CN1372677A - 光水印 - Google Patents

Abstract

一种多层水印,用于设置在文件上以起到防伪造和防假造的保护。被嵌入在每个水印层中的隐藏的信息仅能通过使用对应的解码器进行观察。由于是多层结构,所以很难反求光水印。生成的水印结构明显地增加了解码器的钥匙空间。

Description

光水印

本发明涉及一种用于在印制文件和电子文件上产生光水印的方法和装置。

在说明书全文或有关参考资料中，文件应该被理解为包括：印制文件和/或电子文件和/或印制文件的复制件(印制的或电子的)和/或电子文件的复制件(印制的或电子的)，并且包括那些其中含文本、图像、图形、影像、照片，以及其它媒体表现形式的文件。

水印的结构(亦称载体点图案)是带最简单和最基本的如二维(“2-D”)点阵的重复图案。点图案结构的复杂程度决定了安全级别。将潜像目标嵌入水印是通过下述方法实施的，即将潜像目标调制在点图案上。使用解码器观察潜像是解调的过程。解码器也是结构化图案，其与特定点图案相对应。解码器为光学仪器，诸如栅格，透镜，Ronchi格线，特殊薄膜，或甚至照相复制机。

美国专利US 5,915,027涉及数据的数字水印，该数据包括图形，影像和声音数据，其是通过将水印重复地插入数据的分区域或分图像中而实现的。类似的，水印被重复地从数据的分区域抽出。该方法是单层的，并且不适合于那些基于文字的文件或印制在纸上的文件。

美国专利US 4,921,278具有使用计算机生成的波纹识别系统，并且基于计算机生成的虚线的随机图案。目标格栅和参考格栅的叠合将产生波纹效果。该方法也是在单层中的，且相当简单，不能提供足够的保护，诸如伪造显示。

美国专利US5,734,752介绍了一种在数字可复制文件中生成水印的方法，在观察时其基本是不可见的。其使用一个随机屏栅图案以再现文件上的灰度图像，并使用另一与第一个屏栅图案相关的随机屏栅来观察内容。除了使用随机屏栅图案来表示灰度图像外，其与US 4,921,278非常相似，

与上述类似的其它专利还包括：US 5,708,717，其将一源图像与一潜像结合，使得仅当通过特殊解码透镜观察时才能看到扰频的潜像；US 5,790,703生成了适于再现文件中灰度图像的第一屏栅图案，导出至少一个共轭的屏栅描述，其与第一图案相关，从而将这些叠合在一起可揭示文件的内容；US6,000,728使用了不同尺寸的用于防伪造的点屏栅。

从美国专利可以看出，仅有一层隐藏信息的层。这些结构被暴露给攻击者。通过使用显微镜或类似工具对结构进行仔细观察，就可以揭示出复制该图像或文件所要求的所有信息。

本发明的目的在于解决这一问题，并提供一种通常不使所有必要信息显示的水印。

本发明提供一种保护文件不受伪造和假造的方法和装置。其将多个潜像目标嵌入到具有各种结构的多个层中，以生成水印。随后，水印被加入到文件中，作为印记、标识或背景。这可以被称为光水印。

光水印具有一层或几层水印层。一个或两个潜像目标被嵌入到每个水印层中。每个水印层具有不同的结构，同时还有用于观察嵌入在其中的潜像的对应解码器。嵌入在水印层中的潜像目标仅通过肉眼不能够被观察到，除非将对应于该水印层结构的解码器叠放在水印层上才行。在另一方面，用于一个水印层的解码器不能够揭示其它水印层中的潜像目标，因为这些其它水印层具有不同的结构。由此，解码器可以被认作是开启秘密的钥匙，而秘密则是嵌入在水印中的潜像目标。

在光水印中的各层是彼此保护的。在不知道光水印的所有秘密时(包括潜像目标和点图案的参数)，假造水印或改变水印层中的潜像目标又不被发现是不可能的。

各种保密级的层的叠加提供了适用于各种应用需要的解决方案。例如，光水印可以呈现为由公司颁发的文件上的公司的标识。例如，可以有三个水印层。第一层可以是作废单词复印件，而检验装置可以是照相复制机。如果源文件被照相复制，则作废单词复印件就会出现。在第二层中的潜像目标可以是公司的标识，而检验装置是一个带有有周期函数限定的栅格的特殊设计的透镜。该透镜可以送给相关组织，以验证文件的原始性。第三层可被嵌入受委托的第三方的标识。验证装置也是透镜，但该结构是随机点图案，其相对于其它层更为安全。

由于多层的叠合是不可逆的程序，因此光水印的复杂度增加，从水印反向设计而导出参数和隐藏信息几乎不可能，即使可能也是非常困难的。由于有多个层，有不同的检验方法，包括防伪显示，这些可以组合起来而形成更为安全的应用。这些验证可以通过非常简单的装置脱机地进行。更重要的是，本发明的方法和装置可以在不使用特殊墨水和特殊纸材的前提下获得非常高的安全性。

为了使得本发明得到清楚的理解并且易于实施，下面将结合本发明的非限制性的实施例来进行描述，并且这些描述是结合附图进行的。在附图中：

图1示出了光水印的分层结构；

图2示出了将潜像目标嵌入基本水印层；

图3示出了字母T和C的解调结果；

图4示出了光水印的结构；

图5示出了具有随机点阵的水印；

图6示出了带有嵌入的字母P的防伪水印层；

图7示出了电子应用；

图8示出了电子服务模式。

如图1所示，本发明中的光水印具有多层结构。水印层彼此叠放在一起以提供多个层以及保护类别。几个层的叠放意味着，仅从光水印来导出结构参数和隐藏信息几乎是不可能的，即使可能也是很困难的。

每个水印层是重复结构的点阵。潜像目标通过调制而被嵌入水印层中。这可包括例如相位调制。在光水印中不同水印层的结构和取向必须是彼此不同的。只有对应于特定水印层的解码器才能被用于观察嵌入在特定水印层中的潜像目标。

基本水印层-2-D点阵

基本水印层是在两个正交方向变化的2-D点阵。为了嵌入潜像，相位调制可以被应用于两个方向。正如图2所示，部分205是在水平方向中的相位调制，以嵌入字母“T”，部分206示出了在竖直方向中的相位调制，以嵌入字母“C”。

相位调制改变了在相位调制方向中于潜像边缘处一对点之间的距离。根据人体视觉系统的特征，这种距离的改变将使得潜像的边缘比点阵的整体灰度更深或者更浅。这种效果将揭示潜像的形状。为了补偿这种效果，将“平滑”处理应用于带有突然移相的区域。例如，在图2中，沿着如201和202所指的区域，在一对点之间的距离要大于点阵在空间上的重复周期。因此，伴随距离的调整还增加点，以使该边缘变得较黑。样式201和202是补偿后的结果。在另一方面，当两个点之间的距离比点阵在空间上的重复周期小很多时，距离调整也是必要的以便使边缘变亮一些。样式203和204是该种类型调整的结果。

为了在调制的点阵中看到潜像目标，解码器必须具有间隔频率与点阵相同的栅格结构。为了解调被调制在特定方向中的潜像，解码器的潜像必须与该方向对齐。图301和图302示出了图2的解调效果。特定的数学分析是根据傅里叶级数展开。

用于将潜像嵌入基本水印层中的相位调制的数学分析

在光水印中，点阵被选作载体点图案来嵌入潜像目标。由于点阵可以被看作是在两个正交方向上变化的二维(2-D)信号，两个潜像目标可以在两个方向中用相位调制而被调制在一个点图案中。为了简化，这里讨论的点阵在两个方向中具有相同空间重复频率。在实际的光水印中，在两个方向上的频率可以是不同的。

采用傅里叶级数展开来分析调制和解调。首先，设基本点图案为f∈[0，1]f₀(x，y)，其中值0代表黑，1代表白。这种线条栅格的叠加可以以函数的乘积来代表。这种相乘的模式使得可以以傅里叶级数展开分析。

移相的点阵可以用f₁(x，y)和f₂(x，y)表示，分别对应各调制方向。 $f_0(x,y)=1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x-\mathrm{nT})\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(y-\mathrm{nT})---\left(1\right)$ $f_1(x,y)=1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x-\mathrm{nT}-\frac{T}{2})\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(y-\mathrm{nT})---\left(2\right)$ $f_2(x,y)=1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x-\mathrm{nT})\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(y-\mathrm{nT}-\frac{T}{2})---\left(3\right)$

两个需要调制的潜像目标可以用g₁(x，y)和g₂(x，y)表示。其有效值可以仅为0或1。因此，加水印的点阵可以被表示为：

w(x，y)＝g₁(x，y)g₂(x，y)f₀(x，y)+

                                                 (4)

         [1-g₁(x，y)]f₁(x，y)+[1-g₂(x，y)]f₂(x，y)

解码器可以被表示为： $f_d(x,y)=1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x\cos \mathrm{\θ}-y\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{nT})---\left(5\right)$

在等式(5)中，角θ为f_d(x，y)的取向和y轴方向之间的夹角。加水印的点阵和解码器的叠加可以被表示为：

d(x，y)＝w(x，y)f_d(x，y)             (6)

所有这些函数可以展开为傅里叶级数，如下： $f_0(x,y)=1-[\frac{1}{T}+\frac{2}{T}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{n}{T}x\right)][\frac{1}{T}+\frac{2}{T}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{n}{T}y\right)]---\left(7\right)$ $f_1(x,y)=1-[\frac{1}{T}+\frac{2}{T}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(\mathrm{n\π}\right)\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{n}{T}x\right)][\frac{1}{T}+\frac{2}{T}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{n}{T}y\right)]---\left(8\right)$ $f_2(x,y)=1-[\frac{1}{T}+\frac{2}{T}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{n}{T}x\right)][\frac{1}{T}+\frac{2}{T}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(\mathrm{n\π}\right)\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{n}{T}y\right)]---\left(9\right)$ $f_d(x,y)=(1-\frac{1}{T})-\frac{2}{T}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\cos [2\mathrm{\π}\frac{n}{T}(x\cos \mathrm{\θ}-y\sin \mathrm{\θ})]---\left(10\right)$

基于上述展开式可以对叠加进行分析。在等式(6)展开式中存在许多分量。为了使得该分析尽量清楚，则所有的高频分量都被忽略。在该分析中仅涉及那些可能具有较低频率的分量。在d(x，y)中的分量被分析成下述等式： $\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{n}{T}x\right)\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\cos [2\mathrm{\π}\frac{n}{T}\left(x\cos \mathrm{\θ}\right)-y\sin \mathrm{\θ}]=\frac{1}{2}\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_1(m,n)+c_1(m,-n)$

                   (11) $c_1(m,n)=\cos \frac{2\mathrm{\π}}{T}[(m+n\cos \mathrm{\θ})x-\mathrm{ny}\sin \mathrm{\θ}]---\left(12\right)$ $\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{n}{T}y\right)\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\cos [2\mathrm{\π}\frac{n}{T}(x\cos \mathrm{\θ}-y\sin \mathrm{\θ})]=\frac{1}{2}\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_2(m,n)+c_2(m,-n)---\left(13\right)$ $c_2(m,n)=\cos \frac{2\mathrm{\π}}{T}[\mathrm{nx}\cos \mathrm{\θ}+(m-n\sin \mathrm{\θ})y]---\left(14\right)$

当θ的值非常接近0°时，仅有分量c₁(1，-1)的频率将远低于载体点图案的频率。当θ的值稍微高于或低于90°时，仅有分量c₂(1，-1)的频率将远低于载体点图案的频率。因此，对于这两种情况，在叠加中仅有c₁(1，-1)和c₂(1，-1)是较显著的。 $c_1(1,-1)=\cos \frac{2\mathrm{\π}}{T}[(1-\cos \mathrm{\θ})x+y\sin \mathrm{\θ}]---\left(15\right)$ $c_2(1,1)=\cos \frac{2\mathrm{\π}}{T}[x\cos \mathrm{\θ}+(1-\sin \mathrm{\θ}\left)y\right]---\left(16\right)$

在c₁(1，-1)是最显著的情况下，在等式(6)中的显著的分量将是下面三个。则因该相对相位，仅有一个潜像g₁(x，-y)可以被清楚地观察到： $1\left)g_1(x,y)g_2(x,y)\cos \frac{2\mathrm{\π}}{T}\right[(1-\cos \mathrm{\θ})x+y\sin \mathrm{\θ}]$ $2\left)\right[1-g_1(x,y)\left]\cos \frac{2\mathrm{\π}}{T}\right[(1-\cos \mathrm{\θ})x+y\sin \mathrm{\θ}\±\frac{T}{2}]$ $3\left){[1-g}_2(x,y)\right]\cos \frac{2\mathrm{\π}}{T}[(1-\cos \mathrm{\θ})x+y\sin \mathrm{\θ}]$

在c₂(1，-1)是最显著的情况下，在等式(6)中的显著的分量将是下面三个。则因为该相对相位，仅有一个潜像g₂(x，-y)可以被清楚地观察到： $1\left)g_1(x,y)g_2(x,y)\cos \frac{2\mathrm{\π}}{T}\right[x\cos \mathrm{\θ}+(1-\sin \mathrm{\θ})y]$ $2\left)\right[1-g_1(x,y)\left]\cos \frac{2\mathrm{\π}}{T}\right[x\cos \mathrm{\θ}+(1-\sin \mathrm{\θ})y]$ $3\left)\right[1-g_2(x,y)\left]\cos \frac{2\mathrm{\π}}{T}\right[x\cos \mathrm{\θ}+(1-\sin \mathrm{\θ})y\±\frac{T}{2}]$

数学推理显示出：两个潜像目标可以以相位调制而被调制到基本点图案中。由于点阵的相对较高的频率和在边缘应用的补偿方法，潜影客体不会被肉眼观察到。为了看到潜像目标，解码器的频率应该与基本载体点图案沿该方向的频率相同并且解码器的潜像应该与潜像目标进行调制的同一方向对准。

这里，利用了人类视觉系统的两个特征。第一，在中等空间频率范围内，大约2-6c/deg，人类视觉系统具有最高的对比度敏感性。在高空间频率时，敏感度会锐降。第二，人眼对相对相位敏感，相对相位是在相同频率下的间隔信号之间的偏移和位移。对于高于3c/deg的频率，临界相位由大约0.85，弧度的位移表示。对于低于3c/deg的频率，相对相位的临界值大约为5°。人眼不能够观察到小于该临界值的相对相位。就高频信号来说，位移由肉眼观察出是很不容易的。

在每个水印层中的潜影客体以相位调制用相对较高重复频率的点图案编码。由于相对相位差小于或类似于在那个被选用于光水印中的相对较高频率下的临界值，位移对于人类视觉系统是不明显的。因此，不利用适当的解码器将不能观察到潜像目标，

由2-D点阵的水印层加以推广，沿两个不同方向的点阵的频率可以是不同的，并且点阵可以采用各种取向。如果水印层被表示为l(f_u，f_v，θ，g_u，g_v)，其中f_u和f_v是点阵分别在两个方向

和

的频率；而θ是

和

(水平轴)之间的夹角；函数g_u和g_v的值仅能为1或0，代表在层中的潜像目标。代表水印层的函数是： $L[f_u,f_v,\mathrm{\θ},g_u(x,y),g_v(x,y)]=g_u(x,y)g_v(x,y)[1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x\cos \mathrm{\θ}+y\sin \mathrm{\θ}-\frac{n}{f_u})\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(y\cos \mathrm{\θ}-x\sin \mathrm{\θ}-\frac{n}{f_v})]+$ $g_v(x,y)[1-g_u(x,y)][1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x\cos \mathrm{\θ}+y\sin \mathrm{\θ}-\frac{n}{f_u}-\frac{1}{2f_u})\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(y\cos \mathrm{\θ}-x\sin \mathrm{\θ}-\frac{n}{f_v})]+$ $g_u(x,y)[1-g_v(x,y)][1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x\cos \mathrm{\θ}+y\sin \mathrm{\θ}-\frac{n}{f_u})\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(y\cos \mathrm{\θ}-x\sin \mathrm{\θ}-\frac{n}{f_v}-\frac{1}{2f_v})]+$ $[1-g_u(x,y)][1-g_v(x,y)][1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x\cos \mathrm{\θ}+y\sin \mathrm{\θ}-\frac{n}{f_u}-\frac{1}{2f_u})\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(y\cos \mathrm{\θ}-x\sin \mathrm{\θ}-\frac{n}{f_v}-\frac{1}{2f_v})]+---\left(17\right)$

在该种类型的水印层中对于每个潜像目标有两个参数：一个是调制频率，而另一个是调制取向。对于潜像g_u的参数是f_u和

。而对于潜像g_v的参数是f_v和

。只有带有对应频率的解码器在转动到对应的方向时才可以使特定的潜像变得可见。因此，对这种水印层类型进行保密的关键在于调制频率和调制取向。

多层结构

下面参照图4，其中图401示出了一个水印层的坐标，参考x-y坐标。图402，403和404是三个水印层，图405是它们的叠加效果。

光水印是几个水印层的叠加。这种叠加可以表示为： $W=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{L}_n(f_{u,n},f_{v,n},{\mathrm{\θ}}_n,g_{u,n},g_{v,n})---\left(18\right)$

根据上述分析，在该多层重复结构的叠加中，会有一些低频分量。这些低频分量可能会带来不希望出现的视觉效果，或者不借助解码器就揭示潜像。如果任何的两层能够满足下面的要求，则该问题可以避免，在光水印中：

1.如果f_u，i＝f_u，j或f_v，i＝f_v，j，取向的差

应该足够大，例如Δθ_ij≥60°，或者在某些情况下Δθ_ij≥45°。

2.如果f_u，i＝f_v，j，则

应该小于60°，Δθ_ij≤60°。(这里，Δθ_ij=arccos(｜cos(θ_i-θ_j)｜)，并且0°≤Δθ_ij≤90°)

上述两个要求意味着，在叠加中没有分量会具有比任一载体点阵还低的频率。图405示出了光水印的一个样本，其是图402/图403和图404的叠加。

在解码器(其用函数d(x，y)表示)被叠加到光水印中时，解码的结果可以被表示为： $D=d(x,y)\·W=d(x,y)\·\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{L}_n(f_{u,n},f_{v,n},{\mathrm{\θ}}_n,g_{u,n},g_{v,n})---\left(19\right)$ $d(x,y)=1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x\cos {\mathrm{\θ}}_d+y\sin {\mathrm{\θ}}_d-\frac{n}{f_d})---\left(20\right)$

从附录A的分析，可以得到下述结果：

1.当f_d等于f_u，i并且｜θ_d-θ_i｜很小时，潜像g_u，i(x，y)在叠加中将是可视的。

2.当f_d等于f_v，i并且｜θ_d-θ_i｜大约为90°，潜像g_u，i(x，y)在叠加中将是可视的。

解码器的频率和取向是对潜像目标进行解码的关键。仅当解码器的频率与特定潜像目标的调制频率和取向吻合时，潜像目标才会在叠加中出现。

因此，在多层结构中，所有潜像目标可以分别从水印层解码。每个水印层携带其自己潜像目标，则根据一个特定水印层的知识，来推导出其它水印层的潜像或参数是非常困难的，几乎是不可能的。

该多层结构的另一优点是，所有的水印层都彼此相互保护。不知道所有水印层的细节(参数和潜像目标)时，改变其中一个水印层中的信息是非常困难的，几乎是不可能的。如果其中一个水印层被改变，所有其它的水印层也将受到该改变的影响。因此，在多方使用的情况下(每一方掌握潜像目标的一个‘钥匙’)，即使该改变是被一方授权的，该文件的真实性也会失效。

坐标映射以生成复杂水印层

在基本水印层中，隐藏信息的钥匙空间是解码器的频率，其相对较小。一般，基本二维(2-D)点阵可以通过坐标映射(mapping)和叠加推广到任何2-D点阵。

在坐标映射的情况下，线性或非线性的坐标映射函数被施加到基本水印层。这些函数可以被表示为：

                     x＝m_x(u，v)          (21)

                     y＝m_y(u，v)          (22)

函数m_x(u，v)和m_y(u，v)映射出从(u，v)到(x，y)的坐标空间。在(u，v)坐标间隔中，水印层的调制和解调与基本水印层相同。但是以解码器的解调是在(x，y)的坐标空间中完成的。因此，在(x，y)坐标空间中的解码器应该从在(u，v)坐标空间中的对应解码器映射出。因此在坐标映射水印层的坐标中，潜像目标的参数是在(u，v)坐标空间中的潜像目标的调制频率，在(u，v)坐标空间中潜像目标的调制取向，和映射函数m_x(u，v)和m_y(u，v)。

例如，将正弦函数用作映射函数。坐标系的映射可以被表示为： $x=\sin \frac{2\mathrm{\π}}{T}v+u---\left(23\right)$

                      y＝v               (24)

而在(u，v)坐标空间中的点阵被表示为： $f(u,v)=1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(u-\frac{n}{f_u})\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(v-\frac{n}{f_v})---\left(25\right)$

通过坐标映射，在(x，y)坐标空间中的对应函数可被推导为： $f^{\′}(x,y)=1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x-\sin \frac{2\mathrm{\π}}{T}y-\frac{n}{f_u})\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(y-\frac{n}{f_v})-----\left(26\right)$

为了用坐标系映射对嵌入在水印层中的潜像进行解码，原始解码器也应该从在(u，v)坐标系映射到(x，y)坐标系： $d(u,v)=1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(u-\frac{n}{f_u})---\left(27\right)$ $d^{\′}(x,y)=1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x-\sin \frac{2\mathrm{\π}}{T}y-\frac{n}{f_u})---\left(28\right)$

对于在映射水印层f’(x，y)中的潜像，对应解码器是在等式(28)中的d’(x，y)，而非等式(27)中的d₀(x，y)。正如等式(28)所示，钥匙空间可因两个因素而扩展：一个是正弦函数，另外一个是正弦函数周期。

随机图案水印层

参考图501，502和503，这些是带有/不带有相位调制的简单水印层。从它们导出参数相对较为简单。图504，505和506是带有随机点图案的水印层。不利用解码器而恢复潜像目标信息是非常复杂的，并且实际上是不可能的。

用于观察嵌入的潜像目标的解码器的钥匙空间是水印法或水印装置可能具有的安全指标。而在前面列出的现有技术专利的钥匙空间非常小。通过谨慎分析或本领域专家的暴力攻击就可能找到钥匙空间。作为示例，图501，502和503示出带有/不带有相位调制的规则图案。从密码学的观点来看，这些水印层的问题在于钥匙的空间太小了。显然，通过观察水印一个人可以很容易地导出钥匙参数。

通过基本水印层的线性和非线性映射，钥匙空间可以由两个因素而扩展变大。为了使得钥匙空间进一步扩展从而增加隐藏信息的安全性，水印层可以进一步推广为2-D空间中的随机图案。

根据信息理论，当潜像目标被随机地分布时其信息量可以达到最大。在一个随机图案水印层中，随机分布的信息被分成两部分：水印层基于一个部分生成，同时解码器基于另外一个部分生成。因此，水印层和解码器都持有关于潜像目标的信息。只有当水印层和解码器都出现时，潜像才能够被复原。

基于潜像目标g(x，y)和随机函数r(x，y)(其随机地归0或者1)，可以产生两个函数g_w(x，y)和g_d(x，y)。然后，函数g_w(x，y)用相位调制被编码成水印层的栅格，同时g_d(x，y)也以相位调制被编码成解码器的线栅。注意，g_w(x，y)，g_d(x，y)和g(x，y)的值仅为1或0。

           g_w(x，y)＝g(x，y)r(x，y)+[1-g(x，y)][1-r(x，y)]      (29)

                    g_d(x，y)＝r(x，y)    (30)

不管是通过研究g_d(x，y)还是通过研究g_w(x，y)，都不可能得到关于潜像目标的任何信息。在函数g_d(x，y)和g_w(x，y)之间存在关系。如果g(x，y)的值是1，函数g_d(x，y)等于g_w(x，y)。同时如果g(x，y)的值是0，函数g_w(x，y)等于1-g_d(x，y)。

水印层可以表示为： $w(x,y)=g_w(x,y)[1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x-n{T}_x)\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(y-n{T}_y)]+---\left(31\right)$ $[1-g_w(x,y)][1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x-n{T}_x-\frac{1}{2}{T}_x)\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(y-n{T}_y)$

而解码器为： $d(x,y)=g_d(x,y)\{1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x-n{T}_x)\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[u(y-n{T}_y)-u(y-{\mathrm{nT}}_y-T_y)]\}+---\left(32\right)$ $[1-g_d(x,y)]\{1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x-n{T}_x-\frac{1}{2}{T}_x)\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[u(y-n{T}_y)-u(y-n{T}_y-T_y)\left]\right\}$

从上述等式，可以发现当g(x，y)的值是0，在水印层和和解码器之间存在相对相位差，而当g(x，y)的值是1，在水印层和解码器之间没有相对相位差。这意味着当水印层和解码器被正确地叠放时潜像将因相对相位差的解调而显现出来。

图504，505和506是与图501，502和503相对应的随机图案水印层的例子。

由于随机图案水印层中的信息量是2的潜像目标尺寸次幂，保密水平将非常高。由于水印层和解码器都携带潜像目标的部分，单从水印层或单从解码器，实际上都不可能推出另外一个。在另一方面，随机图案水印层需要精确对齐，以揭示潜像目标。

防伪层

水印层的点图案可以是对一个或一组基本的和其它类型点图案进行一组操作的结果。这里，防伪层是一个实例。

防伪层是一个特殊的水印层，而照相复制机是潜像目标的解码器。在防伪水印层中的点图案是基于基本点阵的叠加。在该层中的潜像目标(其可以是一些诸如“复制件”的作废词语)可以被表示为：函数g_c(x，y)。该函数的值仅为0或者1。然后，该层可以被表示为函数w_c(x，y)。 $w_c(x,y)=[1-g_c(x,y)]f_a(x,y)f_a(x+\mathrm{\Δ},y+\mathrm{\Δ})+$ $g_c(x,y)f_b(x,y)f_b(x+\frac{T_b}{2},y+\frac{T_b}{2})---\left(33\right)$ $f_a(x,y)=1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x-n{T}_a)\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(y-{\mathrm{nT}}_a)---\left(34\right)$ $f_b(x,y)=1-\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x-{\mathrm{nT}}_b)\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(y-{\mathrm{nT}}_b)---\left(35\right)$

函数f_a(x，y)和f_b(x，y)代表两组基本点阵。f_a(x，y)的重复周期T_a稍微大于f_b(x，y)的重复周期T_b。并且在等式(33)中的Δ代表小的位移。

图601是这种防伪层的样本。图602是由f_a(x，y)f_a(x+Δ，y+Δ)所代表的重叠点阵的放大视图。在点阵f_a(x，y)中每个点将与另外一个点阵f_a(x+Δ，y+Δ)中的点毗连，因为Δ是一个足够小的位移。而图603是由： $f_b(x,y)f_b(x+\frac{T_b}{2},y+\frac{T_b}{2})$ 表示的叠合的点阵放大视图。由于位移T_b/2，在点阵f_b(x，y)中没有点与另外一个点阵

中的点毗连。

为了在照相复制后使潜像目标显现，在防伪层中的点尺寸须谨慎选择。其应该小于照相复制机能够取样的点尺寸。

优选的点尺寸是1/600英寸，因为大多数照相复制机的光解析度都小于600lpi。这些点在被照相复制后将消失，因为它们太小了，以致不能够由照相复制机识别。由此，那些g_c(x，y)的值等于1的区域在照相复制之后将淡出，因为在这些区域中的所有点都是隔离的，并且不能够由照相复制机取样。在另一方面，那些g_c(x，y)的值等于0的区域在照相复制之后仍将保留，因为相邻点对被看作具有相对较大的尺寸，并且能够由照相复制机取样。

注意在等式(33)中的两个频率 和

应该足够高，以超过人类视觉系统的识别极限。根据人类视觉系统的特点，防伪层的细节结构是不能仅凭肉眼而被观察到的。在灰度上，g_c(x，y)的值等于0的那些区域看起来比g_c(x，y)的值等于1的区域要亮。

防伪层与其它水印层的叠加可保护防伪层。因为防伪层的简单结构，分析该层并复制该层相对较简单。

防伪层与其它水印层的叠加也可以根据等式(18)操作。唯一必须的后处理是为潜像目标的外侧区域进行的。与此有关的图6中，图602和603分别代表在目标区域中和在非目标区域中的典型点图案。图605是叠加结果，图606是图605的照相复制结果。正如图604所示，当水印层的点613叠加到一个防伪层上时，具有由虚线方框指明的区域的所有其它点应该被去除。原理是叠加不应该改变那些g_c(x，y)的值等于1的区域的灰度。由于叠加的结果，潜像目标的内部和外部都具有相同的灰度。由于在防伪层中的结构的频率超过人类视觉系统的分辨率，对于肉眼来说其看起来好象一片连续的灰色调。图605是叠加的放大视图，图606示出了照相复制后的结果，潜像目标“P”清晰地显现出来。

在文件传送、到达和鉴证过程中的光水印

光水印可以施加在电子文本中。加到电子文本中的光水印可以被看作是一种印记，以为该文件提供鉴证。光水印的视觉外观可以被设计为管理机构的标识或印记，以提供直接的信任。嵌入的信息可以是名字，签名，和管理机构的标识，或与文件内容相关的一些数字或词语。

正如图7所示，应用案例1是一个管理机构，例如政府的移民部门，该部门为公民颁发护照。这里，光水印被固定到护照的一页上，或者作为背景，或者移民部门进行印记。护照的持有者的像片被嵌入在一层中，并且名字和出生日期被嵌入在另一层中。最好，特殊标记被嵌入在随机图案水印层中。钥匙透镜被分发给需要验证护照有效性的各方。随机钥匙可以由移民部门保留，以进行最终验证。这里，护照是由移民部门颁发的，而持有者需要由诸如其它国家的护照控制者的他方进行检验。

另外一种应用正如图8所示，该应用为一服务模式。服务提供者为客户提供传递和鉴证服务。一个客户，例如，为一个船运公司，通过该服务提供者向运货人或托运人提供一装船单。具有承运人的标识形状的光水印被放置在所有不可转让的装船单上作为背景。检验钥匙被分发银行和承运代理人，以在船运人和托运人用装船单要求金钱和货物时，实现鉴证目的。为了安全的原因，钥匙透镜可以定期地由服务提供者更换，例如每六个月换一次。

以上描述的光水印可以被很容易地应用到使用多于一种色彩的文件中，例如但不限于使不同水印层进入各种色彩空间中的不同的色彩通道。例如CMYK和RGB。

尽管上文已描述了本发明的优选实施例，但本领域技术人员应该理解的是，在不超出本发明范围的前提下还存在很多变化和改进。

Claims (45)

1.一种在文件中制造水印的方法，所述方法包括下列步骤：

a)确定所需的多层水印层的层数以及用于所述多层水印层中的每一层的点图案；

b)为所述多层水印层中的每一层选择至少一个潜像目标，并且将每个潜像目标嵌入其所对应的水印层中；

c)将所述水印层叠加在一起以形成水印；

d)为所述多层水印层中的每一层定义并生成解码器；

e)将水印施加到文件中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于所述多层水印层中的每一层点图案是在二维数字图象平面中的图案。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述点图案是基本二维点阵。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述点图案是基本二维点阵的线性坐标映射。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述点图案还包括基本二维点阵的非线性坐标映射。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述点图案是随机分布的点阵。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述点图案是对一组基本或其它类型的二维点阵进行一组操作后的结果。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，潜像目标包含对于应用非常关键的信息。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述信息来自下列一组中，该组包括：文件的复制件、空白、关键的名字和数字。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，潜像目标是通过调制方法嵌入在每个水印层中的。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，调制方法是相位调制。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，相位调制包括后处理，对沿着潜像目标的边缘发生的任何突然移相进行平滑。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，解码器具有与水印层的载体点图案的点图案结构相关的解码器结构，并且处于潜像目标所嵌入的方向。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述相关关系是从下列一组中选出的：相同的和混合的。

15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在调制之后，水印层和其解码器分别携带潜像目标的信息的一部分，所述部分信息是基于潜像目标和随机函数而生成的。

16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，水印层彼此不同，并且具有足够的差别，以避免因其叠加而造成其间的干涉。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，水印层中的一个是防伪层，用于该防伪层的解码器是照相复制机。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在水印层与防伪层叠加之后，还包括后处理步骤，以去除那些在非目标区域中过于接近相邻点的点。

19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当该方法被包含在印制文件以进行保护和鉴证的方法中时，还包括下列步骤：

a)在印制之前检查文件的真实性和版权；

b)根据权利要求1所述的方法生成水印；

c)控制印制过程，以保护文件和水印不受到攻击；

d)生成解码装置，并分发解码装置以便能够验证文件的真实性。

20.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，水印可推广到彩色文件。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，水印层处于各个色彩空间中的不同色彩通道。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，可采用颜色空间CMY/CMYK，HIS，XYA，Yuv和RGB。

23.一种用在文件上的水印，水印包括：

a)所需的多层水印层，所述多层水印层中的每一层为点图案；

b)嵌入各水印层中的至少一个潜像目标；

c)水印层叠加在一起以形成水印。

24.根据权利要求23所述的水印，其特征在于，用于所述多层水印层中的每一层的点图案是限定在二维数字图象平面中的图案。

25.根据权利要求24所述的水印，其特征在于，所述点图案是基本二维点阵。

26.根据权利要求24所述的水印，其特征在于，所述用于水印的点图案是基本二维点阵的线性坐标映射。

27.根据权利要求26所述的水印，其特征在于，所述点图案还包括基本二维点阵的非线性坐标映射。

28.根据权利要求24所述的水印，其特征在于，所述点图案是随机分布的点阵。

29.根据权利要求24所述的水印，其特征在于，所述点图案是对一组基本或其它类型的二维点阵进行一组操作后的结果。

30.根据权利要求23所述的水印，其特征在于，潜像目标包含对于应用非常关键的信息。

31.根据权利要求30所述的水印，其特征在于，所述信息来自下列一组中，该组包括：文件的复制件、空白、关键的名字和数字。

32.根据权利要求23所述的水印，其特征在于，潜像目标是通过调制嵌入在每个水印层中的。

33.根据权利要求24所述的水印，其特征在于，调制是相位调制。

34.根据权利要求33所述的水印，其特征在于，对沿着潜像目标的边缘发生的任何突然移相进行了平滑。

35.根据权利要求33所述的水印，其特征在于，还包括用于每个水印层的解码器，所述解码器具有与水印层的载体点图案的点图案结构相关的解码器结构，并且处于潜像目标所嵌入的方向。

36.根据权利要求35所述的水印，其特征在于，所述相关关系是从下列一组中选出的：相同的和混合的。

37.根据权利要求35所述的水印，其特征在于，在调制之后，水印层和其解码器分别携带潜像目标的信息的一部分，所述部分信息是基于潜像目标和一随机函数而生成的。

38.根据权利要求23所述的水印，其特征在于，水印层彼此不同，并且具有足够大的差别，以避免因其叠加而造成的其间的干涉。

39.根据权利要求35所述的水印，其特征在于，水印层中的一个是防伪层，用于该防伪层的解码器是照相复制机。

40.根据权利要求39所述的水印，其特征在于，在水印层与防伪层叠加之后，去除那些在非目标区域中过于接近相邻点的点。

41.根据权利要求23所述的水印，其特征在于，所述水印被包含在文件上或文件中，以起到保护和鉴证作用。

42.根据权利要求41所述的水印，其特征在于，水印被包括在文件上或文件中，作为从下列一组中选出的图案，该组包括：背景，印记，标识，图形花纹，商标和词语。

43.根据权利要求23所述的水印，其特征在于，所述水印是彩色的。

44.根据权利要求43所述的水印，其特征在于，水印层处于各个色彩空间中的不同色彩通道。

45.根据权利要求44所述的水印，其特征在于，可采用颜色空间CMY/CMYK，HIS，XYA，Yuv和RGB。

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