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专利名称 | 一种数字防伪方法 |
申请号 | CN01132372.8 | 申请日期 | 2001-11-30 |
法律状态 | 权利终止 | 申报国家 | 中国 |
公开/公告日 | 2003-06-04 | 公开/公告号 | CN1421814 |
优先权 | 暂无 | 优先权号 | 暂无 |
主分类号 | 暂无 | IPC分类号 | 暂无查看分类表>
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申请人 | 温天 | 申请人地址 | 上海市徐汇区肇嘉浜路201弄衡园24号1202室
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权利人 | 温天 | 当前权利人 | 温天 |
发明人 | 温天 |
代理机构 | 暂无 | 代理人 | 暂无 |
摘要
本发明提供了一种数字防伪方法,属于图像处理与信息安全领域。通过本发明提出的块DCT图像水印算法和二值/离散图像水印算法,结合数字签名和加密技术,本发明可将数字签名信息图像图形化并融合到电子文档及纸质文档中。本发明所涉及的数字防伪技术能广泛应用于政府公文、商业合同、商标、银行单据、个人证件等各种真伪认证、防伪造、防篡改领域。
一种数字防伪方法\n技术领域\n本发明涉及一种基于数字水印技术的数字防伪方法,属于图像处理及信息安全领域。\n背景技术\n数字水印是向多媒体数据(如图像、声音、视频信号等)中添加某些数字信息以达到文件真伪鉴别、版权保护等功能。嵌入的水印信息隐藏于宿主文件中,不影响原始文件的可观性和完整性。一般地,数字水印满足以下几个基本要求:(1)可证明性;(2)不可感知性;(3)鲁棒性。在绝大多数情况下我们希望添加的信息是不可察觉的(某些使用可见数字水印的特定场合,版权保护标志不要求被隐藏),并且希望攻击者在不破坏数据本身质量的情况下无法将水印去掉。发展数字水印技术的原动力是为了提供多媒体数据的版权保护,但人们发现数字水印还具有一些其他的重要应用,如:(1)军事和智能机构所需要的不受干扰的通讯手段;(2)国家安全部门对隐藏数据的通讯技术的需求;(3)使用常规通讯器材进行特殊的信息传递;(4)政府部门对国际互联网上匿名的和经过加密处理的信息进行筛选和控制等;(5)电子商务中的数据检测以及网络验证;(6)电子邮件的防伪以及数据认证等等。\n目前提出的数字水印技术根据嵌入水印的方式大致可分为两类:空间域技术(即水印直接添加到图象的灰度值上)和变换域技术(即对图象做某种变换,然后将水印添加到图象变换域的系数上)。不同的水印算法有不同的特性,其应用场合也不一致。\n截至目前,针对二值图像的数字水印方法还比较少见,而且已经提出的二值图像数字水印技术还存在如下问题:(1)可嵌入的水印容量有限;(2)嵌入的水印信息无法抵抗打印、扫描等图像操作和数据转换过程;(3)无法结合现代加密技术,起到文档认证与数字防伪功能。\n因此还没有一种基于数字水印技术的系统可以将数字证书或数字签名信息完整地嵌入到二值图像中,并且能够通过打印、扫描等鲁棒性测试。\n在实际应用中,由于数字签名信息还无法以图形图像的形式存在于纸质文档中,数字签名的安全特性不能应用于普通纸质文档。因此针对当前物理印章、手写签名伪造泛滥现象以及衍生出来的商务合同、政府公文等纸质文档的真伪认证、防伪造、防篡改等数字防伪问题还没有合适的解决方案。可对比的技术文献有以下16篇:[1]J.M.Acken,How watermarking adds value to digital content,Communications of the ACM,Vol.41,No.7,pp.74-77,1998.\n[2]F.A.P.Petitcolas,R.J.Anderson and M.G.Kuhn,Information hiding-asurvey,Proc.of the IEEE,special issue on protection of multimedia content,May 1999.\n[3]N.F.Johnson and S.Jajodia,Exploring steganography:seeing the unseen,IEEE Computer,Vol.31,No.2,pp.26-34,February 1998.\n[4]R.J.Aderson and F.A.P.Petitcolas,On the limits of steganography,IEEEJournal on special areas in communications,Vol.16,No.4,pp.463-478,May,1998.\n[5]Joseph J.K.O′Ruanaidh and Gabriella Csurka,A Bayesian approach tospread spectrum watermark detection and secure copyright protection fordigital image libraries,IEEE Conf.on Computer Vision and PatternRecognition(CVPR′99),Fort Collins,Colorado,USA,June 23-25,1999.\n[6]发明专利(中国):97122207.X,数字水印[7]发明专利(中国):99812732.9,数字水印的嵌入方法和嵌入的数字水印的解码方法[8]发明专利(中国):99107964.7,一种保护多媒体文件和多媒体数据的方法[9]发明专利(中国):99108902.2,信息处理设备、方法及其存储介质[10]发明专利(中国):02132598.7,数字水印嵌入媒体信息和从媒体信息中析出可复原水印信息的方法[11]发明专利(中国):02124253.4,基于易碎数字水印技术的误码检测方法及其应用[12]发明专利(中国):01114581.1,一种用于向数字图像信号加入和提取数字水印的方法[13]发明专利(中国):01125827.6,再现设备及其指定设备、指定系统、指定方法及记录介质\n[14]发明专利(中国):02108039.9,数字水印嵌入方法、数字水印嵌入设备和具有数字水印的记录介质[15]发明专利(中国):01135023.7,一种新型印刷品防伪方法[16]发明专利(中国):02105640.4,数字水印嵌入方法、数字水印嵌入设备和具有数字水印的记录介质发明内容本发明提供一种基于数字水印技术的数字防伪方法。\n本发明的目的在于针对所涉及的数字防伪方法,其实现步骤是将大容量的数字水印信息(如文字、二进制代码或其它加密代码等)以及二值图像做为输入信息,输入到基于二值/离散图像的数字水印算法的水印嵌入模块中,然后输出包含水印的二值图像。嵌入的信息能够抵抗打印与扫描等操作,即水印信息即可以电子形式存在,也可以纸质形式存在。把数字签名或其它认证信息作为数字水印信息嵌入到二值图像中,使得纸质文档和电子文档包含二值图像,从而确保数字签名及其它安全信息可以存在于纸质文档和电子文档中。\n本发明的目的还在于提供一种数字防伪方法,在二值图像的数字水印技术上,数字签名或其它认证信息可作为数字水印信息图形图像化,且可同时存在于纸质文件和电子文件中,从而确保在纸质文件以及电子文件(例如政府公文、证件、商业合同、银行票据、商标、发票等)中实现真伪认证、防伪造、防篡改等数字防伪功能。\n本发明的技术要点在于:1:基于块DCT的数字图像水印算法本发明所述的基于块DCT的数字图像水印算法其水印嵌入模型为加性的分块嵌入算法。块大小的确定根据实际应用而定(比如若考虑JPEG标准,那么块的大小设置为KB=8)。嵌入的处理过程是先对图像进行KB×KB的分块,对每一个图像块进行离散余弦变换,然后从变换系数中选择特征向量。系数选择同JPEG算法类似,把整个块做zig-zag扫描,去掉直流分量,得到前面K个最大系数,因此特征向量为C={ck,k=1,2,...,K}。若将水印{wk}嵌入到特征向量{ck}中,新的特征向量C~={c~k}∈FK]]>由下式得到:c~k=ck+αkwk,k=1,2,...,K---(1)]]>其中尺度因子{ak}是控制水印嵌入强度或能量的常数向量。用新得到的特征向量 替换原来的特征向量{ck}并得到新的变换域矩阵 然后重构图像Bb。如果对每一个图像块进行类似的嵌入过程,然后将重构的包含水印的图像拼接后就得到整个图像。\n水印的检测模型在加性水印模型基础上作线性相关检验。对给定带水印的图像B={bij}∈FM×N和水印W={wk},我们得到特征向量C~={c~k}∈B~]]>(这里由于固定了DCT系数的位置,因此在提取特征向量 的过程中不需要原始图像),然后按下式计算标量z的值:Z=Σkc~kwk---(2)]]>如果把代表图像的特征向量 看成观测噪声,水印W={wk}为信号,那么式(2)给出的相关表示是一个线性匹配滤波。在假设图像的DCT系数服从Laplacian分布统计模型的情况下,我们有在Laplacian噪声中确定信号的最优方法(符号相关检测),即:Z=Σkwk·sgn(c~k)---(3)]]>对每一个KB×KB块的图像水印算法,可以将其看成是水印验证而非水印提取算法,即判定图像块中是否包含水印。事实上也可以将其看成是一个比特信息的水印恢复算法。给定图像块的特征向量 和水印W,如果检测的图像块不包含水印,那么式(3)变成:Z=Σksgn(c~k)wk=Σksgn(ck)wk≤δ---(4)]]>(4)成立隐含一个假设,即特征向量和水印是相互独立的。在这个假设下,两者的内积可以认为小于某一个正数δ。如果图像块包含水印,则有:Z=Σksgn(c~k)wk=Σkwk·sgn(ck+akwk)---(5)]]>注意到sgn(ci+aiwi)=sgn(ci),|ci|≥|aiwi|sgn(aiwi),|aiwi|≥|ci|---(6)]]>那么(5)可以分解为:\nZ=Σksgn(c~k)wk=Σkwk·sgn(ck+akwk)]]>=Σklsgn(ci)wi+Σkhsgn(wi)·wi---(7)]]>≤δ+Σkh|wkh|]]>其中k=kl+kh,kl表示图像中所有满足sgn(ci+aiwi)=sgn(ci)的象素点个数,kh表示图像中所有满足sgn(ci+aiwi)=sgn(aiwi)的象素点个数。\n考虑到图像块的特殊性,图像能量集中在少数几个DCT系数上,所以我们将水印叠加在图像块的中高频上,这样可以使水印算法具有一定的鲁棒性,又对图像质量没有太大的影响。所以上面的分解是非常合理的。作如下假设检验:H1:Z=m+e(t)H0:Z=e(t) (8)其中m=Σkh|wkh|]]>是一个常数而e(t)表示图像的失真。这里把图像失真(如图像滤波,叠加噪声,几何变换等)均看成是噪声,并且假设它服从高斯分布,即e(t)~N(μ,σ2)。然后根据Neymann-Pearson准则计算信号的虚警概率和误识概率。\n2:基于二值图像的数字水印模型对二值图像(即黑白图像,如扫描的印章,条形码等等),水印算法的构造与前面灰度图像的水印方法有些不同。在保证图像质量的情况下,为保证较高的鲁棒特性,则需要在图像域上直接对图像的象素点做变换。\n设原始图像A为二值图像(最小象素值为黑色,最大象素值为白色),水印信息为长度N的二值序列W={wj,j=1,2,...,N}∈{0,1}。与前面普通灰度图像不一样,对图像的白色背景是不能嵌入任何信息的,因为人的视觉系统对白色背景下象素值的改变非常敏感。水印信息只能嵌入到图像的图案部分中(即黑色部分)。因此水印信息的容量N依具体图像内容而定。这里我们总是认为图像的背景为白色,图案为黑色。数字水印的嵌入步骤为:(1)初始化标量F,其中F是水印参数K(块尺寸)、Q(图像质量系数)以及图像尺寸{L,M}的函数;(2)从上到下依次扫描图像,将图像划分为(L/K)×(M/K)个图像块;(3)计算每个图像块象素值的和S;\n(4)当S大于F时,每一个图像块嵌入1个比特的信息:若水印信息为1,置图像块象素点值为p,若水印信息为0,置图像块象素点值为0;其中p为介于最小象素值和最大象素值之间的比例常数。\n对被检测的图像,水印的检测算法是嵌入算法的一个简单逆过程。,将图像进行与嵌入过程一样的图像分块,然后根据每一个图像块的灰度值,确定该图像块的水印信息值。\n3:数字防伪系统的实现方法利用本发明所述的二值图像水印技术,可以构造一个数字防伪系统。数字防伪系统由两部分构成,第一部分是防伪文件的制作端,其步骤如下所示:(1)计算原始文件内容的Hash值(也称为文件的数字摘要);(2)用公钥对Hash值加密得到文件的数字签名;(3)将数字签名作为水印信息嵌入到二值图像中,再将包含水印的二值图像嵌入到文件中,得到包含签名信息的文件;(4)发布包含数字签名信息的文件及公钥,文件既可以是电子形式的,也可以是打印出来的纸质形式;第二部分为文件的验证端。其步骤如下:(1)计算文件内容的Hash值;(2)对文件中的二值图像做水印检测,提取文件中的水印信息(即数字签名);(3)利用公钥对签名信息解密,得到另外一个Hash值;(4)比较两个Hash值,如果一致,则可断言该文件是真实的,通过认证,否则是伪造的;4:数字印章及数字手写签名的实现方法利用本发明所述的二值图像水印技术,可以将原始文件的数字签名嵌入到印章图像和手写签名图像之中,包含数字签名信息的印章图像或手写签名图像可以被包含在电子文档和纸质文档中,从而具有数字签名和印章(或手写签名)的双重防伪效果。判别时用计算机对文本内容及印章图像(或手写签名图像)进行处理,然后比较文档内容的数字签名与检测到印章图像(或手写签名图像)中的数字签名是否一致,如果一致,则通过文档认证,否则文档是伪造的。\n5:数字商标的防伪方法利用本发明所述的基于块DCT的图像水印技术或二值图像水印技术,可以把商标信息的主要内容,例如生产厂商、生产日期、产品序列号、品牌等,通过加密得到的密文,作为水印嵌入到商标中。商标的真伪判定是:用数据扫描仪将商标图像录入到计算机,对商标图像进行文字内容提取以及水印提取,然后比较商标信息的数字签名与嵌入到商标图像中的数字签名是否一致,如果一致,则是真商标,否则是伪造的。\n6:数字水印条形码的信息嵌入方法利用本发明所述的二值图像水印技术,可以在一维条形码(或者二维条形码)中嵌入额外的数字水印信息,水印信息可以是数字签名、商品属性信息或其它特征、安全信息。\n7:证件防伪的实现方法利用本发明所述的基于块DCT的图像水印技术、二值图像水印技术以及数字水印条形码的信息嵌入方法,可以构造身份证、结婚证、毕业证等各种证件的防伪系统。计算证件有效信息(如证件持有人姓名、证件号码、发证日期、证件有效期、发证机关等)的数字签名,然后将签名信息通过数字水印系统嵌入到证件中的水印条码中。对每一个欲要求验证真伪的证件,现用数据扫描仪将证件录入到计算机,然后通过比较水印条形码中的数字签名信息与证件有效信息的数字签名,判定证件的真伪。如果两者一致,则为真证件。\n本发明与现有技术相比有以下优点:(1)本发明所述的二值/多值离散图像水印技术克服了目前的图像水印技术不能在二值图像上嵌入大容量数字信息,并且可以抵抗几何变换、打印和扫描等操作,以及嵌入的大容量水印信息不能存在于普通纸质文档上的缺点;(2)本发明所述的数字防伪方法,是在二值图像水印技术的基础上,使数字签名信息图像图形化,能够同时存在于电子文档和纸质文档中,改变了目前数字签名技术只能以二进制代码形式应用于电子文件而不能以有意义的形式存在于普通纸质文件中的现状,使得数字签名可以无缝地融合到纸质文件之中。(3)本发明所述的二值图像数字水印算法可适用于任何二值图像,结合数字签名技术,可广泛应用于可打印的政府公文、商业合同、票据、银行单据证件等各种防伪与防篡改领域。\n下面结合附图对本发明做进一步描述。\n附图说明\n:图1是水印嵌入算法的流程图图2是水印检测算法的流程图图3是水印示例,三幅图分别是原始图像、含水印图像和水印图4是加密算法的流程图图5是公开密钥算法的流程图图6是数字签名的原理图图7是数字防伪文件的制作流程图图8是数字防伪文件的验证流程图图9是数字证件的实现示例图10是数字印章的实现原理图图11是数字印章示例图12是数字防伪印章的检测原理图图13是数字手写签名的原理图图14是数字手写签名示例图15是数字商标的制作示例图16是数字条形码的实现示例如图1所示,本发明所述的数字水印是向多媒体数据(如图像、声音、视频信号等)中添加某些数字信息以达到版权保护、文档真伪认证等作用。水印的嵌入过程为:其输入端一般包含原始图像11、水印信息12两个部分(有时为加强算法的安全性,密码13也可以作为一个输入端)。输入的原始图像和水印信息经过水印嵌入模块14,得到包含水印的图像15。\n如图2所示,本发明所述的水印检测步骤为:将被检测图像22输入到水印检测模块24中(其中对某些水印检测算法,还需要水印或原始图像21以及密码23),然后输出检测到的水印5。\n如图3所示,本发明所述的基于块DCT的数字图像水印算法的应用示例为:原始输入图像是如(a)所示的彩色图像(不限于彩色图像,也可以是灰度图像或黑白图像);水印信息是如(c)所示的彩色图像(也可以是二进制代码或其它文本信息等);生成的包含水印的图像如(b)所示,它与原始图像非常接近。\n如图4所示,本发明所涉及的加解密过程可简单地描述如下:设原始文本记为P,加密后的密文记为C;加密算法记为E,则E(P)=C,即P经过加密过程1后变成C。若我们将解密算法记为D,则D(C)=P,即C经过解密过程2变成P,整个过程可写成D(E(P))=P。现代的加解密算法一般都是公开的,因此也就要有所谓的Key,记作K,即密钥的概念,即加解密一个文件是算法和Key的组合,算法可公开,但Key不公开,仍可满足保密性的要求,这种情况下,即Ek(P)=C,Dk(C)=P,Dk(Ek(P))=P。\n如图5所示,加密算法中加、解密所用的Key可以是相同的,这类算法被称为对称性算法;也可以是不同的,即加、解密用不同的Key,称之为公钥算法,密钥(k1,k2)是成队出现的,用其中一个加密的文件只有用另一个才能解密。两个Key中有一个是保密的,称为私钥(Private Key),另一个是公开的称为公钥(Public Key)。即Ek1(P)=C,Dk2(C)=P,Dk2(Ek1(P))=P如图6所示,为了鉴别文件或书信的真伪,传统的做法是相关人员在文件或书信上亲笔签名或印章。它们起到认证,核准,生效的作用。一般地手写签名满足以下五个原则:(1)签字是可以被确认的。即当文件上有你的签字时,别人确信这个文件是经你发出的;(2)签字是无法伪造的,即签字是签字者的凭证;(3)签字是无法被重复使用的,即任何人无法用你在别处的签字挪到该文件;(4)文件被签字后是无法被篡改的;(5)签字具有不可否认性,即签字者无法否认自己签字文件上的签字行为。事实上这几条都无法被100%满足。签字是可以被伪造的,可以从一个文件移到另一个文件上,签字后的文件也可以被篡改。但问题是这些作弊手段都是极困难的,而且易被发现。所以我们基本上可以说手写签名是符合以上五大要素的。数字签名则与现代密码学的发展密切相关。因此文件验证方法:首先对文件采用Hash函数作用,将原始文件P通过一个单向(one-way)Hash函数,生成相当短的(仅几十或几百比特)的输出H(Hash值),即Hash(P)=H,这里由P可以很快生成H,但从H几乎不可能生成P,然后再将公开密钥算法作用在H上生成“数字签名”S,记为Ek1(H)=S,k1为A的公钥,A将(P,S)传给B,B收到(P,S)后,需要验证S是A的签字。若有H1=H2,即Dk2(S)=Hash(P),我们便认为S就是A签字。\n如图7所示,本发明所述的数字防伪方法,其制作过程是:由原始文本71得到相应的Hash值72;用私钥对Hash值72加密,得到原始文本的数字签名73;再将73作为水印信息嵌入到71中的二值图像中,使得71包含新得到的水印图像,最终输出包含水印的文本75。\n如图8所示,本发明所述的数字防伪方法,其验证过程是:对包含水印的文本81,通过82提取水印信息(数字签名),并利用公钥87在解密模块83中对输入的签名信息83进行解密,得到84(即HASH值#2),同时对81中的内容计算得到85(即HASH值#1),然后在86中验证两者是否一致。如果一样,则文本通过认证,否则是伪造的。\n如图9所示,本发明所涉及的数字证件防伪,其过程是将91中的数字签名信息,通过二值图像水印技术,嵌入到证件中的一维水印条形码中,从而得到具有防伪功能的数字证件。该证件可以输出到物理介质上,而不限于电子形式。物理介质形式的证件认证通过图8所示的防伪系统完成。\n如图10所示,本发明所涉及的数字印章系统,其制作步骤是:首先用私钥105计算出原始文本101的数字签名102,然后将原始文本101、数字签名102和印章图像106作为输入信息,输入到103中,得到具有数字签名印章的文本104。\n如图11所示,本发明所涉及的数字印章系统,输入的数字印章图像,可以是方形的(a),圆形的(c),也可以是其它任何形状的二值图像。原始印章图像,经过二值图像水印系统,得到相应的包含水印信息的印章图像(b)、(d)。原始印章图像与包含水印的印章图像在形状、大小没有差别,并且包含水印的印章图像的外观不影响其实际应用。\n如图12所示,本发明所涉及的数字印章系统,其验证步骤是:首先将带数字印章的文本121通过扫描仪或摄像头122录入到计算机中处理,得到印章图像123和文本内容124;然后从123中得到印章中包含的水印信息5(即数字签名信息),用公钥1210对125进行解密得到126(Hash值#2)。同时对124计算其HASH值,得到128(Hash值#1),在129中比较126和128,如果一致,则文件是真实的,否则是伪造的。\n如图13所示,本发明所涉及的数字手写签名系统,其制作流程是:首先用私钥132计算原始文本1的数字签名,得到134,并将134以及通过电子书写板135(或其它扫描录入设备)得到的签署者的手写签名图像133同时输送到136,在136中将数字签名作为水印信息嵌入到手写签名图像中,然后将包含水印的签名图像附加在原始文本上。最后输出带有数字手写签名图像的文本。如此得到的包含数字签名(以水印形式存在)的签名图像称之为“签名中的签名”。它同时具有手写签名和数字签名的双重防伪和认证效果。\n如图14所示,本发明所涉及的数字手写签名系统,其原始的手写签名图像可以是录入的任何人的手写签名图像,如(a)所示。生成的包含数字签名或其它认证防伪信息的水印图像如(b)所示。原始签名图像与包含水印的签名图像在形状、大小没有差别,并且包含水印的签名图像的外观不影响其实际应用。\n如图15所示,本方面所涉及的数字商标系统,其原理是:将商标的产品序列号或其它相关信息151以及原始商标图像152作为输入信息,输入到数字商标系统153,在153中按照本发明前面所述的数字水印嵌入方法,将151中的信息作为水印嵌入到152中,然后输出为包含水印信息的商标图像154。\n如图16所示,本发明所涉及的数字水印条形码系统,其原始输入的一维或二维条形码可以是任何标准的条形码图像,将原始条形码图像输入到二值图像水印系统中进行数字水印信息嵌入,从而得到包含水印信息的条形码。得到的一维水印条形码,兼容一维条形码,而且包含的信息大大多于一维条形码的信息。
引用专利(该专利引用了哪些专利)
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被引用专利(该专利被哪些专利引用)
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