 视觉特性2. 1 视觉分辨率人眼系统是一个非常复杂的系统 ,一般情况下可以把它3收稿日期 :2008201224 修订日期 :20082032303 基金项目 :天津市重点科技攻关项目(o5 yf gzgx09800)3 3 e2mail :nk_endy 163. com作由一套光学系统和一套感光系统构成。由于受到瞳孔孔径、视细胞尺寸和响应范围等的影响 ,人眼只具有有限的分辨率。 瑞利给出恰可分辨两个物点的判据 :点物 s1 的艾里斑中心恰 好与另一个点物 s2 的

10、艾里斑边缘(第 1 衍射极小) 相重合时 , 恰可分辨两物点,则最小分辨角公式。网点。a 系列所有网点都是集中一起的 ,b 系列网点都是分离的。但是复印机对不同数学形态的网点的复印能力是 有差别的。复印后 ,由取样定理知 ,对 a 系列网点重建精度 明显高于 b 系列 ,因此由 a 、b 两个系列形态网点组成的图 像经复印后 ,结果中只会留下 a 类型网点 ,进而用 a 系列 网点编码的警告性文字 、图案就浮现出来 , 实现防复印 效果。 = 1. 22 (1)d观察距离为 d 时 ,最小可分辨的距离为 :l = d 1. 22 (2)d公式(2) 中, d 分别为光波波长和瞳孔直径 , 平均

11、波长选取为 550 nm ,瞳孔直径为 2. 50 mm 。观察距离 d 为 450. 00 mm 时 ,根据公式(2) 计算出的眼睛能够分辨的两点或两线对 瞳孔中心的最小可分辨距离是 0. 13 mm 。2. 2 视觉掩蔽这里我们主要考虑亮度掩蔽性和纹理掩蔽性。图像在空 间上某点的视觉掩蔽特性不仅与该点所处邻域的背景亮度有 关 ,还与邻域的亮度在空间上的变化有关。人眼视觉的敏感性主要由高对比度纹理决定的。背景亮度变化越剧烈 ,视觉越高 ,即人眼的对比度灵敏度越低。这种现象称为空间域中的视 觉的掩蔽效应。如图 1 所示 ,我们通过叠加两张具有不同纹理 对比度图片制作出第 3 个图片 ,结果合成

12、图片和具有高对比度 图片很相似 ,低对比度图像特征几乎看不到。图 2 网点形态fig. 2 morphology of screen dot为进一步加强视觉效果 ,降低人眼对不同形态网点的视觉敏感度 ,将形态网点排列成具有一定图案特征网纹 ,利用网纹 图案的高对比敏感度进一步掩蔽微观形态网点的细节特征 ,增 强了隐藏图案的不可见性。形态网屏编码防复印功能制作流程如图 3 所示 ,选择隐藏图案 e( x , y) ,采用图 2 中 a 系列中的 a1 形态网点平铺形成网 屏点阵化图像 m1 ( x , y) ,将 e( x , y) 与 m1 ( x , y) 进行 e( x , y) m1 (

13、 x , y) 运算( 是“与”运算, e( x , y) 黑色部分被网屏点阵化 , 得到被编码的隐藏图案的图像 m2 ( x , y) 。同理将底纹图案 p 与用图 2 中用 b 系列中 b1 网点网屏化的图像 n1 ( x , y) 进行 p ( x , y) n1 ( x , y) 运算 , 得到被编码的底纹图案的图像 n2 ( x , y) ,将 n2 ( x , y) 和 m2 ( x , y) 进行 n2 ( x , y) m2 ( x , y) 合并运算就得到了利用两种不同形态网点分别对隐藏图像 e( x , y) 和底纹图案 p( x , y) 编码后的图像 f( x , y)

14、 。其中 是“合并”运算 ,是在相同的位置处用 m2 ( x , y) 中形态网点取代 n2 ( x , y) 中形 态网点。在 f( x , y) 的局部放大图像 l ( x , y) 中我们可以清楚看到两种不同形态网点。具体编码过程表示为 :图 1 视觉掩蔽fig. 1 visual masking3 形态网屏编码3. 1 防复印编码印刷或者打印机只能输出固定大小的网点和控制着墨与 否 ,无法直接表现图像的连续灰度。半色调网屏技术 911 是利用单一颜色网点的各种分布状态间接的模仿出百余种灰度等 级 ,而人眼在处理视觉信息的最初阶段具有低通特性 ,使得人 眼在一定的视角范围内细节分辨能力低

15、 ,从而使得二值图像表 现出灰度的变化。在输出设备分辨率为 600 dpi 时 ,输出设备最小元素点 大小为 0 . 042 mm ,人眼可以分辨的最小距离是 4 个元素点 的距离。即人眼在一定的距离外对一个 4 4 像素点的小面元内部的点阵形态是不能分辨的 ,对其灰度的感觉是对 该面元的总的灰度 ,即在视觉效果上是具有相同灰度视觉 感的、不可区分的小区域。每个半色调矩阵网格中元素点 的数目决定着该网点描述的灰度 ,元素点越多 , 色调越暗。图 2 给出了多个在 4 个灰度级、具有不同数学形态的结构图 3 编码流程fig. 3 flowchart of encoding光 电 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 信息嵌入及识别编码防复印功能在一定程度上能够鉴别证件的真伪 ,为进一步 加强该防伪技术的安全性和检测的准确性 ,可以将必要的证明 信息利用形态网点编码埋入到底纹中 ,通过对隐藏信息的识别 来验证证件的真伪。为保证最佳的防复印效果 ,仅将信息嵌入 到隐藏图案的形态网点中。该形态网屏必须满足两个条件 :1) 满足人眼视觉特性;2) 与原形态网点形态差异大。根据该条件我们选择图 4 所示两种不同灰度下的两种不同数学形态的网点分别描述信息 1 和

17、信息 0 。嵌入的警告性图像信息是 cop y 文字。图 5 (b) 是证书的复件 ,复印结果将原件中隐藏的警示性文字就显现出来 ,据此 别证书真伪。图 4 信息网点fig. 4 inf ormation screen dots信息嵌入和提取算法如下 :1) 根据具体的隐藏图案记录下组成隐藏图案网点的位置 集合 ,其中 k 大于 np = p1 , p2ps , s = 1 ,2 , k2) 将嵌入信息转换为 n 位二进制序列 : m = m1 , m2mn ,mi 0 ,1 , i = 1 ,2 , n3) 根据隐秘密钥 k ,从可用位置集合 p 中选取 n 个 ,组成 嵌入信息的可用位置序

18、列,并将其记为 b = b1 , b2 bn , 其中密钥采用混沌算法或单向函数加密算法产生。4) 嵌入信息。我们根据信息序列 m 控制嵌入信息位置的 网点的变换 ,将信息序列 m 依次嵌入到位置集合 b 中 , 其中将 第 i 位信息 mi 按下述规则嵌入到 b 中 :当 mi = 0 时,用图 4 中 b 形态网点替换原始 a 形态网点。 当 mi = 1 时 ,不做网点替换。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。提取时利用形态模版模糊匹配算法识别两种信息 网点。4 实验结果和讨论本文算法是在 vc + + 试验平台上实现的。试验中采用的 打印机是 o ki2020

19、 ,扫描仪 canoscan5200f ,复印机为 can2ond323 。其中打印机输出分辨率为 600 dpi ,扫描仪输入分辨率为 600 dpi 。图 5 (a) 是本文方法应用在证书/ 证件防伪方面的实例。在 证书内容打印的同时 ,通过控制打印机输出网点形态的变化将 警告性图案信息编码成防伪网屏底纹打印在纸上 ,这样输出的 证书就具有防伪的背景底纹。图 5 (a) 是证书原件 ,文件底纹中图 5fig. 5本方案应用于证书的实例及复印结果example of this method and copied result在打印的同时 ,我们可以将重要的信息或者特殊的密文息嵌入到底纹中 ,

20、从而使证书具有可见防伪信息和不可见的 藏信息双重功效。例如我们将证书持有人、发证时间、有效限、发证单位等重要信息嵌入到背景底纹中。在检测时通过描仪扫描图像 ,图像经过校正调整后 ,利用嵌入算法的逆算 进行信息的提取 ,将提取出的信息和证书上印有的明文信息 行比对 ,就可以检测证书的真伪。信息嵌入算法中我们还利用信息的冗余和 rs 纠错算 进一步增强了信息识别算法的鲁棒性。图 6 所示证件(a) 被 法篡改了持有者姓名和发证时间; (b) 证件部分受到涂抹 ,造重要信息的不可识别。(c) 证件部分破损 ,造成部分信息的失。(d) 为对以上证件隐藏信息的识别结果。通过与证件表 的明文信息的比对可以

21、检测出证书(a) 是非法篡改证件 ,其将持有者信息由“张成”改成“张天成”。发证日期由“1998”改成“2008”年。对受到污染和破损证书( b) , (c) 通过对隐藏证明信息提取 ,实现对其真伪的鉴定。为保证信息识别的准 率 ,一般情况下受到污染或者破损的面积应小于总面积的 1/以下。图 6 篡改 、破损和涂抹的证书fig. 6 tampered ,damaged and smeared certif icate在实验中我们看到打印机输出的网点大小和点增益效应的不同对打印出来的背景底纹灰度有一定的影响 ,同时不同扫 描仪扫描的图像质量直接关系到信息提取的精度。我们对多 种财务票据、证书的大

22、量实验结果表明 ,验证正确率达到 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 (光电子 激光) ,2007 ,18 (6) :7342737. (in chi

23、nese)zhu bing2lian ,chen xi. blind watermarking algorithm based on con2 volutional encoding and quantizationj . journal of optoelectronics laser (光电子 激光) ,2007 ,18 (5) :6172621. (in chinese)sriramt , raovk. applications of barcode technology in automated storage & retrieval systems a . in : industri

24、al electronics conference proceedings c . taipei ,1996 ,1 :5210.pavlidis j ,swartz j ,wang y p. information encoding with two2dimen2sional barcodesj . ieee computer ,1992 ,25 (6) :18228.niu xia2mu ,huang wen2jun , wu di ,et al. information hiding tech2 nique based on 2d barcodej . acta universitatis

25、 sunyat seni (中山大 学学报(自然科学版) ,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 结论本文提出一种基于网屏技术的防伪方法。其特点是利用人眼视觉和复印机复印特性的差别制作出特殊的水印防伪效 果。同时借助不同的形态网屏点阵编码信息将证件上的证明信息埋入到背景中 ,通过信息的提取比对就可以验证证件的真伪。实验结果证明了该方法的有效性 ,特别是证件受破损、污 染、涂抹、篡改等情况下仍然能够准确鉴定证件的真伪。该方法可以很好的解决证件、证书的伪造和篡改问题 ,成本低廉。本文