基于PDF417二維碼數(shù)字水印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

◆龐 博 龐毅林

（1.武警警官學(xué)院 四川 610213；2.華東理工大學(xué)信息學(xué)院 上海 200237)

0 引言

二維條形碼技術(shù)是一種結(jié)合信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來的集數(shù)據(jù)采集和處理、編碼、識別、印刷于一體的新型技術(shù)。它是用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在水平和垂直方向的二維空間里利用黑白相間的圖形存儲(chǔ)信息，具有信息量大、編碼能力強(qiáng)和保密防偽性強(qiáng)等特點(diǎn)。數(shù)字水印技術(shù)與二維條形碼技術(shù)相結(jié)合，不僅可以對證件進(jìn)行自動(dòng)識別，而且可以有效地防止證件偽造等，在信息領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。

國內(nèi)外目前對二維碼的水印技術(shù)研究主要集中在 PDF417碼和QR碼。文獻(xiàn)[4]對PDF417碼組成單元的寬度進(jìn)行適量修改以實(shí)現(xiàn)水印信息的嵌入，具有抵打印和掃描功能，但水印信息很小。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于邊界移位的二維圖形碼數(shù)字水印技術(shù)，可以在二維碼圖像中嵌入水印，提高了二維碼圖像的安全性和適用性。文獻(xiàn)[6]提出了一種在DCT域的PDF417碼的數(shù)字水印算法，提高了數(shù)字水印的魯棒性。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于QR碼的脆弱水印算法，增強(qiáng)了數(shù)字水印的隱蔽性，提高了水印容量，可廣泛應(yīng)用于終端設(shè)備對電子票的防偽及認(rèn)證。文獻(xiàn)[8]提出了基于 PDF417的明隱藏和暗隱藏的方法。本文提出了一種基于PDF417的二維碼數(shù)字水印算法，提高了水印的抗JPEG壓縮的魯棒性，并用JAVA語言編程實(shí)現(xiàn)了一個(gè)APP應(yīng)用，具有一定的實(shí)用性。

1 一種改進(jìn)的PDF417二維碼水印算法

1.1 PDF417二維碼原理

PDF417二維碼是一種高密度、高信息含量的便攜式數(shù)據(jù)文件，一個(gè)PDF碼最多可容納1850 個(gè)字符或1108 個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，如果只表示數(shù)字則可容納2710 個(gè)數(shù)字。PDF417碼是一種堆疊式二維圖形碼，每一個(gè) PDF417碼由 3-90橫列構(gòu)成。PDF417使用RS編碼進(jìn)行突發(fā)差錯(cuò)校驗(yàn)。

1.2 本文提出的PDF417二維碼數(shù)字水印算法

基于PDF417二維碼的數(shù)字水印技術(shù)一般包括兩個(gè)階段：水印嵌入和提取過程。

（1）本文算法的水印嵌入

先將水印信息表示的二進(jìn)制比特流信息進(jìn)行預(yù)判，然后選擇嵌入水印到PDF417的“黑條”還是“白空”的位置，再尋找合適的符合條件的嵌入像素點(diǎn)。具體步驟如下：

① 預(yù)判水印比特信息。如果含“0”的多于“1”，則選擇“黑條”嵌入；否則選“白空”作為嵌入位置。

② 忽略掉二維碼圖像的四個(gè)靜空區(qū)，然后連續(xù)讀取每兩行像素值。

③ 比較每兩行的像素值大小，如果相同，轉(zhuǎn)步驟①，繼續(xù)讀取，如果不相同，則斷定這兩行像素為PDF417堆疊字碼的邊界處，可在此處嵌入水印，同時(shí)根據(jù)PDF417碼的特點(diǎn)得到每行堆疊字碼的像素高，以便進(jìn)行下一邊界尋找的判斷。

④ 判斷邊界緊鄰的上一行像素值，尋找該行中連續(xù)為黑（或白）的像素點(diǎn)，水印可在第一行的這些連續(xù)像素的最后（或者最前）一個(gè)像素點(diǎn)處嵌入。

⑤ 取待嵌入水印信息中的一個(gè)比特，如果為0，則繼續(xù)進(jìn)行，不做改動(dòng)；如果為1，則修改連續(xù)的黑像素點(diǎn)為白像素點(diǎn)以嵌入水印信息。

如果水印信息已經(jīng)全部嵌入完畢，則算法結(jié)束；反之如果連續(xù)點(diǎn)已用完，則轉(zhuǎn)步驟②，繼續(xù)往下尋找下一符合條件的邊界，如果已經(jīng)無邊界，則說明該P(yáng)DF417碼不足以嵌入全部水印信息。

（2）本文算法的水印提取

水印提取是水印嵌入的相反過程。考慮到水印嵌入時(shí)用的是緊鄰邊界的上一行像素，并修改該行符合條件的像素點(diǎn)。因而，在水印提取中就只根據(jù)PDF417碼的特點(diǎn)，根據(jù)前述的嵌入過程中每行堆疊字碼的像素高，作為邊界判斷，尋找緊鄰邊界的上一行，即是水印嵌入行。同時(shí)，由于嵌入算法中對水印先做了預(yù)判，因而水印提取以嵌入算法中的預(yù)判結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中采用的PDF417二維條碼樣本如圖1(a)所示，嵌入的數(shù)字水印信息為“http∶//www.baidu.com”，嵌入水印之后的圖像如圖1(b)所示。通過兩幅圖的對比，可以看出兩幅圖像的差別非常小。嵌入水印后，可以通過相應(yīng)的水印提取算法，從攜帶水印的PDF417二維條碼中恢復(fù)出數(shù)字水印信息“http∶//www.baidu.com”，如圖1（c）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該數(shù)字水印算法能夠?qū)崿F(xiàn)嵌入水印信息的正確提取嵌入，同時(shí)不影響嵌入水印后的二維碼信息正確識讀，保證了二維碼自身攜帶的數(shù)據(jù)信息的完整性。

圖1 實(shí)驗(yàn)效果圖

算法性能評價(jià)選用峰值信噪比PSNR和相似度NC作為參數(shù)指標(biāo)。

Xij ：載體圖像像素值；X ij ：含隱寫信息圖像像素值。

圖2 基于PDF417二碼數(shù)字水印技術(shù)的App

對嵌入數(shù)字水印后的二維條碼圖像進(jìn)行JPEG壓縮的魯棒性分析，在不同的JPEG壓縮因子下，攜帶水印的二維條碼圖像從視覺上看不出明顯區(qū)別。由表1可以看出，嵌入水印后的二維碼圖像與原二維碼樣本具有較高的相似性，且峰值信噪比低至19dB時(shí)仍能通過二值化恢復(fù)出原本的水印信息，因此該二維碼水印算法對JPEG壓縮具有較好的魯棒性。

表1不同JPEG壓縮因子對應(yīng)的PSNR、NC值比較

3 APP的實(shí)現(xiàn)

運(yùn)用Java編程實(shí)現(xiàn)基于Android系統(tǒng)的APP應(yīng)用的設(shè)計(jì)。該APP可以實(shí)現(xiàn)對PDF417二維碼進(jìn)行掃描、水印嵌入、提取等功能。操作界面如圖2所示。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于PDF417二維碼的數(shù)字水印算法，實(shí)現(xiàn)了水印的嵌入和提取，并正確識讀原二維碼信息，具有抗JPEG壓縮的魯棒性，最后設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了相關(guān)功能的APP，對實(shí)際生活中運(yùn)用二維碼進(jìn)行防偽認(rèn)證等方面具有一定的實(shí)用性。

[1]蔣翠玲，黃帥等.一種基于 PDF417條碼的魯棒數(shù)字水印方法.網(wǎng)絡(luò)與信息安全學(xué)報(bào), 2016.

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[3]吳桐樹.基于二維碼的數(shù)字水印技術(shù)研究[D].浙江理工大學(xué)，2015.

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[5]陳崢，姚宇紅，王曉京.一種基于二維圖形碼的數(shù)字水印技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2006.

[6]張基宏，肖薇薇，紀(jì)震.基于二維條碼 PDF417的數(shù)字圖像水印算法[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版)，2002.

[7]朱本威，萬武南，陳運(yùn).基于LSB的QR碼數(shù)字水印算法研究[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2012.

[8]趙博.二維條碼研究[D].西安電子科技大學(xué)，2007.