數字水印在印花圖案版權保護中的應用

黃嶺

摘要：為解決印花圖案所有權爭議的問題，提出一種應用圖像特征識別的傅氏水印算法。該算法使用傅立葉域選用有實際防偽標記圖像作為水印，在嵌入前將防偽水印置亂，采用偽隨機序列，增加了嵌入強度，實驗結果也表明，該算法具有較強的穩健性，適用于印花圖案版權保護。

關鍵詞：數字水印;印花圖案;傅里葉變換;版權保護

中圖分類號：TP312? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）23-0162-03

1 背景

我國可謂是紡織品出口大國，印花布創新設計對于出口影響巨大。不過在紡織品特別是在服裝面料的款式、圖案領域，相互“參考”的現象屢見不鮮。許多企業都不以為然，其實和一般美術作品一樣，原創印花圖案也是受到著作權法保護的。畢竟這些印花布的花型涉及數億設計者的智力成果，理應得到法律的保護。如今，隨著計算機技術的引入，進入了數碼印花技術的時代，這也使傳統印花圖案手工設計轉到計算機輔助設計，這種轉變對產品質量、生產效率及費用等方面，給印花圖案設計帶來巨大變化?；ヂ摼W的發展，又使拷貝印花圖案變得非常簡單，對于兩張一模一樣的印花圖案，到底誰是真正的版權擁有者，僅依靠政府出臺的法律和法規還很難判定，所以從技術上解決印花圖案的版權保護是非常必要的[1]。

從目前查閱到的關于版權保護方面的文獻來看，專門針對印花圖案的數字水印研究技術比較少。如今印花圖案版權保護的問題日益突出，以往對印花圖案版權保護缺乏有效的技術手段，且處理技術較為單一，無非就是在印花圖案上加入個人印記，或者對印花圖案上的某一塊色彩進行重設。這些方法往往會適得其反，嚴重影響印花圖案產品的視覺效果。應用數字水印技術來進行印花圖案的版權保護應該會取得比較好的效果。

2 水印算法的原理

大多數數字水印的處理過程都是有三部分組成：產生數字水印、融入數字水印和檢驗數字水印。數字水印方案主要是通過對水印原始的承載媒介進行一定預分析、對準備融入的內容提前做分析、分塊等操作、并對涉及的融入規則、融入位置、融入的調制方式等多個關聯技術環節進行合理的優化改進，從而獲取到難以感知、抵御破壞、可追溯等指標要求下的設計效果。密鑰也是關鍵點，是每一種設計的重要特征。密鑰可以嵌入到信息融入預處理階段、選擇合適融入點階段和設計控制融入的調制控制階段中[2]。

2.1 嵌入算法的原理分析

通過對傅立葉變換及其性質的研究，并運用有意義水印、偽隨機序列和Arnold“貓臉”變換，提出一種基于傅立葉域相關性檢測的半盲水印算法，并用于印花圖案保護實踐。該算法將原始印花圖案進行子塊劃分，并且運用離散傅里葉變換對每個小圖像塊進行處理，同時運用Arnold“貓臉”變換置亂二值水印圖像、使用設定密鑰key來產生兩個備用的偽隨機序列;然后根據設定嵌入規則，當被置亂的水印矩陣取值為“0”時，把印花圖案的幅度譜相對應的數值與其中一個偽隨機序列進行乘性壘疊，矩陣取值為“1”時，把印花圖案的幅度譜相對應的數值與另外一個偽隨機序列進行乘性壘疊;最后對每一個小圖像塊進行離散傅里葉逆變換，得到嵌入水印的印花圖案[3]。具體的嵌入算法流程如圖1所示。

嵌入算法流程如下：

1）子塊劃分。運用公式（1）將原始印花圖案劃分為若干個8×8的小圖像塊。

2）離散傅里葉變換。運用公式（2）對每個小圖像塊進行離散傅里葉變換處理，接著做快速傅里葉變換頻譜平移操作，把二位矩陣中第一、第三與第二、第四象限交換，以實現直流分量居中的效果。

3）置亂水印。運用Arnold“貓臉”變換置亂二值水印標記圖像，“貓臉”變換可以迭代執行，只要感到置換之后有無法識別出原圖即可認為是一張“貓臉”變換后的置亂圖。需要注意的是“貓臉”變換實質是一種新舊點在位置上的移動，而且這種變換是可以說是一、一對應的[4]。雖然說可以重復的迭代執行下去，但“貓臉”變換也是有周期性的，當它置換到周期會恢復成原來的圖像。由于仿真實驗使用的水印尺寸為40×40，40階的二維置亂周期為30，實驗算法設置嵌入水印置換次數為10，提取水印置換次數為20。

4）偽隨機序列的產生。使用設定密鑰key結合MATLAB提供的隨機函數來產生兩個備用的偽隨機序列r0、r1，需要注意的是只有在嵌入水印和提取水印時采用相同的密鑰key，才能保證產生的兩個備用的偽隨機序列保持一致。

5）修改相應幅度譜值。根據設定嵌入規則，當被置亂的水印矩陣取值為“0”時，把印花圖案的幅度譜相對應的數值與其中一個偽隨機序列r0進行乘性壘疊，矩陣取值為“1”時，把印花圖案的幅度譜相對應的數值與另外一個偽隨機序列r1進行乘性壘疊。

這其中， abs_block（a，b）是經過傅立葉變換的塊圖，k為嵌入強度，r0、r1為兩個偽隨機序列。需要注意的是濾波器的選取，由于水印的嵌入過程可以理解為是在原始信號上嵌入噪聲的過程，一方面噪聲強度的選取是關鍵，另一方面濾波器設置要考慮到盡可能保留原始印花圖案的細節，也就是低頻成分，在嵌入時選取濾波器值為1時即印花圖案的幅度譜高頻部分與對應偽隨機序列進行乘性壘疊[5]。

6）傅里葉逆變換。使用如abs_block=fftshift（abs_block）;程序對所有小塊進行傅氏逆變換，最終得到含有防偽標記的印花圖案。

2.2 檢測提取的原理分析

檢測提取的算法類似嵌入算法，可以理解為嵌入的反過程。需要注意的是檢測提取時只需防偽標記的大小等部分信息，而無需原來印花圖案。另外為保證產生的偽隨機序列保持一致，在嵌入水印和提取水印時要采用相同的密鑰key。具體的檢測提取流程如圖2所示。

1）子塊劃分。運用公式（1）將原始印花圖案劃分為若干個8×8的小圖像塊。