专色印刷图像数字水印方法及系统技术方案

本发明专利技术基于专色印刷中颜色空间的转换原理，结合IWT和SVD提出了一种专色印刷图像数字水印方法及系统。该方法和系统将载体图像分解成专色通道，对专色通道进行IWT转换，然后将水印信息直接嵌入一级IWT各子带的奇异值中；为提高水印安全性，对水印图像进行Arnold置乱加密处理，并在嵌入水印的图像的U和V中嵌入一个能够抵抗印刷‑扫描过程的数字签名；为提高数字签名和水印的鲁棒性，提出了扫描专色图像的阶调校正模型，对扫描图像进行校正，然后提取数字签名进行验证，验证通过则提取水印信息。本发明专利技术在水印透明性、鲁棒性和容量方面表现优良，能够抵抗胶版印刷‑扫描过程，且算法复杂度低，执行效率高，提取时间不到1秒。

【技术实现步骤摘要】
专色印刷图像数字水印方法及系统
本专利技术属于印刷图像数字水印
，具体涉及一种专色印刷图像数字水印方法及系统。
技术介绍
印刷图像的颜色再现有两种方式：第一种是减色法再现，使用青(C)、品红(M)、黄(Y)和黑(K)油墨套印实现彩色图像的复制；第二种是专色印刷再现，是指采用CMYK四色墨以外的其他油墨来复制原稿颜色的方式。如图1所示，专色PANTONE168C使用四色印刷时，可分解为C、M、Y和K四个通道，而使用专色印刷时只分解成一个专色通道。因此，专色印刷图像可嵌入水印信息的通道更少，对水印算法的鲁棒性和透明性要求更高。当彩色原稿的颜色超出了四色印刷的色域范围，或者需要产生如珠光、荧光等特殊的效果，无法用四色套印实现颜色的准确复制，需要调制特定的专色印刷，其广泛应用于包装印刷、艺术品印刷和高保真印刷领域。近些年来印刷图像数字水印已取得了一些成果，但这些算法都是针对CMYK四色印刷工艺而提出的，专色不能分解成CMYK成分，因此，并不适用于专色印刷。专色印刷信息通道少，对水印鲁棒性、透明性和容量提出了更高的要求。2003年，Alattar,O.和Reed,A.等人首次提出了专色数字水印算法，首先计算专色亮度映射因数和黄色饱和度对水印信号进行调制，再嵌入专色通道中，同时通过强度因数对每一个像素进行动态调整，算法对大部分专色是有效的，但对部分专色是无效的，如：银光黄、银光金、银色和金色等；2015年，ReedA.和FillerT.等人提出包装印刷中专色水印算法，该算法将一定比例的专色使用CMY三色叠印，在CMY三色通道中嵌入水印信息，如PANTONE221专色，可以分解为75％的专色通道和25％的CMY通道叠加，水印在25％的CMY通道中嵌入，但是使用CMY模拟专色会产生一定的色差，而且额外增加了C、M和Y三个印版，增加了印刷成本。近些年来，为了提高水印的鲁棒性、透明性和容量，提出了不同转换相结合的水印算法，可以利用这些转换的不同特征达到预期的效果，其中基于小波变换和奇异值分解(SVD)的混合转换域水印最受关注。图像的SVD是将图像矩阵分解为两个正交矩阵(U和V)和一个奇异值矩阵S，基于SVD的混合转换域水印的最大优点是图像的奇异值稳定性非常高，在奇异值S中嵌入水印的方法具有很高的鲁棒性，同时图像质量能得到保证，水印容量较大，可以嵌入灰度图像，适用于信息通道少的专色图像。然而，SVD水印算法也存在缺陷，基于SVD水印算法在嵌入水印信息时只使用了载体图像的奇异值特征向量S，由于图像的奇异值S仅仅代表了图像的亮度信息，而U和V两个正交矩阵体现了图像的纹理和几何结构特征，如果在提取水印时，使用U和V与没有嵌入水印的图像的S向量合成，也可重构出一幅与原始水印图像结构相似的图像，从而造成检测安全问题。针对此问题，基于数字签名机制解决方案是较成熟，但抵抗印刷的鲁棒性有待提高。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种适用于专色印刷的图像水印方法，该方法基于专色印刷复制原理，利用IWT变换良好的重构特性和SVD变换的高稳定性，提出了满足专色印刷工艺的鲁棒水印算法。本专利技术的专色水印算法在水印透明性、鲁棒性和容量方面均有更加优良的表现，能够抵抗胶版印刷-扫描过程，且算法复杂度低，执行效率高。本专利技术采用了以下技术方案：专色印刷图像数字水印方法，步骤如下：(1)水印预处理对水印图像进行Arnold置乱加密处理，生成置乱加密的水印图像信息；(2)专色分色对彩色图像使用纽介堡数学模型进行专色墨量的计算，获得专色分色图；(3)水印嵌入对专色分色图进行Haar提升整数小波分解，获得LL、HL、LH和HH四个子带；对各子带进行SVD分解，获得各子带奇异值矩阵；各子带SVD分解后的奇异值矩阵中使用加性水印算法嵌入置乱加密的水印图像信息，并再次进行SVD分解，得到嵌入水印信息的奇异值矩阵；最后，进行逆SVD和IWT(整数小波变换)操作，得到嵌入水印后的专色分色图像；(4)数字签名生成在步骤(3)中，在各子带奇异值矩阵Si中加入水印信息，并对其进行了再次SVD分解得到嵌入水印信息的奇异值矩阵，同时也获得和矩阵，使用各子带的和矩阵生成数字签名；(5)数字签名嵌入在步骤(3)得到嵌入水印后的专色分色图像中，嵌入数字签名；(6)出版印刷对含数字签名和水印的信息的专色分色图进行加网制作印版，并使用专色印刷；(7)扫描专色印刷图像扫描专色印刷图像，专色图像扫描成灰度图像；(8)校正扫描图像当专色图像扫描成灰度图像时，不同的专色其阶调范围不同，即分色图上相同的网点面积率使用不同的专色印刷之后，转换成的灰度值不尽相同，相同的油墨覆盖率不同的专色扫描转换后的灰度值不同，通常，专色越明亮越鲜艳，转换成灰度后的图像阶调失真越严重，为了校正扫描后灰度图像的阶调失真，使用专色梯尺，为每一个专色建立阶调校正模型，根据扫描后灰度梯尺上每个色块的平均灰度值和专色分色图上的梯尺每个色块的灰度值，生成专色网点转移曲线；根据专色网点转移曲线建立校正曲线，使用校正曲线对专色印刷扫描成的灰度图像的阶调进行校正；(9)数字签名提取和验证在校正后的灰度图像中提取数字签名并验证，若数字签名与生成的数字签名匹配，则继续水印信息提取，否则，终止程序；(10)水印提取对校正后含水印信息的灰度图进行一级IWT转换，生成LL、HL、LH和HH四个子带；对所有子带进行SVD分解，使用水印嵌入的逆过程从各个子带中提取的水印信息。进一步地，所述的专色分色，使用纽介堡数学模型进行专色墨量的计算，获得专色分色图，专色图像的L*、a*和b*是已知的，使用公式(ⅰ)获得三刺激值X、Y和Z值，使用公式(ⅱ)计算得到原彩色图像每个像素的专色网点面积率as，印刷图像通过网点的大小(即网点面积率)或频率呈现原稿的阶调，因此印刷前必须将原稿的像素值转换成网点面积率；式中：X、Y、Z为颜色的三刺激值，Xr、Yr、Zr为CIE标准照明体的三刺激值，L*为颜色的明度，a*和b*为颜色的色度；式中：X0、Y0和Z0是纸张的三刺激值；进一步地，所述的水印嵌入，采用如下方法进行：(1)对专色分色图进行Haar提升整数小波分解，获得LL、HL、LH和HH四个子带；(2)对各子带进行SVD分解，如式(ⅲ)所示：式中：i表示LL、HL、LH和HH子带，Ai表示图像矩阵，Ui和Vi表示SVD分解后的正交矩阵，Si是Ai的奇异值矩阵，T表示转置；(3)在各子带的奇异值矩阵Si中嵌入置乱加密的水印图像信息，水印嵌入公式如式(ⅳ)所示：式中：W为置乱加密后的水印图像信息，α为水印强度，Si是Ai的奇异值矩阵，是嵌入置乱加密的水印图像信息后的奇异值矩阵，和是嵌入水印信息后SVD分解得到的正交矩阵；(4)使用嵌入置乱加密的水印图像信息后的对各子带进行逆SVD操作，产生嵌入水印后的IWT系数，如式(ⅴ)所示，然后进行逆IWT操作，产生含水印的专色分色图像AW；式中：A′i表示逆SVD操作后生成的各子带图像矩阵，是嵌入置乱加密的水印图像信息后的奇异值矩阵，Ui和Vi表示原各子带图像矩阵Ai进行SVD分解后的正交矩阵。进一步地，所述的水印提取，其提取方法步骤如下：(1)对校正后含水印信息的灰度图A*W进行一级IWT转换，生成LL、HL、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.专色印刷图像数字水印方法，其特征在于，步骤如下：(1)水印预处理对水印图像进行Arnold置乱加密处理，生成置乱加密的水印图像信息；(2)专色分色对彩色图像使用纽介堡数学模型进行专色墨量的计算，获得专色分色图；(3)水印嵌入对专色分色图进行Haar提升整数小波分解，获得LL、HL、LH和HH四个子带；对各子带进行奇异值分解，获得各子带奇异值矩阵Si；在各子带SVD分解后的奇异值矩阵中使用加性水印算法嵌入置乱加密的水印图像信息，并再次进行SVD分解，得到嵌入水印信息的奇异值矩阵

【技术特征摘要】
1.专色印刷图像数字水印方法，其特征在于，步骤如下：(1)水印预处理对水印图像进行Arnold置乱加密处理，生成置乱加密的水印图像信息；(2)专色分色对彩色图像使用纽介堡数学模型进行专色墨量的计算，获得专色分色图；(3)水印嵌入对专色分色图进行Haar提升整数小波分解，获得LL、HL、LH和HH四个子带；对各子带进行奇异值分解，获得各子带奇异值矩阵Si；在各子带SVD分解后的奇异值矩阵中使用加性水印算法嵌入置乱加密的水印图像信息，并再次进行SVD分解，得到嵌入水印信息的奇异值矩阵最后，进行逆SVD和IWT操作，得到嵌入水印后的专色分色图像；(4)数字签名生成在步骤(3)中，在各子带奇异值矩阵Si中加入水印信息，并对其进行了再次SVD分解得到嵌入水印信息的奇异值矩阵同时也获得和ViTW矩阵，使用各子带的和ViTW矩阵生成数字签名；(5)数字签名嵌入在步骤(3)得到嵌入水印后的专色分色图像中，嵌入数字签名；(6)出版印刷对含数字签名和水印信息的专色分色图进行加网制作印版，并使用专色印刷；(7)扫描专色印刷图像扫描专色印刷图像，专色图像扫描成灰度图像；(8)校正扫描图像使用专色梯尺，为每一个专色建立阶调校正模型，根据扫描后灰度图像的梯尺上每个色块的平均灰度值和专色分色图上的梯尺每个色块的灰度值，生成专色网点转移曲线，根据专色网点转移曲线建立校正曲线，使用校正曲线对专色印刷扫描成的灰度图像的阶调进行校正；(9)数字签名提取和验证在校正后的灰度图像中提取数字签名并验证，若数字签名与生成的数字签名匹配，则继续水印信息提取，否则，终止程序；(10)水印提取对校正后含水印信息的灰度图进行一级IWT转换，生成LL、HL、LH和HH四个子带；对所有子带进行SVD分解，使用水印嵌入的逆过程从各个子带中提取水印信息。2.根据权利要求1所述的专色印刷图像数字水印方法，其特征在于，所述的专色分色，使用纽介堡数学模型进行专色墨量的计算，获得专色分色图，专色图像的L*、a*和b*是已知的，使用公式(ⅰ)获得三刺激值X、Y和Z值，使用公式(ⅱ)计算得到原彩色图像每个像素的专色网点面积率as；式中：X、Y、Z为颜色的三刺激值，Xr、Yr、Zr为CIE标准照明体的三刺激值，L*为颜色的明度，a*和b*为颜色的色度；式中：X0、Y0和Z0是纸张的三刺激值。3.根据权利要求1所述的专色印刷图像数字水印方法，其特征在于，所述的水印嵌入，采用如下方法进行：(1)对专色分色图进行Haar提升整数小波分解，获得LL、HL、LH和HH四个子带；(2)对各子带进行SVD分解，如式(ⅲ)所示：Ai＝UiSiViT(ⅲ)式中：i表示LL、HL、LH和HH子带，Ai表示图像矩阵，Ui和Vi表示SVD分解后的正交矩阵，Si是Ai的奇异值矩阵，T表示转置；(3)在各子带的奇异值矩阵Si中嵌入置乱加密的水印图像信息，水印嵌入公式如式(ⅳ)所示：式中：W为置乱加密后的水印图像信息，α为水印强度，Si是Ai的奇异值矩阵，是嵌入置乱加密的水印图像信息后的奇异值矩阵，和ViTW是嵌入水印信息后SVD分解得到的正交矩阵；(4)使用嵌入置乱加密的水印图像信息后的对各子带进行逆SVD操作，产生嵌入水印后的IWT系数，如式(ⅴ)所示，然后进行逆IWT操作，产生含水印的专色分色图像AW；式中：A′i表示逆SVD操作后生成的各子带图像矩阵，是嵌入置乱加密的水印图像信息后的奇异值矩阵，Ui和Vi表示原各子带图像矩阵Ai进行SVD分解后的正交矩阵。4.根据权利要求3所述的专色印刷图像数字水印方法，其特征在于，所述的水印提取，其提取方法步骤如下：(1)对校正后含水印信息的灰度图进行一级IWT转换，生成LL、HL、LH和HH四个子带；(2)对所有子带进行SVD操作：(3)用式(ⅵ)提取水印：式中：Wi*即为从各个子带中提取的水印。5.根据权利要求3所述的专色印刷图像数字水印方法，其特征在于，所述的数字签名生成，其生成方法的步骤如下：(1)将四个子带的二维正交矩阵和ViTW转换到一维；(2)使用安全哈希算法SHA-1算法对和ViTW进行哈希运算，如式(ⅶ)所示：式中：i代表LL，LH，HL和HH子带；(3)将和Digest_ViTW转换为相应的二进制，并进行异或运算，记为R1i；(4)设定一个密钥并将其转换成二进制R2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王彩印，李超，
申请(专利权)人：大连工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21