蔣翠玲，黃帥，吳安雯，于文欣，康周茂，李永強

（華東理工大學信息科學與工程學院，上海 200237）

基于PDF417二維條碼的頑健數字水印方法

蔣翠玲，黃帥，吳安雯，于文欣，康周茂，李永強

（華東理工大學信息科學與工程學院，上海 200237）

利用PDF417二維條碼其條塊邊角的特點，提出了一種基于條塊邊角的PDF417條碼水印方法。首先對水印信息整體進行預判，以選擇合適的黑白交界區(qū)域作為水印嵌入位置，根據水印內容對二維碼圖像的相關信息進行修改，以實現水印的嵌入和提取。實驗結果表明，此算法相比同類空間域水印算法，具有更大的水印嵌入容量和更高的圖像品質。同時，具有較好的抗JPEG壓縮、高斯噪聲和打印掃描功能，具有較強的頑健性。

二維條碼；數字水?。蝗萘?；頑健性

目前，國內外關于二維碼信息隱藏技術的文獻不是很多，研究對象主要是PDF417碼（portable data file 417）和QR（quick response）碼。文獻［3］提出結合 Freeman 鏈碼和B樣條曲線誤差對PDF417二維碼先進行預處理，再將與該圖像內容相關的散列值作為水印信息嵌入，可進行篡改驗證，容量有所提高但算法實現繁瑣，而且水印信息受限。文獻［4］利用變形技術對PDF417碼符號字符組成單元的寬度進行適量的變動以實現隱藏信息的嵌入，能有效地抗打印和掃描攻擊，但隱藏信息容量不大。文獻［5］提出了一種基于QR二維碼的證件認證技術。文獻［6］在DCT（discrete cosine transform）基礎上實現了一種結合PDF417碼的水印嵌入算法，采用PDF417編碼將水印信號擴展成比信息帶寬大得多的帶寬信號，提高了數字水印的穩(wěn)健性，該算法可有效滿足水印的透明性和頑健性要求。文獻［7］提出了一種改進的二維碼水印算法，在二維條碼中嵌入水印信息，并引入加密方法，進一步提高了水印嵌入的安全性。文獻［8］根據PDF417二維條碼自身結構特點，對其進行適量的結構微調，提出明隱藏和暗隱藏方法，將信息隱藏進條碼當中。文獻［9～11］將二維碼技術應用于身份證管理和電子票證中以實現防偽目的的認證。

2 PDF417條碼的原理及相關工作

2.1 PDF417條碼的原理

PDF417二維條碼的每一個條碼字符由4個條和4個空共17個模組構成，稱為一個字碼模塊，每個條或空的寬度都必須是單位模組寬度的整數倍，故稱為PDF417條碼，如圖1所示。條碼圖形上下以及左右各有一個被稱為空白區(qū)的區(qū)域（圖1中未顯示），除空白區(qū)外，條碼圖的組成包括起始符號區(qū)、左層指示符、數據符號區(qū)、右層指示符、終止符號區(qū)。左右空白區(qū)的目的是為了將條形碼和其他圖形符號區(qū)別開來；起始符號區(qū)和終止符號區(qū)是為了標識條碼的起始和終止位置，在所有的PDF4l7條碼中它們都是不變的；左右層指示符內容相同，都是為了指示每層圖形碼的層號；數據符號區(qū)由多個數據符號組成，編碼了圖形碼所攜帶的信息。

基于PDF417二維條碼的數字水印技術一般包括2個階段：嵌入水印信息的過程和檢測提取水印信息的過程。嵌入階段就是在PDF417二維條碼中嵌入水印信息，通常包含預處理和嵌入2個過程。提取階段是相對于嵌入階段設計合理的提取算法，將水印信息從PDF417二維條碼中提取出來。

圖1 PDF417二維條碼

2.2 相關工作

二維條碼PDF417圖像是一種特殊的二值圖像，在二值圖像中嵌入信息時，必須考慮該像素的鄰域狀況。在二值圖像中，如果在周圍全是0的區(qū)域中將一個像素由0修改成1，即在一片黑色區(qū)域中出現一個白點，則會引起明顯的圖像失真；而如果在黑白區(qū)域交接處將一個像素由0修改為l，就不會引人注意，因此，在二值圖像中嵌入信息最好在黑白區(qū)域交接處進行。

文獻［7］分析了基于二維條碼圖像圖形空間結構的水印嵌入方法，針對該類方法存在算法略顯繁冗和算法結束條件的判斷不夠清晰等問題進行了改進。文獻［8］根據PDF417二維條碼自身結構特點，對其進行適量的結構微調，提出明隱藏和暗隱藏方法，將信息隱藏進條碼當中。相比文獻［4，6，7］，文獻［8］具有更大的水印容量，并具有一定的頑健性。本文在文獻［8］算法的基礎上，提出了一種改進的基于條塊邊角的PDF417條碼的水印方法。實驗結果表明，該方法不僅提高了水印容量，兼顧了頑健性，保證了二維條碼的可讀性，并具有抗掃描打印功能。

3 基于條塊邊角的PDF417條碼水印方法

本文改進的條塊邊角空域二維碼水印算法在每一個PDF417字碼的邊界嵌入水印，通過找出每一個PDF417字符內模組寬度在2～6之間的黑條（或白空），改變每一個這樣的黑條塊（或白空）的右下角（或左下角）像素，以實現水印信息的嵌入和提取。改進算法的二維碼水印嵌入流程如圖2所示。

3.1 嵌入算法

本文改進算法的嵌入思想是將水印信息編碼成特定的比特流，首先對水印比特信息進行預判，選擇嵌入水印到“黑條”還是“白空”，然后嵌入到相應條塊符合要求的邊角像素點。

定義row：像素行數/模組高high， row也稱之為層；column：每層中的字碼模塊個數。

具體步驟如下。

1） 對水印比特信息進行預判，若所含“0”多于“1”，則選擇“黑條”嵌入；反之，則選“白空”嵌入。

2） 略去二維條碼圖像的上下左右4個靜空區(qū)后，連續(xù)讀取每兩行（第i行、第i+1行）像素值。

3） 比較每2個像素行的像素值，若相同，則轉到步驟1），繼續(xù)往下讀取，若不相同，則可確定這兩行像素為PDF417字碼的邊界處，可以在此處嵌入水印信息，同時能夠依據PDF417二維條碼的特性得到每層字碼的像素高high，方便后續(xù)尋找下一邊界的判斷。

4） 通過判斷邊界緊鄰的上一行像素值，找到邊界緊鄰的2個像素行：m和m+1，尋找m行中連續(xù)為黑（或白）的像素點達2～6個的黑條（或白空），水印信息將在黑條（或白空）的末（或首）個像素點處嵌入，及其同列的上一行（m-1行）像素點處嵌入。

圖2 本文改進算法的二維碼水印嵌入流程

5） 在加密編碼成比特流的待嵌入水印信息中取一個比特，若比特信息為0，則繼續(xù)往下進行，不做改動；若比特信息為1，則修改連續(xù)的黑像素點為白像素點；反之，同理進行。

6） 若水印信息已嵌入完畢，結束；否則，若連續(xù)點已用完，則轉到步驟2），繼續(xù)往下尋找下一邊界，若已經無邊界，則說明該二維條碼圖像不足以嵌入全部水印信息，退出。

3.2 提取算法

提取算法的主要思想：將水印信息從嵌入水印后的PDF417二維條碼圖像中提取出來，是水印嵌入的逆過程，由于嵌入水印時只用到了邊界緊鄰的上方一行像素的信息，并改變了該行某些符合要求的像素點。相應地，在提取的過程中就不需要用到多行像素的信息，只需要根據PDF417碼的特性，以嵌入過程中得到的每行堆疊字碼的像素高為依據判斷邊界，找到邊界緊鄰的上方一行，即為水印信息嵌入行。另外，由于嵌入過程中對水印信息做出了預判，相應地，提取過程需要以嵌入過程的預判結果為依據進行水印信息的提取。水印提取流程是嵌入的相反過程。具體算法步驟如下。

1） 以嵌入過程的預判結果為依據，判斷提取方法。

2） 忽略二維條碼圖像的上下左右4個靜空區(qū)后，依據二維碼生成規(guī)則，連續(xù)讀取每層字碼中的倒數3行（該3行描述為：第k行，第k+1行，第k+2行）的像素值。

3） 根據讀取的每層字碼的第k行像素值，若連續(xù)的黑（或白）像素小于2個，則轉到步驟1），依據步驟2）的規(guī)則繼續(xù)讀取下一層像素值，若連續(xù)的黑（或白）像素為2～6個，則可確定這一層字碼的第k+1行和第k+2行像素包含水印信息，且位于PDF417字碼邊界的上方，緊鄰邊界。

4） 尋找當前層的第k行中連續(xù)的黑（或白）像素為2～6個的黑條（或白空）塊，找出相應的第k+1行和第k+2行中列所對應的黑條（或白空）塊的最后（或最前）一個像素點，記錄位置。

5） 由水印嵌入算法可知，在記錄下的連續(xù)像素點中，水印信息就包含在第k+1行和第k+2行里。若這2行像素為黑，則對應水印比特信息為0；否則，若這2行像素為白，則對應水印比特信息為1；反之也成立。

重復步驟2）～步驟5），直到處理完全部二維條碼圖像。

4 實驗結果與分析

本實驗用Matlab編程實現了改進的基于條塊邊角空域二維碼水印算法，實驗樣本選取隨機生成的50～100幅二維碼圖像進行測試。以生成攜帶信息“華東理工大學信息科學與工程學院信息工程專業(yè)”的PDF417條碼圖像ecust.bmp為例，大小為43×153，水印樣本大小為8×16的二值圖像“E-white.bmp”、超鏈接“http://www.ecust.edu.cn”等。分別進行常見的3種攻擊測試：JPEG壓縮、高斯噪聲（均值為0，方差為0.01）和打印掃描攻擊（打印機、掃描儀的分辨率均為600 dpi）。本實驗中，將改進的算法與文獻［7］和文獻［8］中明隱藏算法進行比較，采用PSNR（峰值信噪比）和NC（相似度）性能指標作參數對比。PSNR反映圖像的品質，NC表示兩幅圖像的相關程度。其中，Xij載體圖像像素值；Xij為含水印信息圖像像素值；M、N為圖像的寬度和高度。

JPEG壓縮是一種常見的圖像處理操作，表1給出了改進的條塊邊角空域二維碼水印算法與文獻［8］中的算法經過JPEG壓縮時，嵌入水印圖像E-white時，2種算法的PSNR和NC參數的比較。由表1可以看出，改進算法具有相對較大的PSNR，說明在相同條件的JPEG壓縮下，改進算法的圖像失真度要小于文獻［8］中的算法，即其抗JPEG壓縮性能更佳。表2表明，改進算法的含水印二維條碼進行品質因子為20～70的JPEG壓縮后，與原二維條碼樣本圖像仍具有較高的相似性。圖3給出了在不同JPEG壓縮時的含水印二維碼圖像，從視覺上看，不同JPEG壓縮因子時的二維碼與原始二維碼及含水印的二維碼圖像非常相似。圖4給出了在不同JPEG壓縮因子時提取的水印信息，當壓縮因子低于70時，提取的水印會有不同程度的失真，但仍不影響原有二維條碼內容的識讀性。

表1 不同JPEG品質因子時算法的PSNR性能比較

表2 不同JPEG品質因子時算法的NC性能比較

表3給出了3種算法的嵌入容量比較。文獻［7］的容量公式Capacity = 4（row-1）column，其中，row·column是二維碼中字符個數，每個字符由4個條和4個空組成，條空交界處可以嵌入1 bit信息，所以理論上一個字符可以嵌入4 bit信息，因為是在行邊界嵌入水印，所以是row-1。文獻［8］中算法理論最大隱藏容量公式Capacity = 4row·column（row·column是二維碼中字符個數，每個字符由4個條4個空組成，條空交界處可以嵌入1 bit信息，所以理論上一個字符可以嵌入4 bit信息），本文改進算法的理論最大隱藏容量公式可表示為Capacity = 4row·column·2（因為采用明隱藏方式，每個黑白交界處可以嵌入2 bit信息，所以嵌入信息總量為2倍）。相比文獻［8］，本文改進算法容量擴大了2倍。當high≥3時，high值越大，本算法效果越好。表4給出了在均值為0，方差為0.01時抗高斯噪聲的3種方法性能對比。由表4可以看出，改進算法在同等高斯噪聲攻擊下，PSNR和NC值略小于其他2種方法，具有可接受的抗Gaussian噪聲性能。

圖4 不同JPEG壓縮（壓縮因子20%～70%）后提取出的水印

表3 最大嵌入容量比較

表4 抗Gaussian噪聲的性能對比

圖5表明，當加入高斯噪聲攻擊時，由于圖像有損，提取出的水印不是二值圖像，因而直觀顯示與原始水印有一定差別，但把提取出的水印轉化為二值圖像時，得到的水印與原始水印一致。

圖5 高斯噪聲攻擊

在打印機、掃描儀的分辨率均為600 dpi的條件下，嵌入水印后進行抗打印掃描測試的 PDF417二維條碼圖像如圖6所示，由于打印掃描后圖像有一定的失真度，可由視覺直觀看出，得到的二維條碼圖像放大后可看出有一定的邊緣毛刺。由于像素分辨率變化，對應水印提取過程需要先對掃描圖像進行二值化處理，然后根據算法尋找到水印嵌入行，逐行依次提取。掃描后提取的水印如圖7所示，可以看出，提取出的水印與原始水印完全一致，故該算法具有較好的抗打印掃描功能。

圖6 本文方法的嵌入水印E-white.bmp后進行打印掃描的二維條碼和其局部放大圖

圖7 打印掃描前后的水印圖像對比

同樣，使用PDF417二維條碼解碼軟件解碼后得到相關二維條碼攜帶的原始信息，未加入攻擊的嵌水印圖像和加入3種典型攻擊后得到的含水印圖像均能夠保持不失真解碼，尤其當 JPEG壓縮因子為20時，二維條碼仍然能夠保持不失真解碼，具有較高的識讀性，保證了二維條碼攜帶數據的完整性。

5 結束語

本文提出了一種基于條塊邊角的PDF417條碼水印方法，結合PDF417二維條碼自身的特點，利用其條塊邊角特點來進行水印的嵌入和提取。實驗結果表明，本文提出的算法具有較強的頑健性，同時具有較好的抗打印掃描功能，具有一定的實用價值。二維條碼與數字水印技術相結合，并推廣應用到具體相關領域是下一步深入研究的重點。

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蔣翠玲（1976-），女，湖北隨州人，博士，華東理工大學講師，主要研究方向為信息隱藏、圖像處理。

黃帥（1994-），男，安徽安慶人，華東理工大學本科生，主要研究方向為圖像處理。

吳安雯（1994-），女，江蘇南通人，華東理工大學本科生，主要研究方向為圖像處理。

于文欣（1995-），女，山東煙臺人，華東理工大學本科生，主要研究方向為圖像處理。

康周茂（1995-），男，甘肅天水人，華東理工大學本科生，主要研究方向為圖像處理。

李永強（1995-），男，福建福鼎人，華東理工大學本科生，主要研究方向為圖像處理。

Robust digital watermark method based on PDF417 two-dimension code

JIANG Cui-ling， HUANG Shuai， WU An-wen， YU Wen-xin， KANG Zhou-mao， LI Yong-qiang
（School of Information Science and Engineering， East China University of Science and Technology， Shanghai 200237， China）

A digital watermark method based on the bar-block-margin characteristics of PDF417 two-dimension code was presented. The proposed method prejudges the watermark information to choose the suitable embedding positions. According to the watermark， the information of the original PDF417 image was modified for embedding and extracting. The experimental results showed that， in comparison with the other methods in the spatial domain，the proposed method has a higher capacity and better watermarked image quality， as well as better robustness against JPEG compression， Gaussian noise and printing and scanning.

two-dimension code， digital watermark， capacity， robustness

1 引言

二維條碼是近年來在一維條碼的基礎上發(fā)展起來的一種新型條碼，從本質上來說是一種特殊的二值圖像。二值圖像即黑白圖像，其每個像素點只用一位表示，“0”代表黑，“1”代表白，其存儲簡單、結構緊湊等特點使二值圖像在數據傳真、文字識別、條碼識別中得到廣泛應用［1,2］。在二維條形碼中嵌入數字水印信息，能夠實現如電子票據二維條形碼的防偽等。PDF417二維條碼是二維碼中的一種，是一種高密度、高信息含量的便攜式數據文件。

s： The National Natural Science Foundation of China （No.61371150， No.61501187）， National University Student Innovation Program of East China University of Science and Technology （No.201510251055）， Innovation Program of East China University of Science and Technology （No.XY201505， No.2016S16065）

TP309

A

10.11959/j.issn.2096-109x.2016.00095

2016-07-12；

2016-08-28。通信作者：蔣翠玲， cuilingjiang@ecust.edu.cn

國家自然科學基金資助項目（No.61371150， No.61501187）；華東理工大學國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃基金資助項目（No.201510251055）；華東理工大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃基金資助項目（No.XY201505， No.2016S16065）