基于数字水印的即开型彩票防伪探究

樊东霞

（中国福利彩票发行管理中心数据部，北京 100101）

0 引言

彩票是指国家为筹集社会公益资金，促进社会公益事业发展而特许发行、依法销售，自然人自愿购买，并按照特定规则获得中奖机会的凭证［1］。目前，市面上主流的彩票品种有即开型、数字型、乐透型、竞猜型、基诺型等多种类型，即开型彩票指由发行机构预先设定游戏名称、面值、奖组、玩法规则和奖级结构等内容，并组织印制发行的即买、即开、即兑型彩票品种［2］。

本文探讨的是即开型彩票的防伪印刷，目前印刷防伪主要通过专用纸张、专用油墨、激光防伪等技术，存在成本过高、工艺繁琐复杂、防伪有效期短等不足。如何在保证效果的前提下，降低防伪成本变成彩票机构需要研究解决的课题。本文提出通过数字水印技术达到防伪目的，水印检测率高、安全性高，能够验证即开票的真伪，防止不法分子伪造，同时水印技术成熟便捷，能够显著降低防伪成本。

1 数字水印技术

1.1 数字水印简介

数字水印技术是一种有效的信息隐藏与安全维护技术，最初是为了在开放的网络环境下表征数字产品产权而设计发明的。数字水印能够在不影响原始数据的价值和使用的情况下，将图像、文字、符号、数字等一切可以作为标记的数字信息与原始数据紧密结合并隐藏其中，原始数据又称为载体，可以是文本、音频、图像、视频等格式。

数字水印需具备以下几个特征：①抗篡改性，数字水印是难以伪造或改变的；②隐蔽性，数字水印的嵌入不影响载体的使用效果；③稳健性，数字水印难以被去除；④标识性，数字水印的容量要足以表达所有者的标识；⑤安全性，水印算法应该是公开的，不通过算法保证数字水印的安全。

数字水印常用的分类有以下几种：①根据数字水印的载体数据，分为图像水印、文本水印、音频水印、网格水印等；②根据数字水印的用途，分为证件防伪、版权标识、篡改提示等；③根据数字水印的应用要求，分为鲁棒性水印和脆弱性水印［3］。鲁棒性水印要求水印经得起变换处理或图像攻击，比如压缩、位移等；脆弱性水印对变更敏感，用于完整性保护。

1.2 数字水印算法

以图像为载体的数字水印算法，根据数字水印的嵌入位置，可分为空间域水印和变换域水印。

1.2.1 空间域算法

指对数字图像在空间域上进行处理的一类算法，这类算法一般处理速度较快，但是水印鲁棒性较差，容易遭受攻击被破坏。常见的空间域算法有最低有效位（LSB）法、拼凑（Patchwork）算法等。

1.2.2 变换域算法

指通过傅里叶变换（DFT）、离散余弦变换（DCT）、小波变换等将图像从空间域转换到相应的频率域，在频率域进行处理后，再反转变换到空间域的一类算法。相对空间域算法，变换域算法更复杂，计算量更大，但鲁棒性更强。

1.3 数字水印在印刷域应用

随着近年来信息处理技术和科技工业的发展，高精度的扫描仪、高质量的打印机等图像处理设备和功能强大的图像处理软件取得长足发展并在市场上广泛应用，给人们生活提供便利的同时，也使得证件、票据等重要文件的篡改伪造变得更加简单。

数字水印防伪技术在印刷业应用指的是将水印隐藏在印刷载体中，人眼不可见，但通过特定的设备或者软件可以识别检测。水印信息需要一直存在于印刷载体中，不能因为地点、时间的变换而产生变换，同时数字水印技术与印刷设备、材料无关，不会增加额外的印刷成本。由于水印是不可见的，嵌入的位置又是随机的，水印信息难以被轻易识别和伪造，提高了该技术的安全系数。

目前，印刷品防伪和版权保护方面的数字水印应用，在市场推广已有一定进展，例如：在传统媒体或票据中隐藏不可见的数字水印，通过网络摄像机扫描，可推送与传统媒体或票据相关的网址，并显示相关属性信息。通过数字水印阻止商标及重要文档的伪造、盗版和篡改。通过数据水印鉴定载体来源、证实载体完整性、判断是否被篡改以及定位篡改的位置。

2 即开型彩票防伪

彩票具备娱乐、公益的属性，尤其即开票主题丰富、画面精美、文化承载能力强，丰富多彩的票面设计能吸引彩民购彩、宣传公益理念，有利于文化的传播。2021年，高频快开游戏全面退市后，即开型彩票抓住时机，乘势而上，市场规模持续扩大，当年即开票销量达540多亿元，创下历年销量新高。

高额的奖等、大规模的市场份额、购彩者无须实名的特点，使得即开票很容易成为不法分子的目标，在此场景下，即开票如何高效并且低成本地防伪变得至关重要。本文设计用哈希算法结合随机数列生成的水印信息，并通过DCT算法嵌入到即开票的印刷图像标识中，通过扫描设备和专门的应用软件检测即开票印刷图像中的数字水印，水印防伪流程如图1所示。

图1 水印防伪流程图

假如不法分子利用彩票扫描后图像再次印刷伪造，一般流程如图2所示。

图2 伪造流程

由图2可以看出，伪造即开票多了一次扫描印刷的过程，由于电子电路的不稳定性会不可避免地产生噪声，所以图像在打印扫描的过程中，几乎都存在一定程度的失真问题，包括明暗差距、影像偏色、几何失真等。通过对比原始水印与扫描提取出的水印信息，根据水印信息的相似程度可以判断即开票真伪。

2.1 数字水印的生成

针对不同游戏不同批次的即开票产品，可由发行机构选择根据游戏编码、即开票票号、批次编号作为水印生成要素，通过哈希算法结合随机数列生成水印信息。

世界上广泛应用的哈希算法包括MD5与SHA系列，哈希算法能够对任意长度的输入信息进行压缩或者填充，输出固定长度的哈希值，输出信息的长度只取决于所使用的哈希算法。随着计算机技术的发展，MD5和SHA1已相继被破解，本文采用更加安全的SHA256哈希算法，该算法的输出是256位的二进制串，可以表示为

为了增强水印的鲁棒性，通过随机数发生器生成两个伪随机实数序列K1，K0：

重新组合生成伪随机数列W：

将W顺序按行转换为16×16的方阵，作为水印信息存储在系统后台。

不同的即开票对应了不同的游戏编码、票号，作为水印的生成要素，利用哈希算法单向、不可逆的特性，保证了数字水印的安全性、标识性和抗篡改性，结合随机数列能够保证数字水印具有随机性，增加了不法分子伪造的难度。

2.2 数字水印的嵌入

数字水印可以选择嵌入到载体的任意位置，比如选择嵌入在即开票面的中国福利彩票标识的徽标图像中。图像在计算机的存储可表示为数学中M行N列的二维矩阵，矩阵中的数值表示图像对应位置上像素的颜色信息，数字图像的处理实质是矩阵的各种数学运算和处理。在常用的图像格式文件中，由于BMP格式是不使用压缩技术处理的位图图像，虽然格式简单，但往往图片过大不利于存储，JPG格式采用有损压缩技术除去冗余信息，可能会导致数据丢失，所以即开票采用可支持无损压缩技术的PNG格式作为即开票画面图像的电子文件格式。PNG格式支持RGB真彩色图像，图像中每一个像素的长度是24位，由R（红）、G（绿）、B（蓝）三原色叠加组成，数据类型是8位无符号整型，所以每一种颜色的取值范围为0x00～0xFF，能够很好地展示彩票的票面设计。RGB真彩色图像用三维矩阵表示，即M×N×3，三个矩阵分别表示对应行列值位置上的像素颜色分量。

基于人类视觉系统（HVS）的研究表明，人眼对蓝色的敏感性最弱，所以选择将水印嵌入到蓝色通道效果最好。作为载体图像的PNG格式大小一般为几十KB到几MB，远大于数字水印的字节长度，利用载体图像的冗余信息足以嵌入数字水印。

在印刷的过程中图像会不可避免地失真，因此需要选择具备强鲁棒性的水印。本文采用DCT算法作为数字水印的嵌入算法，DCT算法是DFT算法的特殊变种，具备计算复杂性相对简单，信息聚集能力和隐蔽性较好的特点，是目前应用最为广泛的变换域算法之一。通过提取载体图像的蓝色分量，将图像从色彩域转换到频率域，经过DCT变换得到的系数矩阵表示一系列频率中每一个频率所对应的变化程度。

对于M×N大小的数字图像，DCT正变换公式为

其中：

DCT逆变换公式为

其中：x，y为空间采样值；u，v为频域采样值。

在图像取样中选择方阵，计算相对简单，即N=M，二维DCT正反变换可以简化为

对载体图像进行DCT变换，对变换后的某些DCT系数进行小幅度的变换，完成水印信息的嵌入。步骤如下：

（1）DCT变换先将图像分解为8×8大小的不重叠子像素块Ti( )i=1,2,…,N8＞16；对每一个子块Ti分别进行DCT变换，对DCT分块变换后的图像频率系数进行Zig-Zag方式扫描排列，共64个DCT系数。

扫描顺序如下：

（2）将对Ti扫描后的DCT系数重新排列成一维向量y={ }y1,y2,…,y64，选择其中的16个中频数据，取出序列中第20到35的中频系数部分，得到Yi={Y1,Y2,…,Y16}。

在DCT系数矩阵中，左上角第一个值为直流系数，其余是交流系数。左上为直流和交流低频系数，中间为交流中频系数，右下为交流高频系数。DCT算法具备可分离性和能量集中的特点，图像的低频分量反映了基本图像，高频分量代表图像细节部分，DCT变换后图像能量集中在图像的低频部分，黄继武等［4］在对DCT直流系数（DC）和交流系数（AC）分量的定性和定量分析的基础上，指出DC分量比AC分量更适合嵌入水印，嵌入DC分量的水印具有更好的稳健性。因此，水印嵌入到低频分量，具备较好的鲁棒性，水印嵌入到高频分量，鲁棒性差但具备更高的不可见性，本文选择将水印嵌入到中频分量，实现鲁棒性与不可见性之间的平衡。

（3）将水印信息W依次顺序按行分解为16组，用Ki表示分解后其中的一组，排成一维向量。

（4）对Ti像素块的Yi序列值进行修改，a表示水印强度系数，取a=0.5。

（5）对修改后的中频系数Y′i通过Zig-Zag逆变换形式重组，再进行DCT逆变换，得到嵌有数字水印的图像子块。

（6）将图像子块重新组合成嵌入数字水印的图像。

2.3 数字水印的提取

水印提取的过程是水印嵌入的逆操作，扫描需要验证的即开票，对扫描得到的图像进行水印提取，并比对后台存储的票号和水印信息，设原始水印信息为W，提取出的水印信息为W′，计算相似度NC（normalized correlation）验证该票真伪，通用的NC计算公式如下：

计算机系统和扫描仪采用RGB彩色空间描述颜色，但是目前印刷业普遍使用的是CMYK颜色空间，由于印刷和扫描过程中图像在不同彩色空间之间的转换可能会引起颜色丢失、亮点失真等，影响水印的质量，因此，可以根据水印信息的相似度判断即开票的真伪。根据经验正品水印的相似度NC都是大于0.7的，该技术简单易操作、速度快、效率高，同时因为数字水印的隐蔽性，肉眼无法察觉，不影响票面美观，适合应用在即开票领域。

3 结语

作为最具灵活性和最易获客的产品类型，即开票将进一步加大研发创新力度和资源投放力度，成为品牌宣传、营销获客、拓展市场的彩票拳头品类。2022年，各级彩票机构通过派奖促销、扩大销售渠道等途径，全年销售规模有望创造新高，如何高效保证即开票的安全是彩票发行机构的必修课。

本文探索即开票的防伪设计，运用数字技术赋能，通过数字水印技术，利用哈希函数的单向性结合随机数列生成水印，选择鲁棒性强的DCT水印算法，增强破解难度，通过比较水印信息的相似度达到安全防伪的目的，相较于传统的防伪技术，不需增加印刷材料或设备，不会改变即开票原有的设计图案，成本低廉、效果更优，为未来的即开票市场发展做好技术保障，有助于即开票的安全健康发展。