二维码与水印技术在特种设备防伪和信息追踪中的应用

王雯雯业 成宫宁生周玉华

（1.南京市锅炉压力容器检验研究院 南京 210002）

（2.南京工业大学 南京 210009）

（3.南京金创有色金属科技发展有限公司 南京 211162）

二维码与水印技术在特种设备防伪和信息追踪中的应用

王雯雯1业 成1宫宁生2周玉华3

（1.南京市锅炉压力容器检验研究院 南京 210002）

（2.南京工业大学 南京 210009）

（3.南京金创有色金属科技发展有限公司 南京 211162）

水印以人眼无法感知的方式隐藏在二维码图像中，通过打印、印刷和激光蚀刻的方式添加在产品或证书报告上，通过手机即可实现产品真伪的识别和产品信息的查询。本文就如何将二维码和水印技术应用于特种设备防伪和信息追踪中进行探讨，从而实现特种设备真伪识别和全方位、全环节、全生命周期内的信息追踪，彻底杜绝特种设备产品或证书报告造假的现象。

二维码 水印 防伪 信息追踪

目前不法分子采取的造假手段极其高明，不仅产品造假，检验证书、检验报告、甚至整套证明文件都是假冒，而且仿真程度很高，检验人员凭借肉眼很难识别真伪，因此必须借助于一定的技术手段和管理平台对仿冒伪劣产品进行有效的识别，实现特种设备真伪识别及生命周期内的检验信息数据全过程管理[1]。

1 传统的防伪方式

1.1 视觉类防伪

视觉类防伪主要是指运用光漫反射原理和偏振光原理，在产品的外表面添加一定的识别标志，依靠人对识别标志所产生的特殊视觉效果来鉴别产品的真伪，如安全线防伪、多重激光防伪、水印防伪、荧光防伪、变温防伪等。目前我国人民币、护照都采用安全线防伪。视觉类防伪代价比较高，而且主要依赖人的能力，不够直观，错误率很高，且极易被仿制，不能真正杜绝假冒[2]。

1.2 传统的数码防伪

传统的数码防伪主要包括电话防伪和短信防伪两种方式。生产者给每个产品分配一个唯一的数字串作为身份标识码，使用者通过拨打电话或者编写短信到指定号码来验证数字串从而辨别产品的真伪。这种防伪方式查询起来不是很方便，且通常仅为一次性查询，无法在特种设备管理上实现多次数、多环节的查询。

1.3 标签防伪

目前比较流行的标签防伪主要指RFID技术，即无线射频识别技术。一套完整的RFID系统由RFID标签，解读器和数据处理系统三部分组成，当解读器遇见RFID标签时，发出电磁波，形成电磁场，标签从电磁场中获得能量激活标签中的微芯片电路，发送给解读器，解读器把它转换成特定的数据，数据处理系统通过处理这些数据来进行产品信息的识别和真伪的判定。这种防伪方式代价高昂，抗金属而且易损坏、抗干扰性差，在强磁场、静电、高温场合无法使用[3][4]。

1.4 条码防伪

目前在用的条码主要包括一维条码和二维条码。一维条码通常印刷在产品的外包装上，由纵向黑条和白条组成，黑白相间、而且条纹的粗细也不同，通常条纹下还会有英文字母或阿拉伯数字。使用者通过特殊终端进行扫描即可识别产品的真伪。一维条码只能包含字母和数字，信息量小，而且纠错能力很差，一旦损坏就不能阅读。二维条码信息容量大、编码能力强，可以将照片、文字、指纹、签名等信息进行编码，不但可以实现对商品或证件等信息的自动识读，而且可以提供一定的防伪功能，有效地防止假冒事件的发生。然而，二维条码技术并不是一种严格意义上的防伪技术，二维条码编码过程中是通过相应的数据压缩模式以及模式间的锁定和转换，形成数据码字，这种公开的数据信息转换方法使得二维条码不能实现真正的防伪目的[5]。

综上所述，目前传统的防伪方式具有价格高昂、易被复制、只能一次查询、包含的信息量少、需要特殊查询终端的缺陷，不能满足特种行业设计、制造、安装、使用、改造、维修、检验七个环节，全生命周期信息追踪，大信息量、多次查询的需求[6]。因此我们在二维码的基础上添加了水印信息，将二者完美结合，从而实现水印防伪，二维码大信息追踪的功能。

2 二维码与水印防伪技术

2.1 水印技术的介绍

水印(Watermarking)概念首见于Tirkel等人在1993年发表的名为“Electronic Watermark”的文章，它是一种新兴的版权保护和数据安全维护的技术，是近十年来国际信息安全界兴起的一个前沿研究课题，它与防伪技术、信息安全，信息隐藏，数据加密等均有密切关系。水印是利用设计的计算机程序将具有特定意义的标记(水印)嵌入到数字作品（包括图像、声音，文档，视频等）中，在数字作品发布或激光蚀刻品流通后，通过提取相应的水印，判断商品的真伪。

2.2 水印算法

数字水印主要分为空间域数字水印和变换域数字水印两大类，后者具有良好的不可感知性与鲁棒性而成为研究与使用的主流。数字水印算法通过离散余弦(DCT)转换，在变换域的某个频段的变换域系数数据上依据一定的规则，对系数进行某种改变来嵌入数字水印。逆DCT 变换，得到嵌入水印的图像。数字水印防伪技术的水印制作方案采用密码学中的加密（包括公开密钥、私有密钥）体系加强数字添加的安全性，在水印的嵌入及提取时采用一种密钥，甚至几种密钥的联合使用，这使得仿制的难度大大增加。

图1为水印嵌入模型，其功能是将数字水印信息加入到原始载体数据中。

图1 水印嵌入流程

在证书打印过程，算法着重考虑了打印过程中将会产生的各种噪声干扰，使得加入到证书中的水印信息不会受到破坏，经过大量的印刷打印实验验证，水印技术能够承受几乎全部的激光打印流程对水印的影响，对印刷设备、硒鼓材料无特殊要求。

图2为水印提取模型，其功能是根据原始密钥从水印载体数据中提取出水印信息。

图2 水印提取流程

产品或证书进入社会后，制假者会想尽一切办法仿制、复制证书，由于水印的独特设计，这些操作会严重破坏水印的完整性，通过检测w′与w 的相似度可验证产品或证书真伪。

2.3 证书证书真伪识别实施流程

●2.3.1证书证书水印添加流程

证书在印刷或打印之前，将待打印证书的图像（如二维码）电子文件发送到服务器，服务器在其中添加水印信息后将处理好的含有水印的电子文件返还给证书管理服务器，将接收到的证书电子图片代替原图片，再正常进行排版、印刷打印，可以实现每证一图一码。

●2.3.2证书证书真伪检测流程

当需要检测证书真伪或市场中出现假冒的证书时，用户使用其智能手机（预先需要到南京市锅炉压力容器检验研究院网站免费下载与手机型号对应的软件：Android与iphone，并安装在手机上）对证书的水印区进行拍照，手机自动将拍照好的照片上传到指定的服务器，服务器根据得到的图片进行水印检测，然后将结果返回到南京市锅炉压力容器检验研究院的服务器，在结果为真时，通过无线方式将证书为真的结论及相应证书信息结果返还到手机上，如果结果为假，即在手机上显示证书没有通过检测，由此可当场（依据手机所处区域信号的好坏确定检测需要的时间，一般在10s内）判断出证书证书真伪。

系统提供关于证书检测统计信息，包括：检测时间、检测地点（手机定位）、检测次数等相关信息，见图3。

图3 手机拍摄水印区截图

图4(a)为返回检测结果为真的截图， (b)为返回检测结果为假的截图

图4 返回检测结果截图

2.4产品真伪识别

产品在出厂前，通过激光蚀刻的方式在产品本体或铭牌上蚀刻含有水印信息的二维码图像，在产品蚀刻过程中，需要着重考虑蚀刻过程中将会产生的各种噪声干扰，使得加入到产品中的水印信息不会受到破坏，已有的激光蚀刻实验证明，在留有照片的情况下，水印技术能够承受图像格式转换与激光蚀刻过程对水印的影响，对激光蚀刻设备无特殊要求。从数字图像到激光蚀刻品，数字水印的特征在衰减，为保证数字水印在最终打印后有足够的可供检测的信号强度，采用特定的半脆弱水印算法，它可以使水印在经第二次激光蚀刻工艺时，不被严重破坏，确保水印信号能被可靠识别。产品真伪检测流程与证书真伪检测流程相同。

3 水印和二维码防伪技术在特种设备行业的应用

水印和二维码的载体很多，不仅能通过打印和印刷的方式添加在纸质材料和塑料制品上，还能通过激光蚀刻机蚀刻在金属制产品的本体上或设备铭牌上。

3.1 在纸质证件中的应用

●3.1.1 在监察机构的应用

每年国家质检总局会发放大量的特种设备制造许可证、各类检验检测人员资格证、各类特种设备从业人员操作证等纸质证书。这些证书大多采用印刷或纸张防伪方式，极易被仿制，从而给不发分子以可乘之机，不用经过任何审查和考察，交上几百元就可买到假特种设备制造许可证、各类假检验检测人员资格证以及各类假特种设备从业人员操作证，从而埋下了很大的安全隐患，事故频发。在特种设备制造许可证、各类检验检测人员资格证、各类特种设备从业人员操作证等纸质证件中通过印刷的方式添加水印和二维码或者直接粘贴上水印和二维码标贴，监察人员通过手机即可迅速识别操作证的真伪，让假证无处遁形。

●3.1.2 在检验检测机构的应用

每年检验检测机构都会出具大量的特种设备监督检验证书和各类检验报告，据统计南京市锅炉压力容器检验研究院每年会出具锅炉类特种设备制造监督检验证书600多份，压力容器类特种设备制造监督检验证书15000多份，这些证书和检验报告都以纸张为载体，极易被仿制，每年南京市锅炉压力容器检验研究院都会收到从全国各地的监察机构反馈过来的假监检证书和假检验报告若干份，给用户带来了很大的经济损失。因此南京市锅炉压力容器检验研究院从2014年10月份开始在各类监督检验证书和检验报告通过激光打印方式添加二维码和水印，用户通过智能手机即可轻松识别证书的真伪，杜绝了监检证书和检验报告造假的可能性。

●3.1.3 在特种设备制造企业的应用

据国家质检总局发布的数据，截至2013年底，全国共有特种设备生产企业55451家，生产特种设备及原部件139.31万台，出具各类产品合格证一百多万份，其中不乏很多知名企业的产品被假冒的案例，不法分子通过假造知名企业的产品合格证，将小作坊生产的不合格、未检验的特种设备配上假冒的产品合格证推向市场，严重扰乱了市场秩序，侵害了知名企业的合法权益。通过激光打印或者粘贴标贴的形式，在产品合格证上加入水印和二维码，那么用户通过手机扫描二维码和水印，即可简单、快速识别合格证的真伪，有效杜绝产品合格证作假的现象，切实的保护企业的合法权益。

3.2 在金属制特种设备产品中的应用

为保障特种设备使用过程的安全、减少各类特种设备事故发生，我国对特种设备实施全方位、全过程的安全监察，共涉及七个环节的信息，数据量大，而且关联性很强，每个环节的信息，其他环节都需要使用，但是很多特种设备在使用过程中都会出现纸质资料丢失的现象，监察人员、检验人员、管理人员和使用人员很难追踪到设备的动态信息，无法正确把握设备状况，从而埋下安全隐患，事故频发。因此在设备本体上或者设备铭牌上通过激光蚀刻机蚀刻二维码和水印实现设备信息的追踪，将设备普通信息注入二维码内，检验信息、维修信息等详细信息输入数据库内，那么监察、检验人员和运行人员无需翻看纸质资料，通过手机扫描二维码和水印即可获得设备的所有信息，从而实现设备信息的动态追踪。激光蚀刻二维码和水印技术适用于包含锅炉、压力容器、压力管道、罐车、气瓶、安全阀、起重机、电梯、厂内机动车在内的所有金属制品，可以直接蚀刻在设备本体上，也可以蚀刻在设备铭牌上，监管人员和检验人员通过手机扫描二维码和水印即可连接后台数据库，快速了解特种设备的全部信息，包括上次检验日期、检验单位、检验项目、检验结果、下次检验日期等，从而杜绝超期未检现象的发生，确保特种设备的安全运行。

4 结束语

目前证书二维码和水印系统已运用于南京市锅炉压力容器检验研究院的所有制造监检证书以及各类检

验报告中，使用以来效果明显，受到制造企业和使用单位的一致好评，激光蚀刻二维码和水印技术也即将运用在罐车监察管理中。二维码和水印技术的完美结合，必将提高特种设备的防伪水平，使造假者望而却步，同时二维码的大信息容量和高编码能力也为特种设备全方位、全生命周期内的信息追踪提供了途径，为我国的特种设备行业的信息化建设带来新的亮点与特色。

1 严建福,浅析条码技术在特种设备监管中的应用[J].电子世界,2004(11).

2 刘全忠,基于数字水印技术的证件防伪系统设计研究[D].西安理工大学,2006(3).

3 滕旭,基于二维码的证件管理研究与应用[D].西安科技大学,2011(6).

4 廖东方,二维码电子标签的安全技术研究[D].北京邮电大学,2008(2).

5 刘丽,周亚建,二维条码数字水印技术研究[J].理论研究,2014(1).

6 马智,特种设备使用管理[J].学术研究,2013(21).

The Application of Two-dimensional Code and Watermark Technology in Special Equipment Anti-counterfeiting and Information Tracking

Wang Wenwen1Ye Cheng1Gong Ningsheng2ZhouYuhua3
(1.Nanjing Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute Nanjing 210002)
(2.Nanjing University of Technology Nanjing 210009)
(3.Nanjing Jin Chuang Non-ferrous metal Materials Science and Technology Development Co., Ltd, Nanjing 211162)

Watermark is imperceptible to the human eye by way of hiding in the two-dimensional code image. The two-dimensional code and watermark technology adding by printing and laser etching, can achieve the identifcation of product and query of product information by cell phone.This article discusses how to use the twodimensional code and watermark technology in security and information tracking of special equipment, in order to achieve the identification of special equipment andthe whole life cycle ofinformation tracking, prevent special equipment fraud phenomenon, ensure the safe operation of special equipment.

Two-dimensionalcode Watermark Anti-counterfeiting Information tracking

X924.2

：B

1673－257X(2014)11－01－04

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.11.001

王雯雯(1984～),女，工程师，硕士研究生，从事承压类特种设备信息化研究。

2014-09-20）