图像是以空间或矢量来存储数据的, 这一固有特性决定了图像数据的冗余性, 空间冗余是证件照片中存在的最主要的一种数据冗余, 同一张照片表面上采样点的颜色之间往往存在着空间连贯性, 但是基于离散像素采样来表示物体颜色的方式通常没有利用这种连贯性, 那么根据采样定理, 人像照片上存在大量的冗余信息。图像的空间冗余是进行信息隐藏的前提, 通过用隐藏信息替代图像中的冗余部分予以实现。

信息隐藏技术的一个共同点是：有意或无意地利用人类视觉系统的冗余性来进行, 视觉冗余是指人类的视觉系统具有一定的不敏感性, 对图像信息的变化存在最小的门限值, 图像颜色的幅度或对比度变化必须超过一定的数值才能被人眼所检测。例如：当我们观察1幅8 bit的灰度图像时, 一般人们只能看见高位的6 bit表示的内容, 无论低比特是否表示有用信息, 都感觉不到它的存在。

正是由于人眼视觉系统对图像的敏感性是非均匀和非线性的, 使得它具有如下特性：人眼对物体边缘敏感, 而对内部区域相对不敏感; 对整体结构敏感, 而对内部细节相对不敏感; 对亮度变化敏感, 而对色度的变化相对不敏感。另一方面, 我们知道出入境证件是采用CMYK颜色模式进行印刷, 由于在CMYK色彩空间中, 人眼对Y通道敏感度较低, 所以可以将水印信息添加到Y通道中; 但同时我们也要注意, 虽然人眼对高频信号不敏感, 但是由于高频信号的幅度值较小, 通常会被压缩技术所剔除, 那么如果仍在高频部分嵌入水印, 其鲁棒性就会较弱, 所以一个折中的办法就是将水印信息嵌入到中频部分进行隐藏。

下面以护照资料页上的IPI为例阐释冗余性的重要性。在图2中, a所示为放大观察添加水印信息后的照片, 可见其有些打印点的位置发生改变; b所示为放大观察解码后的照片, 可见水印图像的形状发生细微的变化。同样如图3, a中可见线条走向发生改变; b中可见线条粗细发生变化。

由于打印点或线的改变都极为细小, 用肉眼无法分辨, 也无法通过扫描和复印的方法来复制。

图2

Fig.2

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	图2 位置、形状发生轻微改变（a.加密后照片; b.解码后照片）Fig.2 Slight change of position and shape (a. encrypted photo; b. decoded photo)

图3

Fig.3

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	图3 线条频率的轻微变化（a.加密后照片; b.解码后照片）Fig.3 Slight change of line frequency (a. encrypted photo; b. decoded photo)

光学信息隐藏不仅利用了数字图像本身的冗余性以及人眼视觉系统的冗余性, 还通过增加水印信息的嵌入强度和冗余性使得算法的稳健性得到进一步提升。图4所示为提取出的水印信息, 由此可见, 证件号码和出生日期在图上也是重复出现。

图4

Fig.4

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	图4 水印信息的冗余性嵌入（a.加密后照片; b.解码后照片）Fig.4 Redundant embedment of water-mark (a. encrypted photo; b. decoded photo)

不易察觉和不易攻击是衡量信息隐藏技术优劣的两个最重要指标。不易察觉, 又称不可感知, 是指原始照片和嵌入水印信息后的照片之间的相似度, 即嵌入水印后不能影响人眼的感知效果; 不易攻击, 又称强鲁棒性, 是指含水印信息的照片的抗攻击能力在经受各种恶意攻击或者图像处理（打印、扫描）操作后水印信息依然能够正确地予以提取。

遗憾的是, 不可感知性和鲁棒性是一个硬币的两面, 一方面, 为了尽可能地不被人眼感知, 需要尽量少地嵌入水印信息, 这样就势必导致水印鲁棒性的下降, 容易受到攻击; 为了增强鲁棒性, 就要增加水印嵌入的强度和重复性, 这样也会引起人眼视觉系统的察觉。如何权衡二者之间的关系, 在不可感知性和鲁棒性之间找到一个平衡点, 是众多数字水印算法的核心所在。

除了不可感知性和鲁棒性之外, 水印的容量和安全性也是衡量一个算法的重要指标, 这里不做过多赘述。

透镜是最基本的光学元件, 在信息隐藏中也得到应用, 其除了具有成像性质外, 还可以实现图像的傅里叶变换, 所谓透镜的傅里叶变换就是利用透镜得到图像的傅里叶频谱, 从而将信号从空域变换到频域, 正是由于透镜的这一特性, 使得傅里叶光学分析在光学中得到广泛应用。

双随机相位编码技术^[2]的提出, 掀起了光学安全、光学加密领域的研究热潮。其实现过程如图5所示。水印图像G紧贴于随机相位板DRP1, 在平行光的照射下, G受到DRP1的随机相位调制, 经过一个傅里叶透镜后变换到频域, 接下来被第二块随机相位板DRP2调制, 然后经过第二个傅里叶透镜变换到空域, 此时水印图像被加密转换成白噪声, 然后将其与载体图像S0叠加, 得到加密后的含水印图像S。

图5

Fig.5

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	图5 双随机相位编码技术原理Fig.5 Principle of the dual random-phase coding

分析可知, 双随机相位编码技术是通过把秘密信息转换成白噪声的形式, 在空域嵌入到载体图像中, 所以其实质上是一种空域方法。

我们知道传统光学全息分为波前记录和波前再现, 利用光化学方法将干涉条纹记录在全息干板上, 利用光通过全息介质上的衍射与参考光之间的干涉再现原物体。而数字全息与光学全息不同, 主要表现在以下三个方面：一是在数字全息术中, 全息图由CCD器件直接获取, 而不需要全息干板记录; 二是得到的信号以数字图像的形式存储起来, 能够直接被计算机进行处理, 不需要通过定影、显影等操作; 三是数字再现的过程只需要输入相应参数, 根据预先编写好的程序, 就可以进行再现, 不需要用原参考光进行衍射再现。那么数字全息技术是怎么实现信息隐藏的呢?

数字全息技术^{[5, 6]}的过程如图6所示, 首先将水印图像G紧贴一块随机相位模板DRP, 平行光垂直照射图像进行调制, 然后经过一个傅里叶透镜变换到频域, 在傅里叶频谱面上与一束参考光R进行叠加, 并利用光强探测器（ID）记录强度信息, 即形成全息水印图像, 全息水印图像通过常数因子加权或载体图像相关加权两种方式与载体图像叠加, 得到加密后的含水印的图像S, 并且此时的光学图像已经转换成数字信息。

图6

Fig.6

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	图6 数字全息技术过程Fig.6 Process of digitizing the holographic water-marked image

同样的分析, 由于水印信息是在频域加入到载体图像中, 所以数字全息技术是一种频域方法。

在光电混合器中, 水印图像的提取由光学元器件完成, 称为透镜解码。将含水印图像写入空间光调制器, 用平面波照射, 在透镜后的焦面上便可以提取出水印信息, 图8所示为采用这种解码方式的IPI图文。由于解码的透镜对光有特殊的折射作用, 当透镜与IPI参数一致时, 正常图像和水印图像的光路产生分离, 形成颜色差异, 从而使隐藏的个人信息显现, 并且一种透镜只适用于一种证件的IPI解码。从而保证解码的安全性。

图8

Fig.8

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	图8 透镜解码方式（a.水印照片; b.解码透镜; c.水印图像）Fig.8 Decoding the water-marked image by lens (a. photo with water-mark; b. decoding lens; c. the water-marked image )

VSC/6000超级文检工作站包含了IPI选项, 利用它可以实时解出在文检仪检查中照片的IPI信息, 也可以读取保存的照片, 然后解出其中的水印信息, 这个过程称为软件解码。在文检仪中储存了很多含IPI出入境证件的解码参数, 其中三个重要的参数分别是：放大倍率、镜头斜度和镜头角度, 可以在预设国家中选取对应的国家以选取相应的参数预设值。对于不在预设中的国家, 可以手动调节参数, 并自行保存解码参数预设值以供下一次解码使用。

同时还要注意几点注意事项：一是照片要放正。一般来说, 照片的边缘和屏幕边缘的夹角不可以大于5° , 否则可能会导致无法解码。二是照片要清晰, 实时读取持证人照片时, 放大倍数要达到可以清楚分辨出持证人照片中的墨点的程度, 并且曝光时间以及对焦要正确; 如果用已保存图片解码时, 扫描的照片分辨率要达到800 dpi或以上。如图9所示为作者利用VSC/6000文检仪对泰国护照进行解码的示意图。

图9

Fig.9

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	图9 软件解码方式Fig.9 Decoding by software

由于加密软件的使用需要得到授权, 且每种证件所选择的参数由证件制作机构掌握, 所以软件解码的保密性和安全性能够有效保障。