CN1421814A

CN1421814A - 一种数字防伪方法

Info

Publication number: CN1421814A
Application number: CN01132372.8A
Authority: CN
Inventors: 温天
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2003-06-04
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: AU2002365455A1; CN1209730C; WO2003046806A1; US20050036651A1

Abstract

本发明是一种基于数字水印的数字防伪技术，属于图像处理与信息安全领域。利用数字水印技术，本发明可和现有证件、手写签名、***以及条形码技术相结合，将数字签名融合到数字或纸质文件中，以保护和防止重要文件、商业合同、商标和个人证件被伪造，是一种新型的数字防伪实现方案。

Description

一种数字防伪方法

本发明是一种基于数字水印的数字防伪技术，属于图像处理及信息安全领域。

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***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。

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，其适用场合也不一致。但目前的水印技术在水印的嵌入容量、理论模型的构造以及鲁棒性方面还有很多工作有待进一步完善。可对比的技术文献有以下五篇：[1]J.M.Acken，How watermarking adds value to digital content，Communicationsof the ACM，Vol.41，No.7，pp.74-77，1998.[2]F.A.P.Petitcolas，R.J.Anderson and M.G.Kuhn，Information hiding-a survey，Proc.of the IEEE，special issue on protection of multimedia content，May 1999.[3]N.F.Johnson and S.Jajodia，Exploring steganography：seeing the unseen，IEEEComputer，Vol.31，No.2，pp.26-34，February 1998.[4]R.J.Aderson and F.A.P.Petitcolas，On the limits of steganography，IEEE Journalon special areas in communications，Vol.16，No.4，pp.463-478，May，1998.[5]Joseph J.K.O′Ruanaidh and Gabriella Csurka，A Bayesian approach to spread

spectrum watermark detection and secure copyright protection for digital image

libraries，IEEE Conf.on Computer Vision and Pattern Recognition(CVPR′99)，

Fort Collins，Colorado，USA，June 23-25，1999.

本发明给出一种新的采用数字水印技术的数字防伪和验证方法。本发明可以有效解决证件、商业文书、合同以及任何法律文件的防伪问题。本方法的基本思想是提取原始文件的数字签名信息(即Hash值)，然后将其作为数字水印嵌入到原来的文件之中。这样处理后的文件与嵌入的水印合为一体。经过这样处理的文件是自包容的，即文件本身包含制作者的签名信息，从而大大提高了文件的防伪性能。其次，本方法可以同时适用于数字文件和纸质文件。普通的纸质文件经过本算法的数字标识后，可以完全有***和手写签字的法律效果，即使经过打印、复制和传真仍然不可伪造。本方法的直接应用场合是数字***、数字商标和数字证件等领域。本发明的技术要点在于：1：基于块DCT的数字图像水印算法

数字水印(Digital Watermarking)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等作用。通用的数字水印算法包含两个基本方面：水印的嵌入和水印的提取或检测。嵌入算法、检测算法和示例见图1～3。

本发明给出的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K_B＝8。嵌入的处理过程是先对图像进行K_B×K_B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＝{c_k，k＝1，2，...，K}。若将水印{w_k}嵌入到特征向量{c_k}中，新的特征向量

\tilde{C} = {{\tilde{c}}_{k}} &Element; F^{K}

由下式得到：

{\tilde{c}}_{k} = c_{k} + a_{k} W_{k,} k = 1,2, . . ., K - - - (1)

其中尺度因子{a_k}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{c_k}并得到新的变换域矩阵

然后重构图像B_b。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。

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＝{b_ij}∈F^M×N和水印W＝{w_k}，我们得到特征向量

\tilde{C} = {{\tilde{c}}_{k}} &Element; \tilde{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 = \underset{k}{Σ} {\tilde{c}}_{k} W_{k} - - - (2)

如果把代表图像的特征向量看成观测噪声，水印W＝{w_k}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 = \underset{k}{Σ} W_{k} \cdot sgn ({\tilde{c}}_{k}) - - - (3)

对每一个K_B×K_B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 = \underset{k}{Σ} sgn ({\tilde{c}}_{k}) W_{k} = \underset{k}{Σ} sgn (c_{k}) W_{k} \leq 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 = \underset{k}{Σ} sgn ({\tilde{c}}_{k}) W_{k} = \underset{k}{Σ} W_{k} \cdot sgn (c_{k} + a_{k} w_{k}) - - - (5)

注意到

那么(5)可以分解为：

Z = \underset{k}{Σ} sgn ({\tilde{c}}_{k}) w_{k} = \underset{k}{Σ} w_{k} \cdot sgn (c_{k} + a_{k} w_{k})

= \underset{kl}{Σ} sgn (c_{i}) w_{i} + \underset{kh}{Σ} sgn (w_{i}) \cdot w_{i} - - - (7)

\leq δ + \underset{kh}{Σ} | w_{kh} |

其中k＝kl+kh。

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 = \underset{kh}{Σ} | w_{kh} |

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。2：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***，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。

设原始图像A为二值图像(0为黑色，255为白色)，水印信息为长度N的二值序列W＝{w_j，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***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。数字水印的嵌入算法为：

(1)初始化水印参数K(块尺寸)、Q(图像质量系数)以及图像尺寸；

(2)从上到下依次扫描图像；计算标量

S_{i, j}^{K} = \underset{k}{Σ} \underset{k}{Σ} a_{i + k, j + kk = 1,2, . . . K, - - - (9)}

(3)当S_i，j ^K值大于128K²/Q时，每一个块嵌入1比特的信息：

a_i+k，j+k＝0 if w_j＝0

a_i+k，j+k＝128 if w_j＝1 (10)其中k＝1，2，...，K，j＝1，2，...，N

水印的检测算法是一个简单的逆过程。对每一个K_B×K_B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。因此如果有N个图像块，那末该图像则可嵌入并检测N比特的信息。3：数字签名

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***。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。加解密过程可简单地描述如下：设原文件记为P，加密后的文件记为C；加密算法记为E，则E(P)＝C即P经过加密后变成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，其流程图如图4所示。即E_k(p)＝C，D_k(C)＝P，D_k(E_k(P))＝P。

上面的算法中加、解密所用的Key是相同的，这类算法被称为对称性算法，另一类算法则相反，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(PublicKey)。如图5所示，即E_k1(P)＝C，D_k2(C)＝P，D_k2(E_k1(P))＝P

在上面的基础上，我们给出数字标识***的文件验证方法：首先对文件采用Hash函数作用，将原文件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E_k1(H)＝S，kl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D_k2(S)＝Hash(P)，我们便认为S就是A签字。原理图见图6。4：数字防伪的实现方法

数字防伪方法实际上主要由两部分构成，第一部分是防伪文件的制作端，其过程如下所示：(图7)

(1)将原始文件的内容通过Hash函数得到相应的Hash值(也成为文件的数字摘要)；

(2)对Hash值通过公钥加密算法，得到原始文件的数字签名；

(3)将数字签名作为水印信息嵌入到原始文件中，得到包含水印的文件；

(4)发布包含数字签名水印的文件及制作者的公钥；第二部分为文件的验证端。其过程如下所示：(图8)

(1)包含水印的文件内容通过Hash函数得到文件内容的Hash值Hash#1；

(2)做水印检测，从包含水印的文件中提取水印信息(即数字签名)；

(3)利用文件所有者发布的公开密钥对签名信息做解密，得到另外一个Hash值Hash#2；

(4)比较两个Hash值，如果一致，则可断言该文件是真实的，否则是伪造的；

本发明与现有的防伪技术相比有以下优点：

本发明在数字水印技术基础上，利用数字签名的不可伪造性来保证防伪技术的安全性。数字签名用来保证信息传输过程中信息的完整和提供信息发送者的身份确认。在电子商务中安全、方便地实现在线支付，而数据传输的安全性、完整性，身份验证机制以及交易的不可抵赖措施等大多通过安全性认证手段加以解决，电子签名可以进一步方便企业和消费者在网上做生意，使企业和消费者双方获利。例如，商业用户无需在纸上签字或为信函往来而等待，足不出户就能够通过网络获得抵押贷款、购买保险或者与房屋建筑商签定契约等；企业之间也能通过网上磋商达成有法律效力的协议。但是目前的数字签名技术只能应用于电子文件，对普通文件则无能为力。事实上在目前电子商务还不普及的情况下，大多数的正规文档和协议仍然需要物理性质的手写签名和盖章。这使得数字签名的应用收到了极大的限制。本发明利用数字水印技术将数字签名无缝地融合到数字或纸质文件中，并且能够抵抗一般的图像失真。由于本发明给出的数字水印算法具有很高的鲁棒性，包含水印的文件经过普通打印、复印和扫描后，我们仍然可以有效地提取出文件的水印信息，从而可以得到原始签名，使打印和传真的文件同样具有法律效力。本发明极大地提高了正规文件、证件、商标和商业合同的防伪功能，是一种新型的数字防伪方法。更为安全的是，本发明可以完美地和现有的手写签名和***相结合，将数字签名通过水印完美的嵌入到手写签名和***图像中，使得珍贵文件或证件同时具有手写签字和数字签字的双重保险作用。

附图说明：

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***的实现原理图

图11是数字***示例

图12是数字防伪***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

实施例：

一、数字证件防伪的实现方法。本方法可以利用数字水印进行身份证、结婚证、毕业证等各种证件防伪。首先将证件中的有效信息，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(也可以是一些其它重要信息)通过Hash函数得到信息的相应Hash值，用发证机关的私有密钥对Hash值加密做数字签名，然后将签名信息通过水印算法嵌入到证件的头像中。每一份发布的证件均包含带水印签名的头像。如图9所示。这样对一个欲要求验证真伪的证件，可以通过水印中的签名信息验证其头像是否包含与之相符的数字签名，从而达到防伪目的。如身份证的制造过程是通过扫描照片和制作签名、将签名嵌入到照片中，然后将包含数字签名的电子图像输入制证机，打印和塑封。那么制作出来的身份证则包含一个暗藏的数字水印(也就是证件的数字签名)。更具体的讲就是在照片上对某些不为人注意的部分进行改动。处理后的照片用肉眼看几乎不影响人的视觉***。但是通过扫描后则可以提取照片中的水印信息，然后可以利用发证机关的公开密钥验证数字签名来判定证件的真伪。

二、数字***和数字手写签名的实现方法。***和手写签名的防伪是非常重要的，它们是所有正规文件、证件、合同的有效法律证据。但是***和手写签名也都面临伪造问题。我国的政府文件、公司合同等均是用***来作为有效标识，而***也是最容易伪造的，因此如何有效消除***伪造现象是一个亟待解决的问题。目前的很多***防伪***都是从***的制作过程着手，其防伪功能实现的前提是一般的伪造者不具备***的制作工具和工艺。但这种防伪***实际上是非常脆弱的。本发明利用数字水印技术，将文件的数字签名嵌入到文件的***和手写签名之中，使得文件同时具备数字签名和***(或手写签名)的双重防伪效果，从原理上，它是无法伪造的。数字***的加盖流程如图10所示。首先提取原始文本的数字签名，然后将签名作为数字水印嵌入到***图案之中(处理前后的***图案见图11)，并加盖到原始文本上，从而得到具有数字签名***的文本。***的鉴别过程也很简单。只需要将要鉴别的文本放入普通扫描仪或摄像头下读入文本的扫描图像，通过识别出文本的文字内容和***图案，按照图12的流程对照计算出的两个Hash值是否一致。因此经过水印处理的文本打印，复印和传真后同样具有原件的效果。

数字手写签名的原理与数字***基本类似。所不同的是文件签署人在手写输入板上签名，输入的签名自动在计算机中进行水印处理，然后输出到文件上。其流程图见图13。得到的包含水印的签名我们可称之为“签名中的签名”(图14)。它的防伪性能事实上要好于数字***的防伪。签名的检测方法与数字***方法类似。

三、数字商标防伪的实现方法。一个很自然的推广是将本发明应用到商标防伪中，即成为数字商标防伪方法。其原理与前面的数字***完全一样。首先将每个产品的序列号制作数字签名，然后将签名作为水印嵌入到商标中(图15)。商标的真伪判定则相对简单。将商标图案通过扫描仪或摄像头扫描到计算机中，利用水印检测算法提取水印，然后通过该产品制造商发布的公开密钥验证商标数字签名的真伪。数字商标能够防伪是基于两个前提：(1)任何人无法制作该商标，即只有生产厂商自己可以制作产品商标，数字签名技术保证了这一点；(2)伪造者只能通过复制已经制造的商标来伪造商品。对于大规模地伪造，在每个产品的数字签名均不同的情况下，实际上是非常不经济和困难的。

四、数字条形码签名方法。还可以直接将文件、证件或商品的序列号做成条形码，而序列号的签名可以直接嵌入到条形码中，从而构成数字条形码签名的实现方法。这样可以非常方便地将现有条形码技术和本发明的数字防伪有效地结合起来，如图16所示。

Claims

1.一种基于数字水印技术的数字防伪方法，其特征在于通过数字水印技术，将文件的数字签名嵌入到文件中，从而能够实现各种重要文件、商业合同、个人证件、商标以及条形码的防伪和验证功能。

2.根据权利要求1所述的一种数字防伪方法，其特征在于将图像做块DCT变换，将多比特信息通过加性水印嵌入模型

{\tilde{C}}_{k} = C_{k} + α_{k} W_{k}

嵌入到图像中，其中C＝{c_k，k＝1，2，...，K}为图像的特征向量，为新的特征向量，{α_k}是控制水印嵌入强度或能量的常数向量。水印的检测过程在图像DCT系数满足Laplacian分布的假设下给出符号相关检测算法

z = \underset{k}{Σ} w_{k} \cdot sgn ({\tilde{c}}_{k}),

并且根据Nayman-Pearson准则做假设检验，从而得到水印信息。

3.根据权利要求1所述的一种数字防伪方法，其特征在于对二值图像，提出一种非常鲁棒的水印嵌入和检测算法。根据K(块尺寸)、Q(图像质量系数)以及图像尺寸，直接将信息嵌入到图像的空域中。其算法是：从上到下依次扫描图像，根据图像内容将其分成N个图像块，计算标量

S_{i, j}^{k} = \underset{k}{Σ} \underset{k}{Σ} a_{i + k, j + k .}

根据S_i，j ^K值的大小确定是否嵌入水印信息。当水印信息为1时，设置a_i+k，j+k＝128；为0时，设置a_i+k，j+k＝128。水印的检测过程为简单的逆过程。

4.根据权利要求1所述的一种数字防伪方法，其特征在于将原始文件的内容通过Hash函数得到相应的Hash值；对Hash值通过公钥加密算法，得到原始文件的数字签名；再将数字签名作为水印信息嵌入到原始文件中，得到包含数字签名的防伪文件。该文件可以通过验证数字签名判定是否为是伪造。判定过程是首先得到欲判定文件内容的Hash值Hash#1，再提取水印信息中的数字签名信息，从而得到原始的Hash值Hash#2，如果两个值不一样，则文件为伪造的。

5.根据权利要求1所述的一种数字防伪方法，其特征在于通过数字水印和数字签名算法，可以实现有效证件的数字防伪。即从证件中的有效信息(如证件持有人姓名、正件号码、发证日期、证件有效期、发证机关等，也可以是一些其它重要信息)得到内容的数字签名，然后将签名信息通过权利要求2所述的水印算法嵌入到证件的头像中，使得每一份发布的证件均包含带水印签名的头像。证件的真伪鉴别可以通过提取水印中的数字签名信息来完成。

6.根据权利要求1所述的一种数字防伪方法，其特征在于通过数字水印和数字签名算法，可以实现普通***和手写签名的数字防伪功能。即将文件的数字签名通过水印算法嵌入到文件的***和手写签名之中，使得文件同时具备数字签名和***(或手写签名)的双重防伪效果，使得文件即使通过打印、复制、传真之后仍然具有原件的法律效果。

7.根据权利要求1所述的一种数字防伪方法，其特征在于通过数字水印和数字签名算法，可以实现商标的数字防伪。即将每个产品的序列号或其它有效信息制作数字签名，然后将签名作为水印嵌入到商标中。在验证过程中，通过普通扫描仪或摄像头得到商标图案，然后提取水印信息中的数字签名，并验证其真伪。

8.根据权利要求1所述的一种数字防伪方法，其特征在于通过数字水印和数字签名算法，可以实现普通条形码的数字防伪功能，即直接将文件、证件或商品的序列号做成条形码，而序列号的数字签名则作为数字水印直接嵌入到条形码中，既不影响条形码的功能，又具备防伪效果。