（光学专业论文）数字水印技术在激光全息防伪中的应用研究.pdf

ab s t r a c t i n t h i s d i s s e r ta t i o n , w e fi r s t e x p a t i a t e t h e s p e c i a l t i e s o f d i g i t a l w a t e r m a r k t e c h n i q u e a n d l a s e r h o l o g r a p h i c a n t - c o u n t e r f e i t i n g t e c h n o l o g y a n d t h e i r a p p l i c a t i o n s 恤t h e c o u n t e r f e i t i n g d o m a i n o f p r i n t i n g . t h e s h o r tc o m i n g s o f t h e t w o t e c h n i q u e s a r e a n a l y z e d a n d aty p e o f a n t i - c o u n t e r f e i t i n g e n c r y p t i o n t e c h n i q u e i s b r o u g h t f o r w a r d f o r t h e fi r s t t i m e . i n t h e n e w t e c h n i q u e , d i g i t a l w a t e r ma r k w i l l b e a p p l i e d t 0 l a s e r h o l o g r a p h i c e n c r y p t i o n r e c o r d i n g a n d t h e h o l o g r a m re c o r d e d w i l l b e d i p l e x e n c r y p t e d . t h e t h e o ry , t e c h n o l o g y a n d d e v e l o p i n g a c t u a l i ty o f h o l o g r a p h i c a n t i c o u n t e r - f e i t i n g a re e x p a t i a t e d , a n d t h e r e c o r d i n g a n d r e c o n s t r uc t i n g o f f r e s n e l h o l o g r a p h i c e n c r y p t i o n i s r e a l i z e d w it h t h e h o l o g r a p h i c r e c o r d i n g o p t i c a l s y s t e m s e t u p 勿u s . t h e t h e o ry , t e c h n o l o g y a n d d e v e l o p i n g a c t u a li ty o f d i g i t a l w a t e r m a r k a re e x p a t i a t e d ; t h e c o m p a r i s o n a n d c o n ti n e n t s o f d i ff e r e n t d i g i t a l w a t e r m a r k a r i t h m e t ic a re g i v e 几 a n i n d i v i d u a l d i g i t a l w a t e r m a r k i n g s c h e m e h a s b e e n d e s i g n e d a n d r e a l i z e d w ith o n e s p a t i a l w a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m . i t s a n a l y s i s , p e r f o r m a n c e t e s t a n d e v a l u a t i o n a re c a r r i e d o u t . w e u s e ma t l a b s o f tw a r e t o m a k e a g r a p h i c u s e r i n t e r f a c e w h i c h c a n d e m o n s t r a t e d i g i t a l w a t e r m a r k e m b e d d i n g a n d e x t r a c t i o n s u c c e s s f u l l y . t h e p o s s i b i l i ty o f d i g it a l w a t e r m a r k i n g t e c h n o l o g y a p p l i e d t o l a s e r h o l o g r a p h i c a n t i - c o u n t e r f e it in g t e c h n o l o g y h a s b e e n d i s c u s s e d ,t h e c o r re s p o n d i n g o p t ic a l r e c o r d i n g s y s t e m f o r l a s e r h o l o g r a p h i c d i g i t a l w a t e r m a r k e d d i p l e x e n c ry p t i o n i s s e t u p . t h e h o s t p i c t u re w i t h d i g i t a l w a t e r m a r k i s u s e d t o r e p l a c e t h e i n f o r m a t i o n t o b e e n c r y p t e d i n f r e s n e l h o l o g r a p h i c e n c ry p t i o n r e c o r d i n g ; t h e p r i m a ry e x p e r i m e n t a l res u l t s a r e g i v e n . i n t h e e n d , t h e p r o b l e m s o f t h i s t e c h n o l o g y a r e d i s c u s s e d a n d t h e c o r r e s p o n d i n g a p p r o a c h e s a re g i v e n . k e y w o r d s . l a s e r h o l o g r a p h y , d i g it a l w a t e r m a r k i n g , e m b o s s i n g h o l o g r a m , a n t i . 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、 保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内 容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电 子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名: w 7年夸 月路日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均己在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名: 补 万 7 年 s月汀日 第一章绪论 第一章绪论 第一节 前言 随着经济的迅速发展，在商品流通领域以及认证领域制假、防冒 和伪造早 己出现， 并一直扰乱经济发展和影响人们的生活。目前，防冒和伪造己是一个 全球性问 题，伪造货币、信用卡、有价证卷、证件、商标、标识、名优产品等 的犯罪的 活 动遍及世界各地， 已 成为 仅次 于毒品 犯罪的全球第 二大公害 川 . 为此 人们早在 八 十年代初就发明了 模压 激光全息图 技术2 1 ， 用可以 大 批量复 制的全息 图作为防 伪商标或标贴解决各领域中的制假、防冒和伪造问 题。 激光全息防伪 技术作为防伪包装和标贴中的主流技术一直沿用至今13 1 激光全息图像具有色彩丰富鲜艳、信息显示容量大、通道多等特点，因此 具有强烈的视觉冲击效果。模压全息图 作为防伪标志的显著特点有两个。一是 增加复制难度，有一定的防伪功能:二是提高包装档次，有显著的促销功能。 迄今，激光全息防伪技术仍是国际上用于公众防伪的主流技术，其视觉效果好、 便于识别、难于仿制和易于批量生产的 特点很难在短时期内被其它防伪技术所 替代。 我国将激光全息术用于防伪始于八十年代，九十年代为模压全息防伪的鼎 盛时期。 2 0 0 0年以来，随着模压全息图工艺的成熟及原材料的全面国 产化，全 息防伪标志的防伪能力开始显著下降， 人们对全息防伪行业众说纷纭，顾虑重 重。尤其是随着其它防伪技术的出现，全息防伪的信任度开始下降。尽管如此， 商业流动领域中以及证件认证领域的主流防伪技术还是激光全息. 这充分说明 了激光全息防伪视觉冲击力无可比拟的魅力。但是，从纯技术的角度上讲，图 像来源简单、全息记录技术含量低并且多年来没有在激光加密上予以 根本性的 创新是诱发防伪功能显著下降的根源。 9 0年代出现的菲涅耳全息加密以 及多通 道全息加密己 被全息防伪产业业内人士广泛掌握，目前己经起不到根本上的防 伪作用。目前常用的激光全息加密和解密过程就是对一个二维图像的典型全息 记录和再现过程。其缺点是加密图像简单直观、加密和解密过程技术含量低， 极易仿照。因此，在全息记录过程中，提高加密技术的难度并不断寻求技术含 第一章绪论 量高的新型加密技术是全息防伪领域所迫切需要的。 近年来，随着计算机、扫描仪、 c c d 、数码照相机、高分辨率彩色激光打 印机的普及和网络的宽带化进程，数字信息的传输量大幅度增加。为了保护数 字信息产品和电子出版物的著作权以及数字通信过程中的信息安全传递，上世 纪9 0 年 代 产 生了 数字 水印 技 术 4 1数 字 水印( d i g it a l w a t e r m a r k ) 技 术 是 通 过 一 定的算法将一些标志性信息直接嵌入到多媒体内容当中，但不影响原内容的价 值和使用，并且不能被人的知觉系统觉察或注意到，只有通过专用的检测器或 阅 读器才能 提取1 5 1 。 数字水印的 特性在 于不可见性或隐 蔽 性、 不易被 察觉、 不会 引 起原来 数字作品明显的图 像质量下降以 及鲁棒性6 1 。 这 几 年， 数字 水印 技术被 广泛应用到版权保护、隐藏标识、认证安全、使用控制、隐蔽通信与对抗以及 印刷包装防伪等领域。 为了 解决激光全息防伪技术中全息图母版光学加密不可破解的难题，我们 研究把数字水印技术应用到纯光学全息加密技术中，把含有数字水印图像的宿 主图像作为加密信息记录到全息图上，用传统再现方法再现出此宿主图像;由 于全息图上任一点上都承载着宿主图像的全部原始信息，因此全息图具有最强 的鲁棒性信息携带能力;再现出 来的宿主图像被c c d采集后输入到电 脑，用相 应的算法提取水印信息;用以上方法发实现全息图的激光全息和数字水印双重 加密。此项研究把光学全息菲涅耳加密和数字水印加密有机地结合起来，可望 实现一种多重加密、高安全度的全息数字水印防伪技术。如此，既保证了密钥 的高难度和不可破解性，又保证了全息图原来的视觉效果和特点。 目 前，在国内外还没有见到有关应用数字水印作为密钥的模压全息防伪技 术的研究报道。本课题是光学技术与数字水印技术交叉研究的前沿课题，项目 的研究内容具有明显的创新性和实用性。 激光全息数字水印防伪技术的研究成果将可广泛应用目前被人们所认知的 激光全息防伪 ( 证件防伪和印刷包装防伪)领域，具有巨大的推广价值和明显 的产业化前景。 第二节 数字水印技术发展现状 数字 水印 ( d i g i t a l w a t e rm a r k ) 技 术是通过一定的 算法 对多 媒数 据的内 容做 微量修改从而将一些标志性信息直接嵌入到多媒体内容当中，但不影响原内容 第一章绪论 的价值和使用，并且不被人的知觉系统觉察或注意到，只有通过专用的检测器 或阅读器才能提取。嵌入的信息就是数字水印。 简单地说，数字水印技术就是在多媒体等数字作品的数据中 嵌入一段信息， 嵌入的信息就是数字水印。嵌入数字作品中的信息必须具有隐蔽性、隐藏位置 的安全性 和鲁棒性等基本 特性才能 称为数字水印 闭 。 数字 水印技术的 基本思想 源于古代的密写术u 。自 从1 9 9 0 年t a n a k a 发表第 一篇关于数字水印的文章以来，数字水印技术越来越受到人们的重视。短短十 几年， 各种水印算法如雨后春笋般不断涌现。由于有大公司的介入和美国军方 及财政部的支持，该技术研究的发展速度非常快。1 9 9 8 年以 来， ( i e e e图像处 理 、( i e e e会报 、( i e e e 通信选题 、( i e e e消费电 子学等许多国际重要期 刊都组织了数字水印的技术专刊或专题新闻报道。 在美国，以麻省理工学院媒 体实验室为代表的一批研究机构和企业已经申请了数字水印方面的专利。1 9 9 8 年， 美国政府报告中出 现了第一份有关图像数据隐藏的a d报告。目 前， 已支持 或开展数字水印研究的机构既有政府部门，也有大学和知名企业，它们包括美 国财政部、美国版权工作组、美国空军研究院、美国陆军研究实验室、德国国 家信息技术研究中心、日 本n t t 信息与通信系统研究中心、麻省理工学院、伊 利诺斯大学、明 尼苏 达大学、 剑 桥大学、 瑞士洛桑联邦工 学院、 西班牙v i g o大 学、i b m公司wa t s o n 研究中心、 微软公司剑桥研究院、朗讯公司贝尔实验室、 c a公司、 s o n y 公司 、 n e c 研究 所以 及荷兰菲利浦公司 等。 1 9 9 6 年5 月3 0 日 ， 在英国剑 桥牛顿研究所召开了第一届国 际信息隐藏学术 研讨会， 至今已举办了三届， s p i e 和 i e e e的一些重要国际会议也开辟了相关的 专题。我国学术界对数字水印技术的反应也非常快，己经有相当一批有实力的 科研机构投入到这一领域的研究中来。为了促进数字水印及其他信息隐藏技术 的研究和应用，1 9 9 9 年1 2 月，我国信息安全领域的何德全院士、周仲义院士、 蔡吉人院士与有关应用研究单位联合发起召开了我国第一届信息隐藏学术研讨 会。2 0 0 0年 i月，由国家 “ 8 6 3 智能机专家组和中科院自 动化所模式识别国 家重点实验室组织召开了数字水印学术研讨会，来自 国家自 然科学基金委员会、 国家信息安全测评认证中心、中国科学院、北京邮电大学、国防科技大学、清 华大学、 北方工业大学、上海交通大学、天津大学、中国 科技大学、北京大学、 北京理工大学、中山大学、北京电子技术应用研究所等单位的专家学者和研究 人员深入讨论了数字水印的关键技术，报告了各自的研究成果.从这次会议反 第一章绪论 应的情况上看，我国相关学术领域的研究与世界水平相差不远，而且有自己 独 特的研究思路。 在数字水印技术的商用方面，各国已经取得了很多丰硕的成果。 德国运用用数字水印来防止伪造电子照片。数字水印技术可有效防止证件 被伪造。以制作个人身份证为例，一般要经过照片扫描、 签名、制证机输入、 打印和塑封等过程.上述新技术是在打印证件前， 在照片上附加一个暗藏的数 字水印。具体做法是在照片上对人所不可感知的信息进行处理，处理后的照片 用肉眼看与原来完全一样，必须用专门的扫描器才能检测出数字水印。这种方 法可以迅速、无误地确定证件的真伪。德国已 经研究了 在打印和印刷的纸介质 证件中加入隐藏标记的技术，这种技术通过计算机中的软件将水印信息打印并 隐藏于证件之中，人眼从表面上是察觉不出有隐藏标记的。当需要验证证件的 真伪时，利用专用的光电检测设备便可检测出真伪。目前，研究该技术的研究 所还在开发另一种新的系统，新系统既可在照片上加上牢固的数字水印，也可 以经改动让数字水印消失，使任何伪造企图都无法得逞。 美国d i g i m a r c 公司率先推出了世界上第一个商用数字水印软件，而后又以 插件形式将该软件集 成到a d o b e p h o t o s h o p 和c o re l d r a w 图 像处理软件中。 随 后， d i g i m a r c 公司又推出 了 一系列数 字水印 产品， 其“ 媒体 桥 ( m e d i a b r i d g e ) ” 技术 开 拓了访问i n t e rn e t 的 一条新途径， 通过在杂志广告、 产品包装、目 录甚至各类票 据中隐藏不可见的数字水印， 用户只要将这些传统媒体放在网络摄像机( w e b c a m e r a ) 前，媒体桥技术就可以 直接将用户带到与印 刷图 像内 容 相关联的网 络站 点，省去了用户敲击键盘和点击鼠标的过程。例如将登有广告的杂志置于网 络 摄像机前，媒体桥技术会立即在计算机上显示出广告公司的主页和广告中产品 的相关信息，免去了用浏览器在网上搜索的过程.这种方式可以使出版商、广 告商和图 像应用者增 加其产品的附 加值。 “ 商 标保护 ( b r a n d p r o t e c t i o n ) ” 技术通过 将保密特征加入到产品包装的设计中，就可以在产品流通链的任何环节中进行 产品的认证、辨别原版和复制版、防止产品伪造，并且能够通过供应链来跟踪 产品的流通。 “ 安全 文档 ( s e c u r e d o c u m e n t ) ” 技术将d i g i m a r c 公司的水印特征加 入到重要的文档之中，以此来确认文档的真伪性，辨别原版文档和复制文档， 防止未授权的文档复制及确认原始文档的授权应用等。 日本运用数字水印技术在保险票据中加入水印。i b m 东京研究实验室提出 了用数据隐藏 ( d a t a h i d i n g ) 作为解决方案来鉴定数字化照片的来源，证实数字 第一章绪论 化照片的完整性， 判断照片是否被篡改以及定位篡改的地方。i b m 东京研究实 验室与y a s u d a f i re 二是 透明激光全息图像防伪技术。 ( 1 ) 应用计算机图像处理技术改进全息图像 改进激光全息图 像经历了两个发展形态，第一形态是计算机合成全息技术， 这种技术是将系列普通二维图像经光学成像后，按照全息图像的成像原理进行 处理后记录在一张全息记录材料上，从而形成计算机像素全息图像。观察这种 像素全息图像时， 可在不同的视角看到不同的三维图像，其图形和彩色都具有 异常灵活多变的动态效应，并且不受再现光线方向的限制。第二形态是计算机 控制直接曝光技术，与普通全息成像不同，这种技术不需要拍摄对象，所需图 形完全由 计算机生成，通过计算机控制两束相干光束以像素为单位逐点生成全 部图案，对不同点可改变双光束之间的夹角，从而制成具有特殊效果的三维全 息图。 ( 2 ) 透明激光全息图像防伪技术 普通的激光全息图 像一般是用镀铝的聚酷膜经过模压( 也可以先用聚酷薄膜 经过模压再镀铝) 而成，镀铝的作用是增加反射光的强度使再现图像更加明 亮. 照明光和观察方向都在观察者这一侧，这样的激光彩虹模压全息图是不透明的。 透明激光全息图像实际上就是取消了镀铝层，将全息图像直接模压在透明的聚 酷薄膜上。1 9 9 6年我国公安部将透明激光全息图像应用在居民身份证上， 将身 份证用透明膜整体覆盖，在光线下观察身份证正面时，不但能看清证件内容， 还能看到 透明 膜上显现出 来的二维、 三 维彩虹全息图 像( 长城” 及“ 中国 ” 的中 英 文字样) 。 三、第三代加密全息图像防伪技术 第三代加密全息图像防伪技术包括多通道全息防伪技术，菲涅耳全息加密 技术， 3 6 0 0 计算机点阵全息技术，双层全息技术，荧光加密全息技术， 动态编 第一章绪论 码防伪技术，电话电码防伪技术，核微孔防伪技术，以及基因防伪技术，并具 有图像清晰、色彩绚丽、立体感强、一次性使用的特点。多通道全息防伪在转 动标识时，会看到在标识的同一位置出现不同的图案。菲涅耳全息加密技术将 加密图案制作于标识的任一位置，在激光再现下方可看到加密图案.3 6 0 0 计算 机点阵全息技术在图像 3 6 0 0 的观察范围内会出 现放射状、环状、螺旋状等光点 的组合与变换，动感极强。双层全息技术能把全息标识揭开，还能看到印有图 案和文字的第二防伪层，有双保险的防伪效果。荧光加密全息技术原理与人民 币荧光加密原理一样。动态编码防伪是将商标置于眼前，缓慢地转动商标会出 现连续动作的图案。电话电码防伪标识是由激光防伪技术和电话电 码防伪技术 相结合制作而成，通过查询统一的中心数据库可以核对真伪。核微孔防伪标识 由激光防伪技术和核微孔防伪技术组成，仅用一只水笔便可分辨真伪。基因防 伪是在标识背胶中加入基因因子，通过专用仪器进行检测。 四、第四代b o p p 激光全息防伪收缩膜包装防伪技术 b o p p 激光全息防伪收缩膜包装防伪技术， 是综合了前三种激光技术而发展 起来的新型防伪技术。由于该技术对 b o p p收缩膜基材有特殊要求，购买和开 发 b o p p生产设备造价昂贵，从而在源头上堵住了造假者制假的可能性和可行 性。激光全息防伪收缩膜在生产中首创采用宽幅全息透明模压技术与加密全息 图像防伪技术相结合，并巧妙解决了 热压与基材热收缩的矛盾:在使用中通过 b o p p 防伪收缩膜两个表面提供热封， 将被包装物整体包裹: 在拆包时必须先撕 开 b o p p防伪膜， 而这样也就破坏了原防伪膜的 完整性。由于该防伪手段技术 层面复杂、防伪力度高，工艺精细、外观精美，被中国防伪行业协会激光全息 技术专业委员会给予很高的评价。 b o p p 激光全息防伪收缩膜的防伪效果比 激光全息图像防伪标识要强很多， 其防伪寿命更远远长于激光全息图像防伪标识的防伪寿命。因为激光全息图像 防伪标识由印刷厂印制，不能确保该母版不从印 刷环节外流或非法复制，同时 对于制假者来说，激光全息标识可直接购得，既不必设备投资也无需掌握该技 术。而使用 b o p p激光全息防伪收缩膜进行包装防伪， b o p p生产线高昂的价 格和热封型热收缩膜复杂的加工工艺，加上透明 全息防伪图像和隐秘的微缩密 码，使得那些分散的中小型工厂极难制假。 模压全息图问世二十多年以来， 尽管人们研究出了以上多种激光全息防伪 加密技术，由于制作工艺难易和成本高低不同， 业内认识还是倾向简单实用的 第一章绪论 防伪解决方案。 在全息图母版记录技术上实现加密是不增加后工序工艺难度的 好方法。 然而，目 前的几乎所有全息图光学加密技术都已被业内掌握激光全息 记录技术的人员所了解甚至掌握，因此作为模压全息图防伪技术的龙头，激光 全息摄影需要新型的技术含量高的加密技术。 由于全息图的一个重要特性是利用全息图的任意局部都能再现出所记录信 息，因而全息图上的任意一部分都包含了被记录的全部原始信息，即隐藏在全 息图中的信息具有与生俱来的抗剪切性，具有极强的信息携带能力和鲁棒性。 考虑到数字水印技术的鲁棒性和其他特点，我们认为利用全息图作为加密 数字水印的新型载体是完全可行的. 第四节 本文主要研究内容和意义 本文主要内 容如下: 阐述了激光全息防伪技术的原理、实现方法与发展现状，利用自 行搭建的 激光全息记录系统，实现了菲涅耳全息加密的记录与再现。 阐述了数字水印技术的原理、实现方法与发展现状，并对各种数字水印算 法进行比较和评价。 利用一种空域水印算法，设计并实现了一个个性化的数字水印解决方案， 并对这个数字水印方案进行性能测试、分析以 及应用评价。并利用ma fl a b 编制 软件，成功地给出了 数字水印的嵌入与提取演示界面。 根据全息图的基本特性，讨论了数字水印 技术应用于激光全息防伪加密的 可能性，设计并建立了激光全息数字水印双重加密的光学记录系统。 利用我们设计的嵌有数字水印信息的宿主图像作为菲涅耳全息加密信息实 现了菲涅耳全息加密记录，给出了初步的实验结果，讨论了对激光再现出的 加 密信息提取水印所需要解决的问题。 本文的创新之处与意义: 本课题的创新之处在于把数字水印技术应用到纯光学全息加密记录技术中 实现全息图的纯光学和数字水印双重加密，提出了激光全息与数字水印相结合 的新型防伪技术。 数字水印技术其具有很高的灵活性和保密性，其加密程度可以达到非常高 的水平， 破解的难度也相当的大。而激光全息防伪技术目 前已 经是最为 广泛的 第一章绪论 防伪技术。将两者结合起来，可以有效地弥补激光全息防伪技术容易被复制破 解的缺点，提高保密性。借助全息记录中光波的振幅、位相等大量光学参数和 数字水印的嵌入方式以及全息水印提取技术的高度复杂性可使双重密钥的设计 具有高设计自 由度和不可破解等优越性，研究出一种先进的、高度安全的应用 性强的多重加密防伪技术。把数字水印加密技术应用到激光全息防伪行业中， 将根本性地提升激光全息防伪包装以及防伪认证的功能及技术含量，重新巩固 激光全息防伪在印刷包装防伪领域的主导地位. 第二章 数字水印技术与应用 文本 水印 3 0 ,3 1 1 以 及用于三维网 格 模型的网格水印 等. 随 着数 字 技术的 发展， 会有 更多种类的数字媒体出现，同时也会产生相应的水印技术。 ( 3 ) 按检测过程划分 数 字 水印 按 水印 的 检 测 过 程 可 划 分为明 文 水印 和 盲 水印 2 3 1 。 明 文 水印 在 检 测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。一般 来说，明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。目 前学术界 研究 的 数 字 水印 大 多 数 是 盲 水印 3 2 1 ( 4 ) 按内 容划分 数字水印按内容可划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水印 本身 也是某个数字图 像 ( 如商标图 像) 或数字音频片 段的 编码 3 3 ,3 4 ,3 5 1 : 无意义水 印则只对应于一个序列号。有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或其他 原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印。但 对于无意义水印来说，如果解码后的水印序列有若干码元错误，则只能通过统 计决策来确定信号中是否含有水印。 ( 5 ) 按用途划分 不同的应用需求造就了不同的水印技术。按水印的用途，我们可以将数字 水印 划 分为 票 证 防 伪 水印 、 版 权 保 护 水印、 篡改 提 示 水 印 和 隐 蔽 标 识 水印 3 6 1 票证防伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据、各 种证件的防伪。一般来说，伪币的制造者不可能对票据图像进行过多的修改， 所以，诸如尺度变换等信号编辑操作是不用考虑的。 但另一方面，人们必须考 虑票据破损、图案模糊等情形，而且考虑到快速检测的要求，用于票证防伪的 数字水印算法不能太复杂。 版权标识水印是目 前研究最多的一类数字水印。数字作品既是商品又是知 识作品，这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据 量的要求相对较小。 篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标识原文件信号的完整性和真实 性。 隐蔽标识水印的目 的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对 保密数据的使用。 6 )按 水印 隐 藏的 位置 划 分3 7 ,3 8 1 按数字水印的隐藏位置，我们可以将其划分为时 ( 空)域数字水印、频域 第二章 数字水印技术与应用 数字水印、时/ 频域数字水印 和时间/ 尺度域数字水印。 时 ( 空)域数字水印是 直接在信号空间 上叠加水印 信息，而频域数字水印、时濒域数字水印和时间/ 尺 度域数字水印则分别是在d c t变换域、 时i 频变换域和小波变换域上隐藏水印。 随着数字水印技术的发 展，各种水印算法层出不穷， 水印的隐藏位置也不 再局限于上述四种。应该说，只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空间 上隐藏水印。 第二节数字水印理论与实现方法 2 . 2 . 1 数字水印的 基本原 理3 9 1 为什么在多媒体数据中可以嵌入数据? 主要原因是在这些数据中存在冗余。 以图像为例，图 像是由 像素构成的，一幅 2 4位真色彩图像，用 2 4比特的数据 表示一个像素。 2 4比 特数据可以表示 2 2 4种不同的颜色， 但人眼是分辨不出这 么多种颜色的，如果把像素的颜色值的最低位改变，人眼是根本无法感知的。 因此，我们可以利用像素的最低位来携带信息，也就是数字水印。 当然，图像可能被压缩，冗余可能被去除，利用各种图像处理工具，很容 易把一个几m的. b m ?文件压缩成只有几百甚至几十k大小的. j p g文件。图像 压缩编码的目的 就是利用各种方法来降低图像中的冗余. 然而，任何压缩编码 方法都不可能完全消除冗余，因此，在压缩的图像中，数字水印同样能够找到 藏身之处，只是在这种情况下处理更为复杂，水印处理通常需要结合压缩编码 方案的特点进行。 数字水印系统一般分为两个基本过程:一是水印嵌入算法，在多媒体数据 中嵌入水印:二是水印检测算法，在嵌入了水印的数据中检测是否存在水印。 以在图像中嵌入水印 为例， 水印嵌入和水印检测过程如图2 .3 、图2 .4 所示。 第二章 数字水印技术与应用 一 数半 水粼 含 毅 ip 9 1,1潮 密 _10 厂十.|j! 数字水印嵌入过程示意图 、李 数字水 麒 1 翻 检侧 雄嗜 龚 卜一一一一 掩取 的* q 密钥蕊 几 ， 图2 . 4数字水印提取过程示意图 .二。.，.，.碑二 ，*， 水印( w) 多媒体信息( i ) 水印信息 ( c ) 公开/ 私有密钥( k ) ( 8 ) 水印嵌人 水印( w) 与/ 或 原始信息( i ) . 心矛 二，.， .- ， 水印信息( i ) 水印或 存在性 公开/ 私有密钥( k) ( ) 水印提取 图2 . 5通用数字水印嵌入与提取方法 设i 为数字图像， w 为水印信号， k 为密码， 那么处理后的水印 由函数f 定义 如下: 1 6 第二章 数字水印技术与应用 w=f( i , w, k) 如果水印所有者不希望水印被其他人知道， 单向的、非对称的。 ( 2 . i ) 那么函数 f应该是非可逆的、 水印嵌入:设有编码函数e ，原始图像i 和水印 ，那么嵌入水印后的图像 i w 可 表 示 如 下 : 一 e ( i , w ) ( 2 . 2) 水印 提取: 若将这一过程定义为解码函数d ， 那么输出的可以是一个判定水 印存在与否的0 - t 决策， 也可以是包含各种信息的数据流等。如果已知原始图像 i 和 有 版 权 疑 问 的 图 像 i ， 则 有 二 一 d ( i ,i ) ( 2 . 3) 或 c (二 ，二 ,k ,5 )= 1 , w 存在 o , w不存在 ( 2 . 4 ) 其中li * 为提取出 的水印，k为密码，函数c做相关检测，s 为决策闽值。 这种形式的检测函数是创建有效水印框架的一种最简便方法，如假设检验或水 印相似性检验。 2 . 2 . 2数字水印的典型算法 数字水印的典型算法有七种。它们是空域算法、 p a t c h w o r k 算法、变换域算 法、压缩域算法、 n e c算法、生理模型算法和扩展频谱法。 空域典型算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位 ( l s b : l e a s t s i g n i f i c a n t b i t s ) 上， 这可保证嵌入的 水印 是 不可见的。但是由 于使用 了图 像不重要的像素位，算法的鲁棒性差，水印信息很容易为滤波、图 像量化、 几何变形的操作破坏。另外一个常用方法是利用像素的统计特征将信息嵌入像 素的亮度值中。 第二章 数字水印 技术与应用 p a t c h w o r k 算法方法是随机选择n 对像素点 ( a i , b i ) ， 然后将每 个a i 点的 亮 度值加 1， 每个b i 点的亮度值减 1 ， 这样整个图 像的平均亮度保持 不变。 适当 地调整参数，p a t c h w o r k方法对 j p e g压缩、f i r滤波以及图像裁剪有一定的抵 抗力，但该方法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的水印信息，可以将图像分 块，然后对每一个图像块进行嵌入操作。 变换域算法中，大部分水印算法采用了 扩展频谱通信 ( s p r e a d s p e c t r u m c o m m u n ic a t io n ) 4 0 ,4 11 技 术。 算法 实 现 过 程 为 : 先 计 算图 像的 离 散 余 弦 变 换 ( d c 乃 4 2 1 ， 然 后 将 水 印 叠 加 到d c t 域 中 幅 值 最 大 的 前k 系 数 上 ( 不 包 括 直 流 分 量) ， 通常为图 像的 低频分量。 若d c t 系数的 前k 个最大分量表示为d = ( d i ) , i = 1， ，k ， 水印 是服从高斯分布的随机实数序列w城 w i ， i= 1， ， k ， 那么水印的 嵌入 算法为d i = d i ( 1 + a w i) ， 其中 常数a 为尺度因 子， 控制水印 添加的强度。然后用新的系数做反变换得到水印图像i 。 解码函数则分别计算原 始图像i 和水印图像i *的离散余弦变换，并提取嵌入的水印w，再做相关检验 以确定水印的存在与否。该方法即使当水印图像经过一些通用的几何变形和信 号处理操作而产生比 较明显的变形后仍然能够提取出一个可信赖的水印拷贝。 一个简单改进是不将水印嵌入到dct 域的低频分量上，而是嵌入到中频分量 上以调节水印的顽健性与不可见性之间的矛盾。另外，还可以将数字图像的空 间域数 据通过离散 傅里叶变换( d f t ) 或离散小波变换( d w t ) 转化为 相应的频域 系数;其次，根据待隐藏的信息类型，对其进行适当编码或变形;再次，根据 隐藏信息量的大小和其相应的安全目 标，选择某些类型的频域系数序列 ( 如高 频或中频或低频) : 再次，确定某种规则或算法， 用待隐藏的信息的 相应数据去 修改前面选定的频域系数序列:最后，将数字图像的频域系数经相应的反变换 转化为空间域数据。 压缩域算法， 基于j p e g , m p e g标准的压缩域数字水印系统不 仅节省了 大 量的 完 全解码和重新 编码过程， 而且在 数字电 视 广 播及v o d ( v i d e o o n d e m a n d ) 中有很大的实用价值。相应地，水印检测与提取也可直接在压缩域数据中进行。 下面介绍一种针对mp e g - 2压缩视频数据流的数字水印方案。虽然mp e g - 2数 据流语法允许把用户数据加到数据流中，但是这种方案并不适合数字水印技术， 因为用户数据可以 简单地从数据流中去掉，同时， 在 m p e g - 2编码视频数据流 中增加用户数据会加大位率，使之不适于固定带宽的应用，所以关键是如何把 水印信号加到数据信号中，即加入到表示视频帧的数据流中。对于输入的 第二章 数字水印技术与应用 m p e g 一数据流 而言， 它可分为数 据头信息、 运动向量( 用于运动补偿) 和 d c t 编码信号块3部分，在方案中只有m p e g - 2数据流最后一部分数据被改变， 其 原理是，首先对d c t编码数据块中每一输入的h u ff m a n 码进行解码和逆量化， 以得到当前数据块的一个d c t系数; 其次， 把相应水印信号块的变换系数与之相 加， 从而得到水印叠加的d c t系数， 再重新进行量化和 h u ff m a n 编码， 最后对 新的h u ff m a n 码字的位数n 1 与原来的无水印系数的码字n 0 进行比 较，只在n 1 不大于n 0 的时候，才能传输水印码字，否则传输原码字，这就保证了 不增加视 频数据流位率。 n e c 算 法 14 3 ,4 4 ,4 5 1 ， 由n e c 实 验 室 的c o x 等 人 提出 ， 该 算 法 在 数 字 水 印 算 法中占 有重要地位，其实现方法是，首先以密钥为种子来产生伪随机序列， 该 序列 具 有高 斯n ( 0 , 1 ) 分布， 密钥一般由 作者的 标识码和图像的哈希值组 成， 其 次对图 像做d c t 变换， 最后用伪随 机高 斯序列 来调制( 叠加) 该图 像除 直流( d c ) 分量外的 1 0 0 0个最大的d c t系数。该算法具有较强的鲁棒性、安全性、透明 性等。由 于采用特殊的密钥，因此可防止i b m攻击，而且该算法还提出了增强 水印鲁棒性和抗攻击算法的重要原则，即水印信号应该嵌入源数据中对人感觉 最重要的部分，这种水印信号由独立同分布随机实数序列构成，且该实数序列 应该 具 有高斯分 布n ( 0 , 1 ) 的特征. 生理模型算法是最近比较流行的算法。人的生理模型包括人类视 h v s ( h u m a n v i s u a l s y s te m ) 和 人 类 听 觉 系 统h a s 14 6 ,4 7 1 . 该 模 型 不 仅 被 多 媒 体 数 据 压缩系统利用，同样可以供数字水印系统利用。利用视觉模型的基本思想均是 利用从 视 觉模型导出的j n d ( j u s t n o t i c e a b l e d i ff e r e n c e ) 描述来确定在图 像的 各 个 部分所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而能避免破坏视觉质量。也就是 说，利用视觉模型来确定与图像相关的调制掩模，然后再利用其来插入水印。 这一方法同时具有好的透明性和强健性。 这些算法具有各异的优点和缺点。空域算法实现起来比较简单，运算的速 度相对较快。但是算法的鲁棒性差，水印信息很容易为滤波、图像量化、几何 变形的操作破坏， 所以空域算法只能适用一些条件不苛刻的情况。p a t c h w o r k 方 法虽然对j p e g压 缩、 f i r滤波以及图 像裁剪有一定的抵抗力， 但该方法嵌入的 信息量有限，所以只能运用在嵌入信息少的情况。变换域算法的隐藏和提取信 息操作复杂，隐藏信息量不能很大，但抗攻击能力强，很适合于数字作品版权 保护的数字水印技术中。压缩域算法的优点是它基于j p e g, mp e g标准的压缩 第二章 数字水印技术与应用 域数字水印系统节省了大量的完全解码和重新编码过程，而且在数字电视 广播 及v o d ( v i d e o o n d e m a n d ) 中 有很大的 实 用价 值。 该算法有一个问 题 值得考 虑， 即水印信号的引入是一种引起降质的误差信号，而基于运动补偿的编码方案会 将一个误差扩散和累积起来，为解决此问题，该算法采取了漂移补偿的方案来 抵消因水印信号的引入所引起的视觉变形。 n e c算法具有较强的鲁棒性、 安全 性、 透明性等。由于采用特殊的密钥，因此可防止 i b m攻击。生理模型算法不 仅被多媒体数据压缩系统利用，同样可以供数字水印系统利用，它具有好的透 明性和强健性，最重要的是由于其先期的限度评估策略使数字水印的嵌入对视 觉质量的损伤降低到最少。 2 . 2 . 3数字水印的主要处理步骤 下面是一个离散余弦域算法的水印嵌入的处理步骤案例。 ( 1 ) 将要嵌入的信息位 ( b i t s ) 用伪随机信号调制成m个实数组成的 伪随 机序列， 呈平均值为0 、方差为1 的正态分布。 这样就将水印能量分散到一 个很 大的频率范围，而在每个频率上值很小。如要在一张 2 5 6 x 2 5 6的图像上嵌 入 8 0 位的版权声明， 水印长度m可以 达到1 6 0 0 0 0 ( 2 ) 对图 像做离散余弦变换 ( d i s c r e t e c o s i n e t r a n s f o r m a t i o n ，简称d c t ) , 得到图像的频率域形式。兼顾不可见性和鲁棒性，选取中频区域放置水印，因 此跳过前l 个系数，对从l + 1 至l 十 m的系数进行修改。 沿用上面的 例子， l可 以取2 5 0 0 0 0 ( 3 ) 系数 修改采用公式: d w ( l 十 i ) = d ( l + i ) + k d ( l + i ) w 6 ) . 其中， d为图 像 的d c t 系数序列;i = 1 二 m; k 为尺度因子 ( 比如0 . 2 ) ， 控制水印 嵌入强度。 ( 4 ) 最后，对频率域系数做逆转换i d c t ，得到空间域的水印图 像。 图2 .6 a 和图2 .6 b 分别是原始图像和嵌入水印后的图像，看起来 毫无差别。 第三章 激光全息防伪技术与应用 第三章 激光全息防伪技术与应用 第一节 激光全息防伪的基本原理 3 . 1 . 1光全息术的概念 光全息术是利用光的干涉原理、无需镜头和其它成像装置、将与物体光波 有关的振幅和位相转换为以 干涉条纹花样形式的强度变化记录在高分辨率感