基于隐写术和关联数码的香烟防伪方法的研究

张 杰，张帅帅，陈启强

(郑州轻工业学院 计算机与通信工程学院，郑州 450000)



基于隐写术和关联数码的香烟防伪方法的研究

张 杰，张帅帅，陈启强

(郑州轻工业学院 计算机与通信工程学院，郑州 450000)

为了解决仅依靠单一的防伪技术难以遏制香烟假冒伪劣行为及防伪标识真假难辨这一问题,提出了一种结合隐写术和关联码的香烟防伪方法,用隐写技术将香烟烟支数码作为暗码隐藏于烟支图标,烟盒条形码作为明码印制在烟盒上,然后把烟盒上的明码和烟支暗码关联,查询者可以通过防伪系统来查询明暗码,对其互相印证从而验证香烟的真伪.

关联数码；隐写术；防伪

现今的假冒产品使许多企业蒙受了巨大的经济损失,严重损害了企业的品牌形象,同时也在危害广大消费者的身心健康和合法权益.为了维护良好的市场竞争环境,保护生产厂家和消费者的合法权益,必须有效防止和杜绝假冒伪劣商品的制造和泛滥等违法行为.

香烟防伪是防伪行业的一项重要课题和难题.为了防伪,烟草公司不得不尝试各种先进技术,希望增加仿造难度,这为香烟防伪技提供了较大的发展空间,各种防伪技术层出不穷.已被广泛应用的防伪技术主要有包装材料防伪、特殊印刷防伪、金拉线防伪、随机码防伪等.上述防伪技术在一定程度上起到了防伪效果,但是,其采用的防伪技术全部是在烟盒上做文章,技术也比较单一,市场上依然出现了回收真烟盒装假冒烟支或低档次真烟的造假活动,所以这些在烟盒上下功夫的先进技术更多是在炒作高科技概念,可以毫不夸张的说中看不中用[1].

在数字化、计算机、网络的推动下,隐写术应运而生,隐写术是信息隐藏的一个重要分支,隐写术有复杂多样的方法及应用,防伪就是其中一个重要的应用,目前常见的隐写算法分为空域隐写算法和频域隐写算法[2].空域隐写算法需要改变载体的空域如LSB算法,它的思想就是用秘密信息位替换LSB位平面,或者通过改变相邻像素间的差分来隐藏信息[3-4].现在一些经典的空域算法已经做到了嵌入容量和鲁棒性的完美结合,但是对于印刷防伪而言,空域隐写算法有其固有的弱点,例如烟支图标经过打印扫描后,图标的像素值会发生大的改变,这会导致隐藏信息难以被提取出来.通过查阅相关文献,一些频域隐写算法可以规避上面的缺点,经典的频域隐写算法如基于DCT变换的隐写算法和基于DWT变换域的隐写算法,在一定程度上可以抵抗打印扫描的攻击[4-8],本文采用的嵌入和提取算法就是基于DCT变换域,对于烟支图标图像而言,如果想要被用于隐写载体图像,需要找到打印扫描前后变化不大的特性.图像分块后,对每块做DCT变换,然后统计正系数和负系数的个数,可以发现打印前后正负系数个数的差值的正负号一样,这一特性可以被用于隐写算法.本文利用隐写术和关联数码进行香烟防伪,用隐写技术将香烟烟支数码作为暗码隐藏于烟支图标,烟盒数码作为明码印制在烟盒上,然后把烟盒上的明码和烟支暗码关联,查询者可以通过防伪系统来查询明暗码,对其互相印证从而验证香烟的真伪.突破了香烟传统的防伪方法,可以做到防伪安全性好、防伪手段多样化,防伪能力强的防伪效果.

1 香烟防伪方案

1.1 烟盒条形码即明码以及烟支暗码的设计

关联数码[9-12]由烟盒明码和烟支数码组成.烟盒明码将采用条形码的形式,通过查阅烟草行业标准得知,烟用材料产品代码目前使用EAN/UCC-13标志代码,现在烟盒上用的条形码,前3位代表国家,如690为中国大陆,第4位至第7位为行业标志位,058代表山西中烟,第11和12位为香烟品牌编号,最后一位位校验位.这种编码没有赋予烟盒唯一的身份识别能力,也不具备好的防伪作用,所以按照烟草公司标准要求和防伪需求,该文利用CODE-128编码规则设计了一种烟盒身份识别码(ID),烟盒身份识别码共有22位,前12位标示起始位,烟草生产厂家及烟草品名,第13位至第20位为产品序列号,每一序列号不允许重复,第21位至第22位为校验位.

以陕西中烟为例,假如其某一烟盒身份识别码(ID)为1031028058810000000188,其含义如图1所示.烟支数码是一种防伪暗码,每盒烟包装20支烟,由验证服务器随机生成大小为0到99内的唯一的20个随机数,把这20个随机数再随机分配给每支烟,作为烟支的编号,用隐写技术隐藏于烟支图标中,这种方式较之现行的揭开式防伪更为先进,成本低,防伪效果显著.关联数码生成示意图如图2所示.

关联数码的目的是实现多重防伪和交叉验证效果,首先由验证服务器随机生成条形码系列号和烟支编号序列,同时对两种序列号进行关联,建立一一对应关系,然后在防伪数据库中存档,为避免数据被窃取如网络入侵、内部人员泄密等,可以选择合适的加密方式对数据进行多级加密后再存储,目的就是尽可能做到安全性、数据库检索速度快、空间利用率高.厂家生产时从验证服务器得到两种序列号将之分别打印到香烟烟盒上和嵌入到烟支图标中,出厂时厂家也需要随机抽查部分香烟,统计两种数码的关联正确率.

1.2 防伪认证

防伪认证需要对烟盒和烟支同时查询认证.当消费者购买到产品,需用手机扫描软件先扫描烟盒上的条形码,即对烟盒上的明码进行查询验证,如果烟盒条形码为真,则会返回给用户有关香烟的信息如什么品牌的香烟及此条形码被查询的次数,最重要的是会告诉用户接下来需要验证那几支香烟的图标,例如告诉用户要验证该盒中第5第6第7支香烟,那么用户就需要通过手机摄像头依次采集这三支香烟的烟支图标数据,然后通过网络送到验证服务器,由验证服务器根据算法规则提取内嵌的编号,把此编号与数据库中留档的烟支编号做对比,如果查询烟支图标得知第5支烟标内嵌的编号为18,而防伪数据库中该支烟的编号确为18则证明该烟可能为真,依次查询其它两支香烟,如果这三支香烟查询都正确,则证明该盒香烟为真烟.为了更好的验证该烟的真假,消费者需要多次查询同一盒烟不同的烟支,甚至全部查询.查询过程如图3所示.

1.3 烟支防伪码的隐藏

隐写术即所谓的信息隐藏,是利用人类感觉器官的不感性(感觉冗余)以及载体本身存在的冗余(数据特性冗余),将信息隐藏于载体中,而且不影响载体的感觉效果和使用价值,载体可以是图像、视频、文本、音频等.对于香烟防伪而言,载体可以选择图像即烟支的图标图像.隐写过程如图4所示.

随着具有照相功能的移动装置的普及.用烟支图标图像作为隐写载体,通过调整载体图像灰度值及进行一系列图像处理措施,将前面的支防伪码也就是暗码隐藏于烟支图标中,内嵌的信息可以是数字17或18等,对于香烟防伪在兼顾到好的防伪效果和降低隐写技术要求的前提下,香烟图标中最多也就是嵌入两位数字,这对于现有的隐写技术来说难度不算大.消费者在查询时可利用手机中的照相功能获取香烟图标图像数据,然后连接网络,将图像数据回传服务器,由服务器通过嵌入算法提取出防伪码,再反馈给消费者,明暗码标识示意图如图5所示.

根据烟草行业的实际情况和生产工艺要求,以及隐写术的特点和优势,该方法的优点可归纳如下几点：

1)在烟支图标中隐藏防伪编号,可做到微量修改原来数据,香烟图标变化不大,对于香烟的美观影响不大.

2)内嵌的防伪编号具有不可见性,人眼无法直接识别,安全性相对较好.

3)与数据库和网络有机结合,机读性十分好.

2 嵌入算法和提取算法

将128×128的灰度图像作为烟支图标,对图像进行8×8的分块,获得256个小块,记为Ex,x=1,2,…,256.对第x个8×8的分块做DCT变换,得到64个DCT系数,记为Ux(m,n),m,n=0,1,…,7引入记号U(m,n)={Ux(m,n)|x=1,2,…,256},m,n=0,1,2,…,7.可以通过改变U(m,n)集合中系数的正负号来嵌入烟支防伪码.选取烟支防伪码嵌入的位置,即取定m,n令：

N+(m，n)=集合中U(m,n)中正数的个数；

N-(m，n)=集合中U(m,n)中负数的个数；

为提高烟支防伪码嵌入的鲁棒性,需要预先设置阈值d,取定u,v当嵌入0时,令：N+(m，n)-N-(m，n)>d

当要嵌入1时,令：N+(m，n)-N-(m，n)

烟支防伪码的提取是嵌入的逆过程.卷烟过程中在计算机中完成对烟支防伪码的嵌入,打印烟支图标进行卷烟,提取时扫描烟支图标,获取烟支图标图像数据,对图像按照8×8进行分块,然后对每一块做DCT变换,得到DCT系数,计算U(m,n)中N+(m，n)和N-(m，n)的个数,检测为

如果N+(m，n)>N-(m，n)表示嵌入的是0

如果N+(m，n)

3 实验结果

打印扫描对烟支图标影响很大,所以能否高效率提取烟支防伪码,必须选择合适的打印机和扫描仪,本实验选用HP4VC激光打印机和B6210扫描仪,分辨率设置为400 DPI.实验图像选用大小为128×128的barbara灰度图像、128×128的lena灰度图像和128×128的peppers灰度图像,将原始的barbara灰度图像、lena灰度图像和peppers灰度图像分块并且做DCT变换,然后选择合适的嵌入位置,通过查阅相关文献可知,8×8的DCT系数分为低频系数,中频系数和高频系数,低频系数为图像能量的集中区,对这个区域做修改,会严重影响图像的质量,高频系数容易受影响,鲁棒性计较差,而在中频系数中嵌入烟支防伪码既兼顾到了鲁棒性也得到了较好的视觉效果.选择U(5，1)，U(6，1)，U(4，2)，U(5，2)，U(6，2)，…，U(0，6)等共18个位置作为烟支防伪码的嵌入位,嵌入序列设为100000011010101010.

(a)列分别为打印扫描前的barbara, lena和peppers;(b)列分别为打印扫描后的barbara,lena和peppers.图6 U(4，5)的DCT系数Fig.6 The DCT coefficient of U(4，5)

(a)原始图像；(b)嵌入序列后的图像；(c)打印扫描后的图像；(d)烟支图标；(e)提取图像.图7 嵌入和提取过程Fig.7 The process of embedding and extracting

隐写术用于烟支防伪,对于隐写载体的图像而言,打印扫描在卷烟过程中是必不可少的,但是打印扫描会给图像带来各种各样的失真,这其中包括几何失真和像素失真,这些失真为正确提取隐藏消息带来难题,所以要找到图像能抗打印扫描的特征,通过查阅相关文献发现对图像做DCT变换,它的DCT系数正负个数在打印前后变化不大,利用这个特征可以进行隐写的嵌入,针对这一特性在这个实验中做了简单的验证,为了试验效果分别做了三组对比试验,如图6.通过对比图6可以发现,图像经过打印扫描后,图像的DCT系数确实产生了变化,这是因为打印扫描不可避免的给图像带来了像素失真和几何失真,这些图像噪声都改变DCT系数,但是打印扫描对较小的系数影响较大,DCT系数图谱走势基本保持一致,为了尽可能真实的验证防伪方案和算法的可行性,分别作了三组对比试验,如图7示,(a)列为原始图像,(b)列为嵌入序列后的图像，(c)是打印扫描后的图像，(d)是将打印扫描后的图像作为烟支图标包裹在烟支上，(e)是从烟支提取出来的图像,用于提取序列.

从表1中可以看出,三组试验的正确率都不太高,分析可能的原因有如下几点,一是用做烟支图标的图像的质量,比如图像的类型和大小,而是选择嵌入的位置,嵌入在低频,中频和高频都可能造成提取结果的差异,三是阈值的选取,如果DCT系数图谱,打印前后跳跃很厉害,那么阈值必须选用大的值.

表1 试验结果

4 结语

这种采取隐写术和明暗码组合的防伪方法,把香烟的烟盒和烟支有机的结合在一起,利用现有的网络和计算机技术优势,既可以打击香烟假冒活动又可以维护企业和消费者的利益,所以比较被企业所接受.但是针对香烟的特点,该香烟防伪方法还需突破几个技术难点,例如改进现有的隐写算法,使隐藏的编号的烟支图标图片具有抗打印特性,还有就是如何对采集到的图标图像进行图像校正,尽可能高质量的采集到烟支图标图像数据等.

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责任编辑：时 凌

Study on the Cigarette Anti-fake Method Based on Steganography and Associated Digital

ZHANG Jie, ZHANG Shuaishuai,CHEN Qiqiang

(School of Computer & Communication Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450000, China)

In order to solve the ploblem of curbing the fake cigarettes and recognizing the indiscernible false marking,which is probably not to be solved only by a single anti-counterfeiting technique.An anti-counterfeiting method of the cigarettes is proposed,which combines steganography and associated digital.Cigarette digital is hidden into cigarette marking as a secret sign, while barrcode is printed on cigarette case as an open digital.Then we associate the secret sign with the open digital.The inquirer can check the secret sign and the open digital through anti-counterfeiting system to make them mutually verified to verify the identidication of cigarettes.

associated digital;steganography;anti-counterfeiting

2016-12-20.

国家自然科学基金项目(61272038).

张杰(1972-),男,硕士,副教授,主要从事计算机网络和智能控制的研究.

1008-8423(2017)02-0186-04

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2017.06.017

TP391.1.1

A