CN1444145A - 数字条码水印及防伪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种针对条码的数字水印和防伪技术，属于图像处理与信息安全领域。利用数字水印技术，本发明可将大量信息作为水印嵌入到现有一维和二维条码中，且保持原有条码的可读性和完整性，并通过公开密钥算法在条码中纪录其对应信息的数字签名或加密数据，加密或签名用私钥，解密或验证用公钥，从而实现条码的数字防伪功能。
Description
本发明是一种在条码上嵌入数字水印并实现防伪功能的方法，属于模式识别及信息安全领域。
条码是由一组规则排列的条、空以及对应的字符组成的标记，“条”指对光线反射率较低的部分，“空”指对光线反射率较高的部分，这些条和空组成的数据表达一定的信息，并能够用特定的设备识读。由于条码技术具有输入速度快、准确度高、成本低、可靠性强等优点，因此得到了广泛应用。但随着应用领域的不断扩展，传统的一维条码渐渐表现出了它的局限：首先，使用一维条码，必须通过连接数据库的方式提取信息才能明确条码所表达的信息含意，因此在没有数据库或者不便联网的地方，一维条码的使用就受到限制；其次，一维条码表达的只能为字母和数字，而不能表达汉字和图像，在一些需要应用汉字的场合，一维条码便不能很好的满足要求；另外，在某些场合下，大信息容量的一维条码通常受到标签尺寸的限制，也给产品的包装和印刷带来了不便。二维条码的诞生解决了一维条码不能解决的问题，它能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，不仅能在很小的面积内表达大量的信息，而且能够表达汉字和存储图像。二维条码的出现拓展了条码的应用领域，因此被许多不同的行业所采用。但是二维条码的容量仍然有限，不能完全满足很多需要大信息量的应用场合。而且二维条码的录入、扫描和识别、解码装置与一维条码完全不兼容，因此如果客户从使用一维条码转为二维条码，则需要大量额外的软硬件投资。
数字水印是向宿主数据(如图像、声音、视频信号等)中添加某些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。数字水印在版权保护、秘密信息的传递、电子商务中的数据检测、网络验证以及数据防伪以及数据认证等方面有重要用途。
可对比的技术文献有以下四篇：[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，IEEE Computer，Vol.31，No.2，pp.26-34，February 1998.[4]B.Schneier，Applied Cryptography：Protocols，Algorthms，and Source Code inC，John Wiley & Sons，Inc.，ISBN：0471128457，1996.
本发明给出在条码上嵌入数字水印并能完成数字防伪的方法。其基本思想是在一维条码或二维条码中嵌入水印信息，并通过条码信息，利用公开密钥算法(如数字加密、数字签名等)实现条码的数字防伪功能。本发明对一维条码而言，大大提高了一维条码的信息量(相当于二维条码)而又不损害原有一维条码的完整性和实用性。因此对包含水印的一维条码，本方法完全兼容原有的一维条码印制和扫描***。对二维条码而言，则可以进一步增加条码的信息量。本方法极大扩展了条码的应用领域，使得在条码中可以利用公开密钥、数字签名或其它加密算法有效实现条码的数字防伪功能。本条码水印方法是一种极为鲁棒的信息嵌入方案。包含水印的条码完全可以使用普通打印机或其他标准印刷设备印制，而且条码经过复制、传真后，水印信息仍然可以通过扫描仪、摄像头以及其它通用扫描设备被完整提取出来。
本发明的技术要点在于：
一.条码水印算法
数字水印(Digital Watermarking)是向多媒体数据中添加某些数字信息，一方面这些水印信息可起到保护原始数据的知识版权，表示原文件的所有权等；另一方面水印信息还可以完成文件的真伪识别，完整性校验等功能，因此水印也可以广泛应用于证件、合同、普通文件以及电子商务的数据防伪上。
数字条码水印算法主要由如下四个基本部分构成：
1.一维和二维条码的编码与解码算法。当前有很多种不同的码制标准。常用的一维条码码制包括：EAN、UPC、128等；二维条码码制码包括：PDF417、Code49、Code one、Aztec等。通常一个完整的一维条码其组成次序依次为：静区(前)、起始符、数据符、(中间分割符，主要用于EAN码)、(校验符)、终止符、静区(后)。二维条码则可以是堆砌式(由多行短截的一维条码堆叠而成)和矩阵式(在矩阵相应元素位置上用点(或块)的出现表示二进制“1”，空的出现表示二进制“0”，由点的排列组合确定了代码表示的含义)。任何一个标准条码码制的编、解码算法都可以集成到数字条码水印算法中。
2.图像预处理部分(见图1)。首先由扫描仪、摄像头或其它录入设备读入条码图像；然后根据读入的信息，计算条码位置、旋转角度以及几何变换参数；第三，根据上一步骤得到的变换参数校正图像的失真，然后对条码图像做进一步处理(如滤波、边缘检测等)以提高图像和水印的可处理性；最后恢复原始的条码图像。
3.水印数据的嵌入部分(见图2)。嵌入部分是将水印信息添加到条码中。嵌入部分的实施步骤是：(1)输入的条码数据经过条码编码***得到条码图像；(2)将条码图像作为原始图像，进行水印嵌入操作。水印的嵌入模块首先根据图像中条码元素(光线反射率较低的部分，如黑色“条”)的颜色和形状找到它们的位置，然后将条码元素划分成小块。块形状可以是方块、圆点或其它特征图形，每个块中象素点的多少视具体应用而定，象素点越少，块的数量就越多，可嵌入的信息也越多，但是信息提取也越困难。每个块可根据不同的需要嵌入一个或多个比特的信息(块的图像灰度级越高比特数也越大，如若块图像只有一个灰度级，那末每一个块则只能嵌入一个比特的信息)。由于背景通常是白的，且人眼对图像低频部分(如白色背景)非常敏感，因而对图像的背景部分(即光线反射率较高的部分，如白色“空”)保留不做更改。若以每个块只嵌入一个比特为例，嵌入的方法为，如果嵌入水印信息为“1”，那么对应块的象素值被更改为预定义颜色值；若嵌入信息为“0”，则该块保持原来的颜色值，不做更改。对每个块而言，预定义颜色值的大小决定了水印信息的可见程度(预定义值越接近条码元素色，水印越难觉察，相应地水印提取也越困难)，预定义颜色值的多少(即块图像灰度级)则决定嵌入水印的信息量(多个预定义颜色值可嵌入多个比特信息)。显然一个条码图像中的水印信息量决定于条码码制、条码数据、条码大小、块尺寸大小以及预定义颜色值的多少等因素。
4.水印信息的提取部分。水印的提取是从条码图像中恢复水印信息，基本上是嵌入部分的逆过程(见图3)。水印提取算法可以有两种选择，一种是用条码解码算法首先恢复条码数据(即恢复原始的条码图像)(见步骤一)，然后再提取水印，这是私有的水印提取算法(即在检测水印时有原始图像作为参考图像，可以大大提高检测算法的鲁棒性)，另外一种是直接从条码水印图像中提取水印，则属于公有的水印提取算法(无需原始图像做参考，解码速度块，但鲁棒性差)。具体采用何种提取算法视实际情况而定。
最后为提高水印算法的鲁棒性，本发明采用如下几项措施：首先对输入的含水印条码图像进行图像预处理，降低打印机、扫描仪或摄像头录入图像带来的图像失真对水印检测的负作用(见步骤二)；其次水印信息中包含纠错编码(如BCH或RS码)和校验码(如32位CRC码)，可以保证条码水印在受到污损的情况下，仍能可靠和完整地提取水印信息。
二.条码水印的防伪方法
在条码水印的基础上，本发明可实现条码的数字防伪功能。对使用条码并需要防伪的场合，利用公开密钥算法(如RSA或椭圆算法)对条码所对应的信息进行数字加密或数字签名，加密密钥为加密方的私钥。私钥为加密方所有，且私钥仅用来制作信息的数字签名(如在商标中对商品信息做数字签名)。然后将加密数据或数字签名作为水印信息嵌入到一维水印条码(指包含水印的一维条码)、二维条码或二维水印条码中。如果信息载荷量容许，水印还可以包含加密算法的公钥。公钥是公开发布的，且公钥只能用来作信息验证，而不能做信息加密用。因此任何一个条码接受端(或验证端)均可利用加密方发布的公钥(从数据验证中心、通过网络或其他渠道得到)或者条码信息所包含的公钥对条码数据进行解密，然后做信息的真伪验证，从而实现条码的数字防伪功能。这里我们强调的是，条码信息的真伪验证并不需要条码验证端与条码发行端(或其它验证数据中心等)之间的网络或其它直接联系，只要验证方有条码制作端的公钥，就可以通过公开算法(如PGP，PKCS算法等)对任何一个条码信息做验证。换句话讲条码所包含的信息已经能够对信息做自我校验。
三.本发明与现有技术相比有以下优点：
本发明在条码技术的基础上，利用数字水印技术将水印信息嵌入到条码图像中。条码中包含水印，一方面不影响条码的可读性和完整性，保证原有条码的印制和录入***可以正常工作，另一方面由于条码目前被广泛使用的一种自动识别技术，大量增加条码的信息载荷量，可以极大扩展条码的应用领域。此外对一维水印条码、二维条码、二维水印条码，本发明用公开密钥算法实现有效的数字防伪功能，由于公开密钥算法的有效性和不可伪造性，本发明实现的防伪功能稳定且方便实用。
附图说明：
图1是图像预处理的流程图
图2是嵌入水印数据的流程图
图3是提取水印数据的流程图
图4是一维条码和一维水印条码图像
图5是二维条码和二维水印条码图像
实施例：
一、水印条码的实现方法。根据条码数据，利用某一标准码制(如UPCA)的编码规则首先生成条码图像。然后在条码图像的基础上根据条码水印算法(步骤3)嵌入相应的水印信息(水印可以条码对应的信息，也可以是对应信息的加密数据或数字签名)，最后得到并输出水印条码。图4为生成的一维条码和包含水印的条码图像，图5为生成的二维矩阵条码和包含水印的条码图像。
二、水印条码在防伪商品标签上的应用。首先生产厂商用私钥将商品的有效信息(如商品类型，种类，生产日期，批次，产品序列号等)加密或数字签名后作为水印信息嵌入到条码中。对普通使用者，原有条码的扫描和识别***仍然可以正常工作。但是条码水印由于包含了商品信息的数字签名或加密数据，任何人都可以通过生产厂商的公钥进行条码信息的验证。如果验证信息和商品信息吻合，则商品标签为真的，否则是伪造的。由于私钥仅为厂商所有，其它任何人伪造的该厂商商品标签都无法通过该厂商公钥的验证。该应用的特点是条码信息的验证仅需要公钥(从侧面保证了私钥的保密性)，由于算法公开，因此任何人均可以方便做真伪验证，无需网络和数据库的支持。
Claims (7)
1.数字条码水印及防伪方法，其特征在于通过数字水印技术，将数据嵌入到一维条码和二维条码中，并通过公开密钥算法在条码中纪录其对应信息的数字签名、加密数据或公钥，从而实现条码的数字防伪功能。
2.根据权利要求1所述的数字条码水印及防伪方法，其特征在于通过合适的数字水印算法把信息作为水印数据嵌入到一维和二维条码中，从而使得原有的条码可以包含更多信息(如文本、图像等各种形式的数据)。
3.根据权利要求1所述的数字条码水印及防伪方法，其特征在于数字条码水印方案可集成任何一个标准条码码制的编码和解码算法，使得条码水印的制作和检测可以一次完成，大大降低成本。原有条码的形状不受影响，因此原有的条码制作和检测设备仍然可以正常使用。
4.根据权利要求1所述的数字条码水印及防伪方法，其特征在于根据条码元素(光线反射率较低的部分，如黑色“条”)的颜色、形状和位置，将条码元素划分成小块(如方块、圆点或其它特征图形)，每个块可根据不同的需要嵌入一个或多个比特的信息。对每个块通过预定义颜色值的设定(包括颜色值和灰度级)确定水印信息的可见程度和每个块的嵌入信息量。
5.根据权利要求1所述的数字条码水印及防伪方法，其特征在于水印提取算法可以有两种选择，一种是用条码解码算法首先恢复条码数据然后再提取水印的私有水印提取算法，另外一种是直接从条码水印图像中提取水印的公有水印算法，增加条码应用的灵活性。利用纠错编码和水印信息的数字摘要确保在条码水印受到污损的情况下可靠和完整地提取水印信息。
6.根据权利要求1所述的数字条码水印及防伪方法，其特征在于对条码所对应的信息利用公开密钥算法进行数字加密或数字签名，并将加密数据或数字签名作为水印信息(如果条码的信息载荷量容许，公钥本身也可作为嵌入信息)嵌入到。加密或签名用私钥，解密或验证用公钥。公钥是公开发布的，且只用来作信息验证。只要验证方有条码制作端的公钥，就可以通过公开算法对条码信息做真伪验证。
7.根据权利要求1所述的数字条码水印及防伪方法，其特征在于可通过一维水印条码、二维条码和二维水印条码制作通用防伪标签。将带加密或签名信息的条码印制在防伪标签上，则任何标签验证端都可通过加密方的公钥确定标签的真伪，而无需验正数据中心或其它数据库的支持。这样制作的防伪标签可用一维水印条码、二维条码或二维水印条码制作，并可应用于任何需要鉴别文件、商品或其它数据真伪的场合。
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