防伪标签

水印可能大家都不陌生，随便掏出一张人民币出来，对着光，就能看到人民币上的水印，这也是一种比较常见的防伪技术，但是该项技术由于时间比较久了，许多不法分子也逐渐掌握了该种技术，于是新的水印技术就相应而出了，就是这次所要讲的数字水印。
数字水印技术不同于传统的水印纸，它是利用数字信号处理的相关技术，在媒体数据作品中嵌入微量数据(一般为数字、序列号、文字、图像标志等版权信息)。水印技术嵌入后，原始的媒体数据并没有发生改变，也不影响原始数据的正常使用。数字水印使人们无法从表面感知水印，只有专用的检测器或软件才可以检测出隐藏的水印。例如，一幅经过数字水印技术处理的山水画，经专家输入计算机编程，人们从投影屏上清晰地看到了画上各种个性化的版权标识，提取1次就见1种，提取4次就见4种。目前，已开发出印刷数字水印技术应用软件。在采用了数字水印技术的一本书的封面上，加上一个视频头和一个专用软件，就可以看到一个隐藏的防伪标识；从电脑上下载一段音乐，经过特殊的软件处理，可以显示一篇数千字的文章。将数字水印技术用于印刷防伪，不仅安全可靠，还具有无需改变原有印刷工艺流程、无需增加印刷成本等特点，只需通过专用软件处理就可将防伪信息嵌入印刷品。它在各种产品印刷包装、商标，发票、支票、证券、信用卡的防伪造、数字媒体的版权保护和跟踪，电子商务中的机要通信和防篡改、防抵赖等方面，有极为广泛的用途。

一、数字水印的特点

数字水印也叫数码水印，就是用数码化技术将图像、音频、视频、文本、网络等目标直接隐藏在静止图像、活动图像或其他数码化传播媒体中的技术，它被称为图像数码化水印处理技术。其实质就是图像信息的隐藏或称为图像水印处理技术。依据所嵌入的主媒体不同，主要可分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印和网络水印。与传统加密系统不同的是，数字水印技术应用的主要目的并不是限制对媒体的访问，而是确保媒体中水印不被改变或消除，从而为媒体提供必要的证明信息；此外，也可用于保密通信和隐含信息标注等。

从视觉效果考虑，图像水印分为可见和不可见两种。由于可见水印的应用范围和技术受到较大限制，因此应用范围不太广泛；而不可见（隐形）水印则是目前图像水印的主要研究内容。通过在原始图像中嵌入秘密信息——水印来证实该数据的所有权归属或数据的完整性。

水印可以是代表所有权的文字或ID、图形、图像、音频数据、随机序列等。从图像处理的角度看，嵌入水印可以视为在强背景（原始图像）下叠加一个弱信号(水印）。由于人的视觉系统分辨率受到一定的限制，只要叠加信号的幅度低于HVS的对比度门限，HVS就无法感觉到信号的存在。对比度门限受视觉系统的空间、时间和频率特性的影响。因此，通过对原始图像做一定的调整，有可能在不改变视觉效果的情况下嵌入一些信息。另一方面，从数码通信的角度看，水印编码（嵌入）可理解为在一个宽带信道（原始图像）上用扩频通信技术传输一个窄带信号（水印）。尽管水印信号具有一定的能量，但分布到信道中任一频率上的能量是难以检测到的。水印的译码（检测）则是一个有噪信道中弱信号的检测问题。

在一些应用场合下，水印的检测允许有原始图像的辅助；而在另外一些场合下，有可能无法得到原始图像。通常由于水印信号与原始图像信号相比弱得多，没有原始图像辅助的检测方法将更加困难。也就是说，借助原始图像，水印算法的抗噪声稳健性能更好一些。在几何变换和几何失真的情况下，水印分量的同步问题也将使检测更加复杂。随机序列作为水印，只能给出“Yes”或“No”的结论，换句话说，放进图像的秘密信息事实上仅为此1bit。在许多应用场合，要求嵌入图像的信息是可读的或可视的，如有意义的文字串或者一个图像（商标、印鉴）等，这种有意义的水印与无意义的伪随机噪声相比，所具有的优点是不言而喻的。如何在图像中嵌入有意义的信息将是极具实际价值的研究内容。

对于图像隐形水印来说，其基本要求有5个方面。

(1)不可见性。水印应该是视觉上不可见的，即它的存在不应该使原始图像视觉质量发生变化或影响原始图像的视觉效果；

(2)稳健性。即水印图像经过一些常见的改变后，水印仍具有较好的可检测性。这些改变包括常见图像处理（如数据压缩、低通滤波、图像增强、二次抽样、二次量化、　A/D和D/A转换等）、几何变换和几何失真（如裁剪、尺度拉伸、平移、旋转、扭曲等）、噪声干扰、多重水印的重塑等。对不同的应用场合，要求有不同的稳健性。需要指出的是，存在另一种与稳健水印性质相反的水印，称为易损水印，它可用来证实原始媒体是否被改变过；

(3)低复杂性。算法应容易实现，在某些应用场合（如视频水印）下，甚至要求水印算法的实现满足实时性的要求；

(4)秘密性。嵌入过程（嵌入方法和水印结构）是秘密的，水印是统计上不可检测的。对于通过改变水印图像来消除和破坏水印的企图，水印应该保持存在直到图像已严重失真而丧失使用价值。对于原版媒体的证实，通过识别水印是否失真应能判断原版媒体是否被改变过；

(5)正确解决所有权的死锁（不确定性）问题。即水印用来作为所有权证明时，应能给判断提供惟一性的证据。

在上述5个方面中，不可见性和稳健性是对隐形水印的最基本要求，也是一对矛盾的两个因素。实现图像隐形水印的原则是，在保证不改变原始图像视觉感知效果(即不可见性）的前提下，实现水印具有较好的稳健性和抗攻击性。

在防伪印刷中，数字水印的印刷防伪技术与传统的印刷防伪技术不同，它彻底更新了印刷防伪的传统观念，并在印刷防伪中具有独特的性质，主要体现在以下几个方面。

(1)作为识别标志的水印以视觉不可见的形式隐藏在印刷品中，通过自然光和外界光源分辨不出未加水印的图像与加入水印图像的差异，只有通过计算机软件或特定的检测设备才可识别。

(2)隐藏的水印标志可以是有意义的数字和随机的数码、文本信息、图像甚至声音。用户可以根据被保护物品的不同要求加入不同内容的水印信息。检测方式可以采取是否存在隐藏的水印，或从印刷品中提取出隐藏信息的实际内容等。

(3)隐藏的水印信息在不同的时间、地点一直连续存在于印刷品的内部。其原理是将具有识别标志的数据隐藏到印刷品本身或打印图像内，它不因印刷品经过的各种地点和人员而变异，在这些环节上没有泄露和扩散的可能性。

(4)数字水印的加入和加入的内容具有随机性。每一种印刷品所隐藏的数字水印可以不同，加入水印的位置也是随机的，技术掌握人本身也不知晓水印的隐藏位置，这样的随机性和变化特征使伪造者难以仿冒伪造。

(5)防伪技术可逐步升级。没有永远有效的防伪技术，一般的防伪技术在一段时期内有效，如不更新换代，仿冒者会随影循形。数字水印技术也在不断升级变化，从而使相应的印刷防伪技术也可随之不断升级变化。

(6)防伪技术对印刷设备无特殊要求，盗版者难以察觉所在。数字水印印刷防伪技术是在制版或打印处理过程中将数字水印信息加入，不需改变印刷材料和设备，不增加印刷成本，因而其应用前景广阔，经济效益很大。

二、数字水印技术的研究
稳健水印理论与算法是目前隐形水印的主要研究内容，影响水印的稳健性的两个关键的技术是水印的结构和水印的嵌入策略。为了使水印有较好的稳校℅aussian序列、均匀分布序列、M进制序列）作为水印。有的研究人员提出，利用Gaussian随机序列产生的水印具有更好和稳健性。这是由于Gaussian分布的随机序列与其他分布的等长的随机序列相比，具有更大的自相关系数，因此，Gaussian分布的随机序列应具有最好的性能。需要注意的是，由Gaussian随机序列构成的水印当长度较长时，个别样值可能会过大，必须对其加以限制以满足不可见性的要求。

根据实现的过程，水印算法主要可分为空域的方法和变换域的方法两种。空域的方法是通过直接改变主图像某些像素值来嵌入水印，研究人员利用一个扩展的m序列作为水印，并把它嵌入到图像每行像素的最低有效位（LSB）中，其主要缺点是抗JPEG压缩和稳健性不好，且由于所有像素的LSB都改变和利用m序列而易受攻击。

数字水印的特点较多，技术也是极难被仿制的，所以此项防伪技术又使得商品又多了一道保护墙