（计算机应用技术专业论文）基于二维条码的数字水印技术研究.pdf

摘要 p d f ( p o r t a b l ed a t af i l e ) 4 1 7 二维条码的应用十分广泛，数字水印是近年来在防伪领 域逐渐兴起的技术，是当今的研究热点。将二维条码和数字水印相结合是一种新型的防 伪技术，得到国内外学者的关注。本文针对现有的二维条码嵌入数字水印算法所存在的 水印信息嵌入量不够等问题，提出一种优化的数字水印嵌入二维条码的新方法，实现真 正意义上的证件防伪，对二维条码在防伪领域上的应用深度和广度都有很大的提高。具 体内容包括： 1 、设计了基于二维条码的数字水印系统框架，对在二维条码中嵌入数字水印的研 究背景和关键算法进行了论述。 2 、根据二维条码p d f 4 1 7 的主要特点和人眼的视觉特点，提出一种在p d f 4 1 7 二维 条码的合适边缘嵌入盲水印信息的方法，将二维条码和数字水印技术相结合以提高 p d f 4 1 7 二维条码的安全性和保密性。 3 、为实现二维条码和数字水印双重防伪，本文提出的数字水印是图像置乱后编码 得到的，不但增加了数字水印的抗攻击性，同时使水印图像携带的信息也具有保密性， 这是二维条码防伪技术中一个新的突破。 4 、为使数字水印的保密性增强，水印的嵌入位置通过阀值来控制。水印检测采用 盲检测，只有知道密钥1 ( 阀值t ) 和密钥2 ( 水印图像的置乱次数) 才能得到原始的水 印信息。 改进的算法使得二维条码嵌入的水印信息量增加，保密性增强。最后，用仿真试验 证明了新算法的有效性。 关键词：二维条码；数字水印；置乱；压缩 a b s t r a c t t h ep d f ( p o r t a b l ed a t af i l e ) 4 172 d ( t w o d i m e n s i o n a l ) b a i c o d ei sw i d e l yu s e d t h e d i 酉t a lw a t e 眦砌( i n gi sa na r i s e i lt e c h n o l o g yi nr e i c e n ty e a r si i ls e c 嘶t yf i e l d ，a n di s t h eh o t t o p i co fc u 玎e n tr e s e a r c h 1 1 1 et e c l l i l o l o g yc o m b i n e dt h e2 d b 矾o d ew i t hw a t e 衄诎i san e w a n t i c o u n t e f f e i t i n gt e c l l i l o l o g y w h i c hh a sg o t t e i lm ea t t e n t i o no fd o m e s t i ca n do v e r s e a s c h o l a r s i i lt 1 1 i sp 印e r ，a i m i n go nt h ee x i s t e n c eq u e s t i o n sa b o u tm ew a t e n n a r ki 1 1 f o 肌a t i o n e 1 】m e d d e di n2 db a r c o d e ；s u c ha st h ea m o u n to fw a t e n i l a r ki l l f o m l a t i o nn o te n o u 曲，an e w w a yo fo p t i m i z e d2 db a 庀o d ed i 西t a lw a t e n l l a r ke n l b e d d i n ga l g o r i 伽mi sp r o p o s e di nt h i s a m c l e ，b yt h i sw a y ，t h et r u es e n s eo ft h ed o c u m e n t ss e 伽i r i t yw a sa c h i e v e da 1 1 dm e2 d b a 以o d e sa p p l i c a t i o nw i d t ha n dd e p t hw e r eg r e a t l yi m p r o v e di nt h ef i e l do fs e c u r i t y t h e m a i ns t u d i e sa i l dn e wc o n t r i b u 【t i o n s 硼- cd e s c n b e da sf - o l l o w s ： 1 t h ed i 西t a lw a t e n i l 矗k i n gs y s t 锄厅锄ew o r kb a s e d2 db a r c o d e a r ed e s i g n c d t h e r e s e a - c hb a c k g r o u n do fe n l b e d d i n gd i 百t a lw a t e n l l a 凼n gi n2 db a 妃o d ea 1 1 dk e ya l g o n t l l i i l s a r ed i s c u s s e d 2 a c c o r d i n gt ot h em a i nf e a t l l r e so f p d f 4 1 7b a r c o d ea i l dt h eh m n a ne y e sv i s u a l c h a r a c t e r i s t i c s ，an e wm e t h o do f 锄b e d d i n gb l i n dw a t i 。n n a r ki n f o r m a t i o ni nt 王l ea p p r o p r i a t e e d g ei sp r o p o s e d t h ec o m b i n a t i o no f2 db a r c o d ea n dd i 百t a lw a t 蹦n a r kt e c l l i l 0 1 0 9 y i m p r o v e sm es e c u r i t ya n dc o n f i d e l l t i a l i t yo fp d f 4 l7b a r c o d e 3 i i lo r d e rt om a k es u r em e2 db a l o d ea n dd i 百t a lw a t e n l l 破sd o u b l es e c u r i t y m e d i 百t a lw a t e h n a r k i n gi nt h i sp a p e r i se n c o d e da r e rh n a g es c r a m b l i n g n o to n l yt h ed i 西t a l w 砷e r m a r k ，sa n t i o f f i e n s i v ei si n c r e a s e d ，b u ta l s ot h ew a t e n n a r ki m a g e si n f o m a t i o nw a sk 印t s e c r e t i ti san e wa n t i c o u n t e r f e i t i n gt e c h n o l o g yb r e a k t h r o u 曲i n2 db a 酊o d es e c u r i t y 4 t oe r 血a n c et h ec o n 6 d e n t i a l i t yo fd i g i t a lw a t e m a f k i n g ，t h ew a t e n n a r ke i 】1 b e d d i n g l o c a t i o nw a sc o n t r o l l e dt h r o u 曲m et h r e s h o l d t h ew a t e n n a r kd e t e c t i o no f t h i sa l g o r j t h i t l si s k i n do f b l i n dd e t e c t i o n o m yi fo n ek l l o w sm ek e y l ( 缸e s h o l dt ) a n dk e y2 ( w a t e n n a r k i m a g es c r 锄b l i n g 仔e q u e n c y ) ，c a nb eo b t a i n so r i 西n a lw a t 锄a r k h n p r o v e da l g o r i 恤ni n c r e a s e st h e 锄o u n to fe m b e d d i n gw a t e n n a r k i n f o n n a t i o ni n2 d b a r c o d ea 1 1 de 1 1 1 1 a i l c e sc o n f i d e n t i a l i t y f i n a l l y ，t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ne x p 嘶m e n tp r o v e d t h ee f f e c t i m e s so ft h i sn e wa l g o n t h m k e y w o r d s ：2 db a r c o d e ；d i 西t a lw a t e r m a r k ；s c r a m b l i n g ；c o m p r e s s e d i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 佃叶 f 醐锄7 蒯日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：砑 l 年j 月加日 日期：。7 年厂月妒 1 1 课题背景 第一章绪论 当今的信息社会离不开计算机，自动识别技术的崛起，提供了快速、准确进 行数据采集输入的有效手段，解决了由于计算机数据输入速度慢、错误率高等造 成的“瓶颈”难题，因而自动识别技术作为一种革命性的高新技术，正在迅速为 人们所关注，。自动识别技术是信息数据自动识读、自动输入计算机的重要方法 和手段，它是以计算机技术和通信技术为基础的综合性科学技术心，。 自动识别技术近几十年在全球范围内得到了迅猛发展，初步形成了一个包括 条码技术、光学字符识别、磁卡技术、智能卡、射频技术、声音识别及视觉识别 等集计算机、光、机电、通信技术为一体的高新技术学科，。 条码是一种信息的图形标示符，它是由一组规则排列的“条”，“空以及对 应的字符组成的标记。这些“条”和“空 组成的数据表达一定的信息，并能够 被识读，转换成与计算机兼容的二进制信息。从二十世纪四十年代美国发明的 第一个条码起，条码技术迄今己有六十多年的历史了。上世纪七八十年代，条码 己在发达国家中得到了广泛的应用。 由条码、条码符号的生成及其扫描阅读等部分组成的自动识别系统称之为条 码系统，应用条码系统进行信息处理的技术称之为条码技术。 条码技术是以计算机、光电技术和通信技术的发展为基础的一项综合性科学 技术，是信息数据自动识别、输入的重要方法和手段，它是在计算机技术与信息 技术基础上发展起来的一门集编码、印刷、识别、数据采集和处理于一体的新兴 技术。由于其优点众多，因而发展迅速、用广泛。它不仅扩大了计算机的应用范 围，而且使计算机的应用无论在深度上是在广度上都有了新的发展晦1 。 条码技术现已应用在计算机管理的各个领域，渗透到了商业、工业、交通运 输业、邮电通讯业、物资管理、仓储、医疗卫生、安全检查、餐饮旅游、票证管 理以及军事装备、工程项目等国民经济各行各业。因此研究条码技术有着重要意 义。 现在研究的热点是信息量比较大的二维条码。二维条码是在一维条码无法满 足实际应用需求的前提下产生的，在国内外应用都非常广泛。 1 、二维条码技术在国外的发展 国外对二维条码技术的研究始于8 0 年代末，现已研制出多种码制，如 c o d e 4 9 ，c o d e l6 k ，p d f 4 17 ，c o d eo n e 等，这些二维条码的密度都比一维条码 有了很大的提高，如二维条码p d f 4 17 码，其信息密度是一维条码c o d e 3 9 的2 0 多倍。 在国外，二维条码的标准化工作已经开始。例如，p d f 4 17 ，c o d eo n e ， c o d e l 6 k ，c o d e 4 9 ，d a t am a t r i x 与m a x i c o d e 等二维条码己成为国际自动识别设 备制造商协会( a i m i ) 与美国标协( a n s i ) 的符号标准。 欧洲标准化委员会( c e n ) 已经起草了p d f 4 1 7 的欧洲标准。国际民航组织也 正在审阅p d f 4 17 ，决定将增加为国际旅游证件、包括护照、签证及其它旅游证 件的机读符号标准。 新成立的i s o i e c j t c i s c 3l ( 国际标准化组织与国际电工委员会的第一联 合委员会的第三十一分委员会) 已经起草p d f 4 17 、c o d e l6 k 、d a t am a l r i x 及 m a x i c o d e 四种二维条码的i s o 标准，其标准草案己于l9 9 7 年6 月完成。除了上 述标准化机构外，二维条码已经或正在被一些政府部门或工业团体采纳，。 在美国，二维条码已在身份证、驾驶证、军人证件上开始应用。用它除了将 人的姓名、单位、地址、电话等信息进行编码外，还可将人体的特征如指纹、视 网膜扫描以及照片等个人信息贮存在可识别的条码中，这样不但可以实现证件信 息的自动录入，而且可以防止证件的伪造，减少犯罪。 美国国防部在其新的军人身份证上采用p d f 4 1 7 条码作为机读标准，将照片 及紧急医疗信息编入条码，大约16 ，0 0 0 ，o o o 多张军人卡已在世界各地的7 0 0 多个 美军基地投入使用，有效地防止了证件的伪造 ，。 p d f 4 17 码己在美国、加拿大、新西兰的交通部门的执照年审、车辆违章登 记、罚款及年检上开始应用。在欧洲、美国、日本等已将二维码c o d eo n e 应用 于汽车及电子产品的组装。在墨西哥p d f 4 17 已在报关单证上开始应用，从而防 止了伪造及犯罪，。哥伦比亚、南非、埃及、菲律宾、巴林、黎巴嫩等许多国家 也已在身份证或驾驶证上采用二维条码。 2 、二维条码技术在国内的发展 我国条码技术虽然起步较晚，但进步很快。我国于上世纪七十年代末开始研 究条码技术，并在诸如邮电、银行、连锁店、图书馆、交通运输及各大企事业单 位等行业完善了条码管理系统。 目前，许多部门已有将二维条码用于人员管理和物品管理的愿望：如公安部 门想将其应用于身份证和流动人员管理上；进出境管理部门正在探讨将其应用在 护照上；海关也尝试将其用在报关单上。根据目前状况，二维条码在我国的应用 前景很乐观，五年内必将有较大的发展细，。 鉴于p d f 4 17 条码广阔的应用前景，19 9 7 年1 2 月国家正式颁布了p d f 4 17 条码标准四一七条码。它是中国现行唯一通过国家标准认证的二维条码n ”， 为二维条码在我国各个领域中的广泛应用提供了技术保障。 2 1 2 二维条码的安全现状 二维条码的使用范围遍及到了海报、游览手册、传单、折扣券、电子票证等 多种介质1 ，它的信息容量大，信息密度高，编码能力强“，可以对照片、文字、 指纹、签名等信息进行编码，可以实现对证件的自动识读，而且可以有效地防止 伪冒事件的发生n ”。 然而，二维条码技术不是一种严格意义上的防伪技术。编码过程中都是通过 相应的数据压缩模式( 数字压缩、文本压缩、字节压缩模式) ，以及模式间的锁定 和转换，形成数据码字，如图1 1 所示。这种公开的数据信息转换方法使得二维 条码不能实现真正防伪的目的“。 式锁定 式转移 图1 1 模式切换 国内对二维条码加密技术研究取得了一定成果。文献 1 5 1 6 报道了国内关 于二维条码的防伪研究进展。文献 17 】【l8 利用d e s 算法实现条码加密。牛牧夏 等人研究变形技术在二维条码中的隐藏信息n “。上海阿须公司发明了阿须码。 国外对二维条码加密技术已有深入研究：j u n io h t s u b o 等人提出将随机二值 图和二维条码叠加到一起的加密原理”，文献 2 0 】 2 1 提出在输入图像的频域变 换面加一块随机相位掩模，进行相位编码。该方法有良好的加密效果，但在一定 条件下加密图像能被破解。文献 2 2 对该加密方法进行改进，提出双随机相位 ( d o u b l e r a n d o m p h a s e ) 加密方法，在图像的输入面和频域变换面分别加上两块 独立的随机相位掩模，进行加密。 二维条码原有的加密技术只是简单的位异或，严格讲不是加密。所以必须将 二维条码技术和其它防伪技术相结合，才能真正实现在防伪领域的应用“。 数字水印技术利用数字内嵌的方法把信息隐藏在多媒体资料中，通过宿主媒 体可以提取出来，是一种较先进的防伪技术。 1 3 课题的目的和意义 二维条码在我国应用前景十分广阔，p d f 4 1 7 条码技术在我国的推广应用必 然将为我国现代化的经济建设和信息产业的发展带来可观的社会效益和经济效 益忸“。随着现代科技的发展，伪造技术也趋于高科技化，由此产生的危害越来越 严重，如何提高二维条码的防伪性能成为条码研究的一个重点。 二维条码和数字水印他引都是近年来在防伪领域逐渐兴起的技术，是当今的研 究热点。针对二维条码防伪技术方面的问题，提出将数字水印n 副运用到二维条码 中的思想，实现真正意义上的防伪，对二维条码在防伪领域上的应用深度和广度 都有很大的提高。 数字水印n 是近年来在防伪领域逐渐兴起的技术，是当今的研究热点。数字 水印技术利用数字内嵌的方法把信息隐藏在数字图像、声音、图书、视频等数字 化的多媒体资料中阳”，这些信息能够从宿主媒体中提取出来，是防伪方面的重 要应用。 数字水印是“不可感知的在作品中嵌入信息的操作行为”，是一种较先进 的防伪技术。 1 4 课题研究的主要内容 基于以上介绍，针对二维条码的防伪技术不是很成熟，目前存在的数字水印 嵌入二维条码的方法有两种： 第一种：将数字水印植入原始信息后，再对嵌入水印的信息进行二维条码的 编码，以实现防伪防伪。 第二种：将原始信息生成二维条码后，将水印信息嵌入到已生成的二维条码 中。 本文的研究方向是针对第二种方法进行算法的优化，现有的基于二维条码 p d f 4 1 7 的数字水印技术存在嵌入的水印的容量小、算法复杂、破坏了二维条码 本身特质等缺点，水印信息和二维条码不能实现双重防伪功能等问题。 本课题研究的主要内容，在二维条码p d f 4 17 中插入数字水印，以实现二维 条码的防伪技术。一方面，对如何压缩以及置乱数字水印图像，使数字水印图像 既能满足p d f 4 17 码的容量，又能使数字水印图像具有良好的保密性进行探索； 另一方面，将数字水印图像嵌入p d f 4 1 7 码中，以及水印的提取算法是本文的研 究关键。课题主要内容包括： 1 、研究现有的二维条码，着重对目前应用广泛的p d f 4 17 条码进行进一步深 入研究。 2 、选择合适的图像压缩算法，对水印图像进行压缩编码，使压缩后的数据满 足二维条码p d f 4 17 嵌入水印的容量。所以课题对此进行了研究。 4 3 、二维条码是一种特殊的二值图像，目前国内外的相关学者进行的一些研 究工作，提出了一些适用于二值图像的数字水印算法。 本课题将提出一种改进的数字水印嵌入二维条码的算法，在了解二维条码的 编码原理的基础上，使数字水印的隐蔽性和抗攻击型加强，优化嵌入水印的算法， 并且提出相对应的二维条码检测和提取算法。 4 、针对嵌入数字水印用以达到防伪效果的二维条码进行实验和应用，实现二 维条码的数字水印的嵌入系统和检测提取系统的建模。 1 5 本文结构 第一章绪论。本章主要说明了课题的研究背景，二维条码的安全现状，课题 的目的和意义以及本课题主要的研究内容。 第二章相关技术综述。主要介绍了相关理论基础，包括二维条码p d f 4 1 7 理 论，图像的压缩和置乱技术以及数字水印理论。 第三章数字水印系统的框架设计。分析了二维条码的结构特征，本章提出了 二维条码的水印嵌入的总体框架以及水印生成、嵌入及检测框架，详细的分析了 新框架的构成。 第四章关键算法的优化。对基于二维条码的数字水印算法进行了研究，提出 一种新的水印嵌入算法。 最后一章是仿真试验全文总结。通过试验证明了算法的有效性，同时也指出 了下一步的工作方向。 2 1 二维条码理论 第二章相关技术综述 2 1 1 二维条码的发展 条形码是一种用黑色和白色的条纹来表示信息的特殊代码。条形码符号是按 照预先制定的编码规则来进行排列组合的，所以当各种图形码的编码规则一经确 定，就可将信息转换成条形码符号。条形码可分为一维条码和二维条码，人们常 见的印刷在商品包装上的条码，就是普通的一维条码。 一维条码是由一组黑白或彩色相间、粗细不同的“条 、“空及其相应的字 符组成的标记，即传统条码，也就是目前我们常见的印刷在图书杂志、车票、商 品包装、挂号邮件、集装运输包装上的条形符号，如图2 1 所示。 如洲m 图2 1 一维条码图像 目前应用最为广泛的一维条码主要有u p c 和e a n 两种，我国主要采用在编 码标准是e a n 码。e a n 码有缩短版和标准版两个版本。两种条码的最后一位都 是校验位，校验位是由前面12 位或者7 位数字计算而来的。 一维条码具有可靠性高、易于制作、输入速度快、容易识读等特点，它的使 用，很大地提高了信息处理和数据采集的速度，提高了工作效率，为管理的现代 化和科学化做出了巨大的贡献。然而一维条码一般只是在水平方向表达信息，而 在垂直方向不表达任何信息，一定的高度仅仅只是为了阅读器的对准。一维条码 的这个特性限制了它的信息容量，一维条码仅仅是对“物品 进行“标识”，而 不能对“物品 进行“描述 ，它的使用需要依赖后台的数据库才能得到物品信 息，而一维条码本身只能起到一个分类检索的作用。脱离了预先建立的数据库， 就限制了一维条码的使用。 信息社会的发展，需要用条码能够在有限的几何空间中表达出更多的信息来 满足信息表示的需要。为了解决一维条码根本无法解决的问题，二维条码横空出 世了。二维条码是一维条码更进一步的发展，采取新的结构和图形设计出来的， 6 去掉了一维条码垂直方向上的冗余。二维条码主要应用于信息传输，其优点如下： 不依赖后台数据库、信息载量大、安全性好、纠错能力强、编码范围广。正由于 这些优点，可以用二维条码表示数据文件、图像、指纹等信息。 二维条码是存储、携带并自动识读大容量、高可靠性信息的最理想方法。使 用二维条码可以解决如下问题：对“物品 进行较为精确描述；在远离数据库和 不便联网的地方实现数据的采集；表示小型数据文件；防止各种卡片及证件的仿 造；在有限的面积上表示大量信息。 2 1 2 二维条码的分类 二维条码是用按一定规律在平面的二维方向上分布的“条 、“空 相间的图 形来记录数据信息。 目前常见的二维条码有：p d f 4 17 码、q rc o d e 码、d a t am a t r i x 码、c o d e 4 9 码等，与一维条码一样，二维条码的编码方法种类很多，称为码制。根据二维条 码结构形状和实现原理的不同，可分为行排式二维条码( 又称堆积式二维条码或 层排式二维条码，s t a c k e db a r c o d e ) 和矩阵式二维条码( 又称棋盘式二维条码， d o tm a t r i xb a r c o d e ) 两种类型。行排式二维条码的典型代表有p d f l 4 7 码、c o d e 4 9 码等，而q rc o d e 、d a t am a t r i x 、m a x ic o d e 、c o d eo n e 、c o m p a c t m a t r i x 、龙贝 码是矩阵式二维条码的代表他“。 1 、行排式二维条码 行排式二维条码是在一维条码编码原理的基础上，按需要将两行或多行的条 码向上堆叠产生的，。由于行排式二维条码在识读方法、校验原理、编码设计等 方面继承了一维条码的一些特点，所以其设备与条码印刷同一维条码技术相兼 容。但是由于不像一维条码是单行的，需要对二维条码的行进行判定时，编译码 算法与一维条码有很多不同的地方。 2 、矩阵式二维条码 矩阵式二维条码是在一个矩形空间中，通过黑、白像素的分布进行编码的条 码，如图2 2 所示。在矩阵相应元素位置上，点不出现则表示二进制的“o ，点 ( 方点、圆点或者其它形状) 的出现则表示二进制的“1 ，矩阵式二维条码的意 义就是由点的排列组合来确定的。矩阵式二维条码是建立在计算机图像处理技 术、组合编码原理等基础上的一种新型图形符号自动识读处理码制1 。 图2 2 矩阵式二维条码 7 2 1 3p d f 4 17 条码 本文所提出的数字水印技术是基于p d f 4 1 7 二维条码。p d f 4 1 7 码的发明人 是留美华人王寅敬( 音) 博士，由美国s y m b o l 公司研制成功并于l9 9 1 年正式 公布。p d f 4 17 条码是现今使用最广泛、最成熟的堆积式二维条码。它的符号密 度为3 6 0 c p i ，能表示的信息超过1 k b y t e s ，同时又具有惊人的容错力，这些都是 一维条码所不能匹敌的n 。 p d f ( p o r t a b l ed a t af i l e ) 意思是“便携数据文件”。因为组成条码的每一符号 字符都是由4 个“条 和4 个“空 构成，如果将组成条码的最窄条或空称为一 个模块，则上述的4 个条和4 个空的总模块数为17 ，所以称四一七条码或p d f 4 17 码1 。 p d f 4 1 7 码是多层的并可变长度的，具有高容量和纠错能力。一个p d f 4 1 7 条码能储存的数据一般超过110 0 个字节，其具体的存储数目与其所表示数据的 种类和表示模式有关。p d f 4 1 7 可通过二维成像设备、光栅激光扫描器或线形扫 描器识读。p d f 4 l7 码由美国讯宝( s y m b 0 1 ) 公司最终研制并推出，是中国现行唯 一通过国家标准认证的二维条码阳“。 1 、p d f 4 17 码的特点 ( 1 ) 信息容量大 p d f 4 1 7 码除可以表示字母、数字、a s c i i 字符外，还能表达二进制数。为 了使得编码更加紧凑，提高信息密度，p d f 4 1 7 在编码时有三种格式： 扩展的字母数字压缩格式可容纳1 8 5 0 个字符； 二进制a s c i i 格式可容纳1 1 0 8 个字节； 数字压缩格式可容纳2 7 1 0 个数字。 二维条码比一维条码在相同面积情况下，信息含量高几十倍。在国际标准的 证卡有效面积上( 相当于信用卡面积的2 3 ，约为7 6 m m 水2 5 m m ) ，p d f 4 1 7 条码可 以容纳1 8 4 8 个字母字符或2 7 2 9 个数字字符，约5 0 0 个汉字信息n “。 ( 2 ) 纠错能力强 通常，一维条码具有校验功能防止错读，但是当条码发生污损时，仍然将被 拒读。p d f 4 l7 采用的错误修正技术是了目前世界上最先进的r s 纠错码阳”，这 种隐含于符号内的纠错码，可以有效地防止译码错误，并且使译码的速度和可靠 性提高，而且可以破译出由于条码符号破损、沾污等原因而丢失的信息。错误修 正可分为9 个等级，纠错级别与纠错能力成正比。最高时，可以将受损面积达到 5 0 的二维条码符号所包含信息破译出来。由于具有这种先进的纠错功能，污 损的p d f 4 l7 条码也能被正确地读出。 ( 3 ) 寿命长、成本低且容易印制 p d f 4 l7 条码可以印在各种常用条码载体上，可以使用多种标准的打印技术 印制，如：激光打印、喷墨打印、条码打印机等。磁卡一般寿命为两年，i c 卡 一般寿命为三年，并且价格昂贵。而p d f 4 17 二维条码卡的寿命一般为9 1 0 年， 单价比较低。 ( 4 ) 适用多种阅读设备 p d f 4 l7 码的阅读适用于带光栅的激光阅读器、图像式阅读器等。 ( 5 ) 尺寸可调 ( 6 ) 保密性强 p d f 4 1 7 条码的编码可以将信息按密码格式来进行，以防止伪造条码符号或 非法使用有关编码的信息。它具有多重防伪特性，可以采用密码防伪、软件加密 及利用所包含的信息如指纹、照片等进行防伪，因此具有极强的保密防伪性能。 p d f 4 17 条码的码制公开，形成了国际标准，我国也已制定了四一七条码的国标 ( g b t1 7 1 7 2 1 9 9 7 ) 。 ( 7 ) 译码的可靠性高 在美国国防部举办的管理数据库测试中，阅读2 0 0 0 万个条码符号，没有出 现一例译码错误，说明p d f 4 1 7 译码的可靠性极高。 2 、p d f 4 1 7 条码符号结构和特性 p d f 4 17 二维条码是由多层堆叠而成的一种便携式数据文件，可以直接阅读 条码得到相应的信息而无需建立后台数据库。p d f 4 17 条码一个多行结构的符号， 符号的顶部和底部是空白区，而上下的空白区之问是多行结构。每行数据符号字 符数相同，行与行左右对齐直接衔接b ”。 p d f 4 1 7 条码能对全a s c i i 字符及扩展a s c i i 字符或8 位二进制数据，多达 8 1 1 ，8 0 0 种不同的字符集进行编码。条码的符号尺寸是可变的，高度范围为3 9 0 行，设x 是符号的模块宽度，则宽度范围为9 0 x 5 8 3 x 。 条码的最大数据量即错纠等级为0 时，每个符号表示1 8 5 0 个大写字母或 2 7 1o 个数字或1 10 8 个字节n “。每层从左到右依次为起始区、左行指示符、数据 符号、右行指示符、终止符。条码结构如图2 3 所示。 下面解释p d f 4 1 7 条码的常用技术名词4 】 符号字符( s y m b o lc h a r a c t e r ) ：在条码中，用来表示一个符号信息的特定的条、 空组合：一个符号字符由4 个条和空交插组合而成； 码字( c o d ew o r d ) ：与符号字符相对应的符号值； 簇( c 1 u s t e r ) ：符号字符与码字的对应关系构成的集合，共有3 个子集； 全球标记标识符( g 1 0 b a ll a b e l i d e n t m e r ) g l i ：对数据流的一种特定解释标识； 拒读错误( r e j e c t i o ne r r o r ) ：符号字符的丢失或不可译码； 替代错误( s u b s t i t u t i o ne r r o r ) ：符号字符的错误译码； 9 起始符数据符 左行指示符右边行指示符 图2 3p d f 4 17 条码的符号结构 3 、p d f 4 1 7 的纠错 p d f 4 17 条码可以表示二进制数据或数字、字母，也可以对汉字、图像等进 行编码。二维条码纠错等级与纠错能力成正比，而与每个条码可存放的数据量成 反比，纠错等级从o 从8 。当纠错等级越高时，纠错能力也就越强，同时存放的 数据量越少，一般编入至少1 0 的纠错码，。 二维条码含有的信息量比一维条码大很多，所包含的信息也更容易被损坏。 要保证正确解码二维条码的信息，需要有一定比例的冗余信息保存在二维条码 中，一些局部受到破坏的二维条码能通过这些冗余信息来恢复原有信息，从而保 证条码能正确地被识别。这样地冗余信息，称为纠错码字。 p d f 4 1 7 条码采用了世界上先进的错误修正技术，使用r e e d s 0 1 0 m o n 错误 控制码算法计算错误纠正码字，能有效地提高译码速度、防止译码错误。当二维 条码符号由于破损、沾污等情况而导致丢失的信息破译出来，最高能将受损面积 达5 0 的条码符号包含信息破译出来，用户可根据需要选择纠错等级。二维条 码p d f 4 17 具有非常高的可靠性，美国国防部举办的管理数据库测试中，阅读 2 0 0 万个p d f 4 17 条码，没出现一例译码错误。 每一个p d f 4 1 7 条码至少包含两个纠错码字，用于符号字符的错误检测及纠 正。p d f 4 17 条码有9 个纠错等级供用户可自行选择。如表2 1 为这9 个纠错等 级所对应的纠错码字数。 条码识读错误主要包括两种：替代错误和拒读错误。对于一个给定的纠错等级， 其纠错容量见公式( 2 1 ) 所示： l o p + 2 f d 一2 = 2 s 一2 其中，e ：拒读错误的数目 t ：替代错误的数目； s ：纠错等级； d ：纠错码字数。 表2 1p d f 4 17 二维条码的纠错等级表 ( 2 1 ) 对于开放式系统，编码数据数量不同，其所对应的纠错等级推荐值也不同， 如表2 2 所示。在条码易损坏的情况下，应选用较高的纠错等级。在封闭式系统 中，选用的纠错等级可低于推荐纠错等级，如表2 2 。 表2 2p d f 4 17 条码的推荐纠错等级表 大部分循环码是用来校验随机差错的，而r e e d s o l o m o n 码用于检验突发差 错。当连续位被噪声干扰时，会发生突发差错，所以r s 广泛用于计算机数据存 储环境中。通常，水印的攻击表现为连续位受到干扰，所以采用r s 码是非常有 效的n “。 4 、二维条码p d f 4 1 7 的应用 ( 1 ) 二维条码p d f 4 1 7 在国际上的应用 二维条码p d f 4 1 7 是一种新的信息存储及传递技术，从诞生开始就受到了广 泛关注。19 9 4 年，p d f 4 17 条码被选定为国际自动识别制造商协会( a i m ) 标准， 1 9 9 6 年被美国标准化委员会( a n s i ) 作为美国的运输包装的纸面e d i 标准。1 9 9 7 年，欧洲标准化委员会( c e n ) 通过了p d f 4 17 的欧洲标准。 美国符号科技( s y m b o lt e c h n o l o 百e s ，i n c ) 公司发明的p d f 4 17 二维条码， 已被使用在工业自动化、国防、交通运输、公共安全、物流、商业及医疗保健等 领域，取得了巨大的经济效益和社会效益。在美国，居民身份证、军人证、驾驶 证、军人医疗证等都采用了二维条码p d f 4 17 技术。此外，黎巴嫩、哥伦比亚、 巴林、南非、菲律宾、埃及等许多国家也已在各种证件上采用二维条码。 ( 2 ) 二维条码p d f 4 1 7 在我国的应用 二维条码技术的研究在我国始于1 9 9 3 年，中国物品编码中心对几种常用的 二维条码p d f 4 1 7 ，q rc o d e ，m a x ic o d e ，d a t am a t r i x ，c o d eo n e ，c o d e1 6 k 的技术规范进行了翻译和跟踪研究，并于19 9 7 年和2 0 0 0 年在国外相关技术资料 的基础上制定了两个二维条码的国家标准：g b tl7 17 2 1 9 9 7 四一七条码， g b tl8 2 8 4 2 0 0 0 快速响应矩阵码。二维条码技术已在我国的各种行业中得到 了应用；香港9 7 回归后，香港居民新发放的特区护照上就采用了二维条码 p d f 4 1 7 技术口纠。 总之，二维条码在我国的应用前景十分广泛，p d f 4 17 条码技术在我国的推 广必将为我国信息产业的发展以及现代化的经济建设带来十分可观的经济效益 和社会效益。 2 2 图像压缩和置乱技术 2 2 1 图像的压缩 长期以来，人们从自然界中所获取的最主要的信息就是视觉信息。人类获取 的信息8 0 来源于图像媒体，1 5 来源于语音。图像信息具有信息量较大、直观 性较强等优点，在通信中的地位十分突出。图像是人们生活中最为重要的信息交 流媒体，也是包含信息量最大的媒体。正因为如此，图像也给人们的信息的传输 和信息的存储带来很大的困难。特别是数字化的今天和未来，这一问题尤为突出。 在所有可能的数据中，图像是数据量最大的数据类。 作为信息最丰富的载体，图像在现代通信技术中所承担的作用已远远超过其 它媒体介质，但由于其本身庞大的数据量妨碍了它的存储、传输和处理。现有的 技术仍然难以满足原始图像存储和传输的要求，为了有效的存储和传输图像，必 须对数据量非常大的图像数据进行有效压缩。从2 0 世纪4 0 年代末开始，图像压 缩技术已经走过了半个多世纪的发展历程m ，。 图像压缩的目标是在维持一定保真度的条件下，尽可能减少图像的数据量。 5 0 、6 0 年代的图像压缩技术由于受到各方面的制约，仅仅停留在预测编码、亚 采样以及内插复原等技术的研究上，还很不成熟。 7 0 年代早期可视电话的研究使得这一领域有了很大的发展，许多基本的思 想和算法相继被提出。到8 0 年代前后，信息化飞速发展的大趋势使得面向各种 应用的开发研究大力开展起来。进入9 0 年代以后，国际上先后制定了一系列图 像压缩编码标准，如j p e g 和j p e g 2 0 0 0 等。 1 、静止图像压缩的基本原理 由于图像数据本身具有的冗余性，图像数据是可以被压缩的。因为图像数据 具有视觉上的冗余，去掉这部分数据并不会在视觉上影响图像质量，对图像的细 节、实际图像的质量也没有致命的影响。正因为如此，可以在允许保真度的条件 下压缩图像数据。静止图像数据的冗余性主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 空间冗余：也叫像素冗余，是指图像数据相邻像素之间的相关性。这种 相关性表现为可以根据图像中某一个点的像素值推断出其相邻点的像素值。 ( 2 ) 视觉冗余：人的视觉特性具有一定的局限性，这种局限性主要表现在对 1 2 图像中的高频信息不敏感。当然，引起视觉冗余的图像数据并不表示没有携带图 像信息，只是人的视觉没有感觉到。 ( 3 ) 知识冗余：指的是根据人所具有的知识以及图像的部分内容而判断出图 像的其他内容。因此，在图像的传输、存储过程中可以只对具有引导信息的图像 内容进行操作。 ( 4 ) 符号冗余：也叫编码冗余，在图像编码过程中使用了多于实际需要的编 码符号。若用相同码长的码字表示不同出现概率的符号会造成符号冗余度。如果 采用可变长编码技术，对出现概率高的符号用断码字表示、对出现概率低的符号 用长码字表示，就可消除符号冗余度，从而节约码字。 2 、静止图像压缩编码方法 图像的压缩编码成为实现图像存储和传输的关键。图像的压缩编码最直接的 目的就是尽量降低图像的数据量，同时： ( 1 ) 或者使内容的差别在一定的控制范围内： ( 2 ) 或者保证一定观察效果的主观质量。 ( 3 ) 或者保持图像的内容不变； 前两种情况被称为有限失真或有损编码，后一种被称为无失真或无损编码。 这几种编码具有不同的应用场合。在一些对图像质量要求高的领域一般采用无损 压缩编码，而一般的应用大都采用有损压缩。一般来说，无损压缩的效率比有损 压缩的效率低很多，在压缩比达到数十倍甚至更高时也可能看不出有明显的质量 损伤伸”。 目前国际静止压缩标准( 如j p e g 标准) 所采用的有损压缩编解码过程一般 为：原始图像数据一空频变换一量化一熵编码一压缩码流一熵解码一反量化一反 空频变换一重构图像。如图2 4 所示。 图2 4 图像压缩步骤框图 空频变换将空频的图像信号变换到频域，去除图像信号在空域中的冗余，使 1 3 信号的能量在频域重新集中。经过大量的实验证明静止图像的能量主要集中在低 频部分，由于人眼的视觉对低频的信息反映敏感，反之对高频信息往往视而不见， 所以去除一部分图像的高频信息对人眼视觉来说影响不大，因此图像有损的本质 就是重点保护图像的低频信息，对低频信息进行小幅度的压缩，对高频信息进行 大幅度压缩。图像压缩幅度的大小由高频信息去除的程度来确定。空频变换主要 完成区分信号重要程度的功能。 量化的作用是在一定的主观保真度的前提下，通过减少精度来丢掉那些能量 较小且对视觉效果影响不大的信息，从而减少存储一个整数所需要b i t 数的过程。 前面提到，图像的低频部分对人眼视觉较为重要，集中了图像的主要能量，在压 缩时要重点保护。所以在量化时，对低频分量用小的量化阶距进行量化；图像的 高频部分能量较小，对高频分量用大的量化阶距进行量化。经过量化后，描述信 号的数据量大幅减少，图像的高频分量失真较大。因此量化实现了对不同重要程 度的数据进行不同程度的压缩的任务。 图像压缩的最后一步就是将量化后的数据转换为由二进制数“o ”“1 所组 成的码流。采用可变长编码技术，对出吸纳概率高的符号用短码字表示、对出现 概率低的符号用长码字表示，就可以消除符号冗余度，从而节约码字。 空频变换和熵编码的作用都是去除信源的数据冗余，对信源的信息量并没有 进行删减，所以属于无损范畴；量化对数据进行了精度的降低，因此在量化后信 源的信息量有所减少，所以有无量化过程是区分数据压缩是有损压缩还是无损压 缩的标志口”。 解码可以看成编码的逆过程，此处不再介绍。 j p e g 是国际标准化组织( i s o ) 和c c i t t 联合制定的静态图像的压缩编码标 准，和相同图象质量的其它