金真伊 李德

摘 要： 本文提出一种在理想实验环境中可以抗打印扫描攻击的大容量文本水印算法，该算法首先对文本图像进行字符切分，以字符复杂度为标准将字符图像分为嵌入部分、调整部分和去除部分，对嵌入部分和调整部分的每块字符图像再次切分。根据切分出的字符图像，以打印扫描不变量为基础，建立量化函数，通过分别翻转单个字符图像切分部分的的像素边界点，实现水印的嵌入。该方法考虑到人类视觉系统的掩蔽特性，嵌入水印信息后的文本图像视觉效果良好，经实验，该方法可以抵抗常见的噪声攻击以及缩放攻击，实现了水印的全盲提取。

关键词： 文本水印;量化;大容量

数字水印的基本方法是利用载体冗余数据来嵌入水印信息的，可以避免引起感官系统的察觉，而文本对于图像、聲音、及视频等多媒体数据而言，冗余度较小，所以，目前基于频域的文本水印嵌入方法，嵌入水印后的图像视觉效果并不理想，这给文本水印的发展带来了极大的难题[1-2]。基于翻转字符像素的水印嵌入方法可以保持较好的视觉效果，这给文本水印的发展带来了新思路，但该方法单个字符嵌入容量过低，而整体的嵌入量也依赖于字符图像的多少，比如证书类的文本文件字数都相对较少，因此，提高单个字符嵌入量显得尤为重要[3-4]。

本文针对抗打印扫描水印算法容量较小的问题，在保证嵌入水印后整体视觉效果不变的前提下，提出一种基于字符像素翻转的大容量且抗打印扫描攻击的文本水印算法。经实验表明，该算法具有很好的不可感知性，并且可以抵抗打印扫描攻击，具有很好的鲁棒性。

1 水印的嵌入和提取方案

1.1 水印嵌入过程

Step1将文本图像进行二值化处理后，对图像进行字符切分，根据切分出来的字符图像设置像素复杂度的阈值为T，作为去除字符图像的复杂度参数。将文本图像分为三个部分，分别为嵌入部分A，调整部分B和去除部分C。然后计算出整体字符图像黑色像素的平均值;

Step2将单个字符图像再一次进行切分，每个字符图像被切分成为四份，分别对每一份图像里的字符像素分别进行处理;

Step3计算出嵌入部分A中的每个字符内部的四个像素块中，黑色像素的翻转量，并计算出嵌入部分的所有像素改变量之和;

Step4使整体字符像素数保持不变，需要根据嵌入部分字符像素改变量的总和对调整部分字符进行翻转。

Step5如翻转量大于0时，找响应数目的白色边界点进行翻转;如翻转量小于0时，要找相应数目的黑色边界点进行翻转，从而实现水印的嵌入。

1.2 水印提取过程

Step1将嵌入水印的文本图像按照与水印嵌入相同的方式进行字符切分，将所有字符分为嵌入部分、调整部分和去除部分;

Step2对单个字符像素再一次进行切分，将每个字符图像切分成四份图像，对每一份图像中的字符像素分别进行处理;

Step3分别计算出A和B中字符图像中包含的黑色像素，计算整体字符图像黑色像素的平均值;

Step4用奇偶量化方法对单个字符里的四个字符块分别进行提取。

2 实验结果及分析

为了提高算法的抗变换性，在水印提取时采用众数原则，即对提取出的对应于同一水印信息的3比特数据按照取值0或1的多少来决定最后的水印信息。

对比了原始图像与嵌入水印后的图像后发现，除了单个字符图像的比划略微变粗或变细，几乎看不出其他明显的差别，所以，嵌入水印后的文本图像具有较好的不可感知性。图像在受到椒盐攻击及高斯攻击后，仍能够提取出的水印，且误码率在允许的范围之内;对此文本图像进行缩放攻击，缩放到85%，BER为0.06，在误码率允许的范围内，即与原始水印信息有很高的相似性。所以，此算法可以抵御一定程度上的缩放攻击、高斯攻击以及椒盐攻击。

3 结论

本文中为了使字符得到充分的翻转，在算法中引入了字符复杂度的概念，去除不能充分翻转的字符，提高算法的抗变换性。在保证一定鲁棒性的同时实现了单个字符嵌入量的提升。通过实验可以看出本算法实现了全盲检测的同时，使嵌入水印后的文本图像表现出很好的视觉效果，人眼几乎很难察觉到文档被修改过，并且能够抵抗椒盐攻击、高斯攻击以及缩放攻击。本算法是在理想实验环境中实现的，但在实际应用中，还有一些辅助因素要考虑，如对扫描后的图像进行文档纠偏，去噪，找到有效的文字块区域等，这对实际应用的成功都是至关重要的，下一步要解决这些辅助因素，将本方法应用到实际中去。

参考文献：

[1]BARNEY S，QIU X.Statistical image differences，degradation feature and character distance metrics[J].International Journal of Document Analysis and Recognition，2004，6（3）：146-153.

[2]潭论正，朱宁波，孙星明.基于文档图像的抗打印-扫描数字水印技术.计算机应用研究，2007，24（12）：112-116.

[3]郭承青，徐国爱，钮心忻，李洋.抗打印扫描攻击的大容量文本水印.应用科学学报，2011，3，29（2）：95-102.

[4]亓文法，李晓龙，杨斌，程道放.用于信息追踪的文本水印算法[J].通信学报，2008，29（10）：183-190.