基于QR 码的自适应抗打印扫描水印算法.docx

1、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 44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。

2、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12，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34，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MIRZA M T等

3、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

4、础原理 1.1 QR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810。 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

5、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1112。 1.3 Schur分解 Schur分解是一种矩阵分解方法1314。根据文献13，对非负矩阵44分块Schur分解得到44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 ACnn，则存在酉矩阵 UCnn，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

6、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44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 0a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（34）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,

7、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.1 Watermark embedding process 2.2 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Ui,j矩阵。 3）根据每块Ui,j矩阵的第2行第1列和第3行第1列的系数U2,1和U3,1提取水印信息，见式（5）。 式中：Wi,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。

8、水印提取流程见图2。 图2 水印提取流程Fig.2 Watermark extracting process 3 实验仿真与分析 实验采用 512512像素、纠错等级为 H的 QR码作为载体图像，采用 6464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.3 Carrier image and watermark image 3.1 抗打印扫

9、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300 dpi，打印图像大小为3 cm。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4 QR1提取水印NC值Fig.4 The NC value

10、s of watermark extracted by QR1 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.1 E

11、xtracted watermark and the NC values (t=5)审核矩阵阈值 提取水印图 NC值未加审核矩阵0.750 733 q=0.5 0.839 687 q=1 0.901 799 q=1.5 0.921 271 q=2 0.846 531 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.2 Extracted watermark and the NC values (q=1.5)水印嵌入强度 提取水印图 NC值t=2 0.853 372 t=3 0.866 08 t=

12、4 0.888 563 t=5 0.921 271 t 6 0.826 002 t=7 0.844 575 t=8 0.869 99 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

13、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.3 Experimental results of watermarking attacks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0.966 764 0.876 833 0.902 248椒盐噪声0.971 652 0.882 698 0.900 293斑纹噪声0.975 562 0.866 08 0.887 586泊松噪声0.977 517 0.882 698 0.898 338 JPEG压缩（30%）

14、0.974 585 0.880 743 0.905 181 JPEG2000压缩（30%）0.972 63 0.878 788 0.902 248 3.3 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.4 The comparison of print-scan robustness1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70.75 文献60.60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N

15、C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

16、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： 1XIE Rong-sheng, WU Ke-shou, XU Gao-pan, et al.Research on Anti-Counterfeiting Quick Response 2D Barcode Techniques Based on Digital WatermarkJ.Journal of Shanghai Jiaotong University (ScieNCe),2013, 18(4): 443447. 2刘英, 王俊祥, 胡鸿豪, 等. 基于 Contourle

17、t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): 317324.LIU Ying, WANG Jun-xiang, HU Hong-hao, et al.Robust Blind Digital Watermarkng Scheme based on Contourlet Transform and QR DecompositionJ.Journal of Optoelectronics.Laser, 2016(3): 317324. 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): 260263.LIU Xuan-xuan,

18、 WANG Xiao-hong. Digital Watermarking Algorithm Based on SalieNCy MapJ. Opti-cal Technique, 2016, 42(3): 260263. 4戚娜. 数字水印的相关应用研究J. 电子设计工程,2017, 25(1): 152154.QI Na. Research on the Application of Digital WatermarkingJ. International Electronic Elements, 2017,25(1): 152154. 5MIRZA M T, AHMED Q, MUNI

19、B S, et al. A New Hybrid Domain Based Print-Scan Resilient Image Watermarking TechniqueC/ International ConfereNCe on Frontiers of Information Technology(FIT), Islamabad, IEEE, 2014: 170175. 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): 119125.GUO Qian, CHEN Guang-xue, CHEN Qi-feng. Do

20、uble QR Code Watermarking Algorithm Based on DCT-SVDJ. Packaging Engineering, 2015, 36(17):119125. 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): 151156.XIE Yong, TAN Hai-hu, WANG Kai-li, et al. Color Image Watermark Algorithm Robust to the Print-and-Scan ProcessJ. Packaging Engineering, 2016

21、, 37(13):151156. 8卢镔. QR码识别方法研究及应用D. 南京: 南京理工大学, 2013.LU Bin. Research on Identification Method of QR Code and Its ApplicationD. Nanjing: Nanjing University of ScieNCe and Technology, 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): 769776.BAI Tao-tao, LIU Zhen, LU Peng. Digital Water

22、marking Scheme in Contourlet Domain Based on QR CodeJ.Journal of OptoelectronicsLaser, 2014(4): 769776. 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.GONG Dong-mei. Research in Digital Holographic Watermarking Technology Based on QR CodeD.Soochow: Soochow University, 2015. 11金美玲. 基于 DWT-SVD域的彩色图像水印算法研究D.

23、 兰州: 西北师范大学, 2016.JIN Mei-ling. Based on DWT and SVD Domain Watermarking Algorithm of Color ImageD. Lanzhou:Northwest Normal University, 2016. 12MAKBOL N M, KHOO B E, RASSEM T H.Block-based Discrete Wavelet Transform-singular Value Decomposition Image Watermarking Scheme Using Human Visual System Ch

24、aracteristicsJ. Image Processing Iet, 2016, 10(1): 3452. 13SU Q, NIU Y, LIU X, et al. Embedding Color Watermarks in Color Images Based on Schur DecompositionJ. Optics Communications, 2012, 285(7): 17921802. 14SU Qing-tang. Rearch on Blind Watermarking Scheme of Digital Color ImageD. Shanghai: East C

25、hina University of ScieNCe and Technology, 2013. 15XIAO Z, ZHANG Y, FENG C, et al. A Robust and ENCrypted Digital Image Watermarking Method against Print-ScanC/ Chinese Automation Congress,2015. Adaptive Watermarking Algorithm Resistant to Printing and Scanning Based on QR Code WANG Chun-xia1, WANG

26、Xiao-hong1, SUN Ye-qiang1, XIAO Ying2, DING Gui-zhi3, ZHANG Ting3(1.University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2.Shanghai Publishing and Printing College, Shanghai 200093, China; 3.Shanghai Printing Trade Association, Shanghai 200093, China) ABSTRACT: The work aims to

27、 propose an adaptive blind watermarking algorithm resistant to printing and scanning based on QR code. Firstly, the carrier QR code was processed by three-level DWT transform and the low-frequency part was subject to 44 block Schur decomposition. Then, the binary watermarking information was adaptiv

28、ely embedded into the carrier QR code based on a stable coefficient difference of sub-block U matrix. Finally, the watermarking information was extracted from the QR code which was printed and scanned. Meanwhile, the algorithm was blindly extracted.The experimental results showed that the algorithm

29、could better resist print-scan attack, and it had higher robustness in resisting the attacks like Gaussian noise, salt and pepper noise, speckle noise, Poisson noise and JPEG compression. With strong performance in resisting prin-scan attack, the algorithm can be widely applied in the copyright prot

30、ection of digital products. KEY WORDS: QR code; watermarking; DWT transform; Schur decomposition; resistant to printing and scanning 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。