数字水印技术在印刷防伪中的应用研究

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3.0 刘畅 2024-11-07 29 4 3.99MB 70 页 15积分

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摘要

网络的快速发展和数字作品的广泛使用，给人们的生活带来便捷的同时，也

使得数字作品易复制和篡改。数字水印技术是数字版权保护的一种有效手段，数

字水印理论已比较成熟。随着高品质图像的输入/输出设备的普及和信息技术的进

步，高精度扫描仪和彩色喷墨激光打印机的应用方便了人们的工作和生活，同时

也使各种文件（支票、证券、护照等）容易伪造，印刷品版权保护亟待解决，研

究应用于印刷防伪的数字水印算法具有重要的现实意义。

本课题将从理论和实际应用两个方面对数字水印在印刷防伪领域中的应用进

行研究，通过对变换域技术，双随机相位调制加密全息技术、傅里叶全息技术、

数字水印技术和印刷技术的深入研究，使得本课题采用的方法具有比较扎实的理

论基础。本课题首先对变换域数字水印进行了研究，提出了彩色图像变换域数字

水印算法；然后对变换域全息技术进行了研究，提出了基于 DWT-DCT 变换域全

息水印算法；通过对数字水印的研究为设计印刷数字水印算法打下基础，分析图

像在打印/扫描前后不变的数字特征，利用这些数字特征来表达水印信息；然后分

析现有印刷水印算法的不足，设计能够抵抗打印扫描攻击的数字水印算法，提出

了两种适用于印刷的数字水印算法。本文所研究的主要内容如下：

1、介绍了数字水印的基本原理、分类及模型等基本理论，在此基础上对数字

水印进行研究，分析数字水印与印刷水印的区别，确定印刷水印系统应该满足的

要求。

2、系统地分析了小波理论，提出了彩色图像变换域水印算法。该算法根据人

眼视觉感知的特性，选取离散小波变换的中频系数来嵌入水印；选择有实际意义

的二值图像作为水印图像，然后根据水印图像不同的值，在中频系数的不同方向

上改变系数两次嵌入数字水印以提高其鲁棒性。

3、研究双随机相位调制加密全息技术，结合 CIELab 颜色空间、小波变换和

离散余弦变换理论，提出了基于 DWT-DCT 变换域全息水印算法。采用双随机相

位全息技术对水印图像进行加密，即保证了安全性又能实现盲提取。

4、在研究傅里叶全息技术、数字水印技术和小波理论的基础上，提出了基于

小波变换的傅里叶全息印刷水印算法。通过打印扫描实验，实验结果表明：嵌入

水印的图像可以通过普通的印刷技术印刷，一次印刷可检测，二次扫描印刷提取

水印脆弱，能抵抗基本的图像处理操作。

5、在研究印刷颜色空间 CMYK、傅里叶全息技术和数字水印理论的基础上，

提出了基于 CMYK 颜色空间的全息水印算法及对该算法在印铁包装防伪中的应用

进行了研究，该算法不用转换颜色空间，避免了未印刷就人为导致水印信息的丢

失，提高了重建水印的相似度；采用对称的水印信息加密，解密时由于傅里叶变

换的特性，重建水印的共轭图像与原水印图像相互叠加，增强了重建水印的清晰

度。

关键字：印刷数字水印傅里叶变换小波变换全息水印

ABSTRACT

With the fast development of Internet and the application of digital works, people

have enjoyed the convenience and faced the risks of being verified. Digital watermark is

an effective way to protect the copyright, which is a mutual way now. With the fast

development of info-tech and high quality image processing equipments, especially

laser printers, high precision color inkjet and scanners, life has become much easier. But

at the same time, someone can easily verify and fake the certificates, invoices and

documents. It is of great importance to study an algorithm against printing and

scanning.

The paper studies on the application of digital watermark in printing security area

from both theoretical and practical sides. The method has deep theory foundation

through double random phase modulation encryption holographic technology, Fourier

encryption holographic technology, printing technology. Firstly, two digital watermark

algorithm were proposed, which laid a good basis for printing watermark algorithm

design. Then the constant characteristics is extracted for analysis, after analysis,

anti-printing algorithms were proposed. The main idea of this paper is as follows:

1. On the basis of principle of digital watermark and classification and modes,

Analysis of the digital watermarking and printing watermarking difference is done to

meet the requirement of printing watermark system.

2. A new watermark algorithm was proposed with the analysis of DWT theory.

This algorithm is based on human visual characteristics, Intermediate frequency

coefficient through DWT is used to embed watermark, and meaningful binary image is

used as watermark. According to different watermark images, the intermediate

frequency coefficient was changed twice to embed watermark in order enhance

robustness.

3.Combining double random phase modulation encryption holographic technology

with CIELab color space, DWT with DCT, an encryption holographic watermarking

algorithm was proposed. Double random phase modulation encryption holographic

technology can ensure the security and blind extraction.

4. On the basis of Fourier encryption holographic technology and digital

watermarking, DWT, a Fourier encryption holographic algorithm based on DWT was

proposed. From the experiment results, the embedded watermark can stand normal

printing process, which can be detected after printing once, and the extracted watermark

is fragile after printing twice. This algorithm can stand all basic image processing

operations.

5. On the basis of CMYK color space and Fourier encryption holographic

technology and digital watermark theory, a holographic watermarking algorithm based

on CMYK color space was proposed. This algorithm does not transfer the color space,

which avoids loss of the watermark information before printing. Symmetrical

watermark is encrypted, due to the Fourier, when decryption, conjugate image and the

original watermark image stack with each other, which enhances the definition of the

reconstructed watermark.

Key Word: printing，digital watermarking， fourier transform，

wavelet transform，holographic watermark

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

1.1 印刷水印研究的现状及意义 ..................................... 1

1.1.1 印刷水印研究的现状 ..................................... 2

1.1.2 印刷水印研究的意义 ..................................... 4

1.2 本文研究的主要内容及结构 ..................................... 5

1.2.1 本文研究内容 ........................................... 5

1.2.2 本文结构 ............................................... 6

第二章数字水印技术特性分析 ......................................... 8

2.1 数字水印概述 ................................................. 8

2.1.1 数字水印的基本概念 ..................................... 8

2.1.2 数字水印的分类 ......................................... 9

2.1.3 数字水印系统框架 ...................................... 10

2.1.4 数字水印的特点 ........................................ 12

2.2 数字水印的典型算法 .......................................... 13

2.2.1 空间域水印技术 ........................................ 13

2.2.2 变换域水印技术 ........................................ 16

2.3 数字水印系统的性能评价 ...................................... 19

2.3.1 均方差（MSE） ......................................... 19

2.3.2 峰值信噪比（PSNR） .................................... 19

2.3.3 相似度（NC） .......................................... 20

2.4 本章小结 .................................................... 20

第三章彩色图像变换域水印算法研究 .................................. 21

3.1 小波变换及水印嵌入位置分析 .................................. 21

3.1.1 连续小波变换 .......................................... 21

3.1.2 离散小波变换理论分析 .................................. 22

3.1.3 小波变换水印嵌入位置分析 .............................. 22

3.2 彩色图像变换域水印嵌入与提取算法 ............................ 23

3.2.1 水印嵌入颜色空间的选择 ................................ 23

3.2.2 水印的嵌入算法 ........................................ 25

3.2.3 水印的提取算法 ........................................ 25

3.3 仿真结果实验分析 ............................................ 25

3.4 本章小结 .................................................... 28

第四章彩色图像变换域全息水印算法研究 .............................. 29

4.1 基于 DCT-DWT 变换域全息水印算法 .............................. 29

4.1.1 全息技术原理 .......................................... 29

4.1.2 双随机相位加密技术 .................................... 30

4.1.3 水印的嵌入位置分析 .................................... 32

4.1.4 嵌入颜色空间的选择 .................................... 32

4.1.5 基于 DCT-DWT 变换域全息水印嵌入算法 .................... 33

4.1.6 基于 DCT-DWT 变换域全息水印提取算法 ..................... 34

4.1.7 仿真实验研究 .......................................... 35

4.2 基于小波变换的傅里叶全息印刷水印基本理论 .................... 36

4.2.1 傅里叶变换全息加密过程 ................................ 37

4.2.2 傅立叶变换加密全息解密过程 ............................ 37

4.2.3 全息水印嵌入载体图像的频谱特性分析 .................... 38

4.2.4 小波分解图像后的系数直方图分析 ........................ 38

4.3 基于小波的傅里叶变换全息印刷水印嵌入与提取算法 .............. 39

4.3.1 水印的嵌入算法 ........................................ 39

4.3.2 水印的提取算法 ........................................ 40

4.4 基于小波的傅里叶变换全息印刷水印算法仿真实验研究 ............ 40

4.4.1 嵌入水印的图像的均方差 MSE ............................. 40

4.4.2 原始水印图像和提取水印图像的相关性 .................... 41

4.4.3 嵌入水印的图像的鲁棒性仿真实验 ........................ 42

4.4 本章小结 .................................................... 43

第五章基于 CMYK 颜色空间的变换域全息水印算法及应用研究 ............. 45

5.1 基于 CMYK 颜色空间的变换域全息水印算法理论分析 ............... 45

5.1.1 傅里叶全息水印仿真实验 ................................ 45

5.1.2 全息数字水印算法中图像频谱特性分析 .................... 46

5.1.3 基于 CMYK 与 RGB 颜色空间变换域全息水印算法对比仿真实验 . 46

5.4 基于 CMYK 颜色空间变换域全息水印的嵌入与提取算法 ............. 47

5.4.1 水印的嵌入算法 ........................................ 47

5.4.2 水印的提取算法 ........................................ 48

5.5 仿真实验研究 ................................................ 49

5.5.1 打印/扫描仿真实验 ..................................... 49

5.5.2 水印的鲁棒性仿真实验 .................................. 50

5.6 基于 CMYK 颜色空间的变换域全息水印算法在金属防伪包装上的应用 . 51

5.6.1 金属 UV 印铁包装中嵌入水印的关键技术 ................... 51

5.6.2 检测系统的设计和实现 .................................. 52

5.6.3 测试结果 .............................................. 53

5.7 本章小结 .................................................... 55

第六章总结与展望 .................................................. 57

6.1 总结 ........................................................ 57

6.2 展望 ........................................................ 58

参考文献 ........................................................... 59

硕士期间研究成果 ................................................... 64

致谢 ............................................................... 67

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摘要网络的快速发展和数字作品的广泛使用，给人们的生活带来便捷的同时，也使得数字作品易复制和篡改。数字水印技术是数字版权保护的一种有效手段，数字水印理论已比较成熟。随着高品质图像的输入/输出设备的普及和信息技术的进步，高精度扫描仪和彩色喷墨激光打印机的应用方便了人们的工作和生活，同时也使各种文件（支票、证券、护照等）容易伪造，印刷品版权保护亟待解决，研究应用于印刷防伪的数字水印算法具有重要的现实意义。本课题将从理论和实际应用两个方面对数字水印在印刷防伪领域中的应用进行研究，通过对变换域技术，双随机相位调制加密全息技术、傅里叶全息技术、数字水印技术和印刷技术的深入研究，使得本课题采用的方法具有比较...

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