基于二维码图像的数字水印算法的研究

◆毛新光

基于二维码图像的数字水印算法的研究

◆毛新光

（闽江学院现代教育技术中心 福建 350108）

随着互联网技术的快速发展，线上和线下产品的版权保护越来越受到人们的重视。本文首先探讨了二维码在产品版权保护应用中的弊端，然后提出了在二维码中引入密钥的数字水印技术，起到对产品版权的保护作用。该算法在二维码中引入了加了密钥的数字水印技术，在保证水印不可见性的基础上，提高了水印的鲁棒性。实验表明，该方法对二维码图像受到常见的攻击时，具有较好的抵抗效果。

二维码；版权保护；DCT变换；水印

1 引言

随着互联网技术的快速发展，二维码技术已经深入到我们生活的方方面面。二维码不仅可以关联我们的身份信息，而且还可以关联生活中的产品信息。而二维码的生成器在互联网上可任意下载使用，用户可将任意信息制作成二维码[1]。二维码相关的数字产品信息被非法复制、传播和使用所带来的版权问题，严重损害了著作权人、网络运营商等相关权利人的合法权益[2]。因此，将可以证明我们身份和产品的数字水印信息隐藏到二维码中，通过这些隐藏的信息，可以判断载体是否被篡改，起到保护我们个人的信息和产品的版权的目的。本文算法的版权的保护机制主要体现在二维码图像中引入含有密钥的水印的嵌入，从而起到保护产品版权的作用，而要验证产品的版权是否被侵权时，可以查验在二维码中是否可以提取出包含产品版权相关的信息，而提取水印的时候，需要正确的密钥水印才能提取水印信息，起到保护版权的作用。

2 相关技术

2.1 二维码原理

二维码（2-Dimensiional Barcode）是用某种特定的几何图形按一定规律在二维的平面上分布的黑白相间的图形来记录数据符号信息的；在代码编制上利用计算机内部的“0”和“1”的二进制数列相对应的几何形体来表示文字数值信息。每种码制有特定的字符集，每个字符都占有一定的宽度，具有一定的校验功能。二维码能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，因此一个很小面积的图形隐含了大量的信息。

二维码是由多个正方形模块构成特殊的排列规则，组成的一个正方形阵列[1]。它由编码区域、探测模块、定位图形和校正图像在内的四大功能模块组成[3]。功能图像不能用于数据编码，符号四周为空白包围。图1为二维码的结构图。

图1 二维码的结构图

2.2 二维DCT变换

数字水印的基本思想就是在要保护的数字产品中嵌入水印信息，可以是一段视频、一段音频、一串数字或者是一幅图片等。而嵌入后的数字产品能够较好保护数字产品的版权和个人的身份信息。

得到变换后的图像经过反变换IDCT，得到原来变换的图像，二维IDCT的定义如下：

其中i，kϵ{0，1，2，…，M-1}，I ϵ{0，1，2，…，N-1}，并且

本文采用的是将要嵌入水印的宿主图片，先进行8*8的分块，然后对分块后的图像进行DCT的变换，上面的DCT的公式进行8*8的分块DCT变换的定义如下：

得到变换后的图像经过反变换IDCT，得到原来变换的图像，二维IDCT的定义如下：

其中，i，j，k，I ϵ{0，1，2，…，7}，并且：

2.3 归一化相关系数NC

对嵌入到宿主图像的水印图像，在含水印的图像受到白噪声、高斯低通滤波、剪切旋转等进行攻击后，提取水印的评判除了用肉眼进行直观的观察的方法外，我们还可以更准确地用科学的数据来进行评估，通常采用的是归一化的相关系数NC[5]来对提取的水印图片进行度量，来评价该算法的好坏。通常是用嵌入后的宿主图像提取水印图像和原水印图像之间的相关度量来确定二者之间的匹配程度，度量值大小反映了二者之间的相似程度，度量值NC的值越大，则表示水印嵌入的图像和水印的原图之间越相似。度量值的计算形式如下：

其中，T（m，n）为模板图像倒数第n行，第m个像素值；S（i，j）为模板覆盖下的部分，称为搜索子图，i、j是搜索子图的左下角像点在参考图S中的坐标。

3 水印的置入与提取

3.1 水印的置入

用DCT对宿主图形进行水印嵌入时，首先是对宿主图像进行8*8的分块；然后对分块后的图像进行DCT运算，选取出要嵌入的DCT系数，并且对未嵌入水印的图像用HVS模型进行分析，得到感知系数的屏蔽模板，用其来控制水印嵌入的强度，再将编码后的水印信号，用一定的方式嵌入到选定好的系数中，用嵌入水印的系数替代原来位置的系数；最后对嵌入系数后的图像矩阵，进行逆DCT变换，得到了含有水印的图像[6]。

嵌入水印的算法为：

（2）产生两个不相关的伪随机序列，并设定一个密钥key。

（5）用得到的新的DCT系数对原来位置的DCT系数进行置换。

（6）对新的DCT系数矩阵进行DCT逆变换，得到了嵌入水印信号的图像。

水印嵌入过程的流程图如图1所示。

图2 水印嵌入流程图

3.2 水印提取

DCT域水印的提取过程就是将处理过或受到过恶意攻击的待检测的图像进行DCT运算，然后按嵌入水印时选取的DCT系数，选取其含有水印的系数，进行水印的提取，然后利用相关检测法判断水印是否存在。如果水印检测器输出结果显示水印存在，则根据需要可以用水印解码器对提取的水印进行解码，恢复水印。

水印检测提取算法为：

（1）对含有水印图像进行8*8的块DCT变换。

（3）用密钥生成水印信号W-N（0，1）。

（4）然后利用密钥和水印检测器解码出宿主图像的水印。

其水印检测的流程过程如图3所示。

图3 水印提取流程图

4 实验与结论

对二维码宿主图像进行水印图像的嵌入，来验证其二维码的安全性、不可见性、鲁棒性。本实验采用Matlab2015b进行验证，宿主图像选择的是395*395的二维码图像，40*40的二值图像作为水印图像。参数设置alpha=10，进行水印的水印置入和提取，如图4所示。

图4 原二维码图像、水印置入之后的二维码图像

嵌入图像受到噪声攻击时的图像和提起出的图像如图5所示。

图5 受到白噪声攻击时的二维码水印图像、提取的水印图像

嵌入图像受到高斯低通滤波攻击时的图像和提起出的图像如图6所示。

图6 受到高斯低通滤波攻击时的二维码水印图像、提取的水印图像

嵌入图像受到剪切攻击时的图像和提起出的图像如图7所示。

图7 受到剪切攻击时的二维码水印图像、提取的水印图像

嵌入图像受到旋转攻击时的图像和提起出的图像如图8所示。

图8 受到旋转攻击时的二维码水印图像、提取的水印图像

嵌入图像没有受到攻击时的图像和提起出的图像如图9。

图9 没有受到攻击时的二维码水印图像、提取的水印图像

通过以上的实验结果，可以看出当水印图像没有受到攻击时，NC=0.82563；当受到白噪声攻击时，NC=0.81246；当受到高斯低通滤波攻击时，NC=0.76274；当受到剪切攻击时，NC=0.71512；当受到旋转攻击时，NC=0.6436。从实验数据可以看出，当含水印的二维码图像在没有受到攻击或者受到加噪声、高斯低通滤波、剪切攻击时，该算法在提取水印时效果较好，但对旋转攻击时的水印提取的效果不好，但依然可以判断该水印信息是存在的。

5 结束语

二维码由于其本身包含的信息量大、容错能力强等优点，已被广泛应用到生活的方方面面。产品的防伪、溯源等应用领域，除了可增加LOGO外，还需要加入不易被发现的水印，以保护二维码的所属权或防止被假冒。二维码置入水印需要解决两个问题：置入水印的二维码不影响正常使用、需要有效加解密水印。也就是对一般二维码识别时，感觉不到水印的存在，而对专用的加解密水印软件是可以读取水印信息的[7]。本文对二维码在产品的版权保护中存在的问题进行了深入探讨的基础上，提出了在二维码中引入密钥的数字水印技术，起到对产品版权的保护作用。该方法是基于DCT的变换[8-9]的基础上，引入了含有密钥的数字水印技术，在保证水印不可见性的基础上，提高了水印的鲁棒性。经过实验证明，该方法对具有版权作用的二维码图像受到常见的攻击时，具有较好的抵抗效果。

[1]罗超，贾克斌，李周贤.一种基于数字水印和非对称加密技术的QR二维码编译系统[J].计算机工程与应用，2015（51）：364-365.

[2]关虎，张贵煊，张树武，等.基于二维码的鲁棒图像水印技术及应用研究[J].有线电视技术，2018（10）.

[3]何伟，黄丹灵，张玲，等.适用于嵌入系统的QR码识别算法[J].计算机应用，2009，29（3）：774-776.

[4]GUAN H，ZENG Z，LIU J，et al. A Novel Robust Digital Image Watermarking Algorithm based on Two-Level DCT [C].IEEE International Conference on Information Science， Electronics and Electrical Engineering. 2014：1804-1809.

[5]LiuH，XiaoD，ZhangR，etal.Robustandhierarchical watermarkingofencryptedimagesbasedoncompressivesensing[J].SignalProcessingImageCommunication，2016，45（C）：41-51.

[6]基于变换域的数字水印技术的研究 [EB/OL].https://www.docin.com/p-1870716273.html.

[7]李国和，陈晨，吴卫江，等.面向二维码的数字水印置入与提取方法[J].计算机工程与应用，2019，55（10）：103-107.

[8]HU H T，CHANG J R，HSU L Y. Robust blind image watermarking by modulating the mean of partly sign-altered DCT coefficients guided by human visual perception[J]. AEU- International Journal of Electronics and Communications，2016， 70（10）：1374-1381.

[9]DAS C，PANIGRAHI S，SHARMA V K，et al. A novel blind robust image watermarking in DCT domain using inter-block coefficient correlation[J]. AEUE-International Journal of Electronics and Communications，2014，68（3）：244-253.

福建省中青年教师教育科研项目（JAT190616）；闽江学院实验技术人员专项研究项目（MJUS2020D013）