基于数字水印技术的票据防伪

出处：——伯晓晨 沈林成 常文森
---- 金融安全是国家安全的重要组成部分，无论对于传统商务还是电子商务，
各种纸质票据和电子票据防伪的重要性都是不言而喻的。伴随着高质量、廉价复制设备
的出现和电子商务的兴起，票据防伪技术也在不断地发展，数字水印将在其中扮演重要
的角色。

彩色复印机带来的挑战
----1970年第一台商用彩色复印机的诞生带来了一个棘手的问题：重要票据的伪
造不再需要特殊设备和专业化技术，每一位彩色复印机的使用者都成为潜在的票据伪造
者。为了防止用彩色复印机伪造票据，许多国家都将重要票据印刷得非常精致，使复印
件发生混频失真。此外，还使用了塑性条纹、变色墨水等特殊防伪技术。
----除了对票据本身采取各种防伪措施之外，以美国财政部为代表的一些政府机
构认为在彩色复印机中加入一定的防伪功能也是一条解决问题的途径。这种观点导致了
两种基本解决方案：其一是立足于“防范在先”，即通过复印机中的票据识别电路来监
测复印文件，以期做到在伪造票据时复印机能自动拒绝工作，这种方案需要实时快速的
模式识别技术，在当时还难以实现；其二是由美国众议院货币政策委员会主席Michael
Castle提出的“事后追踪”方案，即在彩色复印机的每幅输出图像中嵌入唯一的、不可
见的标识信息，以便于追踪。后者相对于当时的技术水平来说，更加现实一些。

----如果说彩色复印机的出现只是带来了一定程度的恐慌的话，那么，近年来高
精度的廉价扫描仪和彩色打印机所带来的麻烦就非同小可了。根据美国财政部的报告，
1997年在美国收缴的伪币中，有19％来自彩色打印机，1998年的数字是43％，而1995年
这一数字还仅仅是2.36％。目前，小面额货币和大多数常用票据都缺乏水印等复杂工艺
的保护，而廉价的扫描仪和打印机却使得伪造者能够承担伪造的费用，并且有利可图。

----为了解决打印票据的防伪问题，以麻省理工学院媒体实验室、IBM公司等为
代表的一些研究机构在美国财政部的支持下开展了基于数字水印技术的扫描/打印票据
防伪研究，这些研究的思路基本上源于彩色复印机票据防伪的两个解决方案。

打印图像的隐蔽标识与打印机追踪
----为了在需要的时候能够追踪伪造票据的打印机，可以在打印机输出图像中嵌
入能够标识打印机的序列号，作为伪造追踪的线索。为了实现这一目标，MIT媒体实验
室的W.Bender教授提出了PatchworkPatch Track方法。Patchwork 是防伪水印的嵌入
过程，它集成在打印机驱动程序中。Patch Track是相应的解读过程(见图1)。


----Patchwork算法嵌入的是一种数据量较小、能见度很低、鲁棒性很强的数字
水印，能够抗图像剪裁、模糊化和色彩抖动。“Patchwork”一词原指一种用各种颜色
和形状的碎布片拼接而成的布料，它形象地说明了该算法的核心思想，即在图像域上通
过大量的模式冗余来实现鲁棒数字水印 。与大多数图像域数字水印算法不同，
Patchwork并不是将水印隐藏在图像数据的最低有效位（LSB）中，而是隐藏在图像数据
的统计特性中。

----以隐藏1bit数据为例，Patchwork算法首先通过密钥产生两个随机数据序
列，分别按图像的尺寸进行缩放，成为随机点坐标序列。然后将其中一个坐标序列对应
的像素亮度值降低，同时升高另一坐标序列对应的像素亮度。由于亮度变化的幅度很
小，而且随机散布，并不集中，所以不会明显影响图像质量。为了提高鲁棒性，还可以
改变随机点邻域中的像素亮度，这样就形成了图像域上亮、暗模式（即所谓Patch）的
铺砌。

----影响Patchwork算法使用效果的因素很多，主要有：

----· Patch的深度

----Patch的深度是指对随机点邻域灰度值改变的幅度，深度越大，水印的鲁棒
性越强，但同时也会影响隐蔽性，提高能见度。

----· Patch的尺寸

----大尺寸的Patch可以更好地抗旋转、位移等操作，但尺寸的增大必然会引起
水印信息量的减少，造成Patch相互重叠。具体应用时必须在Patch的尺寸和数量两者之
间进行折衷。

----· Patch的轮廓

----具有陡峭边缘的Patch会增加图像的高频能量，虽然这有利于水印的隐藏，
但也使水印容易被有损压缩所破坏。相反，具有平滑边缘的Patch可以很好地抗有损压
缩，但易于引起视觉注意。合理的解决方案应该是在考虑到可能会遭受的攻击后确定，
如果面临有损压缩的攻击，则应采用具有平滑边缘的Patch，使水印能量集中于低频；
反之，如果面临对比度调整的攻击，则应采用具有陡峭边缘的Patch，使水印能量集中
于高频。如果对所面临的攻击没有准确的估计，则应使水印的能量散布于整个频谱。

----· Patch的排列

----Patch的排列应尽量不形成明显的边界，因为人眼对灰度边界十分敏感，
W.Bender建议采用随机的六角形排列。

----· Patch的数量

----Patch的数量越多，解码越可靠，但这同时也会牺牲图像的质量。

----除了这些因素之外，还可以在Patchwork水印算法中融合许多图像滤波技
术，如采用视觉掩模技术等，来提高水印的隐蔽性或鲁棒性。

----水印解码程序Patch Track实际上是一个统计信号检测器。 Patch Track首
先对扫描后的票据图像进行矫正处理，克服由旋转、破损等带来的水印特性变化。随
后，Patch Track使用解密密钥产生二维随机点坐标序列，形成解码窗口。通过构造适
当的像素灰度统计量，可以判断解码窗口中是否包含有Patchwork水印。数字隐线与快
速水印解码

----为了实现打印机的自动票据识别与票据拒打功能，麻省理工学院数据隐藏研
究小组提出了线状数字水印——数字隐线（Tartan Thread）技术。与隐蔽标识方法不
同，Tartan Thread是一种主动防护技术，它必须与票据制作者配合，在真实的票据图
案中加入防伪水印，这种线状的数字水印能够存在于扫描后的票据图像中，在打印输出
时，打印机驱动程序中的水印解码模块能快速解读水印，一旦发现票据防伪隐线，就立
即拒绝打印输出。

----数字隐线防伪方案面临的最大难点是解码空间的问题。一般来说，打印机驱
动程序只缓存几行像素，在打印过程中，内存中自始至终没有一个完整的打印图像，所
以数字隐线的解码空间十分狭小。另外，数字隐线的解读过程必须非常迅速，如果过多
地影响打印效率，则无论是打印机厂商还是用户都难以接受。

----Tartan Thread数字隐线的核心技术是一维扩频调制，即将水印信息用扩频
码调制成具有噪声性质的信号，叠加在票据图像上。解码器使用同样的扩频码通过解扩
读取数字隐线。图2描述了Tartan Thread水印算法的基本过程。



电子商务中的票据防伪
----无论是传统商务还是电子商务，买卖双方都需要一定的票据作为交易的凭
证，报价单、还盘单、定货单等电子票据在电子商务中占据着重要地位。因此，电子票
据的防伪问题不仅直接关系到商家和消费者的利益，也关系到整个国家的经济秩序，是
一个不容忽视的问题。
----目前使用最多的电子票据文件是Adobe公司首创的PS和 PDF文件，它集成了
文本、图像等多种媒体格式，可以做到与平台无关。在20世纪90年代初期，Brassil等
人就开始研究用于PS文件的隐蔽标识方法，即所谓“文档结构微调算法”。 数字标识
信息经过编码转换为一系列对文档结构的轻微调整动作，包括垂直移动行距、水平调整
字距和调整字体等。这种算法可以抵抗照相和扫描复制等一些标准的文件操作。

----PS/PDF文件格式的多媒体性质决定了电子票据的防伪水印必定是多种水印技
术的综合，包括图像水印、文本水印等。随着电子商务的飞速发展和数字水印技术研究
的不断深入，PS/PDF文档水印的研究将越来越引起广泛的重视。