基于数字水印的证件防伪技术研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 7.27MB 73 页 15积分
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第一章 绪 论
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第一章 绪 论
§1.1 研究背景及意义
现在的防伪系统可以采用密码认证技术，但是传统的加密方式对信息的保护
有一定的局限性，不能够完全保证信息的安全性。一旦密码被破解，信息就可以
被任意非法复制、篡改，并且在法庭上很难取证。在这种情况下，信息隐藏学产
生了，信息隐藏学的研究涉及密码学、图像处理、模式识别、数学和计算机科学
等领域。信息隐藏技术是近几年新兴的研究方向，信息隐藏技术的出现弥补了密
码技术的一些缺陷：密码技术仅仅隐藏了信息的内容，而信息隐藏技术不但隐藏
了信息的内容而且隐藏了信息的存在[1]。
数字水印（Digital Watermarking）技术最早是在 1994 年的国际图像处理会议
上由 Schyndel 等人提出的，这一技术在当时的学术界引起广泛的关注，并且迅速
成为信息安全和图像处理领域的研究热点。此后，很多高校、研究机构、企业和
公司都展开了对数字水印技术的研究，并取得了一定的成果。我国的数字水印技
术研究也得到了国家相关部门的重视，并有一些研究成果逐步走向实用化。
数字水印是一种新兴的有效的数字产品版权保护和数据安全维护的技术，是
近几年来国际信息安全界兴起的一个前沿研究课题，它与信息安全、信息隐藏、
数据加密等均有密切关系。数字水印作为信息隐藏技术的重要分支，是一种可以
在开放网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新型技术，通过将数字、序列
号、文字和图像标志等版权信息嵌入到媒体中，在嵌入过程中对载体进行尽量小
的修改，以达到最强的鲁棒性，当水印媒体受到攻击后仍然可以恢复或检测出水
印的存在[2]。数字水印技术可以作为加密技术的补充，增强信息的防伪性。数字
水印技术是当前多媒体信息安全研究领域发展最快的热点技术，已受到国内外学
术界和企业的高度关注。在多媒体信息中加入数字水印可以确定版权所有者、用
于盗版跟踪、图像认证、票据防伪及提供关于数字内容的其它附加信息和确认所
有权认证，并在篡改鉴定、数据跟踪和检测、电子商务认证和视频广播的数据分
级访问等方面具有十分广阔的应用前景。数字水印技术也是国内信息安全研究的
一个重要方向，国内电子政务的广泛应用以来，数字产品的安全问题日益突出。
目前数字水印的研究方向，主要是技术研究方向和应用研究方向。
（1）技术研究方向主要有：基于新技术、新方法应用的智能型水印技术，比
如基于混沌置乱与优化技术（COA）、 神经网络技术（NN）、 支持向量机（SVM）、
线性鉴别分析 LDA（Linear Discriminant Analysis）、CA（细胞自动机）等技术的
数字水印；用于内容认证的数字水印实现策略研究，比如数字水印的信号内容研
究、脆弱数字水印技术研究、半脆弱数字水印技术研究、可逆水印技术研究等；
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特色水印研究，比如可见水印技术、医学图像中的水印技术研究、二值图像的认
证技术、JPEG 图像的水印技术、声音、视频媒体的水印技术、Web 水印、软件
水印以及数据库水印技术研究等。
（2）应用研究方向主要有：防伪技术研究，如证件防伪、驾驶证、出生证防
伪、商标防伪等；认证技术研究，如多媒体信息认证、移动设备认证、数字图书
馆认证等。
数字水印技术在印刷防伪中的应用是目前的一个新课题。印刷制品的应用涉
及人们生活中的各个方面，信息技术的发展和高质量图像输入输出设备的进步，
在为人们的工作和生活带来了许多便利的同时，也使各种产品包装、证件、支票、
证券和证明文档的伪造及篡改变得容易了[3, 4]。目前，大多数需要防伪的印刷品都
缺乏融合了信息技术的复杂工艺的保护，其防伪技术欠缺，使不法分子有了可乘
之机，利用假包装、假汇票、假证件进行违法活动的案例屡见不鲜，制假售假已
成为仅次于贩毒的世界第二大公害。据测算，全球防伪市场的年总值为 2000 亿美
元，国内防伪市场年总值可达 500 多亿元人民币。因此，应用数字水印技术的防
伪认证具有重要的社会意义，并蕴含着巨大的市场潜力。
将具有生物唯一特性的指纹信息作为水印是一个新兴的技术，通过水印的嵌
入技术将指纹特征隐藏在证件印刷品中，实现其防伪功能。但是由于证件印刷防
伪技术发展过程中不断出现新的问题和困难，数字水印技术也将会继续发展，在
防伪认证领域也将得到越来越广泛的应用。数字水印技术还有很多其它用途，并
且其应用领域还在不断扩大。除了技术发展，市场营销和商业规划也极为重要，
并且需要有深度的分析与战略计划。技术推广和普及也必不可少，以保证市场为
接受数字水印技术做好准备。
§1.2 国内外的主要研究现状及发展
§1.2.1 指纹识别技术
计算机的出现使指纹识别进入了自动化阶段。近些年来，国内外自动指纹识
别技术已经取得了许多进展。国际指纹验证竞赛 FVC（Fingerprint Verification
Competition）的测试结果表明，自动指纹识别仍有许多问题等待解决，仍然是一
个具有挑战性的重要的研究课题。FVC 从2000 年开始每两年举行一次，参赛算
法中许多都代表着世界领先的算法。从比赛结果来看，指纹识别算法的正确率远
远低于市场上所宣传的指纹识别产品的正确率；正确率较高的算法所需的运算时
间也相对较长，消耗的存储空间较多，有些算法虽然能达到较高的正确率，但消
耗的系统时间、空间资源在实际的应用中是难以让人接受的；低质量指纹图像的
匹配还是一个挑战性的难题；扭曲指纹的识别问题还有待进一步解决。
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目前的自动指纹识别系统的正确率还达不到指纹鉴别专家用肉眼进行识别的
正确率，因为自动识别系统难以实现用人眼进行识别时所用的复杂模型，人眼可
以从低质量的指纹图像中准确提取特征，而自动识别系统在低质量图像中往往提
取错误特征或无法提取特征。可见，自动指纹识别技术的研究仍然是具有挑战性
的研究课题。
由于社会对指纹识别有着日益迫切的需求，且指纹识别领域仍然存在许多难
题，近年来，指纹识别领域的研究十分活跃。与指纹识别有关的国内外活动有国
际指纹验证比赛 FVC，国际生物认证会议 ICBA （International Conference on
Biometric Authentication），中国生物识别学术会议 CCBR（Chinese Conference on
Biometric Recognition），国际模式识别会议 ICPR （International Conference on
Pattern Recognition），教育部还特别在 2004 年组织了一个生物识别研讨班。越来
越多的统计结果表明指纹识别的研究越来越被更多的人关注。可见，指纹识别仍
然是个热点的研究问题。
在各种基于生物特征的身份认证方法中，指纹识别所占有的市场份额最大，
图1.1 是国际生物识别组织 IBG
（International Biometric Group）对 2004 年各种生
物特征的市场份额的比较报告，其中指纹识别的市场份额为 48%。同时，基于生
物特征的身份认证方法的市场收入额在逐年上升，可见社会越来越需要基于生物
特征的身份认证，尤其是基于指纹的身份认证方式。
图1.1 IBG 对2004 年各种生物特征的市场份额的统计
目前，我国指纹识别技术在许多新领域也有了应用。
（1）以指纹模块为应用核心的锁具考勤机、门禁、锁具类市场。这三类指纹
产品是嵌入式指纹产品的主力市场。其中指纹考勤机产品经过了至少七年的发展
改进，产品性能已经非常成熟。众多的办公用品厂商已经开始转型到指纹考勤市
场，这方面的渠道商参与也非常活跃。指纹门锁目前的主要消费群有高档楼盘、
办公室等集体消费者。
（2）以指纹认证平台为应用核心的软件信息化系统市场。随着信息安全问题
的日益严重，信息安全事件中因为账户密码引起的信息泄漏占到了总事件的 70%
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以上。也就是说，大部分的信息安全事故都是由于采用了不太安全的账号密码机
制，因为账号密码机制的易被盗用、易被窃取、易被破解、易被复制和传递等天
生缺陷，导致了整个信息安全体系的隐患。然而，指纹信息具有生物唯一特性并
且容易获取，指纹认证是所有信息安全系统的最先进最安全的认证体系。因此，
这一部分市场，将随着对信息安全问题的重视而不断拓展开来。
（3）以个人计算机为应用核心的指纹数码、存储产品。这些产品如指纹 U
盘、指纹移动硬盘、指纹笔记本电脑、指纹手机、指纹键盘和指纹鼠标等，都在
2005 年就开始纷纷上市，成为各大媒体和消费者聚焦的对象。
§1.2.2 数字水印技术
由于有大公司的介入和美国军方及财政部的支持，数字水印技术研究的发展
速度非常快。1998 年以来，《IEEE 图像处理》、《IEEE 会报》、《IEEE 通信选题》、
《IEEE 消费电子学》等许多国际重要期刊都组织了数字水印的技术专刊或专题
新闻报道。
在美国以麻省理工学院媒体实验室为代表的一批研究机构和企业已经申请了
数字水印方面的专利。
1998 年，美国政府报告中出现了第一份有关图像数据隐藏
的AD 报告。目前，已支持或开展数字水印研究的机构既有政府部门，也有大学
和知名企业，它们包括美国财政部、美国版权工作组、美国空军研究院、美国陆
军研究实验室、德国国家信息技术研究中心、日本 NTT 信息与通信系统研究中心、
麻省理工学院、伊利诺斯大学、明尼苏达大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、
西班牙 Vigo 大学、IBM 公司 Watson 研究中心、微软公司剑桥研究院、朗讯公司
贝尔实验室、CA 公司、Sony 公司、NEC 研究所以及荷兰菲利浦公司等。
目前，用于版权保护的数字水印技术已经进入了初步实用化阶段，IBM 公司
在其“数字图书馆”软件中就提供了数字水印功能，Adobe 公司也在其著名的
Photoshop 软件中集成了 Digimarc 公司的数字水印插件。然而实事求是地说，目
前市场上的数字水印产品在技术上还不成熟，很容易被破坏或破解，距离真正的
实用还有很长的路要走。
随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是精度超过 1200dpi 的彩色喷墨、
激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变
得更加容易。仅在 1997 年截获的价值 4000 万美元的假钞中，用高精度彩色打印
机制造的小面额假钞就占 19％，这个数字是 1995 年的 9.05 倍。目前，美国、日
本以及荷兰都已开始研究用于票据防伪的数字水印技术。其中麻省理工学院媒体
实验室受美国财政部委托，已经开始研究在彩色打印机、复印机输出的每幅图像
中加入唯一的、不可见的数字水印，在需要时可以实时地从扫描票据中判断水印
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的有无，快速辨识真伪。
日本在电子技术方面的研发一向走在世界的尖端。2008 年，日本电信电话通
信公司开发出一种采用数字水印技术的身份认证技术，能实现简单、低成本的身
份识别和管理。日本电信电话通信公司开发的新技术的具体做法是，在照片中嵌
入数字水印，处理后的照片用肉眼看与原来完全一样，只有专用的扫描仪才能发
现其中的水印。这种新技术的一大优势是，嵌入数字水印的照片只需用普通的打
印机和打印纸印刷，可有效控制成本，采用这种技术可以迅速无误地确定证件的
真伪。
我国学术界对数字水印技术的反应也非常快，已经有相当一批有实力的科研
机构投入到这一领域的研究中来。在美国拉斯维加斯开展的 2009 年国际消费电子
展（CES）上，爱国者首次发布了全球第一款数字水印数码相机 WM01，它将世
界领先的数字水印技术与数码相机技术结合，采用爱国者具有自主知识产权的数
字水印芯片，拍照的同时，即可在所拍摄的图像上进行水印算法处理，加入隐藏
的数字水印，从而确认照片的版权所属信息。照片中所添加的数字水印具有隐蔽、
安全两大特性，即水印添加后，不会改变画面质量，肉眼无法看见，水印可以通
过检测软件提取出来；其次、数字水印具有高级别的安全性，难以篡改和伪造，
当内容发生剪切、位移、尺寸等改变时，内置的水印同时发生变化，从而可以检
测原始数据的变更，鉴定原始数据是否被篡改。
§1.3 研究内容和组织结构
§1.3.1 本文研究内容
本文分析了基于指纹的身份认证技术和数字水印的印刷防伪技术的研究现状
和发展趋势，通过对数字水印技术基本概念、发展前景以及算法实现了解的基础
上，对多种嵌入、提取水印的方法进行仿真实验，对比性能且对算法作进一步改
进，并结合指纹识别技术和信息隐藏的加密技术，从数字水印和指纹识别技术相
结合的角度，利用数字水印的隐藏性和指纹识别的唯一性，进行算法优化及仿真
实验，实现基于水印图像的证件防伪认证。具体内容如下：
（1）分析了指纹识别技术和数字水印技术的发展情况、目前的技术水平和以
后的技术发展方向，明确了将数字水印图像嵌入载体的技术要求。
（2）分析研究数字水印技术的基本原理和特点，以及国内外实现水印技术的
典型算法并进行仿真实验。
（3）研究采用 DCT、DWT 变换域内的数字水印嵌入算法，对水印图像进行
加密、嵌入、攻击、提取的仿真实验，将水印信息安全地隐藏在身份证件的数字
图像中。
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（4）研究采用全息加密技术对水印图像进行加密，进一步增强水印信息的安
全性和鲁棒性。将全息加密后的图像作为水印并结合水印技术嵌入到证件载体中，
解决一般水印的安全性问题，实现证件的防伪功能。
（5）设计认证系统的软件实现，通过实际的打印扫描操作制作防伪证件并输
出证件的数字图像，然后通过指纹匹配系统进行匹配实验，实现对证件持有者的
身份认证。
§1.3.2 本文贡献
在系统研究数字水印技术的基础上，结合指纹识别技术、加密技术，将生成
的指纹图像作为水印嵌入到证件载体中，采用全息水印加密技术增强水印本身信
息的安全性并实现其防伪。该水印信息具有安全性的同时，还具有强的鲁棒性，
能够抵抗如噪声、滤波、剪切、JPEG 压缩等常见操作的攻击。然后，利用现有
的打印机直接打印生成带有加密水印信息的证件印刷品，该防伪技术具有制作方
法简单、保密防伪性能强、制作成本低、拒识率和误识率低等特点，具有较好的
实用价值。同时，该防伪方法技术含量高，在不知道随机生成的解密密钥时无法
提取水印信息，达到了防伪的目的。
在认证过程中，检测方利用普通的扫描仪便可以成功地得到证件印刷品的数
字信息，然后用已得到的解密密钥通过盲水印提取方法将指纹水印信息提取出来，
解密后处理以后与现场采集的指纹图像进行比对，从数字水印和指纹识别技术相
结合的角度，利用数字水印的隐藏性和指纹识别的唯一性实现了对用户身份的双
重认证。最后通过 MATLAB 实现该系统的软件仿真。
§1.3.3 本文结构
本文针对数字产品的安全性问题，提出了一种将具有生物唯一特性的指纹水
印嵌入到证件图像中，既可以保护图像又可以用于鉴别证件真假。首先，分析了
指纹识别技术和数字水印技术的应用现状和发展趋势，阐述了数字水印技术的兴
起和必然，对指纹识别技术进行研究，在得到指纹水印的基础上，分析研究数字
水印技术的基本原理和特点，以及国内外实现水印技术的典型算法。然后，结合
加密技术，细致研究将水印信息安全地隐藏在身份证件的数字图像中。通过
MATLAB7.0 大量实验仿真，由此建立一套完整的用于实现基于指纹水印的身份
证件的防伪认证系统。
第一章：介绍本课题的研究背景，以及指纹识别技术和数字水印技术在国内
外的研究现状和发展趋势。
第二章：分析了指纹识别技术的基本原理及指纹识别系统的基本流程。
第三章：描述了数字水印技术的基本原理和特征，介绍并仿真实现了数字水
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印的各种算法，包括 LSB、DCT、DWT、JPEG 算法，并且比较研究各算法的性
能。
第四章：分析研究了加密技术的基本原理和加密算法，着重研究了全息加密
技术，并结合该加密技术对前面两章研究得到的指纹水印图像进行加密，实现全
息加密水印的嵌入和提取，以及进一步的性能分析。
第五章：系统研究指纹水印图像的证件印刷防伪系统的实现，包括指纹水印
标识源图像的生成、加密水印信息、嵌入到证件图像中、打印扫描、提取水印信
息，解密水印以及与现场采集图像的匹配等工作。并且用 MATLAB 软件实现了
整个加密、嵌入、提取和匹配流程。
第六章：总结本文工作，提出不足，展望未来方向。
基于数字水印的证件防伪技术研究
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第二章 指纹识别技术
§2.1 指纹识别概述
基于生物特征的身份认证方式可以克服传统身份认证方式的许多缺点，每个
人都具有多种生物特征，生物识别技术是利用人体生物特征进行身份认证的一种
技术。基于每一种认证方式的生物特征是唯一的，可以测量或可自动识别和验证
的生理特性或行为方式，分为生理特征和行为特征。生物识别系统对生物特征进
行取样，提取其唯一的特征并且转换成数字代码，并进一步将这些代码组成特征
模板，人们同识别系统交互进行身份认证时，识别系统获取其特征并与数据库中
或单一的特征模板进行比对，以确定是否匹配，从而接受或拒绝该人。
指纹识别技术通过分析指纹的全局特征和局部特征，特征点如脊、谷、端点、
分叉点，从指纹中抽取特征值。平均每个指纹都有几个独一无二可测量的特征点，
每个特征点都有大约七个特征，十个手指产生最少 4900 个独立可测量的特征，这
说明指纹识别是一个足够可靠的鉴别方式[5]。
指纹识别优点主要有指纹具有独一无二性，并且其复杂度足以提供用于鉴别
的足够特征；扫描指纹的速度快，使用方便；指纹采集方便、可靠；指纹采集器
小巧，并且价格低廉。缺点是某些人或群体的指纹由于一些原因，特征很少，因
而很难成像。
由上所述，相对于其它身份识别技术，自动指纹识别技术是一种更为理想、
更加成熟的身份确认技术[6]，主要是因为：
（1）便于获取指纹样本，易于开发识别系统，实用性强。识别系统中完成指
纹采样功能的硬件部分较易实现。
（2）一个人的十个手指指纹皆不相同，可以方便地利用多个指纹构成多重口
令，提高系统的安全性，而且不会增加系统的设计负担。
（3）指纹识别中使用的模板并非最初的指纹图像，而是由指纹图像中提取的
关键特征，系统模板库的存储量较小。另外，对输入的指纹图提取关键特征后，
可以大大减少网络传输的负担，便于实现异地确认，支持计算机的网络功能。
§2.2 指纹图像预处理
指纹识别技术是指使用取像设备读取指纹图像，通过识别软件提取出指纹图
像中的特征数据，然后根据匹配算法得到的结果鉴别指纹所有人身份的生物特征
识别技术。指纹识别系统主要分为指纹图像采集、指纹图像预处理、特征提取和
特征匹配等过程，其结构如图 2.1 所示。首先，通过指纹采集设备读取到指纹图
像，对图像进行预处理，以消除噪声。接着，根据预处理后的图像提取出指纹图
像的特征数据，最后进行指纹识别，由计算机对预存的模板与当前输入的特征数
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1研究背景及意义现在的防伪系统可以采用密码认证技术，但是传统的加密方式对信息的保护有一定的局限性，不能够完全保证信息的安全性。一旦密码被破解，信息就可以被任意非法复制、篡改，并且在法庭上很难取证。在这种情况下，信息隐藏学产生了，信息隐藏学的研究涉及密码学、图像处理、模式识别、数学和计算机科学等领域。信息隐藏技术是近几年新兴的研究方向，信息隐藏技术的出现弥补了密码技术的一些缺陷：密码技术仅仅隐藏了信息的内容，而信息隐藏技术不但隐藏了信息的内容而且隐藏了信息的存在[1]。数字水印（DigitalWatermarking）技术最早是在1994年的国际图像处理会议上由Sch...

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