面向防偽認證的PDF417二維碼水印技術的實現

李永強++馬雪嬌++楊邁++王家峰

摘 要：利用PDF417二維條碼以模組為原子的特點，提出一種基于模組的PDF417條碼水印的方法。該方法首先將水印轉換成二進制數據，再選取PDF417二維條碼中符合特定條件的區域作為水印信息的嵌入點，根據待嵌入的水印信息值修改二維碼圖像的像素值，實現水印信息的嵌入和提取。實驗結果表明，相比同類算法，根據本文提出的方法嵌入水印后的圖像具有更高的質量和更大的水印容量。同時，該方法具有較好的抗JPEG壓縮和抗打印掃描的魯棒性，但是對設備分辨率要求較高。

關鍵詞：二維條碼；PDF417；數字水印；容量；頑健性

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

二維條碼本質上是一種特殊的二值圖像，像素點集中只有0和1，即黑和白。結構簡單，易于生成和讀取，在商品識別、票證識別等方面有廣泛運用。向二維條碼中添加水印可以達到證件防偽和信息隱藏的目的。最常見的二維條碼有QR（Quick Response）碼和PDF417，本文重點研究的是PDF417（Portable Data File 417）碼。

文獻[1]提出了基于QR碼的盲數字圖像水印技術，使用密鑰和抗攻擊嵌入域提高的魯棒性和視覺不可見性。文獻[2]使用密鑰技術對水印信息進行加密處理，提升了水印信息的安全性。文獻[3]提出了基于DWT和SVD的防偽QR碼水印算法，防偽性能和水印質量高。文獻[4]提出了一種先用freeman鏈碼和B樣條曲線誤差預處理后再將水印信息內容的散列值嵌入到圖像中的方法，容量有所提高，但其算法實現復雜，信息受限。文獻[5]使用小波變換在QR碼中實現了水印嵌入。文獻[6]利用變形技術，適當的改變原有圖像的寬度已達到嵌入水印的目的，但水印容量較低。文獻[7]在DCT（Discrete Cosine Transform）的基礎上實現了一種利用了PDF417編碼方法的水印嵌入算法，其水印信息的容量和穩健性有較大提高。文獻[8]提出了一種了基于PDF417條碼自身結構特點的水印信息隱藏方法，將條空結構進行適量的微調，在保證條碼信息不丟失不畸變的前提下，將信息隱藏到條碼中，但其抗水平畸變性能差。文獻[9]在文獻[8]的基礎上修改了識別方法，犧牲容量換取了較好的魯棒性。本文提出了一種基于文獻[8]的豎直方向微調條空結構的水印明隱藏方法。

2 相關工作（Related work）

2.1 PDF417二維條碼的基本原理

PDF417二維條碼是由王寅君博士發明的，其識別的原子單位是模組，數字圖像中每個模組可有若干個像素構成，每個PDF417的碼字包含了長度不等的4個黑條與4個白條，單條寬度不超過6個模組寬，總數為17個模組寬度，故得名417。如圖1所示，完整的PDF417條碼由起始區、左層指示器、數據區、右層指示區、結束區組成。起始區和結束區標記了條碼的開始和結束位置，左右層指示區表明了解碼所需的，數據區存放條碼所攜帶的信息。

2.2 相關文獻方法

面向防偽認證的PDF417水印技術主要包含嵌入和提取兩個步驟。嵌入階段需要計算容量和水印長度并進行一定的預處理，如添加校驗信息、加密和編碼壓縮，將水印信息按一定的算法嵌入條碼中。而提取階段則要提取水印信息并進行相對應的解壓、解密和校驗。

文獻[8]提出了一種基于條空的PDF417碼的水印方法，其本質是在PDF417碼允許誤差范圍內調整每個模塊的寬度，其與標準值的差表明是否為1，連起來即為比特流形式的水印信息。其原理圖如所示。這種方法可以順利嵌入水印，并且暗隱藏模式下在視覺上不易被發現。但是由于利用了PDF417碼允許誤差的特點，導致實際圖像發生誤差允許內變形后水印信息誤讀，數據讀取異常，魯棒性較差。

圖2 基于條空的水印方法

Fig.2 The watermark method based on bar blanks

文獻[9]在文獻[8]的基礎下提出了一種新的基于碼字條空誤差的水印判斷方法，根據一個碼字中嵌入水印導致誤差的正負來判斷1和0，其原理圖如圖3所示。這種方法大大提升了水印信息的魯棒性，但是容量也大打折扣。

3 本文提出的算法（The algorithm proposed in this

paper）

本文提出了一種基于文獻[8]的改進算法，在豎直方向上微調條空結構，幾乎不影響水平方向的條空結構。使用本方法可以增加魯棒性又不會缺失大量的容量。

3.1 預處理

3.1.1 圖像二值化

圖像在傳播的過程中經常會被統一轉換成彩色圖像，如在安卓系統中圖片在顯示時會統一轉換成bitmap位圖，其色彩方案是ARGB。為了降低程序運行的難度和處理的數據量，需要先將其二值化處理。

首先分別讀取R、G、B的數值，然后根據式（1）將圖像轉換成灰度圖像，再根據式（2）的閾值將其二值化，其中A參數不影響結果，因此忽略。

（1）

（2）

另外一種獲得二值化圖像的方法是將像素與0x00808080按位與（80H=1000000B=128D），獲得的值與0進行比較從而快速判斷像素的黑白值。由于二維碼圖像的直方圖會有明顯且較寬的分界，此方法不會有太大的誤差，處理速度更快。

3.1.2 角度矯正

二維碼在掃描后的圖片會產生不同程度空間的傾斜，因此在處理前需要先將其矯正。利用Hough變換求出其邊界再將其旋轉到水平位置[4]。

3.1.3 水印預處理

若對水印本身有加密需要，可以再進行一定的加密算法。為了防止水印被篡改，還可以添加校驗位，校驗失敗即認為水印是偽造的。如使用BASE64進行預編碼。

3.1.4 圖像定位和碼字檢測

圖像經過預處理后可認為是理想情況，可以進行水印操作。首先確定二維碼的四個頂點位置和模塊大小。從頭和尾進行定位兩個對角點即可得到二維碼有效區域。PDF417碼擁有固定的起始區和結束區，因此可以快速得到模塊寬度。對于未加工過的模塊，其模塊高度和條碼高度必然滿足式（3）的關系：

（3）

因此可以遍歷數據區每個模塊的高度，排除不滿足式（3）后選取最小的值即為模塊高度。由于PDF417碼中的每個碼字都有4個黑條和4個白條，數據區的每一行都不會出現全白或全黑的情況，此法具有較高的可靠性。

3.1.5 色塊識別

以一個16*4的模塊為例，讀取其中一個色塊即可獲得模塊的顏色信息，但是如果在這個色塊出現嚴重噪聲將會導致識別錯誤，因此可以讀取3—5個點以排除誤差。16*4模塊如果進行邊緣取反處理，那么其高度應為2即其水印部分只有2*4，選擇3—5個點即可可靠獲得模塊顏色信息。

3.1.6 可用空間判斷

本文提出的算法對嵌入空間有一定要求，上下同色的邊界處改變色塊會造成視覺顯著變化，不適合隱藏，因此需要找出所有上下模組顏色不同的區域作為水印空間。這些水印空間有兩種情況，即上黑下白和上白下黑。嵌入水印信息1時在邊界白色區域添加一定高度黑條。

改變色塊的高度影響分辨能力，越高越容易被發現，甚至影響PDF417碼本身的識別，越低越容易導致程序本身無法識別。因此，本文中改變色塊區域的高度均采用式（4），其中為碼字高，[]表示取整數部分。

（4）

3.2 本文提出的水印嵌入算法

具體嵌入步驟如下：

（1）生成原始二維碼和水印信息的比特流。

（2）對原始二維碼進行定位。

（3）遍歷可用空間。

（4）讀取一位水印信息，為0不修改，為1添加黑條。

（5）判斷可用空間是否用完，或水印是否全嵌入完畢。若空間有剩余，水印未嵌入完畢，重復步驟（3）。

（6）輸出嵌入水印后的二維碼圖像。

程序流程圖如圖4所示。

3.3 水印的提取

水印的提取算法與嵌入類似，具體步驟如下：

（1）圖像預處理。

（2）對二維碼圖像進行定位。

（3）遍歷可用空間。

（4）判斷是否嵌入水印，嵌入水印比特流添加1，否則添加0。

（5）可用空間仍有空間則重復步驟（3）。

（6）輸出比特流。

算法流程圖如圖5所示。

4 實驗結果及性能分析（Experimental results and

performance analysis）

4.1 魯棒性分析

JPEG是一種對圖像的有損壓縮，量化質量因子Q為1—100，Q越高，信息損失越少。本文對一個嵌入水印的PDF417碼進行了Q=10、Q=40、Q=70的壓縮攻擊，均順利得到正確的條碼信息和水印信息。

表2 不同Q下二維碼讀取結果

Tab.2 The results of reading two-dimensional code

in different values of Q

質量因子 （a）原始 （b）Q=70 （c）Q=40 （d）Q=10

PDF417碼圖像

條碼信息 華東理工大學 華東理工大學 華東理工大學 華東理工大學

水印信息 信息學院 信息學院 信息學院 信息學院

通過放大表2中d的PDF417碼圖像，可以發現圖像已經有很大程度的失真。

打印掃描會使圖像損失信息、圖形失真，在打印精度低的打印機和掃描機上尤為顯著。

從圖7（a）可以看出打印掃描后圖像有明顯噪點，從圖7（b）可以看出有些區域的噪點明顯泛白，尤其是邊緣的噪點會導致識別錯誤。但是圖像本身的信息還很好的保留著。通過預處理可以將其轉換成適合提取信息的理想圖形。

從圖7（c）可以看到預處理后圖形銳利了許多，但仍然有少量毛刺存在。毛刺所占比例很小，通過3.1.5中介紹的色塊識別規則可以避免此毛刺影響。通過圖8可以發現水印信息成功無損提取。

4.2 水印容量

水印容量是根據圖像本身的可利用空間計算的，其只能在二維碼生成之后再計算空間并嵌入，不同的二維碼可利用空間不同，可能有較大差異，但是可用通過一系列觀測值推測其容量期望和水印內容大小的關系。例如6個漢字的“華東理工大學”生成的二維碼水印容量為296bit，6個漢字的“信息科學技術”生成的二維碼水印容量為315bit。

在常用漢字表中抽取880組含有6個漢字的組合進行生成容量的測算，其容量平均值為313.0057bit，方差273.1329，最大值379bit，最小值238bit，極差141bit，散點圖如圖9所示。相同情況下文獻[8]的平均容量為192bit，文獻[9]的容量為48bit。

圖9 不同的6個漢字組合下水印容量散點圖

Fig.9 The scatter plot of watermark capacity in different

combinations of 6 Chinese characters

4.3 基于PDF417二維碼水印的APP實現

在安卓環境下，使用開源項目zxing的二維碼框架用于生成普通的PDF417條碼，開發了一款能夠讀取、生成PDF417碼，根據本文算法添加讀取水印的安卓APP程序。如圖10所示，該程序基本完成了展示成果的功能。

（a）PDF417碼生成器

（a）The generator for PDF417 code

（b）條碼生成結果

（b）The result of barcode generation

（c）（b）中條碼的掃描結果

（c）The result of scanning the bar code of （b）

圖10 APP主要演示界面

Fig.10 The main presentation interface of APP

5 結論（Conclusion）

本文提出了以一種豎直方向上的微調條空的水印方法。該水印方法實現了預期性能指標，由于其為明隱藏，放大后可能會引起視覺上的明顯異常。要消除此異常，可以使用暗隱藏，即將水印空間集中去除左右兩排碼字與本身相同的子集，但是會減少水印容量。此方法對設備分辨率和圖像矯正結果要求較高，否則會導致結果出錯。

參考文獻（References）

[1] Thulasidharan P P，Nair M S.QR code based blind digital image watermarking with attack detection code[J].AEU-International Journal of Electronics and Communications，

2015，69（7）：1074-1084.

[2] Lin P Y，Chen Y H.High payload secret hiding technology for QR codes[J].Eurasip Journal on Image & Video Processing，2017（1）：14.

[3] Qin J H，et al.Anti-fake Digital Watermarking Algorithm Based on QR Codes and DWT[J].International Journal of Network Security，2016，18（6）：1102-1108.

[4] 吳桐樹.基于二維條碼的數字水印技術研究[D].浙江理工大學，2015.

[5] 李智偉.基于小波變換域的雙重數字水印算法研究[D].安徽理工大學，2016.

[6] 牛夏牧，等.基于二維條碼的信息隱藏技術[J].中山大學學報（自然科學版），2004，43（s2）：21-25.

[7] 張基宏，肖薇薇.基于二維條碼PDF417的數字圖像水印算法[J].深圳大學學報（理工版），2002，19（1）：1-6.

[8] 趙博.二維條碼研究[D].西安電子科技大學，2007.

[9] 何利軍.基于信息隱藏技術的防偽系統研究與實現[D].華中科技大學，2008.

作者簡介：

李永強（1995-），男，本科生.研究領域：圖像處理.

馬雪嬌（1995-），女，本科生.研究領域：軟件開發.

楊 邁（1997-），女，本科生.研究領域：軟件開發.

王家峰（1995-），男，本科生.研究領域：軟件開發.