[發明專利]基于塊分類的PNG電子發票圖像水印嵌入與認證方法

有效

• 申請號: 201410090182.6
• 申請日: 2014-03-12
• 公開（公告）號: CN104036447B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發明（設計）人: 陳帆;秦瑤;和紅杰
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06T1/00
• 分類號: G06T1/00
• 代理公司: 成都博通專利事務所51208
• 代理人: 陳樹明

1.一種基于塊分類的PNG電子發票圖像的水印嵌入與認證方法，包括如下步驟：

A、塊分類

A1、圖像分塊：將尺寸為(18m+u)×(18n+v)的發票圖像中的(1:18m,1:18n)區域的R、G和B分量中的一個分量圖像X劃分成m×n個互不重疊的18×18分量圖像塊，即X={X_i|i=1,2…N}，X_i={x_i,j|j=1,2…18×18}；其中，m為分量圖像X的行數除以18的商，u為分量圖像X的行數除以18的余數，n為分量圖像X的列數除以18的商，v為分量圖像X的列數除以18的余數，i為分量圖像塊X_i的編號，N=m×n為分量圖像塊個數，j為分量圖像塊X_i內像素的編號；

A2、可改變像素點判定：將分量圖像塊X_i中的像素點x_i,j分為I類像素點和II類像素點，分別記為X_i¹和X_i²；

xi,j∈Xi1,ifj=54a+3b-37,a=1,2,···6,b=1,2,···6Xi2,otherwise]]>

用標識元素p_i,j組成的標識矩陣P_i={p_i,j|j=1,2…18×18}記錄分量圖像塊X_i中對應像素點x_i,j的可改變性；標識元素p_i,j的值為0的對應像素點x_i,j為不可改變像素點，標識元素p_i,j的值為1的對應像素點x_i,j為可改變像素點；標識矩陣P_i={_pi,j|j=1,2…18×18}中所有元素p_i,j的初始值均為0，并由下式計算出所有I類像素點的p_i,j值，對標識矩陣P_i中相應的元素p_i,j的值進行更新：

pi,j=1,ifpsdi,j≤1.00,otherwise]]>j=54a+3b-37,a=1,2,L6,b=1,2,L6

其中，psd_i,j是通過二值化以編號j=54a+3b-37的像素點為中心，編號為j±1j±18，j±18±1的像素點為八鄰域組成的3×3圖像塊，計算得到的中心點的像素擴展差；

A3、塊分類：統計分量圖像塊X_i中可改變像素點的個數L_i，L_i=∑p_i,j,j=1,2,L,18×18，分量圖像塊X_i中的L_i個可改變像素點按從左至右、從上至下的順序記為x_i,jc，c=1,2,…L_i且p_i,jc=1；將開票日期、代碼、號碼、收款單位、稅號、項目信息、金額和發票專用章所在的分量圖像塊X_i歸為關鍵類；不是關鍵類且可改變像素點的個數L_i>0的分量圖像塊歸為非均勻類；不是關鍵類且可改變像素點的個數L_i=0的分量圖像塊歸為均勻類；

B、水印的生成與嵌入

B1、水印嵌入位置選擇：對均勻類的分量圖像塊X_i，通過密鑰Key1在該分量圖像塊X_i的II類像素點中選擇8個像素點x_i,qh，這8個像素點的最低位作為圖像塊X_i內的可嵌入水印位置，其中，h=1,2,…8，x_i,qh∈X_i²，qh為密鑰Key1從分量圖像塊X_i內選出的8個像素的編號；

對非均勻類或關鍵類的分量圖像塊X_i，可嵌入水印位置分為兩部分：第一部分為密鑰Key1在其II類像素點中選擇的8個像素點x_i,qh的最低位；第二部分為分量圖像塊X_i中L_i個可改變像素點x_i,jc的低4位，共L_i×4個嵌入位置；

B2、映射位置生成：基于用戶密鑰Key2生成長度為N的實值偽隨機序列R={r_i|i=1,2,…,N}，根據R生成塊鏈{(X_i,X_i’)|i,i’∈[1,N]}以確定每個分量圖像塊X_i相對應的分量映射塊，其中i’為R中元素r_i的值在R中按大小排序后的位置；

B3、水印生成與嵌入：對于每個分量圖像塊X_i，首先將分量圖像塊X_i中的由B1步選擇的8個像素點x_i,qh和標識元素p_i,j=1的對應像素點x_i,j的像素值置為100，其余像素值不變，得到矩陣X_i^A，然后根據其分量映射塊X_i’的類別完成水印的生成與嵌入：

若其分量映射塊X_i’為均勻類，則將矩陣X_i^A相應二進制編碼流進行哈希運算，得到長度為8的分量圖像塊X_i的二值水印信息序列W_i，W_i=Hash(X_i^A)={w_i,k|k=1,2,…8}；通過依次修改分量映射塊X_i’內8個可嵌入像素x_i',qh(h=1,2,…8)實現水印信息W_i的嵌入，即：

k=1,2,L,8

若其分量映射塊X_i’為非均勻類或關鍵類，則將矩陣X_i^A相應二進制編碼流進行哈希運算，得到長度為L_i’×4+8的分量圖像塊X_i的二值水印信息序列W_i，W_i=Hash（X_i^A）={w_i,k|k=1,2,…L_i’×4+8}；通過依次修改分量映射塊X_i’內8個像素x_i',qh(h=1,2,…8)和L_i’個可改變像素x_i',jc實現水印信息W_i的嵌入，即：

C、含水印彩色電子發票圖像生成

將發票圖像中的區域(1:18m,1:18n)的R、G和B分量中的剩余分量進行以上A、B步的相同操作，直至得到發票圖像含水印的全部分量，形成含水印的完整彩色電子發票圖像。

D、接收圖像的塊分類

D1、圖像分塊：含水印的完整彩色電子發票圖像經傳輸，接收后得到尺寸為(18m+u)×(18n+v)的彩色電子發票圖像中的(1:18m,1:18n)區域的R、G和B分量中的一個接收分量圖像Y；將接收分量圖像Y劃分成m×n個互不重疊的18×18接收分量圖像塊Y_i，即Y={Y_i|i=1,2…N}，Y_i={y_i,j|j=1,2…18×18}；其中，m為接收分量圖像Y的行數除以18的商，u為接收分量圖像Y的行數除以18的余數，n為接收分量圖像Y的列數除以18的商，v為接收分量圖像Y的列數除以18的余數，i為接收分量圖像塊Y_i的編號，N=m×n為接收分量圖像塊個數，j為接收分量圖像塊Y_i內像素的編號；

D2、可改變像素點判定：將接收分量圖像塊Y_i中的像素點y_i,j分為I類像素點和II類像素點，分別記為Y_i¹和Y_i²；

yi,j∈Yi1,ifj=54a+3b-37,a=1,2,···6,b=1,2,···6Yi2,otherwise]]>

用接收標識元素p^*_i,j組成的接收標識矩陣P^*_i={p^*_i,j|j=1,2…18×18}記錄接收分量圖像塊Y_i中對應像素點y_i,j的可改變性；接收標識元素p^*_i,j的值為0的對應像素點y_i,j為不可改變像素點，接收標識元素p^*_i,j的值為1的對應像素點y_i,j為可改變像素點；接收標識矩陣P^*_i={p^*_i,j|j=1,2…18×18}中所有元素p^*_i,j的初始值均為0，并由下式計算出I類像素點的p^*_i,j值，對接收標識矩陣P^*_i中相應的元素p^*_i,j的值進行更新：

pi,j*=1,ifpsdi,j*≤1.00,otherwise]]>j=54a+3b-37,a=1,2,L6,b=1,2,L6

其中，psd^*_i,j是通過二值化以編號j=54a+3b-37的像素點為中心，編號為j±1j±18，j±18±1的像素點為八鄰域組成的3×3圖像塊，計算得到的中心點的像素擴展差；

D3、塊分類：統計接收分量圖像塊Y_i中可改變像素點的個數L_i^*，j=1,2,L,18×18，接收分量圖像塊Y_i中L_i^*個可改變像素點的編號按從左至右、從上至下的順序記為y_i,jc，c=1,2,…Li*且將開票日期、代碼、號碼、收款單位、稅號、項目信息、金額和發票專用章所在的接收分量圖像塊Y_i歸為關鍵類；不是關鍵類且可改變像素點L_i^*>0的接收分量圖像塊歸為非均勻類；不是關鍵類且可改變像素點L_i^*=0的接收分量圖像塊歸為均勻類；

E、水印的重構與提取

E1、映射位置生成：用B2步中的用戶密鑰Key2生成長度為N的實值偽隨機序列R={r_i|i=1,2,…,N}，根據R生成塊鏈{(Y_i,Y_i’)|i,i’∈[1,N]}以確定每個接收分量圖像塊Y_i相對應的分量映射塊，其中i’為R中元素r_i的值在R中按大小排序后的位置；

E2、水印提?。簩γ總€接收分量圖像塊Y_i，根據其接收分量映射塊Y_i’所屬類別的不同提取水印信息W_i^#：

若接收分量映射塊Y_i’為均勻類，則用B1步的密鑰Key1在該接收分量圖像塊Y_i’中選出8個像素點y_i',qh，并從該8個像素點的最低位提取出接收分量圖像塊Y_i的水印信息W_i^#={w^#_i,k|k=1,2,…,8}，其中h=1,2,…8，y_i',qh∈Y_i’²，qh為從接收分量圖像塊Y_i’內選出的像素的編號；

若接收分量映射塊Y_i’為非均勻類或關鍵類，則用B1步的密鑰Key1在該接收分量映射塊Y_i’內選出8個像素點y_i',qh的最低位及L_i’^*個可改變像素點y_i',jc的低4位提取出接收分量圖像塊Y_i的水印信息序列W_i^#={w^#_i,k|k=1,2,…,L_i’^*×4+8}；

E3、水印重構：對每個接收分量圖像塊Y_i，根據其接收分量映射塊Y_i’所屬類別重構水印信息W_i^*：

若接收分量映射塊Y_i’為均勻類，則將B3步中的分量圖像塊X_i替換為接收分量圖像塊Y_i，再按B3步的同樣操作，重構出長度為8的接收分量圖像塊Y_i的水印信息W_i^*={w^*_i,k|k=1,2,…,8}；

若接收分量圖像塊Y_i’為非均勻類或關鍵類，則將B3步中的分量圖像塊X_i替換為接收分量圖像塊Y_i，再按B3步的同樣操作，重構出長度為L_i’^*×4+8接收分量圖像塊Y_i的水印信息W_i^*={w^*_i,k|k=1,2,…L_i’^*×4+8}；

F、篡改認證

F1、比較矩陣：比較重構水印W_i^*與提取水印W_i^#得到接收分量圖像的比較矩陣D={d_i|i=1,2,…,N}，

di=0,ifWi*=Wi#1,otherwise]]>

F2、初態篡改檢測矩陣：計算比較矩陣D的八鄰域特征矩陣△={δ_i|i=1,2,…，N}，

δ_i=∑d_j,j=i±1,i±n,i±n±1

根據比較矩陣D及其八鄰域特征矩陣△，生成初態篡改檢測矩陣T⁰=(t_i⁰|i=1,2,…，N)，

F3、次態1篡改檢測矩陣：根據初態篡改檢測矩陣T⁰，生成橫向鄰域擴展的次態1篡改檢測矩陣T¹=(t_i¹|i=1,2,…，N)；

其中j=i±1,i±n,i±n±1，

j=i+1,i+2，j=i-1,i-2；

F4、次態2篡改檢測矩陣：根據F2步的初態檢測矩陣T⁰，生成次態2篡改檢測矩陣T²=(t_i²|i=1,2,…，N)；

其中j=i±1，j=i±n；

F5、接收分量圖像塊真實性判定：對關鍵類接收分量圖像塊Y_i，若(t_i⁰=1)或(t_i⁰=0且t_i²=1)，判定該接收分量圖像塊Y_i為篡改塊；若t_i⁰=0且t_i²=0，判定該接收分量圖像塊Y_i未被篡改；

對均勻類和非均勻類接收分量圖像塊Y_i，若(t_i⁰=1且t_i¹=1)或(t_i⁰=0且t_i²=1)，判定該接收分量圖像塊Y_i被篡改；若(t_i⁰=1且t_i¹=0)或(t_i⁰=0且t_i²=0)，判定該接收分量圖像塊Y_i未被篡改；

G、彩色圖像塊真實性判定

將接收彩色電子發票圖像中的區域(1:18m,1:18n)的R、G和B分量中的剩余分量進行以上D、E和F步的相同操作，直至得到接收發票圖像三個分量的分量圖像塊的判斷結果；若同一序號i的三個分量圖像塊Y_i中有兩個以上被判為篡改，則最終判定該接收電子發票中的彩色圖像塊為篡改塊，并用選定的顏色在接收圖像上該篡改塊位置進行標示；否則判為真實彩色圖像塊。