数字水印在印花图案版权保护中的应用

黄岭

摘要：为解决印花图案所有权争议的问题，提出一种应用图像特征识别的傅氏水印算法。该算法使用傅立叶域选用有实际防伪标记图像作为水印，在嵌入前将防伪水印置乱，采用伪随机序列，增加了嵌入强度，实验结果也表明，该算法具有较强的稳健性，适用于印花图案版权保护。

关键词：数字水印;印花图案;傅里叶变换;版权保护

中图分类号：TP312      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）23-0162-03

1 背景

我国可谓是纺织品出口大国，印花布创新设计对于出口影响巨大。不过在纺织品特别是在服装面料的款式、图案领域，相互“参考”的现象屡见不鲜。许多企业都不以为然，其实和一般美术作品一样，原创印花图案也是受到著作权法保护的。毕竟这些印花布的花型涉及数亿设计者的智力成果，理应得到法律的保护。如今，随着计算机技术的引入，进入了数码印花技术的时代，这也使传统印花图案手工设计转到计算机辅助设计，这种转变对产品质量、生产效率及费用等方面，给印花图案设计带来巨大变化。互联网的发展，又使拷贝印花图案变得非常简单，对于两张一模一样的印花图案，到底谁是真正的版权拥有者，仅依靠政府出台的法律和法规还很难判定，所以从技术上解决印花图案的版权保护是非常必要的[1]。

从目前查阅到的关于版权保护方面的文献来看，专门针对印花图案的数字水印研究技术比较少。如今印花图案版权保护的问题日益突出，以往对印花图案版权保护缺乏有效的技术手段，且處理技术较为单一，无非就是在印花图案上加入个人印记，或者对印花图案上的某一块色彩进行重设。这些方法往往会适得其反，严重影响印花图案产品的视觉效果。应用数字水印技术来进行印花图案的版权保护应该会取得比较好的效果。

2 水印算法的原理

大多数数字水印的处理过程都是有三部分组成：产生数字水印、融入数字水印和检验数字水印。数字水印方案主要是通过对水印原始的承载媒介进行一定预分析、对准备融入的内容提前做分析、分块等操作、并对涉及的融入规则、融入位置、融入的调制方式等多个关联技术环节进行合理的优化改进，从而获取到难以感知、抵御破坏、可追溯等指标要求下的设计效果。密钥也是关键点，是每一种设计的重要特征。密钥可以嵌入到信息融入预处理阶段、选择合适融入点阶段和设计控制融入的调制控制阶段中[2]。

2.1 嵌入算法的原理分析

通过对傅立叶变换及其性质的研究，并运用有意义水印、伪随机序列和Arnold“猫脸”变换，提出一种基于傅立叶域相关性检测的半盲水印算法，并用于印花图案保护实践。该算法将原始印花图案进行子块划分，并且运用离散傅里叶变换对每个小图像块进行处理，同时运用Arnold“猫脸”变换置乱二值水印图像、使用设定密钥key来产生两个备用的伪随机序列;然后根据设定嵌入规则，当被置乱的水印矩阵取值为“0”时，把印花图案的幅度谱相对应的数值与其中一个伪随机序列进行乘性垒叠，矩阵取值为“1”时，把印花图案的幅度谱相对应的数值与另外一个伪随机序列进行乘性垒叠;最后对每一个小图像块进行离散傅里叶逆变换，得到嵌入水印的印花图案[3]。具体的嵌入算法流程如图1所示。

嵌入算法流程如下：

1）子块划分。运用公式（1）将原始印花图案划分为若干个8×8的小图像块。

2）离散傅里叶变换。运用公式（2）对每个小图像块进行离散傅里叶变换处理，接着做快速傅里叶变换频谱平移操作，把二位矩阵中第一、第三与第二、第四象限交换，以实现直流分量居中的效果。

3）置乱水印。运用Arnold“猫脸”变换置乱二值水印标记图像，“猫脸”变换可以迭代执行，只要感到置换之后有无法识别出原图即可认为是一张“猫脸”变换后的置乱图。需要注意的是“猫脸”变换实质是一种新旧点在位置上的移动，而且这种变换是可以说是一、一对应的[4]。虽然说可以重复的迭代执行下去，但“猫脸”变换也是有周期性的，当它置换到周期会恢复成原来的图像。由于仿真实验使用的水印尺寸为40×40，40阶的二维置乱周期为30，实验算法设置嵌入水印置换次数为10，提取水印置换次数为20。

4）伪随机序列的产生。使用设定密钥key结合MATLAB提供的随机函数来产生两个备用的伪随机序列r0、r1，需要注意的是只有在嵌入水印和提取水印时采用相同的密钥key，才能保证产生的两个备用的伪随机序列保持一致。

5）修改相应幅度谱值。根据设定嵌入规则，当被置乱的水印矩阵取值为“0”时，把印花图案的幅度谱相对应的数值与其中一个伪随机序列r0进行乘性垒叠，矩阵取值为“1”时，把印花图案的幅度谱相对应的数值与另外一个伪随机序列r1进行乘性垒叠。

这其中， abs_block（a，b）是经过傅立叶变换的块图，k为嵌入强度，r0、r1为两个伪随机序列。需要注意的是滤波器的选取，由于水印的嵌入过程可以理解为是在原始信号上嵌入噪声的过程，一方面噪声强度的选取是关键，另一方面滤波器设置要考虑到尽可能保留原始印花图案的细节，也就是低频成分，在嵌入时选取滤波器值为1时即印花图案的幅度谱高频部分与对应伪随机序列进行乘性垒叠[5]。

6）傅里叶逆变换。使用如abs_block=fftshift（abs_block）;程序对所有小块进行傅氏逆变换，最终得到含有防伪标记的印花图案。

2.2 检测提取的原理分析

检测提取的算法类似嵌入算法，可以理解为嵌入的反过程。需要注意的是检测提取时只需防伪标记的大小等部分信息，而无需原来印花图案。另外为保证产生的伪随机序列保持一致，在嵌入水印和提取水印时要采用相同的密钥key。具体的检测提取流程如图2所示。

1）子块划分。运用公式（1）将原始印花图案划分为若干个8×8的小图像块。