用于证件照片防伪的 数字水印技术研究与应用

1. 用于证件照片防伪的数字水印技术研究与应用 毕业设计报告 报告人：刘骁 学号：RY0806114 指导老师：陈真勇 教育部工程技术研究中心

2. 5 1 2 3 4 课题来源和背景 基于雷登变换的几何校正算法 基于傅立叶频域建模的数字水印算法 原型系统设计与实现 总结与展望 北京航空航天大学 报告内容 教育部工程技术研究中心

3. 5 1 2 3 4 课题来源和背景 基于雷登变换的几何校正算法 基于傅立叶频域建模的数字水印算法 原型系统设计与实现 总结与展望 北京航空航天大学 报告内容 教育部工程技术研究中心

4. 北京航空航天大学 课题来源和背景：背景介绍 • 数字水印的定义 • 数字水印是指将特定的信息嵌入到数字信号中，数字信号可能是音频、图像或是视频等。 • 数字水印的特点 • 隐蔽性（Imperceptible） • 不易移除性（Non-removable） • 鲁棒性（Robustness） • 数字水印的分类 • 按介质：图像水印、视频水印、音频水印 • 按嵌入域：空域水印、频域水印 • 按鲁棒性：鲁棒性水印、脆弱性水印 教育部工程技术研究中心

5. 北京航空航天大学 课题来源和背景：课题来源 • 证件照片的伪造 • 证件：证明合法性和身份的主要方式 • 通过伪造证件照片的犯罪：护照“换人头” • 传统的防伪方式 • 制作成本高、容易伪造、认证困难 • 数字水印技术的优点 • 成本低廉、很难伪造、认证简便 • 可应用的领域 • 身份证、驾驶证、护照、文凭 • 更多…… 教育部工程技术研究中心

6. 北京航空航天大学 课题来源和背景：研究现状 证件照片防伪 数字水印技术 几何失真 像素失真

7. 北京航空航天大学 课题来源和背景：研究现状 证件照片防伪 数字水印技术 抗几何变换 数字水印 基于图像特征 ——P.Bas 2002 基于几何变换不变量 ——Lin 1999 • 抗打印扫描 • 数字水印 • 基于DFT频域 • ——Solanki2006 • 基于DCT频域 • ——Efren 2005 • 其他 • ——DWT：Amiri 2009 • ——ULPM：Kang 2010

8. 北京航空航天大学 课题来源和背景：研究现状 • 证件照片防伪数字水印技术 • 抗几何变换数字水印 • 缺点：内部特征点不稳定、带来较大失真 • 方案：利用证件边缘特征的几何校正方法 • 抗打印扫描数字水印 • 缺点1：算法在不同硬件平台效果差别大 • 方案1：打印扫描过程的数学建模 • 缺点2：普通QIM算法检测准确率不稳定 • 方案2：自适应的VQIM算法 教育部工程技术研究中心

9. 北京航空航天大学 课题来源和背景：总体内容 • 毕设研究总体内容 毕设总体规划 教育部工程技术研究中心

10. 5 1 2 3 4 课题来源和背景 基于雷登变换的几何校正算法 基于傅立叶频域建模的数字水印算法 原型系统设计与实现 总结与展望 北京航空航天大学 报告内容 教育部工程技术研究中心

11. 北京航空航天大学 几何校正算法：几何校正原理（1） • 打印扫描过程可能产生的几何失真 • 旋转、缩放、平移 • 产生原因主要是机械和人工操作的误差 • 雷登变换分类 • RIT直线积分 • CIT环形积分 证件扫描图像 教育部工程技术研究中心

12. 北京航空航天大学 几何校正算法：几何校正原理（2） RIT雷登变换 • RIT基本原理 • RIT直线积分连续式 • RIT直线积分离散式 • RIT检测直线 • 图像边缘积分产生极值 • 检测得到θ是直线倾角 • θ角对应两个极值的差是边的长度 教育部工程技术研究中心

13. 北京航空航天大学 几何校正算法：几何校正步骤 • Canny边缘检测和图像二值化 • 进行二维RIT雷登变换 • 在[-45-45°]范围内找到两个长边极值点及其据中心点距离rmax1、rmax2； • 得到长边长度γmax和旋转角度θ； • 在θ+90°上找到两个短边极值点极其据中心点距离rmin1、rmin2 • 计算得到缩放比μ： • μ =γmax/ γ （γ：原始长边长度） • 将图像旋转-θ进行旋转校正 • 利用边界点坐标进行平移校正 • 利用缩放比μ进行缩放校正 rmax1 rmin1 rmax O rmin2 rmax2 图：Candy边缘检测图像 θ 几何校正步骤示意图 教育部工程技术研究中心

14. 北京航空航天大学 几何校正算法：几何校正实验 缩放校正效果 平移校正效果 旋转校正效果 旋转校正在[0-30°]范围内校正误差最多不超过0.1°； 缩放校正在[0.1-3.0]范围内校正误差最多不超过0.015； 平移校正在[0-200]范围内校正误差为0。 结论：算法具有较好的几何校正效果 教育部工程技术研究中心

15. 5 1 2 3 4 课题来源和背景 基于雷登变换的几何校正算法 基于傅立叶频域建模的数字水印算法 原型系统设计与实现 总结与展望 北京航空航天大学 报告内容 教育部工程技术研究中心

16. 北京航空航天大学 水印算法：频域建模原理 • 从傅立叶幅值谱变化散点图可以看出符合线性特征； • 线性建模： • 最小二乘估计： • 残差平方和： • 系数估计值： 图：幅值变化散点图 教育部工程技术研究中心

17. 北京航空航天大学 水印算法：频域建模原理 • 从傅立叶幅值谱变化散点图可以看出符合线性特征； • 线性建模： • 最小二乘估计： • 残差平方和： • 系数估计值： 图：幅值变化散点图 教育部工程技术研究中心

18. 北京航空航天大学 水印算法：频域建模步骤 对打印扫描前后的图像进行傅里叶变换； 对图像傅里叶系数幅值谱进行建模： 计算得到改变量： 计算得到改变量系数： 教育部工程技术研究中心

19. 北京航空航天大学 水印算法：VQIM水印算法 图：改进后的VQIM水印算法 图：原始QIM水印算法 • 传统QIM水印算法采用固定长度划分区间，因此系数值越大越容易产生误差 • 改进后的VQIM水印算法采用可变长度划分区间 • 其中嵌入强度 教育部工程技术研究中心

20. 北京航空航天大学 水印算法：整体流程 • 在证件照片防伪这个应用领域中，为了保证提取准确率，在数字水印的嵌入和检测算法中引入纠错码 • 在水印检测算法中整合了前面所提出的几何校正算法 • 实验应用参数： • 嵌入水印：511bits • 使用BCH(40,511)纠错码，纠错能力19.6% • 有效水印：40bits 上图：水印嵌入算法流程示意图 下图：水印检测算法流程示意图 教育部工程技术研究中心

21. 北京航空航天大学 水印算法：实验用图 图 ：原始证件照片 图 ：打印扫描后的证件照片 教育部工程技术研究中心

22. 北京航空航天大学 水印算法：频域建模实验 表：频域数值建模结果 • 频域建模a值差别较小，均在1.093左右；b值差别较大，有数百的差距； • 由于DFT频域数值基本在10e5到10e6数量级，因此b值的差别可以忽略不计。 • 频域数学模型： • 建模有效性分析：拟合系数 • （通常认为R2>0.95为有效） 教育部工程技术研究中心

23. 北京航空航天大学 水印算法：水印嵌入与检测(1) 表：水印嵌入提取效果 • 实验参数：σ=0.8 rmin=15 • 实验结论：对于a=0.8的情况，其PSNR值较低（小于30），图像保真度差，但整体水印提取准确率较高，未加入BCH纠错码可以达到93%以上，加入BCH纠错码后均可以达到100%。 教育部工程技术研究中心

24. 北京航空航天大学 水印算法：水印嵌入与检测(2) 表：水印嵌入提取效果 • 实验参数：σ=0.6 rmin=15 • 实验结论：对于a=0.7的情况，其PSNR值在34左右，图像保真度一般，整体水印提取准确率未加入BCH纠错码可以达到87%以上，加入BCH纠错码后均可以达到100%。 教育部工程技术研究中心

25. 北京航空航天大学 水印算法：水印嵌入与检测(3) 表：水印嵌入提取效果 • 实验参数：σ=0.4 rmin=15 • 实验结论：对于a=0.8的情况，其PSNR值较高（38左右），图像保真度很好，但整体水印提取准确率较低，未加入BCH纠错码可以达到82%左右，接近校正极限，加入BCH纠 • 错码后水印提取准确率存在不稳定情况。 教育部工程技术研究中心

26. 北京航空航天大学 水印算法：水印嵌入与检测(4) 根据DFT模型和具体的应用需要选择一种合适的参数是很重要的； 水印检测成功率对于不同的硬件平台有较大的区别，在同一硬件平台上采用不同的打印和扫描参数，结果也有较大差别。 教育部工程技术研究中心

27. 北京航空航天大学 水印算法：算法稳定性 图：多次打印扫描实验 图：多幅图像实验 • 实验参数：σ=0.6 rmin=15 • 实验结论： • 不论在单幅图像多次打印扫描还是多幅图像打印扫描实验中，算法均有较为稳定的检测成功率表现 • 在实际应用中，由于纠错码技术的引入，这 • 种较小的差别可以忽略。 教育部工程技术研究中心

28. 5 1 2 3 4 课题来源和背景 基于雷登变换的几何校正算法 基于傅立叶频域建模的数字水印算法 原型系统设计与实现 总结与展望 北京航空航天大学 报告内容 教育部工程技术研究中心

29. 北京航空航天大学 原型系统：系统设计 图：水印算法流程示意图 图：原型系统模块示意图 教育部工程技术研究中心

30. 北京航空航天大学 原型系统：系统实现(1) 图：主界面演示 图：基本图像处理功能演示 教育部工程技术研究中心

31. 北京航空航天大学 原型系统：系统实现(2) 图：几何校正功能演示 图：证件照片提取功能演示 教育部工程技术研究中心

32. 北京航空航天大学 原型系统：系统实现(3) 图：水印嵌入功能演示 图：证件生成功能演示 教育部工程技术研究中心

33. 北京航空航天大学 原型系统：系统实现(4) 图：水印检测功能演示 图：防伪认证功能演示 图：防伪认证评估结果演示 教育部工程技术研究中心

34. 北京航空航天大学 原型系统：性能测试 • 几何校正性能：时间复杂度(O(n3)) • 和扫描图像大小关系较大，算法时间消耗并不固定 • （通常<8.0s） • 水印嵌入检测性能：时间复杂度(O(n2)) • 证件照片大小统一，算法时间消耗稳定（通常<3.0s） 教育部工程技术研究中心

35. 5 1 2 3 4 课题来源和背景 基于雷登变换的几何校正算法 基于傅立叶频域建模的数字水印算法 原型系统设计与实现 总结与展望 北京航空航天大学 报告内容 教育部工程技术研究中心

36. 北京航空航天大学 总结与展望：主要工作 • 主要工作 • 基于证件照片扫描图像的边缘特征进行图像几何失真校正的方法 • 结合Canny边缘检测和雷登变换 • 基于证件打印扫描过程频域数学模型的数字水印嵌入和检测算法（VQIM） • 打印扫描过程频域幅值谱变化的数学建模 • 改进型的VQIM数字水印嵌入算法 • 设计和实现了证件照片防伪数字水印 • 原型系统 教育部工程技术研究中心

37. 北京航空航天大学 总结与展望：工作展望 • 进一步的研究展望 • 区分人像和背景的水印嵌入方法——提高嵌水印照片保真度 • 依据图像复杂度选择嵌入频段 • 原型系统优化：采用完全C++代码实现 教育部工程技术研究中心

38. 北京航空航天大学 总结与展望：科研成果 • 专利 • 刘骁, 陈真勇, 曾骁, 范围, 罗立新, 熊璋. 一种基于帧间预测误差直方图修改的可逆视频水印方法 [P]. 中国专利: 200910092910.6, 2010-11-15 • （已授权） • 陈真勇, 刘骁, 范围, 曾骁, 熊璋. 一种基于全方向预测误差直方图修改的可逆图像水印算法 [P]. 中国专利: 201010591277.8, 2010-12-16（已受理） • 曾骁, 陈真勇, 刘骁, 陈明, 熊璋. 一种基于运动估计的视频自恢复水印算法 [P]. 中国专利: 200910081527.0, 2009-06-03（已公示） • 陈真勇, 刘永波, 刘骁, 范围, 熊璋. 一种基于数学建模的抗打印扫描水印方法 [P]. 中国专利: 201010167256.3, 2010-05-11（已公示） 教育部工程技术研究中心

39. Thank You ! 请各位老师批评指正！ 教育部工程技术研究中心