抗陶瓷烧制变色的鲁棒水印技术算法研究
时间：2021-01-06 20:00:53 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：景德镇名瓷的版权保护问题一直影响景德镇经济发展的速度。目前，尚未存在有效地技术手段能够遏制陶瓷的仿冒和侵权。仅一篇论文给出了一种防伪花纸制作的技术框架。针对花纸需经过高温回炉处理并伴随有颜色变化的现象，该技术框架强调其具体实施的关键之一是如何设计能够抵抗变色攻击的水印。针对此问题，该文提出一种能够抗陶瓷烧制变色的鲁棒水印算法。
关键词：数字水印；版权论证；花纸制作；鲁棒控制；抗烧制变色
中图分类号：TP18 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)10-2406-02
近年来受到利益的驱使，“景德镇”等诸多品牌名瓷，特别是由美术大师创作的艺术名瓷被大肆的盗用和冒仿。因此，如何加强对景德镇陶瓷品牌特别是景德镇名人名作的版权保护显得至关重要。目前绝大部分论文均是从法律和行政层面探讨版权保护的方式。其中部分论文是针对2004年景德镇原产地保护申请的几点分析和建议。部分论文研究了当下存在的各种盗用、仿冒现象，并就各种侵权行为给予定性分析并提出相应法律规范措施。
基于此，仅一篇提出了一种基于水印技术的防伪花纸制作技术框架，并给出相应的可行性分析。论文通过花纸此种特殊媒介将水印附着到陶瓷载体之上以实施版权保护。同时文中提出技术框架中需要实现的两大技术问题之一是：如何有效的设计出高鲁棒性的水印以保证其在花纸烧制变色过程中不受破坏。基于此，本文提出一种能够抵抗变色攻击的水印嵌入算法。该算法通过寻找在陶瓷烧制过程中不变的特征并将水印嵌入此不变的特征之上以实现水印的抗攻击性。
本文首先给出了防伪花纸框架的相关介绍，在此基础上提出了新的抗变色的鲁棒水印设计算法，并给出了相应的仿真试验和结论。实验结果证明，此技术能够有效地起到防伪的功能。
1 防伪花纸制作框架
仅一篇论文将传统的数字水印系统和花纸制作工艺进行结合，提出一种防伪花纸的制作技术框架。如图1所示，该技术将水印嵌入至花纸的最初电子版画稿中以实现对花纸的保护。当花纸经过加工制作、回炉烧制印制至陶瓷上后，对花纸的版权保护即可转嫁至陶瓷之上以实现对陶瓷此种特殊载体的版权保护。当需要论证陶瓷的版权时，仅需要扫描花纸信息至电脑并从其电子版中提取水印信息进行比对研究即可。当能够从扫描图像中提取合法的水印信息（版权信息）即表明论证成功，此时陶瓷为合法产品，否则被判定为非法复制品。该技术以此实现了对具体载体而非电子数据的版权保护。
如图1所示，陶瓷版权能够得以有效保护的关键在于用于版权保护的水印能够抵抗花纸制作、回炉烧制等过程的干扰而仍然存在于花纸以及最后的陶瓷载体之上，即设计出抗花纸制作和回炉烧制等攻击的鲁棒水印。该论文用简单的打印操作模拟花纸制作过程并提出抗打印——扫描攻击的水印即可满足要求。同时，该论文注意到回炉烧制是个会使花纸颜色产生变化的过程。为此在文中最后说明如何设计抗陶瓷烧制变色的鲁棒水印才是该框架实施的关键。基于此，本文第3节提出一种能够抵抗变色攻击的水印嵌入算法。
2 本文算法
本小节通过对比陶瓷烧制前后花纸的变色图像发现两大特点：1) 任何颜色的花纸在陶瓷烧制前后均会发生不同程度的变色，其中青花颜色的花纸变色效果最不明显，粉红色和金色花纸的变色情况较为明显；2) 不同的温度以及不同的工艺(釉上、釉中、釉下) 烧制出来的陶瓷花纸图片的变色情况也有所区别。一般而言，温度越高，颜色变化越大。为此，基于颜色修改的水印嵌入算法在本过程是失效的。
本文通过对比陶瓷烧制前后花纸的变色图像发现此过程有一个稳定的特性：即对于花纸覆盖的陶瓷部分呈现出花纸的图案颜色，例如：青花色，没有被花纸覆盖的空隙部分呈现出陶瓷原始釉面的亮白色。而陶瓷的烧制过程仅是将覆盖花纸部分的花纸图案印入陶瓷中，而对未覆盖花纸的部分不会产生影响。虽然此过程会使得花纸颜色变化，例如：青花色变成较浅的蓝色或是较深的深褐色，但变色后仍属于青花色范畴且与亮白色有明显。基于分析，本文提出一个陶瓷烧制前后不变的特征：如果将花纸图像进行二值化，即有色用数字"1"表示，无色空隙(亮白色)用数字"0"表示，则可生成一个与花纸尺寸一致的二值图。由于陶瓷烧制只会改变有色部分的颜色而对无色空隙无影响，故对陶瓷扫描图像(烧制后的图像)进行同样的二值化过程将得到相同的二值图像。为此本文的关键是在此二值图像中嵌入水印信息同时保持二值图像的修改是视觉上不可见的以保证修改后的花纸质量效果。其嵌入步骤如下：
1）将花纸图像I转化为同样尺寸的二值图像I"；当花纸图像有颜色是标记为"1"，无颜色时标记为"0"；
2）如有些论文所述在二值的半色调图像I"中嵌入版权水印信息w，并生成含水印图像I"W。此过程需保证图像的视觉上不可察觉，即失真相对较小。此要求引用论文均有达到；
3）将生成的含水印二值图像I"W与原始的有色花纸图像进行对比并由I恢复出受版权保护的花纸图像Is；具体操作如下：当I"W=1，I对应像素有颜色时，IS被设置为与I一样的颜色；当I"W=1，I对应像素无颜色时，IS可通过I周边四领域的像素做像素平均值插值出一个相近的颜色以保证视觉失真较小；当I"W=0时，IS被设置为无色。
显然，步骤2保证了将版权水印嵌入二值图像上不会造成较大的视觉失真。步骤3保证了版权信息w嵌入至原始的花纸图像I的二值图像I"以生成I"W。由于二值图像在花纸烧制变色过程中不会发生变化，故可从变色的花纸中生成I"W。为此通过I’W可恢复出版权信息w以实现看变色攻击的水印算法。
3 实验分析
如图2，本文通过对比金色的原始花纸和经过烧制变色后的花纸图像，以及相应的二值化图像可得：在陶瓷烧制过程中，金色花纸会出现较为明显的变化，但都属于有色范围，即烧制前是暗红色，烧制后是亮红色同时出现不少噪点。然而其二值化图像却是相对稳定的特征。此点证明本文提出的二值图特征是鲁棒的。
(a) 原始花纸 (b) 烧制后的花纸 (c) "a"的二值化图像(d)"b"的二值化图像
图2烧制前后花纸二值图像的对比
图3给出了嵌入水印和提取水印的效果图。虽然有一定的失真，让其恢复情况再次证实了本文算法的有效性。最后分析其失真原因可能来源于陶瓷上花纸扫描的噪声等机械因素。
4 结论
本文利用花纸在烧制过程中能够保持其二值图像不变的特性，提出一种抗烧制变色攻击的水印算法框架。通过对原始的花纸进行二值化并在其二值化图像中嵌入水印，然后将含水印的二值图像反变换为彩色图像以创建加载版权保护标志的花纸。实验表明该技术具有较强的鲁棒性。后续工作将在如何在二值图像中设计高性能的嵌入算法方面展开。
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