Camera Shooting Resilient (CSR) Watermarking 实现说明

基于论文 "A Camera Shooting Resilient Watermarking Scheme for Underpainting Documents" (Fang et al., IEEE TCSVT 2020) 复现

算法原理

核心思想

该算法通过在文档底纹（underpainting）中嵌入水印来实现泄密追踪。相比传统水印方案，具有以下优势：

1. 隐蔽性（Inconspicuousness）：水印嵌入在背景中，不影响正常阅读
2. 鲁棒性（Robustness）：基于DCT系数交换，能抵抗相机拍摄带来的各种失真
3. 自相关性（Autocorrelation）：采用翻转排列，即使只拍摄部分文档也能提取水印

嵌入流程

消息序列 → CRC编码 → BCH编码 → 二进制矩阵W
                                    ↓
原始底纹 → 颜色优化 → 高斯噪声 → DCT嵌入 → 缩放翻转 → 水印底纹

关键方程

1. 底纹优化 (Eq. 1)

[ \min_{P'_o} |P_o - P'_o|_2^2 \quad \text{s.t.} \quad th_1 \leq Y(P'_o) \leq th_2 ]

2. DCT系数嵌入 (Eq. 3)

[ \begin{cases} C_1 = r, C_2 = -r & \text{if } w = 0 \ C_1 = -r, C_2 = r & \text{otherwise} \end{cases} ]

3. 翻转对称性 (Eq. 4)

[ P_f(x, y) = P_f(2N-x, y) = P_f(x, 2N-y) = P(x, y) ]

提取流程

拍摄图像 → 透视校正 → 直方图均衡 → 对称性定位 → 文本补偿 → DCT提取 → BCH/CRC解码

参数说明

参数	默认值	说明
embedding_strength	30.0	DCT系数修改强度，越大越鲁棒但越可见
block_size	16	嵌入块大小（像素）
watermark_rows	16	水印矩阵行数 (a)
watermark_cols	8	水印矩阵列数 (b)
underpainting_color	(199, 237, 204)	RGB底纹颜色

文件说明

• csr_watermark.py - 主要实现代码

算法限制

1. 消息容量：48比特（约6个字符），使用BCH(127,64)纠错码
2. 拍摄角度：左右60°以内，上下60°以内
3. 拍摄距离：15cm-85cm
4. 纠错能力：最多纠正10比特错误

改进建议

实际应用中可考虑以下改进：

1. 使用更强的纠错码（如LDPC）提高纠错能力
2. 实现自适应嵌入强度
3. 添加深度学习辅助的水印定位
4. 支持彩色底纹水印

参考文献

@article{fang2020camera,
  title={A Camera Shooting Resilient Watermarking Scheme for Underpainting Documents},
  author={Fang, Han and Zhang, Weiming and Ma, Zehua and Zhou, Hang and Sun, Shan and Cui, Hao and Yu, Nenghai},
  journal={IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology},
  volume={30},
  number={11},
  pages={4075--4089},
  year={2020}
}