基于文本和图像双重数字水印的证件防伪系统设计

【摘 要】设计了一种基于数字水印技术的证件防伪系统，把文本水印信息和图像水印信息隐藏到证件中，通过对提取出来的两种水印信息识别判断，即可鉴别证件的真伪。实验表明，该证件防伪系统有较强的可靠性和实用性。

【关键词】证件防伪；文本水印；图像水印；双重水印

Abstract：A credential anti-counterfeiting system was designed based on digital watermarking technology.Text watermarking information and image watermarking information were hid into credential’s number and photo.People can identify the credential through checkup of the extracted watermarking information.Experiments show that the anti-counterfeiting system has stronger reliability and practicability.

Keyword：credential anti-counterfeiting；text watermarking；image watermarking；Double digital watermarking

社会上伪造证件的犯罪活动日益增多，迫使证件必须采用一定的防伪技术。目前的证件防伪技术主要采用特种材料和特种加工工艺，导致证件成本增加和制作周期延长，且容易被造假分子发现和掌握，导致防伪措施失效。数字水印技术是信息隐藏技术的一个分支，它通过特定的方法将水印信息隐藏嵌入到数字化的载体数据中，以此作为鉴别载体文件真伪和版权保护的依据。我们可以将数字水印技术与证件防伪相结合，将特定的信息隐藏到证件的版面内容中，利用这些不可见的信息来防止伪造和鉴别真伪。这种方法不需要特殊材料，不用改变和增加证件制造的步骤，只要在印前处理阶段把信息隐藏到版面内容中去即可，是一种经济、可靠的证件防伪方法。

1.证件防伪系统总体设计

证件种类众多，但各种证件提供的信息一般都包括：姓名、证件编号、个人照片、相关文字信息等。数字水印按载体大致可分为：文本水印、图像水印、音频水印、视频水印。考虑证件上有文字和图像，可以将文本水印和图像水印分别隐藏到证件的文本中和照片图像中，采用双重水印实现较为可靠的防伪效果。造假者不知道隐藏信息的内容和方法，仿造的证件中没有正确的水印信息，可马上检测出来证件的真伪。

检测辨别证件的真伪时，只需将证件扫描，对获取到的整个证件图像，分别处理检测文本部分和照片图像部分，看能否提取出与隐藏信息相同的两种水印，即可得出可靠的判定结果，且提取时不需要原始图像的参与，实现盲检测，能更好的满足证件防伪的实际需要。

图1 水印的嵌入与检测流程

2.文本数字水印与图像数字水印的嵌入方法

文本数字水印的原理主要是微调行间距、字间距、字符特征等，这些方法大多适用于英文字符，对于复杂多变的汉字不太适用。为了嵌入和提取的方便性，我们选择把水印信息隐藏到相对简单的编号数字中，通过轻微改变证件编号的数字与数字之间的间距来表示隐藏的水印信息。选择证书编号的最后三位数字，转换成4位的二进制编码，如表1所示，三位数字共转换成12位的二进制编码，作为要嵌入的文本水印信息，每一位二进制编码对应一个数字与数字的间距，根据其值来设置各个间距（见表1）。

若用n表示一位二进制数，DIS表示要设置的间距，D表示加宽的间距，d表示标准的间距，则文本水印的嵌入规则如下：

以证件编号10833113232265为例，最后三位数字为265，转换为二进制编码为：001001100101，从左边第一个间距开始算起，5个1所对应的间距要略微加宽，其它间距保持正常，效果如图2所示。

图2 文本水印嵌入效果图

图像数字水印的研究是当前的热点，嵌入水印的方法多种多样，可分为空间域和变换域两种算法。本系统采用较为成熟的离散余弦变换（DCT）算法，通过轻微调整它的中频系数，对图像水印重复嵌入，具体算法如下：

（1）选择证件编号最后一位数字的二值图像，将其像素值转换成一维序列，记为a（i），（i=1，2，…，N），作为要嵌入的图像水印信息。

（2）选择证件照片的图像作为水印载体，将它分成放多8×8的小块，对每一块图像作DCT变换，将系数矩阵的中频系数进行分组，如表2所示，沿横折方向，三个系数一组，共得到7组，用b（m，n）表示（见表2）。

（3）选定合适的阈值K，用Dif表示每一组中三个系数的最大值减去最小值的差值，min和max表示最小和最大值，则水印嵌入规则如下：

（4）对每一个分块图像按此规则继续进行水印的嵌入操作，直到把所有的a（i）信息全部嵌入到照片图像中。若照片图像分块数目远大于嵌入的信息数量，可在多次多块图像中重复进行同一信息的嵌入，以提高水印强度，最后对图像进行反离散余弦变换。

3.水印的检测提取

水印的检测提取是水印嵌入的逆向过程，将制作好打印出来的证件，用扫描仪进行扫描，经过旋转，缩放，裁切模糊边缘，对比度增强等处理后，分别按嵌入方法的逆向算法提取文本水印和图像水印，通过检测数字间距的宽度来提取出文本水印，对比b（m，2）和另外二个DCT系数来提取图像水印，并对提取结果判断正确与否。

4.实验结果分析

（1）实验结果的评价

对提取出来的文本水印和数字水印，首先可进行视觉上的主观判断，文本水印是一串数字，只要将证件上最后三位数字转化成二进制，比对数字即可判断提取的水印正确与否。图像水印是最后一位编号数字的二值图像，通过观察即可马上判断它们形状是否相似。

对图像水印来说，当视觉上不容易根据提取出的水印形状判断的时候，借助于归一化相似度系数进行辅助判断，若用W表示等待判断的水印的二值图像，Wi’表示标准的数字的二值图像，则二者的相似度系数为：

它在一定程度上反映了W和Wi’的相似程度，当Similarity取最大值时，表示水印图像与Wi’所表示的数字最为相似，从而辅助我们进一步确定W的值。

（2）实验数据

实验采用HP LaserJet 5200LX打印机和Epson Perfection V330扫描仪，编写程序随机生成80个证件并嵌入水印，分别采用600DPI和300DPI的分辨率打印，扫描分辨率均为300DPI，检测结果如表3所示。

实验表明，图像的打印分辨率设置的较高，水印提取结果的正确率也较高；图像旋转校正不够精确时，会导致提取错误；图像有轻微的磨损和脏污时，可正确提取水印。

表3 实验数据统计

打印分辨率测试次数正确识别水印正确识

别率

文本水印600DPI（有旋转校正）4040100%

300DPI403997.5%

图像水印600DPI（有旋转校正）403997.5%

300DPI403587.5%

600DPI（有磨损、脏污）10770%

5.结论

本文采用的数字水印方法既有良好的不可感知性，又有较强的抵抗打印与扫描的能力，对整洁的证件，各项参数设置适当时，能准确的检测到水印信息的正确与否，比较适合于证件防伪系统的要求，而且这种方法不会造成证件成本的增加，水印的嵌入和提取都比较方便，从而为证件防伪提供了一种成本较低并且灵活可靠的新方法。

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