樊東霞

（中國福利彩票發(fā)行管理中心數(shù)據(jù)部，北京 100101）

0 引言

彩票是指國家為籌集社會公益資金，促進(jìn)社會公益事業(yè)發(fā)展而特許發(fā)行、依法銷售，自然人自愿購買，并按照特定規(guī)則獲得中獎機(jī)會的憑證［1］。目前，市面上主流的彩票品種有即開型、數(shù)字型、樂透型、競猜型、基諾型等多種類型，即開型彩票指由發(fā)行機(jī)構(gòu)預(yù)先設(shè)定游戲名稱、面值、獎組、玩法規(guī)則和獎級結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，并組織印制發(fā)行的即買、即開、即兌型彩票品種［2］。

本文探討的是即開型彩票的防偽印刷，目前印刷防偽主要通過專用紙張、專用油墨、激光防偽等技術(shù)，存在成本過高、工藝繁瑣復(fù)雜、防偽有效期短等不足。如何在保證效果的前提下，降低防偽成本變成彩票機(jī)構(gòu)需要研究解決的課題。本文提出通過數(shù)字水印技術(shù)達(dá)到防偽目的，水印檢測率高、安全性高，能夠驗(yàn)證即開票的真?zhèn)?，防止不法分子偽造，同時水印技術(shù)成熟便捷，能夠顯著降低防偽成本。

1 數(shù)字水印技術(shù)

1.1 數(shù)字水印簡介

數(shù)字水印技術(shù)是一種有效的信息隱藏與安全維護(hù)技術(shù)，最初是為了在開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下表征數(shù)字產(chǎn)品產(chǎn)權(quán)而設(shè)計(jì)發(fā)明的。數(shù)字水印能夠在不影響原始數(shù)據(jù)的價值和使用的情況下，將圖像、文字、符號、數(shù)字等一切可以作為標(biāo)記的數(shù)字信息與原始數(shù)據(jù)緊密結(jié)合并隱藏其中，原始數(shù)據(jù)又稱為載體，可以是文本、音頻、圖像、視頻等格式。

數(shù)字水印需具備以下幾個特征：①抗篡改性，數(shù)字水印是難以偽造或改變的；②隱蔽性，數(shù)字水印的嵌入不影響載體的使用效果；③穩(wěn)健性，數(shù)字水印難以被去除；④標(biāo)識性，數(shù)字水印的容量要足以表達(dá)所有者的標(biāo)識；⑤安全性，水印算法應(yīng)該是公開的，不通過算法保證數(shù)字水印的安全。

數(shù)字水印常用的分類有以下幾種：①根據(jù)數(shù)字水印的載體數(shù)據(jù)，分為圖像水印、文本水印、音頻水印、網(wǎng)格水印等；②根據(jù)數(shù)字水印的用途，分為證件防偽、版權(quán)標(biāo)識、篡改提示等；③根據(jù)數(shù)字水印的應(yīng)用要求，分為魯棒性水印和脆弱性水?。?］。魯棒性水印要求水印經(jīng)得起變換處理或圖像攻擊，比如壓縮、位移等；脆弱性水印對變更敏感，用于完整性保護(hù)。

1.2 數(shù)字水印算法

以圖像為載體的數(shù)字水印算法，根據(jù)數(shù)字水印的嵌入位置，可分為空間域水印和變換域水印。

1.2.1 空間域算法

指對數(shù)字圖像在空間域上進(jìn)行處理的一類算法，這類算法一般處理速度較快，但是水印魯棒性較差，容易遭受攻擊被破壞。常見的空間域算法有最低有效位（LSB）法、拼湊（Patchwork）算法等。

1.2.2 變換域算法

指通過傅里葉變換（DFT）、離散余弦變換（DCT）、小波變換等將圖像從空間域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的頻率域，在頻率域進(jìn)行處理后，再反轉(zhuǎn)變換到空間域的一類算法。相對空間域算法，變換域算法更復(fù)雜，計(jì)算量更大，但魯棒性更強(qiáng)。

1.3 數(shù)字水印在印刷域應(yīng)用

隨著近年來信息處理技術(shù)和科技工業(yè)的發(fā)展，高精度的掃描儀、高質(zhì)量的打印機(jī)等圖像處理設(shè)備和功能強(qiáng)大的圖像處理軟件取得長足發(fā)展并在市場上廣泛應(yīng)用，給人們生活提供便利的同時，也使得證件、票據(jù)等重要文件的篡改偽造變得更加簡單。

數(shù)字水印防偽技術(shù)在印刷業(yè)應(yīng)用指的是將水印隱藏在印刷載體中，人眼不可見，但通過特定的設(shè)備或者軟件可以識別檢測。水印信息需要一直存在于印刷載體中，不能因?yàn)榈攸c(diǎn)、時間的變換而產(chǎn)生變換，同時數(shù)字水印技術(shù)與印刷設(shè)備、材料無關(guān)，不會增加額外的印刷成本。由于水印是不可見的，嵌入的位置又是隨機(jī)的，水印信息難以被輕易識別和偽造，提高了該技術(shù)的安全系數(shù)。

目前，印刷品防偽和版權(quán)保護(hù)方面的數(shù)字水印應(yīng)用，在市場推廣已有一定進(jìn)展，例如：在傳統(tǒng)媒體或票據(jù)中隱藏不可見的數(shù)字水印，通過網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)掃描，可推送與傳統(tǒng)媒體或票據(jù)相關(guān)的網(wǎng)址，并顯示相關(guān)屬性信息。通過數(shù)字水印阻止商標(biāo)及重要文檔的偽造、盜版和篡改。通過數(shù)據(jù)水印鑒定載體來源、證實(shí)載體完整性、判斷是否被篡改以及定位篡改的位置。

2 即開型彩票防偽

彩票具備娛樂、公益的屬性，尤其即開票主題豐富、畫面精美、文化承載能力強(qiáng)，豐富多彩的票面設(shè)計(jì)能吸引彩民購彩、宣傳公益理念，有利于文化的傳播。2021年，高頻快開游戲全面退市后，即開型彩票抓住時機(jī)，乘勢而上，市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，當(dāng)年即開票銷量達(dá)540多億元，創(chuàng)下歷年銷量新高。

高額的獎等、大規(guī)模的市場份額、購彩者無須實(shí)名的特點(diǎn)，使得即開票很容易成為不法分子的目標(biāo)，在此場景下，即開票如何高效并且低成本地防偽變得至關(guān)重要。本文設(shè)計(jì)用哈希算法結(jié)合隨機(jī)數(shù)列生成的水印信息，并通過DCT算法嵌入到即開票的印刷圖像標(biāo)識中，通過掃描設(shè)備和專門的應(yīng)用軟件檢測即開票印刷圖像中的數(shù)字水印，水印防偽流程如圖1所示。

圖1 水印防偽流程圖

假如不法分子利用彩票掃描后圖像再次印刷偽造，一般流程如圖2所示。

圖2 偽造流程

由圖2可以看出，偽造即開票多了一次掃描印刷的過程，由于電子電路的不穩(wěn)定性會不可避免地產(chǎn)生噪聲，所以圖像在打印掃描的過程中，幾乎都存在一定程度的失真問題，包括明暗差距、影像偏色、幾何失真等。通過對比原始水印與掃描提取出的水印信息，根據(jù)水印信息的相似程度可以判斷即開票真?zhèn)巍?/p>

2.1 數(shù)字水印的生成

針對不同游戲不同批次的即開票產(chǎn)品，可由發(fā)行機(jī)構(gòu)選擇根據(jù)游戲編碼、即開票票號、批次編號作為水印生成要素，通過哈希算法結(jié)合隨機(jī)數(shù)列生成水印信息。

世界上廣泛應(yīng)用的哈希算法包括MD5與SHA系列，哈希算法能夠?qū)θ我忾L度的輸入信息進(jìn)行壓縮或者填充，輸出固定長度的哈希值，輸出信息的長度只取決于所使用的哈希算法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，MD5和SHA1已相繼被破解，本文采用更加安全的SHA256哈希算法，該算法的輸出是256位的二進(jìn)制串，可以表示為

為了增強(qiáng)水印的魯棒性，通過隨機(jī)數(shù)發(fā)生器生成兩個偽隨機(jī)實(shí)數(shù)序列K1，K0：

重新組合生成偽隨機(jī)數(shù)列W：

將W順序按行轉(zhuǎn)換為16×16的方陣，作為水印信息存儲在系統(tǒng)后臺。

不同的即開票對應(yīng)了不同的游戲編碼、票號，作為水印的生成要素，利用哈希算法單向、不可逆的特性，保證了數(shù)字水印的安全性、標(biāo)識性和抗篡改性，結(jié)合隨機(jī)數(shù)列能夠保證數(shù)字水印具有隨機(jī)性，增加了不法分子偽造的難度。

2.2 數(shù)字水印的嵌入

數(shù)字水印可以選擇嵌入到載體的任意位置，比如選擇嵌入在即開票面的中國福利彩票標(biāo)識的徽標(biāo)圖像中。圖像在計(jì)算機(jī)的存儲可表示為數(shù)學(xué)中M行N列的二維矩陣，矩陣中的數(shù)值表示圖像對應(yīng)位置上像素的顏色信息，數(shù)字圖像的處理實(shí)質(zhì)是矩陣的各種數(shù)學(xué)運(yùn)算和處理。在常用的圖像格式文件中，由于BMP格式是不使用壓縮技術(shù)處理的位圖圖像，雖然格式簡單，但往往圖片過大不利于存儲，JPG格式采用有損壓縮技術(shù)除去冗余信息，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，所以即開票采用可支持無損壓縮技術(shù)的PNG格式作為即開票畫面圖像的電子文件格式。PNG格式支持RGB真彩色圖像，圖像中每一個像素的長度是24位，由R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）三原色疊加組成，數(shù)據(jù)類型是8位無符號整型，所以每一種顏色的取值范圍為0x00～0xFF，能夠很好地展示彩票的票面設(shè)計(jì)。RGB真彩色圖像用三維矩陣表示，即M×N×3，三個矩陣分別表示對應(yīng)行列值位置上的像素顏色分量。

基于人類視覺系統(tǒng)（HVS）的研究表明，人眼對藍(lán)色的敏感性最弱，所以選擇將水印嵌入到藍(lán)色通道效果最好。作為載體圖像的PNG格式大小一般為幾十KB到幾MB，遠(yuǎn)大于數(shù)字水印的字節(jié)長度，利用載體圖像的冗余信息足以嵌入數(shù)字水印。

在印刷的過程中圖像會不可避免地失真，因此需要選擇具備強(qiáng)魯棒性的水印。本文采用DCT算法作為數(shù)字水印的嵌入算法，DCT算法是DFT算法的特殊變種，具備計(jì)算復(fù)雜性相對簡單，信息聚集能力和隱蔽性較好的特點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的變換域算法之一。通過提取載體圖像的藍(lán)色分量，將圖像從色彩域轉(zhuǎn)換到頻率域，經(jīng)過DCT變換得到的系數(shù)矩陣表示一系列頻率中每一個頻率所對應(yīng)的變化程度。

對于M×N大小的數(shù)字圖像，DCT正變換公式為

其中：

DCT逆變換公式為

其中：x，y為空間采樣值；u，v為頻域采樣值。

在圖像取樣中選擇方陣，計(jì)算相對簡單，即N=M，二維DCT正反變換可以簡化為

對載體圖像進(jìn)行DCT變換，對變換后的某些DCT系數(shù)進(jìn)行小幅度的變換，完成水印信息的嵌入。步驟如下：

（1）DCT變換先將圖像分解為8×8大小的不重疊子像素塊Ti( )i=1,2,…,N8＞16；對每一個子塊Ti分別進(jìn)行DCT變換，對DCT分塊變換后的圖像頻率系數(shù)進(jìn)行Zig-Zag方式掃描排列，共64個DCT系數(shù)。

掃描順序如下：

（2）將對Ti掃描后的DCT系數(shù)重新排列成一維向量y={ }y1,y2,…,y64，選擇其中的16個中頻數(shù)據(jù)，取出序列中第20到35的中頻系數(shù)部分，得到Y(jié)i={Y1,Y2,…,Y16}。

在DCT系數(shù)矩陣中，左上角第一個值為直流系數(shù)，其余是交流系數(shù)。左上為直流和交流低頻系數(shù)，中間為交流中頻系數(shù)，右下為交流高頻系數(shù)。DCT算法具備可分離性和能量集中的特點(diǎn)，圖像的低頻分量反映了基本圖像，高頻分量代表圖像細(xì)節(jié)部分，DCT變換后圖像能量集中在圖像的低頻部分，黃繼武等［4］在對DCT直流系數(shù)（DC）和交流系數(shù)（AC）分量的定性和定量分析的基礎(chǔ)上，指出DC分量比AC分量更適合嵌入水印，嵌入DC分量的水印具有更好的穩(wěn)健性。因此，水印嵌入到低頻分量，具備較好的魯棒性，水印嵌入到高頻分量，魯棒性差但具備更高的不可見性，本文選擇將水印嵌入到中頻分量，實(shí)現(xiàn)魯棒性與不可見性之間的平衡。

（3）將水印信息W依次順序按行分解為16組，用Ki表示分解后其中的一組，排成一維向量。

（4）對Ti像素塊的Yi序列值進(jìn)行修改，a表示水印強(qiáng)度系數(shù)，取a=0.5。

（5）對修改后的中頻系數(shù)Y′i通過Zig-Zag逆變換形式重組，再進(jìn)行DCT逆變換，得到嵌有數(shù)字水印的圖像子塊。

（6）將圖像子塊重新組合成嵌入數(shù)字水印的圖像。

2.3 數(shù)字水印的提取

水印提取的過程是水印嵌入的逆操作，掃描需要驗(yàn)證的即開票，對掃描得到的圖像進(jìn)行水印提取，并比對后臺存儲的票號和水印信息，設(shè)原始水印信息為W，提取出的水印信息為W′，計(jì)算相似度NC（normalized correlation）驗(yàn)證該票真?zhèn)?，通用的NC計(jì)算公式如下：

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和掃描儀采用RGB彩色空間描述顏色，但是目前印刷業(yè)普遍使用的是CMYK顏色空間，由于印刷和掃描過程中圖像在不同彩色空間之間的轉(zhuǎn)換可能會引起顏色丟失、亮點(diǎn)失真等，影響水印的質(zhì)量，因此，可以根據(jù)水印信息的相似度判斷即開票的真?zhèn)?。根?jù)經(jīng)驗(yàn)正品水印的相似度NC都是大于0.7的，該技術(shù)簡單易操作、速度快、效率高，同時因?yàn)閿?shù)字水印的隱蔽性，肉眼無法察覺，不影響票面美觀，適合應(yīng)用在即開票領(lǐng)域。

3 結(jié)語

作為最具靈活性和最易獲客的產(chǎn)品類型，即開票將進(jìn)一步加大研發(fā)創(chuàng)新力度和資源投放力度，成為品牌宣傳、營銷獲客、拓展市場的彩票拳頭品類。2022年，各級彩票機(jī)構(gòu)通過派獎促銷、擴(kuò)大銷售渠道等途徑，全年銷售規(guī)模有望創(chuàng)造新高，如何高效保證即開票的安全是彩票發(fā)行機(jī)構(gòu)的必修課。

本文探索即開票的防偽設(shè)計(jì)，運(yùn)用數(shù)字技術(shù)賦能，通過數(shù)字水印技術(shù)，利用哈希函數(shù)的單向性結(jié)合隨機(jī)數(shù)列生成水印，選擇魯棒性強(qiáng)的DCT水印算法，增強(qiáng)破解難度，通過比較水印信息的相似度達(dá)到安全防偽的目的，相較于傳統(tǒng)的防偽技術(shù)，不需增加印刷材料或設(shè)備，不會改變即開票原有的設(shè)計(jì)圖案，成本低廉、效果更優(yōu)，為未來的即開票市場發(fā)展做好技術(shù)保障，有助于即開票的安全健康發(fā)展。