郭凌華,陳燕,劉國(guó)棟,邢鐵豆

(1.陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院, 陜西 西安 710021;2.陜西科技大學(xué) 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710021)

半色調(diào)圖像的網(wǎng)點(diǎn)式光柵顯隱防偽研究

郭凌華1,2,陳燕1,2,劉國(guó)棟1,2,邢鐵豆1,2

(1.陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院, 陜西 西安 710021;2.陜西科技大學(xué) 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710021)

目前已有的光柵防偽方法是在四色印刷的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的,而對(duì)于某些特定單色印刷,其防偽質(zhì)量不佳,并且需借助特殊的光柵材料,增加了成本。本文提出一種半色調(diào)圖像的網(wǎng)點(diǎn)式光柵顯隱防偽方法。該方法以半色調(diào)圖像加網(wǎng)和莫爾條紋效應(yīng)為基礎(chǔ),通過(guò)網(wǎng)點(diǎn)的規(guī)律變化嵌入隱藏信息,再根據(jù)網(wǎng)點(diǎn)式解碼光柵與含有隱藏信息的編碼光柵參數(shù)的匹配關(guān)系,制作對(duì)應(yīng)的網(wǎng)點(diǎn)式解碼光柵,提取隱藏信息。該防偽方法隱藏效果好,提取隱藏信息的清晰度高。尤其在某些特定單色印刷防偽上,較之前的方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

網(wǎng)點(diǎn)式光柵; 半色調(diào)圖像防偽; 信息隱藏; 光柵匹配; 單色印刷

為了防止假冒偽劣產(chǎn)品對(duì)消費(fèi)者利益的侵害,人們對(duì)包裝防偽技術(shù)提出了更高的要求。新的防偽方法也不斷涌現(xiàn)[1-2],但往往是以增加成本為代價(jià)的。近幾年,提出的光柵顯隱防偽方法,無(wú)需改變現(xiàn)有印刷工藝,普通消費(fèi)者可以直接識(shí)別[3-4]。但目前該防偽方法隱藏效果不佳,尤其是對(duì)于某些單色印刷產(chǎn)品,并且多借助特殊的光柵材料提取隱藏信息,增加了防偽成本[5-6]。

筆者針對(duì)上述問(wèn)題,提出一種網(wǎng)點(diǎn)式光柵顯隱防偽方法。該技術(shù)以半色調(diào)圖像加網(wǎng)和莫爾條紋效應(yīng)為理論基礎(chǔ),通過(guò)網(wǎng)點(diǎn)的規(guī)律變化嵌入隱藏信息,再根據(jù)匹配關(guān)系制作相應(yīng)的網(wǎng)點(diǎn)式解碼光柵,提取隱藏信息。該方法隱藏效果好,提取隱藏信息的清晰度高,達(dá)到了半色調(diào)圖像防偽的目的。

1 半色調(diào)圖像防偽信息隱藏及提取的機(jī)理

1.1 半色調(diào)圖像加網(wǎng)原理

加網(wǎng)是指利用單位面積內(nèi)密度的變化來(lái)表現(xiàn)原稿層次,常用的調(diào)幅加網(wǎng)即利用網(wǎng)點(diǎn)大小不同來(lái)體現(xiàn)半色調(diào)圖像層次[7]。在半色調(diào)圖像防偽技術(shù)中,通過(guò)尋找調(diào)幅加網(wǎng)參數(shù)與顯隱光柵參數(shù)的映射關(guān)系,完成防偽信息的隱藏。

1.2 光干涉原理

印刷品是由網(wǎng)點(diǎn)組成的,而網(wǎng)點(diǎn)按照一定的角度和規(guī)律排列的,容易形成光學(xué)干涉現(xiàn)象,印刷中形成了莫爾條紋。把印刷中半色調(diào)圖像看作是特殊的網(wǎng)點(diǎn)式光柵,而印刷品兩網(wǎng)點(diǎn)間的距離是遠(yuǎn)大于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的,因此其網(wǎng)點(diǎn)式光柵屬于粗光柵,粗光柵形成的莫爾條紋由遮光陰影原理解釋[8]。

如圖1所示,當(dāng)兩塊粗光柵以?shī)A角θ面對(duì)面疊合時(shí),根據(jù)遮光原理,透過(guò)光線的區(qū)域形成亮帶,不透光的區(qū)域形成暗帶,其余區(qū)域介于亮帶與暗帶之間。

當(dāng)兩光柵的柵距p1、p2以及兩光柵的夾角θ取不同值時(shí),會(huì)產(chǎn)生不同樣式的莫爾條紋。莫爾條紋的周期滿足如下公式:

(1)

當(dāng)p1=p2=p時(shí),則莫爾條紋的周期公式變?yōu)?

(2)

式中，放大倍率k與夾角θ有關(guān),且θ越小,k越大,產(chǎn)生的莫爾條紋周期w越大,莫爾條紋圖案也越明顯。則由公式(2)可知,當(dāng)兩光柵夾角θ為0時(shí),周期達(dá)到無(wú)窮大。

在半色調(diào)圖像防偽中,設(shè)自定義編碼光柵1為嵌入了隱藏信息的半色調(diào)圖像,自定義解碼光柵2為網(wǎng)點(diǎn)式解碼光柵。按照光學(xué)機(jī)理,尋找形成莫爾條紋的臨界狀態(tài),當(dāng)光柵1和光柵2疊合以后形成的莫爾條紋的周期越大,則隱藏區(qū)域與非隱藏區(qū)域的對(duì)比度越大,隱藏信息更易被清晰提取。

1.3 人眼的局限性

正常人視角一般為1′左右,在明視距離250 mm下,人眼的最小可分辨距離為0.073 mm,印刷品復(fù)制過(guò)程中通過(guò)計(jì)算人眼分辨率和加網(wǎng)線數(shù)的關(guān)系,設(shè)置合理的加網(wǎng)線數(shù),對(duì)網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行微量調(diào)整,人眼難以察覺(jué)[9]。半色調(diào)圖像防偽信息隱藏就是基于此原理來(lái)實(shí)現(xiàn)隱藏信息的嵌入的。

2 半色調(diào)圖像防偽模型的建立

2.1 半色調(diào)圖像防偽信息隱藏模型的建立

對(duì)于半色調(diào)圖像,隱藏信息的嵌入可以通過(guò)將網(wǎng)點(diǎn)按照一定規(guī)律變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本文提出了基于網(wǎng)點(diǎn)式光柵的新半色調(diào)圖像隱藏算法,該方法是將網(wǎng)點(diǎn)移動(dòng)到與相鄰網(wǎng)點(diǎn)距離的中心點(diǎn)(如圖2所示B網(wǎng)點(diǎn)),與文獻(xiàn)[6]中的原隱藏算法(網(wǎng)點(diǎn)移動(dòng)到如圖2所示A網(wǎng)點(diǎn))相比,網(wǎng)點(diǎn)的移動(dòng)距離縮短,進(jìn)而減弱了人眼視覺(jué)的感知,提高隱藏效果。新方法對(duì)于某些特定單色印刷也可以達(dá)到隱藏的目的,并且保證偏移后的網(wǎng)點(diǎn)與解碼光柵疊合后能形成高密度的隱藏區(qū)域,增強(qiáng)隱藏區(qū)域與非隱藏區(qū)域的對(duì)比性,以便在提取時(shí)凸顯隱藏信息。

如圖2所示,要將網(wǎng)點(diǎn)移動(dòng)到B的位置,則要分別進(jìn)行x與y方向上的移動(dòng),其移動(dòng)公式為:

(3)

式中，d為兩網(wǎng)點(diǎn)間的距離且d=25.4/L,L為加網(wǎng)線數(shù),θ為加網(wǎng)角度。

2.2 半色調(diào)圖像防偽信息提取模型的建立

2.2.1 半色調(diào)圖像防偽信息提取模型的參數(shù)設(shè)置

信息提取模型為解碼光柵2。設(shè)置光柵2的加網(wǎng)線數(shù)、加網(wǎng)角度和網(wǎng)點(diǎn)形狀,設(shè)置時(shí)與編碼光柵1相應(yīng)的加網(wǎng)參數(shù)相同。

2.2.2 半色調(diào)圖像防偽模型匹配關(guān)系建立

1) 半色調(diào)圖像防偽模型匹配機(jī)理

將光柵1和2進(jìn)行疊加解碼后,解碼光柵2的網(wǎng)點(diǎn)與編碼光柵1中進(jìn)行位移后的網(wǎng)點(diǎn)相切形成線式高密度的隱藏區(qū)域,與非隱藏區(qū)域的點(diǎn)式低密度產(chǎn)生對(duì)比,突出顯現(xiàn)隱藏信息,如圖3所示。

2) 半色調(diào)圖像防偽模型匹配關(guān)系建立

設(shè)含有隱藏信息的編碼光柵1的網(wǎng)點(diǎn)面積率為T1(T1<50%),加網(wǎng)線數(shù)為L(zhǎng),其網(wǎng)點(diǎn)半徑為r;網(wǎng)點(diǎn)式解碼光柵2的網(wǎng)點(diǎn)面積率為T2,其網(wǎng)點(diǎn)的半徑為R。

根據(jù)網(wǎng)目調(diào)單元的示意圖,如圖4所示,編碼光柵的網(wǎng)點(diǎn)面積率可表示為:

(4)

解碼光柵與編碼光柵的網(wǎng)點(diǎn)位置關(guān)系如圖5所示,可表示為:

(5)

網(wǎng)點(diǎn)式解碼光柵的網(wǎng)點(diǎn)面積率可表示為:

(6)

聯(lián)立式(4)(5)(6)得出當(dāng)T1<50%時(shí),網(wǎng)點(diǎn)解碼光柵2的網(wǎng)點(diǎn)面積率與編碼光柵1的網(wǎng)點(diǎn)面積率的匹配關(guān)系:

(7)

當(dāng)T1<50%時(shí),根據(jù)匹配公式(7)能形成隱藏區(qū)域的線式高密度與非隱藏區(qū)域的點(diǎn)式低密度,顯現(xiàn)隱藏信息。

當(dāng)T1≥50%時(shí),網(wǎng)點(diǎn)間已經(jīng)形成搭接,因此只需要將非隱藏區(qū)域的網(wǎng)點(diǎn)遮蓋就可以,取含有隱藏信息的編碼光柵的網(wǎng)點(diǎn)面積率作為解碼光柵的網(wǎng)點(diǎn)面積率,及T1=T2。

總上所述,半色調(diào)圖像防偽模型匹配關(guān)系如下:

(8)

3 半色調(diào)圖像防偽模型的驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)軟件

實(shí)驗(yàn)采用Photoshop CS3作為仿真實(shí)驗(yàn)軟件。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

3.2.1 信息隱藏

1) 建立背景色塊。在Photoshop CS3中新建一個(gè)3 cm×3 cm的CMYK數(shù)字圖像,填充前景色,根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(網(wǎng)點(diǎn)面積率為20%～30%時(shí)防偽效果較好),本實(shí)驗(yàn)中C、M、Y、K的網(wǎng)點(diǎn)面積率均取為25%。

2) 對(duì)背景色塊進(jìn)行調(diào)幅加網(wǎng)。對(duì)CMYK四色顏色模式的數(shù)字圖像分離通道,并對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行半調(diào)網(wǎng)屏處理,其中輸出分辨率設(shè)定為2 400 DPI,加網(wǎng)線數(shù)均為175 LPI,形狀為圓形,C、M、Y、K四個(gè)通道加網(wǎng)角度分別為15°、75°、90°、45°。

3) 移動(dòng)網(wǎng)點(diǎn)生成嵌入隱藏信息的單色半色調(diào)圖像A。因前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在M版與C版中隱藏信息其防偽效果較好,本實(shí)驗(yàn)中選擇M版作為隱藏信息的通道,打開隱藏信息(西鳳酒的標(biāo)志及文字)的圖層,根據(jù)2.1中的原隱藏算法和新隱藏算法對(duì)網(wǎng)點(diǎn)分別移動(dòng),形成含有隱藏信息的品紅版半色調(diào)圖像A1和A2。原算法隱藏效果如圖6(a)所示,新算法隱藏效果如圖6(b)所示。

4) 合并四色通道,形成含有隱藏信息的四色半色調(diào)圖像B。原算法形成四色半色調(diào)圖記為B1,隱藏效果如圖7(a)所示;新算法形成的四色半色調(diào)圖記為B2,隱藏效果如圖7(b)所示。

3.2.2 解碼光柵的制作

在Photoshop CS3中建立一個(gè)尺寸為3 cm×3 cm的灰度數(shù)字圖像,根據(jù)2.2節(jié)設(shè)定網(wǎng)點(diǎn)式光柵的參數(shù),其中根據(jù)公式(8)計(jì)算得到T2=14.92%≈15%。填充前景色K為15%,其余均為0%,在進(jìn)行半色調(diào)網(wǎng)屏處理時(shí),其中輸出分辨率設(shè)定為2 400 DPI,加網(wǎng)線數(shù)設(shè)定為175 LPI,加網(wǎng)角度為75°,形狀為圓形,生成網(wǎng)點(diǎn)式解碼光柵,如圖8(a)所示。

用同樣的方法制作原隱藏算法對(duì)應(yīng)的直線型解碼光柵,只有加網(wǎng)形狀變?yōu)橹本€,其余參數(shù)均與網(wǎng)點(diǎn)式的相同,生成直線型解碼光柵,如圖8(b)所示。

3.2.3 提取隱藏信息

1) 提取單色半色調(diào)圖像A的隱藏信息。將制作好的直線型光柵和網(wǎng)點(diǎn)式光柵分別疊加于對(duì)應(yīng)的半色調(diào)圖A1和A2,提取隱藏信息,其效果如圖9所示。

2) 提取四色半色調(diào)圖像B的隱藏信息。將制作好的直線型光柵和網(wǎng)點(diǎn)式光柵分別疊加于對(duì)應(yīng)的半色調(diào)圖B1和B2,提取隱藏信息,其效果如圖10所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1) 隱藏效果分析。對(duì)于單色,新隱藏模型較原隱藏模型,信息隱藏性好,對(duì)原稿的完整性影響小;對(duì)于四色合成的,新隱藏模型的隱藏效果要略好于原隱藏模型,達(dá)到人眼不可見(jiàn)效果。說(shuō)明新隱藏算法在適合于四色合成的半色調(diào)圖像隱藏的基礎(chǔ)上,還可以用于單色版的半色調(diào)圖像隱藏。

2) 提取隱藏信息效果分析。對(duì)于單色,新防偽模型提取效果要明顯好于原防偽模型,前者提取的隱藏信息邊界性更為凸顯,因此隱藏信息顯現(xiàn)更為清晰;對(duì)于四色合成的,兩者都達(dá)到清晰顯現(xiàn)隱藏信息的效果,但新防偽模型提取的隱藏信息邊界更凸顯,提取的細(xì)節(jié)更清楚。說(shuō)明網(wǎng)點(diǎn)式光柵提取隱藏信息的清晰度要高于直線型光柵。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種半色調(diào)圖像的網(wǎng)點(diǎn)式光柵顯隱防偽方法。結(jié)果表明,該防偽方法中的隱藏算法達(dá)到了很好的隱藏效果,并在單色隱藏方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。在疊合匹配的網(wǎng)點(diǎn)式光柵后,隱藏信息能清晰顯現(xiàn),尤其在單色提取時(shí),較直線型光柵更有優(yōu)勢(shì)。

網(wǎng)點(diǎn)式光柵通過(guò)印前圖像處理,按照現(xiàn)有的印刷工藝就可得到,不增加生產(chǎn)成本。該半色調(diào)圖像防偽方法提高了隱藏效果和提取清晰度,尤其在某些特點(diǎn)單色印刷防偽中,更具有優(yōu)勢(shì),可更好地應(yīng)用到包裝防偽中。

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(責(zé)任編輯 王衛(wèi)勛)

Research on halftone anti-counterfeiting technology based on dot grating

GUO Linghua1，2,CHEN Yan1，2,LIU Guodong1，2,XING Tiedou1，2

(1.College of Light Industry and Energy, Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China;2.Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper,Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China)

The currently existing grating anti-counterfeiting methods are achieved based on four-color printing. As for the anti-counterfeiting of certain specific mono printings, their quality of anti-counterfeiting is poor, and it needs a special grating material with an increase in cost. The paper puts forward a method of halftone image anti-counterfeiting based on dot change in position. Based on geometrical optics principle of Moiré Fringe formation, the hidden information is embedded by shifting the dot of halftone image. Again, according to the matching relation between the dot decoding grating and the encoding grating containing hidden information, the corresponding dot decoding grating is made, and the hidden information is extracted. In this halftone anti-counterfeiting technology, the hidden effect is good and the clarity of extracting the hidden information is high. The method has obvious advantages compared with the original method in mono-color printing anti-counterfeiting.

dot grating; halftone anti-counterfeiting; hiding information; grating matching; mono-color printing

1006-4710(2015)03-0335-05

2015-03-24

陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(2011HBSZS014);陜西科技大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目(BJ13-01);陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(14JK1108)。

郭凌華,女,博士,副教授,主要研究方向?yàn)榉纻斡∷⒓邦伾茖W(xué)。E-mail:guolinghua@sust.edu.cn。

TS853+.6

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