全息数字水印技术在防伪印刷领域的应用研究

包装学报PackagingJournalVol.5No.4Oct.2013第5卷第4期2013年10月全息数字水印技术在防伪印刷领域的应用研究肖颖喆，张雯，单武扬（湖南工业大学包装与材料工程学院，湖南株洲412007）摘要：将全息数字水印技术应用于防伪印刷无需添加任何新的材料，对设备和工艺也没有特殊的要求，同时还可提高水印的不可见性，其操作性较强。综述了空间域和变换域2类全息数字水印算法的研究现状，提出了现有全息数字水印方案应用于防伪印刷中存在的问题，并展望了其研究方向，即：将现有技术和印刷实验相结合，研究不同承印物、印刷方式和原稿对该技术应用到防伪印刷中的影响，开发一套完善的、应用于印刷品的水印质量评价和鉴别体系。关键词：数字水印；全息图；防伪印刷中图分类号：TS853+.6文献标志码：A文章编号：1674-7100(2013)04-0047-05ResearchonApplicationofHolographicDigitalWatermarkingAnti-CounterfeitingPrintingXiaoYingzhe,ZhangWen,ShanWuyang（SchoolofPackagingandMaterialEngineering,HunanUniversityofTechnology,ZhuzhouHunan412007,China）Abstract：Withoutaddinganynewmaterials,withnospecialrequirementsofequipmentandprocesses,holographicdigitalwatermarkingcouldbeappliedinanti-counterfeitingprintingandimprovethewatermarkinvisibilityandoperationalpracticality.Abriefintroductionofresearchstatusofholographicdigitalwatermarkingalgorithminspatialdomainandtransformdomainisgiven,andtheproblemsinapplyingprospectschemeinprintingsecurityareproposed.Thefutureresearchdirectionisputforwardascombiningexistingtechnologyandprintingwithexperiment,researchingontheimpactofapplyingprospectschemebyusingdifferentsubstrates,printingmethodsandtechniquesinanti-counterfeitingprinting,developingacomprehensivesystemapplicabletothewatermarkprintingqualityevaluationandidentification.Keywords：digitalwatermarking；hologram；anti-counterfeitingprinting收稿日期：2013-07-05基金项目：国家自然科学基金资助项目（61170101）作者简介：喆肖颖（1974-），女，湖北汉川人，湖南工业大学副教授，硕士，主要从事包装设计及包装设计理论与文化方面的教学与研究，E-mail：[e-mail]通信作者：张雯（1989-），女，天津人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为印刷品水印防伪技术，E-mail：[e-mail]:10.3969/j.issn.1674-7100.2013.04.0110引言目前，商品市场经济中不法分子通过制假、贩假谋取私利的行为屡见不鲜。现有印刷防伪技术大多通过在印刷过程中添加特殊材料或者采用特殊工艺达到防伪的目的。然而，特殊的材料、工艺又往往会引起印品成本提高、不适合大批生产、环境污染、安全性下降等问题。针对上述问题，全息数字水印技术在防伪印刷领域的应用研究应运而生，为防伪包装学报482013年印刷提供了一种新思路。将全息数字水印技术应用于防伪印刷的主要操作如下：印刷前，通过计算机程序对将要印刷的数字图像进行处理，在图像中嵌入不可见的水印信息；印刷完成后，通过拍照或扫描的方式将印刷图像转换为数字图像，提取并鉴别其中的水印信息，以达到防伪的目的。将全息数字水印技术应用于防伪印刷无需添加任何新的材料，对设备和工艺也没有特殊的要求。现有全息数字水印技术主要用于数字媒体的版权保护和认证[1-3]，而其在印刷防伪领域的应用鲜见报道。近年来，国内外研究者对全息数字水印技术进行了研究[1-4]，该技术虽然日趋成熟，但水印的鲁棒性、不可见性和容量之间的权衡问题尚未得到圆满解决。同时，现有技术主要针对数字媒体的版权保护和认证问题，若将其应用于印刷领域，仍需进一步将该技术和印刷工艺相结合。1基于全息图的数字水印算法数字水印技术是利用密钥对信息进行加密，生成水印信息，然后使用某种嵌入算法将其嵌入宿主图像中，再提取并鉴别水印信息，以实现防伪目的[1]。全息数字水印信息的嵌入及提取过程见图1。1.1数字水印的鲁棒性、容量、不可见性及其制约关系通常情况下，可通过权衡水印的鲁棒性、容量和不可见性3个性质来确定适合的水印方案[2-3]。鲁棒性是指水印抵制不同攻击和篡改操作的能力；容量是水印嵌入过程中可以被嵌入信息量的大小；不可见性是指倘若使用数字水印技术作为防伪技术，水印不应影响宿主图像的视觉效果，即水印不可见。以上3个性质相互矛盾，相互制约。一方面，为了保证水印信息不被造假者轻易提取、篡改，必然要保证较好的鲁棒性，因而水印信息要嵌入易于感知的部分；另一方面，为了具有较高的不可见性，水印不得不被放置在不易被感知的部分。因此，鲁棒性和不可见性相互矛盾，不易同时满足。同样，没有一个水印方案既可抵制广泛的攻击，又具有很高的容量；降低水印的不可见性，才能提高水印容量。大部分数字水印方案在尝试找到这3个性质之间的一个折衷。将全息图引入数字水印技术中，利用全息图的不可撕毁性，提高水印的鲁棒性；全息图的记录形式是高频中的干涉条纹，人眼对其不敏感，可提高水印信息的不可见性。因此，可利用全息图特有的性质，探寻数字水印鲁棒性和不可见性之间更佳的平衡点。1.2数字全息图的优势随着电荷耦合元件（charge-coupleddevice，CCD）成像器件的出现和计算机技术的发展，全息图的记录和重构过程脱离了传统光学元件而转移到计算机上完成，形成了数字全息图[5]。数字全息图应用于数字水印防伪技术中具备以下优势：1）全息图是编码形式的高频干涉条纹，人类视觉对其不可见，且以干涉条纹形式记录的全息图类似随机条纹，因而可视全息水印信息为伪噪声，这极大地提高了水印的不可见性。2）不可撕毁性。由于全息图上的每个点并不是和原物平面的单个点一一对应，而是在整个原物平面共同作用下产生的，因而可以通过全息图上的部分点还原全部信息。该性质极大地改善了印刷过程中因网点离散化造成水印信息丢失而不能顺利提取水印的问题。3）全息图的记录和重构过程需要相同的衍射距离和光波波长，重构时必须提供相同的参数才能恢复原信息。因此，使用全息图作为水印信息，一定程度上对信息进行了加密。4）与传统光学全息图相比，数字全息图的记录和重构过程均在计算机上完成，省去了光学元件的加入和物理化学处理过程，操作性更强。2全息数字水印算法的研究现状根据水印的嵌入位置，可将全息数字水印算法分为空间域和变换域2类。2.1空间域空间域又称图像空间，在空间域中嵌入水印意味着宿主图像的像素值被直接修改。空间域算法先于变换域算法被提出，水印嵌入操作流程较简单，易被滤波、压缩等操作攻击。N.Takai等[6]提出将傅里叶全息图应用到数字水印技术中，并通过仿真实验，比较了常系数加权和自适应加权在不同嵌入强度条件下水印信息重构的效果，结果表明，常系数加权总体上优于自适应加权。此外，还对连续调图像和半色调图像分别做了图1全息数字水印流程图Fig.1Theflowchartofholographicdigitalwatermarking第4期49喆肖颖，等全息数字水印技术在防伪印刷领域的应用研究不同程度的剪切攻击的仿真实验，结果表明，在遭受不同剪切面积的攻击时，重构出的水印图文大小是一致的，这充分证明了全息图的不可撕毁性。但是，该算法对JPEG压缩攻击的抵抗较为脆弱。另外，先将宿主图像经过低通滤波，再将计算机生成的傅里叶全息水印信息嵌入宿主图像的空间域中，该过程本身就是对宿主图像的攻击，因此在一定程度上会降低图像质量。SunLiujie等[7]在文献[6]的基础上，结合加密技术和全息技术，提出一种双随机相位加密同轴傅里叶全息水印方案，该方案嵌入强度适中且安全性能较高，在水印嵌入强度适中的条件下，具有较好的不可见性，并可通过盲检测鉴别真伪。另外，打印/扫描实验表明，该方案可以应用于证件、包装防伪领域。Spagnolo等[8]将RSA公匙加密技术和全息技术相结合：在水印嵌入阶段，使用私钥（privatekey，SK）嵌入水印，其中SK是保密的；而在水印提取阶段，任何人都可以使用公钥（publickey，PK）验证水印。这种加密技术和全息图的结合可有效地防止伪造者篡改和拷贝水印信息，且该方案具有出色的抗剪切能力，但嵌入水印前宿主图像同样需要经过低通滤波，会导致水印图像质量下降，且易被JPEG压缩攻击破坏的缺点并没有得到改善。孙云峰等[9]将傅里叶全息数字水印技术应用到彩色图像印刷防伪技术中：将傅里叶全息图作为水印信息嵌入CIELAB颜色空间的亮度分量L中，以减小颜色损失，实现了大信息量的嵌入；设计了水印提取过程需要的定位-校正程序，实现了水印的盲检测，实用性较强。但是，其定位-校正程序主要涉及几何校正，而未涉及曝光、涂污、油墨不均匀引起的椒盐噪声等攻击造成的失真校正。2.2变换域考虑到算法的鲁棒性，空间域水印算法易于被滤波、有损压缩等攻击破坏，且通常在嵌入水印前需要使用低通滤波处理宿主图像，降低了图像质量。变换域数字水印算法将水印信息嵌入宿主图像变换域，可有效提高对信号处理操作的鲁棒性。关于变换域的研究主要集中在离散余弦变换（discretecosinedomain，DCT）域和离散小波变换（discretewavelettransform，DWT）域[10]。2.2.1DCT域在DCT域中嵌入水印，首先需要对宿主图像进行DCT处理。考虑到人眼视觉对图像低频部分更为敏感，为保证水印的不可见性，一般不会将水印嵌入低频部分；图像压缩主要破坏图像的高频部分，但对中频部分影响不大：故通常选择中频嵌入水印。针对文献[6]提出的空间域全息数字水印方案的不足，H.T.Chang等[11]提出将水印信息嵌入DCT的中频系数中，以提高水印的不可感知性。但通过对整幅图进行逆傅里叶变换即可提取水印，安全性较低，且仍未解决文献[6]方案中抗压缩能力差的缺点。基于此，尉迟亮等[12]采用JPEG模型和分解DCT系数的方法，保证全息数字算法对剪切等图像处理操作稳健性的同时，提高了对JPEG有损压缩攻击的稳健性。为了进一步提高算法的安全性，赵雅晶等[13]在水印信息嵌入宿主图像前，先进行Arnold置乱变换，再嵌入宿主图像DCT的中频系数。引入Arnold置乱变换，一方面可将置乱次数当做密钥，提高算法的安全性；另一方面，Arnold置乱变换将全息水印信息中所涵盖的内容均匀分布，降低了因含有重要信息的部分被攻击而重构效果低劣的可能，一定程度上提高了算法的鲁棒性。唐雪婷等[14]在对全息水印信息进行Arnold置乱变换的同时，对宿主图像进行hadamard变换，提高了算法的鲁棒性。另外，针对Arnold置乱变换在迭代次数接近周期时会再现原图的缺陷，王敏[15]引