基于QR 码的自适应抗打印扫描水印算法.docx

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基于QR码的自适应抗打印扫描水印算法

基于QR码的自适应抗打印扫描水印算法

基于QR码的自适应抗打印扫描水印算法王春霞1，王晓红1，孙业强1，肖颖2，丁桂芝3，章婷3（1.上海理工大学，上海200093；2.上海出版印刷高等专科学校，上海200093；3.上海市印刷行业协会，上海200093）摘要：

目的提出一种基于QR码的自适应抗打印扫描盲水印算法。

方法首先对载体QR码进行三级小波变换，并对低频部分进行4×4分块Schur分解，然后利用子块酉矩阵的系数差值的稳定性，将二值水印信息自适应嵌入到载体QR码中，最后对含水印QR码打印扫描并提取出水印信息。

同时，算法实现了盲提取。

结果算法能较好抵抗打印扫描攻击，并对高斯噪声、椒盐噪声、斑纹噪声、泊松噪声、JPEG压缩等攻击具有较强的鲁棒性。

结论算法具有较强的抗打印扫描性能，可以广泛应用于数字产品的版权保护。

关键词：

QR码；水印；DWT变换；Schur分解；抗打印扫描近年来，QR码广泛应用于电子客票服务、物流、邮政等领域[1—2]，随着打印扫描设备的发展，QR码极易被复制，需要保证其信息安全。

数字水印技术具有不可见性好，安全性高等特点[3—4]，因此如何用数字水印技术来解决QR码的抗打印扫描问题成为当前研究热点。

目前，已经提出了很多抗打印扫描的数字水印算法，取得了很大进展，但仍然存在很多不足。

2014年MIRZAMT等[5]提出了基于混合域的水印嵌入方法，将水印嵌入到空域和傅立叶变换域中，具有较强的抗压缩和旋转等攻击，但是抗打印扫描能力不够好，有待进一步提高。

2015年郭倩等[6]提出了基于DCT-SVD的双QR码水印防伪算法，利用奇异值分解将水印嵌入到图像DCT域，对一般攻击具有较强的鲁棒性，但对抵抗打印扫描的能力仍然有限。

2016年谢勇等[7]提出抗打印扫描彩色图像水印算法，利用四元数傅立叶变换和小波变换嵌入水印，在一定程度上能抵抗打印扫描，但打印扫描后提取水印效果有待进一步改善。

为了更好的满足实际需要，解决现有水印算法普遍存在抵抗打印扫描能力不强的问题，文中提出一种基于QR码的自适应抗打印扫描水印算法。

1基础原理1.1QR码QR码即快速识别矩阵码。

结构包括编码区域和含有寻像图像、分隔符、定位图形、校正图形的功能图形。

QR码不仅具有一般性条码的特点，而且具有独到的特性。

其信息容量大，读取速度快，识读方位达360°，且纠错功能很强。

QR码的纠错等级分为L,M,Q,H这4个等级[8—10]。

1.2离散小波变换（DWT）离散小波变换是一种时频局域变换，可以在不同尺度上分析信号。

离散小波变换经过一层分解得到4个子带，分别为：

水平中频子带（HL）、垂直中频子带（LH）、对角高频子带（HH）和低频子带（LL）。

图像的大部分能量集中在低频区域，高频区域主要反映图像的细节信息。

由于打印扫描对图像影响较小的是低频信息，高频信息容易产生失真并丢失，所以将水印信息嵌入到三级小波变换的低频分量中，从而增强水印的鲁棒性[11—12]。

1.3Schur分解Schur分解是一种矩阵分解方法[13—14]。

根据文献[13]，对非负矩阵4×4分块Schur分解得到4×4的U矩阵，其中第2行第1列元素和第3行第1列元素的差值稳定，利用这种稳定性进行水印的嵌入与盲提取。

Schur分解定义如下：

设矩阵A∈Cn×n，则存在酉矩阵U∈Cn×n，使得：

式中：

D为特征值对角阵；B为上三角阵；U⊥为U矩阵的转置矩阵。

相较于SVD分解的时间复杂度O（11N3），Schur分解的时间复杂度更低，仅O（8N3/3），算法效率更高。

2水印嵌入和提取算法2.1水印嵌入算法1）将QR码载体图像进行三级小波变换，小波基为Haar。

2）对三级低频子带分块Schur分解。

将低频子带划分成4×4的非重叠块，对每一个子块进行Schur分解得到相应的Ui,j矩阵。

3）生成取值范围0～a的随机矩阵，再根据水印信息Wi,j调节随机矩阵使其满足式

（2），构成审核矩阵Qi,j，审核矩阵的阈值为q=a/2。

4）嵌入水印信息。

基于式（3—4）结合审核矩阵将水印信息嵌入到步骤2）得到的每一块Ui,j矩阵中的水印信息。

式中：

U2,1和U3,1分别为Ui,j矩阵中第2行第1列的元素和第3行第1列的元素，sign（U2,1）为U2,1的符号，Uavg=（|U2,1|+|U3,1|）/2，|U2,1|为U2,1的绝对值。

5）通过Schur逆变换和三级小波逆变换得到含水印信息QR码载体图像。

水印嵌入流程见图1。

图1水印嵌入流程

Fig.1Watermarkembeddingprocess2.2水印提取算法1）对含水印QR码图像进行三级小波变换。

2）低频子带进行分块Schur分解得到每个子块的U'i,j矩阵。

3）根据每块U'i,j矩阵的第2行第1列和第3行第1列的系数U'2,1和U'3,1提取水印信息，见式（5）。

式中：

W'i,j为提取的水印信息。

4）对提取的水印进行双边滤波，二值化处理得到增强后最终水印。

水印提取流程见图2。

图2水印提取流程

Fig.2Watermarkextractingprocess3实验仿真与分析实验采用512×512像素、纠错等级为H的QR码作为载体图像，采用64×64像素、标有“USST”字符的二值图作为水印图像。

为验证算法的有效性，选取2个QR码进行实验，QR1码载体信息为上海理工大学官网，QR2码载体信息为上海理工大学出版印刷与艺术设计学院官网。

采用归一化相关系数NC值[15]对水印提取效果进行客观评价。

载体图像及水印图像见图3。

图3载体图像及水印图像

Fig.3Carrierimageandwatermarkimage3.1抗打印扫描实验打印扫描会对数字图像质量产生很大影响，为了增强水印抗打印扫描能力，取a=1,2,3,4进行实验确定合适的审核矩阵阈值q。

如果水印嵌入强度过小，会使得含水印的QR码经过打印扫描后丢失大量信息而难以提取水印信息；如果嵌入强度过大，将会对原始载体QR码的质量产生一定影响，无法识别，因此选择水印强度t=0.5,0.8,1,2,3,4,5,6,7,8进行实验确定最佳水印嵌入强度。

打印扫描分辨率设置为300dpi，打印图像大小为3cm。

现以载体QR1码为例，对打印扫描后提取的水印NC值进行分析，结果见图4。

图4QR1提取水印NC值

Fig.4TheNCvaluesofwatermarkextractedbyQR1从图4可以看出，若直接嵌入水印，未加审核矩阵，提取水印NC值较低，该算法通过增加审核矩阵，自适应嵌入水印信息后，NC值基本上保持在0.8以上，有很大提升。

对不同的审核矩阵阈值q进行比较，可以发现当q值较小时，NC值提升不大；当q值增大到1.5时，NC值达到最高；继续增大q值为2时，NC值反而有所降低，因此，q=1.5为最合适的审核矩阵阈值。

对不同水印嵌入强度t进行比较，可以发现t=5时，NC值基本上比其他水印嵌入强度高。

t=5为最佳水印嵌入强度。

具体的提取水印图及NC值见表1和表2。

表1提取水印及NC值（t=5）

Tab.1ExtractedwatermarkandtheNCvalues（t=5）审核矩阵阈值提取水印图NC值未加审核矩阵0.750733q=0.50.839687q=10.901799q=1.50.921271q=20.846531从表1可以看出，当固定水印嵌入强度t=5，审核矩阵阈值q=1.5时提取水印效果最好，其NC值达到最大。

表2提取水印及NC值（q=1.5）

Tab.2ExtractedwatermarkandtheNCvalues（q=1.5）水印嵌入强度提取水印图NC值t=20.853372t=30.86608t=40.888563t=50.921271t60.826002t=70.844575t=80.86999从表2可以看出，当固定审核矩阵阈值q=1.5，水印嵌入强度t=5时提取水印效果最好，其NC值达到最高。

3.2攻击实验为了测试文中算法的鲁棒性，所设定的审核矩阵阈值q为1.5，水印嵌入强度t为5，进行攻击实验。

以QR1为例，实验结果见表3。

由表3可知，当含水印载体图像遭受攻击时，所提取水印NC值都在0.96以上。

当图像经过输出打印扫描后，再对其进行攻击，所提取水印NC值虽然有所降低，但仍然在0.87左右，因此文中算法具有较好的抗打印扫描能力。

为进一步改善所提取水印效果，对其进行双边滤波处理，提取水印NC值提高到0.9左右，主观视觉效果也得到很好改善。

表3水印攻击实验结果

Tab.3Experimentalresultsofwatermarkingattacks攻击类型打印扫描前打印扫描后增强后提取水印NC值提取水印NC值提取水印NC值高斯噪声0.9667640.8768330.902248椒盐噪声0.9716520.8826980.900293斑纹噪声0.9755620.866080.887586泊松噪声0.9775170.8826980.898338JPEG压缩（30%）0.9745850.8807430.905181JPEG2000压缩（30%）0.972630.8787880.9022483.3算法比较为了进一步验证文中算法的强鲁棒性，从1次打印扫描提取水印和文献[7]进行比较，从2次打印扫描提取水印和文献[6]进行比较，提取的水印及NC值见表4。

表4打印扫描鲁棒性比较

Tab.4Thecomparisonofprint-scanrobustness1次打印扫描2次打印扫描算法提取水印NC值提取水印NC值算法文献[7]0.75文献[6]＜0.60文中0.92文中0.74文献[7]选取图像作为载体，经过1次打印扫描提取水印的NC值为0.75且主观视觉效果较差，文中所选载体为QR码，打印扫描后提取水印的NC值达到0.92且提取水印图像清晰。

将水印图像进行第2次打印扫描后，文献[6]提取水印NC值小于0.60且无法识别，而文中算法提取水印的NC值为0.74且含水印QR码载体信息均可正确识别，因此，文中算法的抗打印扫描能力更强，水印安全性更高。

同时，QR码和数字水印技术相结合，具有较强的实用性，可以抵抗无意或有意的打印扫描攻击，提升了数字作品的安全性。

4结语提出了一种自适应的抗打印扫描盲水印算法，该算法基于DWT和Schur分解系数差值的稳定性将二值水印嵌入到QR码载体图像中。

实验结果表明，该算法具有很强的抗打印扫描性能，且对噪声攻击和JPEG压缩等也具有很强的鲁棒性，对数字水印防伪具有很好的实际应用价值。

参考文献：

[1]XIERong-sheng,WUKe-shou,XUGao-pan,etal.ResearchonAnti-CounterfeitingQuickResponse2DBarcodeTechniquesBasedonDigitalWatermark[J].JournalofShanghaiJiaotongUniversity（ScieNCe）,2013,18（4）:

443—447.[2]刘英,王俊祥,胡鸿豪,等.基于Contourlet变换和QR分解的鲁棒性盲数字水印算法[J].光电子·激光,2016（3）:

317—324.LIUYing,WANGJun-xiang,HUHong-hao,etal.RobustBlindDigitalWatermarkngSchemebasedonContourletTransformandQRDecomposition[J].JournalofOptoelectronics.Laser,2016（3）:

317—324.[3]刘玄玄,王晓红.基于视觉显著图的数字水印算法[J].光学技术,2016,42（3）:

260—263.LIUXuan-xuan,WANGXiao-hong.DigitalWatermarkingAlgorithmBasedonSalieNCyMap[J].Opti-calTechnique,2016,42（3）:

260—263.[4]戚娜.数字水印的相关应用研究[J].电子设计工程,2017,25

（1）:

152—154.QINa.ResearchontheApplicationofDigitalWatermarking[J].InternationalElectronicElements,2017,25

（1）:

152—154.[5]MIRZAMT,AHMEDQ,MUNIBS,etal.ANewHybridDomainBasedPrint-ScanResilientImageWatermarkingTechnique[C]//InternationalConfereNCeonFrontiersofInformationTechnology（FIT）,Islamabad,IEEE,2014:

170—175.[6]郭倩,陈广学,陈奇峰.基于DCT-SVD的双QR码水印防伪算法[J].包装工程,2015,36（17）:

119—125.GUOQian,CHENGuang-xue,CHENQi-feng.DoubleQRCodeWatermarkingAlgorithmBasedonDCT-SVD[J].PackagingEngineering,2015,36（17）:

119—125.[7]谢勇,谭海湖,王凯丽,等.抗打印扫描彩色图像水印算法[J].包装工程,2016,37（13）:

151—156.XIEYong,TANHai-hu,WANGKai-li,etal.ColorImageWatermarkAlgorithmRobusttothePrint-and-ScanProcess[J].PackagingEngineering,2016,37（13）:

151—156.[8]卢镔.QR码识别方法研究及应用[D].南京:

南京理工大学,2013.LUBin.ResearchonIdentificationMethodofQRCodeandItsApplication[D].Nanjing:

NanjingUniversityofScieNCeandTechnology,2013.[9]白韬韬,刘真,卢鹏.基于QR码的Contourlet域数字水印算法[J].光电子·激光,2014（4）:

769—776.BAITao-tao,LIUZhen,LUPeng.DigitalWatermarkingSchemeinContourletDomainBasedonQRCode[J].JournalofOptoelectronics·Laser,2014（4）:

769—776.[10]龚冬梅.基于QR码的数字全息水印技术研究[D].苏州:

苏州大学,2015.GONGDong-mei.ResearchinDigitalHolographicWatermarkingTechnologyBasedonQRCode[D].Soochow:

SoochowUniversity,2015.[11]金美玲.基于DWT-SVD域的彩色图像水印算法研究[D].兰州:

西北师范大学,2016.JINMei-ling.BasedonDWTandSVDDomainWatermarkingAlgorithmofColorImage[D].Lanzhou:

NorthwestNormalUniversity,2016.[12]MAKBOLNM,KHOOBE,RASSEMTH.Block-basedDiscreteWaveletTransform-singularValueDecompositionImageWatermarkingSchemeUsingHumanVisualSystemCharacteristics[J].ImageProcessingIet,2016,10

（1）:

34—52.[13]SUQ,NIUY,LIUX,etal.EmbeddingColorWatermarksinColorImagesBasedonSchurDecomposition[J].OpticsCommunications,2012,285（7）:

1792—1802.[14]SUQing-tang.RearchonBlindWatermarkingSchemeofDigitalColorImage[D].Shanghai:

EastChinaUniversityofScieNCeandTechnology,2013.[15]XIAOZ,ZHANGY,FENGC,etal.ARobustandENCryptedDigitalImageWatermarkingMethodagainstPrint-Scan[C]//ChineseAutomationCongress,2015.AdaptiveWatermarkingAlgorithmResistanttoPrintingandScanningBasedonQRCodeWANGChun-xia1,WANGXiao-hong1,SUNYe-qiang1,XIAOYing2,DINGGui-zhi3,ZHANGTing3

（1.UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;2.ShanghaiPublishingandPrintingCollege,Shanghai200093,China;3.ShanghaiPrintingTradeAssociation,Shanghai200093,China）ABSTRACT:

TheworkaimstoproposeanadaptiveblindwatermarkingalgorithmresistanttoprintingandscanningbasedonQRcode.Firstly,thecarrierQRcodewasprocessedbythree-levelDWTtransformandthelow-frequencypartwassubjectto4×4blockSchurdecomposition.Then,thebinarywatermarkinginformationwasadaptivelyembeddedintothecarrierQRcodebasedonastablecoefficientdifferenceofsub-blockUmatrix.Finally,thewatermarkinginformationwasextractedfromtheQRcodewhichwasprintedandscanned.Meanwhile,thealgorithmwasblindlyextracted.Theexperimentalresultsshowedthatthealgorithmcouldbetterresistprint-scanattack,andithadhigherrobustnessinresistingtheattackslikeGaussiannoise,saltandpeppernoise,specklenoise,PoissonnoiseandJPEGcompression.Withstrongperformanceinresistingprin-scanattack,thealgorithmcanbewidelyappliedinthecopyrightprotectionofdigitalproducts.KEYWORDS:

QRcode;watermarking;DWTtransform;Schurdecomposition;resistanttoprintingandscanning中图分类号：

TS801.3;TP391文献标识码：

A文章编号：

1001-3563（2017）21-0186-05收稿日期：

2017-04-24基金项目：

“柔版印刷绿色制版与标准化实验室”招标课题（ZBKT201709）作者简介：

王春霞（1993—），女，硕士，上海理工大学硕士生，主攻为数字图像处理。

通讯作者：

王晓红（1971—），女，博士，上海理工大学教授，主要研究方向为颜色科学和数字图像处理。