基于二值图像数字水印技术的票据防伪方法研究
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及研究意义
随着计算机科学发展使得互联网的带宽越来越高，这使得图像越来越成为人们传播信息的载体，网络上图像的数据流量已经远远超过了传统的文字流量。如今，新型的被广泛认为很有前途的数字水印技术，引起了众多学者的兴趣。数字水印技术研究最初的目的是为了进行版权保护，随着数字水印技术的不断发展，数字水印技术已经超出了单纯的版权保护目的，已经广泛应用到其他领域中例如秘密通信、真伪鉴别、用户信息标志等。
信息化技术的快速发展使人们获取信息越来越容易,但同时也带来了信息的膨胀。尤其是数码相机、手机、打印机和扫描仪等各种图像获取设备的快速发展使得图像的获取越来越容易，数字图像因此成为绝大部分信息的载体,英特网上图像数据的网络流量已经远远超过了传统的文字信息的流量。票据作为一种特殊的图像是其重要组成部分，人们的日常生活每天要使用很多的票据，如何保证这些票据的安全是国家金融安全的重要内容。票据与人们的日常生活息息相关是日常生活中必不可缺的一部分，包括发票、证券、债券、钞票、邮票以及各类门票等。保证票据的安全是维护国家经济正常运行的重要手段，但票据防伪面临着严峻的不足和瓶颈。传统的票据防伪采用的手段一般为纸张防伪、油墨防伪、印刷防伪和制版防伪，这种传统的防伪手段在一定程度上可以起到防伪的目的，但是也存在着很多的不足，比如：
（1）纸张防伪技术：通过在制造票据纸张的过程中增加添加某种特殊材料。这种纸张的制造工艺比较复杂，因为这种特殊纸张不但要具有一定的印刷适性同时要保证较好的防伪效果。与传统纸张相比这种特殊的防伪纸张在造纸工艺严格的多，工艺过程较多也就会有更多的生产废料，这些生产废料处理难度也比普通的废料高许多极大的增加了环境压力；
（2）油墨防伪技术：这种技术主要是向印刷所使用的油墨中加入某种特殊性能的防伪材料，常见的特殊油墨有荧光油墨、光变油墨、渗透油墨、热敏变色油墨、红外油墨、防涂改油墨、加密防伪油墨等，经特殊工艺加工而成。这些特殊的油墨为了达到特殊的性能往往在制造的过程中添加一些重金属物质，并且通常会加入大量溶剂以调节油墨黏度以保证油墨良好的印刷适性。这种特殊油墨经过印刷后，会在票据上残留一些重金属等有害物质，不但对人体健康不利也不利于环保；
1.2文章主要内容和章节安排
1.2.1 文章主要内容
本文主要研究了应用二值图像数字水印的票据防伪、抗打印扫描的二值图像数字水印算法和使用于票据上二值字体的大容量像素翻转算法，主要内容如下：
（1）介绍了数字水印技术，给出数字水印的經典分类和典型的算法，然后介绍二值图像不同于灰度和彩色图像的特殊性和在二值图像上做数字水印的难点以及二值图像水印的常用算法，针对传统票据防伪的常用方法和技术缺点本文给出了在票据上应用二值图像数字水印的可行性；
（2）分析了打印扫描过程以及根据打印扫描过程推导了打印扫描的乘性不变量模型，给出基于打印扫描乘性不变量来进行二值图像数字水印嵌入和提取过程，然后给出在如何在票据上根据不变量模型来进行水印的嵌入和提取；
（3）乘性打印扫描不变量模型是一种使用受限的模型也是一种不精确的模型，针对乘性模型的缺点本文给出了一种基于加性的打印扫描不变量模型，本文提出的模型适用于任何的二值图像并且该模型相对乘性模型是一种精确模型。对于加性不变量模型本文给出了数学推导证明和基于此模型进行二值图像水印嵌入和提取的过程；
（4）二值图像的水印嵌入最后要进行图像像素点的翻转，针对票据上的字体当翻转的像素点较多时，传统的像素翻转方法很难使翻转后的字体图像保持字体形态特征，针对这一问题本文提出了一种适用于票据字体二值图像的大容量水印像素翻转算法，该算法根据一种新颖的字体图像像素插值算法、SSIM 结构相似度模式替换和偏重心移动去噪方法使当翻转的像素较多时仍能使翻转后的字体图像符合字体的结构特征。
第二章 数字水印相关技术介绍
2.1 数字水印技术概述
随着计算机技术以及并行计算能力的发展，传统的防伪技术越来越不能适应高速发展的技术要求，数字水印在这样一个背景下应运而生并且取得了可观的发展。数字水印可以看成嵌入到数字信息载体中的数字信号，我们可以把需要版权保护的信息以数字水印的形式嵌入到要保护的数字图像中从而可以达到版权保护的目的。一般数字水印算法都分为两个子模块，即水印嵌入模块和水印提取模块，水印嵌入模块用来将秘密信息以不可见的形式嵌入到信息载体图像中，水印提取模块是水印嵌入的逆过程用来提取隐藏在载体图像中的水印信息。
2.1.1 数字水印分类
数字水印有很多种不同的分类方法，分类的角度不同得到的具体分类结果也就不同。在不同分类标准下得到的分类结果之间既存在一定的差别又有一定的联系，现在比较常用的分类方法如下：
根据水印信息在载体上的嵌入位置的不同分类可分为空域算法和变换域（频域）算法两种。空域水印算法直接修改图像像素点的像素值，水印信息通过一定的规则直接隐藏在像素值中；变换域水印算法是首先将图像由空域转换根据一定的变换规则变换到到变换域，水印信息通过在变换域空间上修改变换域的系数来嵌入。
根据水印信息嵌入后的是否被人眼可见可分为可见水印和不可见水印算法。可见水印算法是一般将嵌入的水印信息和载体图像按一定的权值融合在一起，融合的权值也就决定了水印的可见性程度，可见水印人眼可以识别；通过不可见水印算法嵌入的水印信息人眼并不能察觉水印信息的存在，因此嵌入水印之后的载体图像与嵌入之前的图像基本保持一样的视觉效果，大部分水印算法都是不可见的水印算法。
根据水印信息嵌入后是否对一些攻击过程鲁棒可分为脆弱水印、半脆弱水印和鲁棒水印。脆弱水印是指水印信息对图像的像素改动具有很高的敏感性，一旦图像受到攻击导致像素发生改变脆弱水印不能进行正确的提取；半脆弱水印是对图像像素的敏感程度比脆弱水印稍低的水印，当面对一些类型的图像攻击的时候半脆弱水印仍能正确提取；鲁棒水印是对图像的像素修改不敏感，图像的像素即使发生改变鲁棒水印仍能进行正确的提取。
2.2 二值图像数字水印概述
现在的大多数图像水印算法的载体对象是灰度或者彩色图像。因为二值图像只有两个亮度等级这导致二值图像与普通的灰度和彩色图像有着很大的不同，适用于灰度图像和彩色图像上的水印算法也很难使用到二值图像上，并且这这方面的研究文献也相对较少。但是二值图像却在实际中被广泛应用，甚至在一些应用中是技术的核心，比如双色印刷的票据图像、文档、支票、签名说说印章等等。因此研究针对二值图像方面的水印技术十分有必要。
2.2.1 二值图像的特殊性
二值图像的特殊性在于只有两个像素值0和1分别表示纯黑和纯白，这种二值图像上的非黑洁白;也就导致了二值图像上的像素值没有可以利用的冗余空间，一些空域上的水印算法也不能用在二值图像上，比如 LSB 算法在灰度或彩色图像上通过修改像素值的最低有效位来嵌入水印信息，但在二值图像上却行不通，因为二值图像上修改像素必然导致视觉的极大反差。二值图像所具有的这种特殊性导致我们常见的针对灰度或者彩色图像的典型水印算法不能照搬的应用在二值图像上，因此必须针对二值图像所具有的特殊性质设计专门适用于二值图像的水印算法。
二值图像虽然像素值没有冗余性，但是图像上一个像素的邻域的各个像素间还是具有一定冗余性的，因此当修改一个二值图像上的像素来嵌入水印信息时，必须考虑该待修改像素点周围的邻域像素的情况，根据一定的规则选取可以翻转的点来修改像素值，否则若有不当的像素值修改，即使图像上很小的细节部分被不当修改也会造成很明显的修改痕迹，甚至有可能使整幅二值图像的可读性带来很大程度的降低。
第三章 用于票据防伪的基于打印扫描乘性不变量模型的二值图像水印算法.... 11
3.1 引言 .................. 11
3.2 打印扫描乘性不变量模型 ............. 11
第四章 基于加性模型的二值图像水印算法.................. 18
4.1 引言 ........... 18
4.2 算法原理 ........... 18
第五章 票据字体二值图像的大容量水印像素翻转算法............... 33
5.1 引言 .............. 33
5.2 算法原理 .............. 33
第五章 票据字体二值图像的大容量水印像素翻转算法
5.1 引言
为了在票据二值图像中嵌入水印信息，需要翻转黑白像素点，水印容量越大，需要翻转的点数越多。针对已有像素翻转方法仅适宜小容量翻转的问题，本文提出一种适用于二值图像嵌入大容量水印的像素翻转方法。该方法是基于改进的二值图像插值方法、提出的像素可翻转性评价方法和偏重心移动去噪几个方法组成。其中改进的二值图像插值方法的保证了缩放后的二值字体图像保持了较好的字体图像的特征、像素可翻转性评价方法使翻转后的像素点不但保持了较高的连通性和平滑性而且保证了具有较高的结构上的相似性，偏重心移动使翻转后的二值字体图像更加平滑和符合字体的特征。实验表明，本文提出的像素翻转方法不但符合字体的结构特征而且可以实现二值图像大容量水印的嵌入。
第六章 总结与展望
6.1 总结
随着计算机技术和数码设备尤其是手机、数码相机和高精度打印机扫描仪的快速发展，数字媒体的安全性、保密性以及真实性的认证问题越来越受到人们的重视，信息隐藏和数字水印技术在这一背景下得到的快速发展。票据安全作为国家金融安全的重要内容与人们的日常生活息息相关，票据已经是人们日常生活中必不可缺的一部分，包括发票、证券、债券、邮票以及各类门票等。保证票据的安全是维护国家经济正常运行的重要方面，但是票据防伪面临着严峻的不足，传统的票据防伪手段亟待改进。传统的票据防伪一般采用纸张防伪、油墨防伪、印刷技术防伪和制版防伪等手段，这些传统的票据防伪手段在可以起到一定程度的防伪的效果，但是也存在着很多的不足，如何采用高效的数字方法对票据进行防伪已经成为亟待解决的问题。我们平常使用的票据在印刷过程中采用的是二值印刷，这给票据防伪带来一种新的突破点，基于这一特点可以将票据图像看成是二值图像，然后采用二值图像的水印技术对票据图像嵌入数字水印。因此二值图像的数字水印技术成为了票据水印的关键技术，这就要求研究可以抵抗打印扫描的二值图像的数字水印技术。
二值图像具有不同于灰度或彩色图像的特殊性，即图像只有黑白两种像素值，这种非黑即白的特性导致了二值图像的像素值没有任何的冗余空间，这就给二值图像水印技术带来难点。根据人眼视觉系统模型，小幅度修改图像少量像素的像素值并不会引起人眼的感知变化, 由于彩色和灰度图像的像素范围较大，像素值的冗余空间较大，因此小幅度的修改其图像的像素值不会产生引起人眼的注意。但二值图像只有黑白两种颜色，像素值没有任何的冗余空间，把黑（白）色像素改为白（黑）色像素产生的视觉反差都是极大的，尤其是在图像非边界上的修改很容易引起人眼的注意，因此在二值图像中嵌入水印信息要比在彩色图像或灰度图像上困难的多。
参考文献（略）