韓雪瑩,楊 熙,王 琪,葛乃馨

(南京林業(yè)大學輕工與食品學院,江蘇南京210037)

光柵防偽技術(shù)以半色調(diào)圖像加網(wǎng)與光柵折射性能為理論基礎(chǔ),運用相位調(diào)制潛像法實現(xiàn)隱藏信息的嵌入,利用莫爾條紋原理完成防偽信息的提取[1],即通過對半色調(diào)圖像進行局部網(wǎng)點微量位移,形成肉眼不可察覺的潛藏圖案,后疊加與母版信息匹配的解碼光柵而使?jié)撓褚曈X可見,從而達到防偽目的[2-3]。該技術(shù)以加網(wǎng)后各單色通道作為潛像嵌入的基礎(chǔ)母版,因此,依據(jù)數(shù)字加網(wǎng)理論所形成的網(wǎng)點特征參數(shù)會對防偽效果產(chǎn)生相應的影響,其中加網(wǎng)角度便是影響因素之一。在相關(guān)研究中,唐柱斌等[4]提出一種變角度潛像防偽技術(shù),先基于有理正切加網(wǎng)用18.44°代替15°、71.57°代替75°,將通道加網(wǎng)角度調(diào)整為0°、18.44°、45°和71.57°,后通過設(shè)置不同于原圖的加網(wǎng)角度,將潛像以21.14°加網(wǎng)而實現(xiàn)信息隱藏;文獻[5]在探討各色版對潛像防偽效果的影響時,為了減小潛像網(wǎng)點移動過程中的難度,直接將母版網(wǎng)角設(shè)為0°,在固定加網(wǎng)角度的前提下確定最適合做防偽母版的通道;郭凌華等[6]研究微結(jié)構(gòu)網(wǎng)點的信息隱藏時,根據(jù)人眼視覺的低通濾波特性,推測信息隱藏在45°色版中的隱藏效果最佳,以此對防偽母版使用45°閾值矩陣進行藝術(shù)網(wǎng)點加網(wǎng)?；谝陨涎芯?本文通過單通道潛像和雙通道拼接潛像兩種方案,比較四種不同加網(wǎng)角度對潛像防偽效果帶來的差異,探討母版網(wǎng)角對光柵防偽效果的影響。

1 變角度母版的潛像防偽

1.1 單母版變角度潛像防偽

單母版指選定某一通道作為承載潛像的防偽母版。已有文獻研究表明[5],并非所有通道都適合作為潛像母版,黑(K)通道潛像隱藏性差,黃(Y)通道潛像提取效果不佳,故選擇綜合表現(xiàn)較好的青(C)或品紅(M)通道作為單母版。在彩色印刷中,為了最大限度地避免龜紋,通常四色通道的加網(wǎng)角度設(shè)置為0°、15°、45°和75°。雖然在實際生產(chǎn)中,四色版的加網(wǎng)角度一般是固定的,但在有關(guān)光柵防偽研究中[7-8],為了使實驗步驟簡單化,均將潛像所在母版角度設(shè)為0°,對其他角度的情況卻少有探討。本文基于相位調(diào)制潛像法,不局限于實際生產(chǎn)中的加網(wǎng)角度,將母版網(wǎng)角依次設(shè)為0°、15°、45°、75°,重點探討在潛像屬性相同的情況下,改變母版加網(wǎng)角度對防偽效果產(chǎn)生的影響。將相同潛像信息分別嵌入,再設(shè)計與宿主圖像加網(wǎng)參數(shù)相匹配的解碼光柵,將光柵疊加到含有潛像的防偽圖像上提取防偽信息。

1.2 雙母版變角度拼接潛像防偽

雙母版指選擇CMYK通道中的C和M通道共同作為潛像母版[9]。將一個完整潛像分成兩部分,使之分別位于兩個通道中,四色疊印時潛像形成無縫拼接,用光柵可提取出完整潛像。相比于單母版,這種防偽方法具有更高的抗復制性能。變角度是指調(diào)整拼接潛像所在雙母版的角度,令其在0°、15°、45°和75°間進行變化形成加網(wǎng)角度的不同組合,研究角度變化與組合對拼接潛像防偽性能的影響。

調(diào)整C和M通道的加網(wǎng)角度,在保證雙母版加網(wǎng)角度不同的前提下,雙母版的構(gòu)成有圖1所示的6種組合方式(左側(cè)為C,右側(cè)為M)。以0°+15°為例,表示雙母版中C母版加網(wǎng)角度為0°,M母版加網(wǎng)角度為15°。將圖2的“蝴蝶”形態(tài)縱分成對稱的左右兩部分,分別嵌入到6種網(wǎng)角組合的C版和M版中。

圖1 C和M變角度組合母版Fig.1 Variable angle combination of C and M

圖2 隱藏信息分割Fig.2 Segmentation of hiding information

2 潛像防偽評價算法

潛像防偽效果的評價采用全參考圖像質(zhì)量評估法,傳統(tǒng)評估算法有均方誤差(MSE)、峰值信噪比(PSNR)等,由于這些算法只是從統(tǒng)計意義上對圖像進行分析,逐個對比兩張圖像中的像素點,沒有考慮到相鄰像素之間的相關(guān)性,因此不具備較好的主客觀一致性。

結(jié)構(gòu)相似度(SSIM)是將人眼視覺特性和圖像結(jié)構(gòu)信息相結(jié)合的一種圖像質(zhì)量評價方法,該方法從圖像的亮度、對比度、結(jié)構(gòu)三個方面綜合評價[10],評價結(jié)果更符合真實視覺效應。因此,本文選擇與人眼視覺特性相吻合的SSIM進行評價:

SSIM(x,y)=[l(x,y)]α·[c(x,y)]β·[s(x,y)]γ

(1)

式中,l(x,y)為亮度比較函數(shù);c(x,y)為對比度比較函數(shù);s(x,y)為結(jié)構(gòu)比較函數(shù);α、β、γ為加權(quán)系數(shù),起到調(diào)整亮度、對比度和結(jié)構(gòu)三個分量的作用。亮度比較函數(shù)、對比度比較函數(shù)和結(jié)構(gòu)比較函數(shù)是相互獨立的,各自對應函數(shù)為:

(2)

(3)

(4)

為了確保評價結(jié)果的準確性,除采用在時域中進行的SSIM算法外,還采用從圖像頻譜出發(fā)提取圖像底層特征(顏色、紋理和形狀特征)的特征相似性(FSIM)算法[12-13]。FSIM以原始圖像和處理圖像的相位一致性和梯度強度為特征,提取與圖像相位保持高度一致性的紋理結(jié)構(gòu)[14],表達式為:

(5)

式中,Ω表示整個空域;PCm(x,y)=max(PC(x),PC(y))用于對圖像x和圖像y的整體相似性進行加權(quán);SPC(x,y)、SG(x,y)分別表示圖像x、y的特征相似性與梯度相似性,其定義式為:

(6)

(7)

式中,G(x)與G(y)表示兩幅圖像的梯度幅值,包含圖像各頻率分量的強度信息;T1、T2為正常數(shù),以避免分母為0;PC(x)與PC(y)用來表示圖像的相位一致性信息[15-16]。

相位一致性是對相位信息一致性的度量標準,其基本原理是假定圖像傅里葉分量最一致的點為特征點,這樣相位信息就能準確地檢測到圖像特征。這與人類視覺系統(tǒng)(HVS)對圖像特征的認知相符,具有對圖像亮度和對比度的不變性,可獲得精確的特征定位和豐富的局部特征信息。

3 實驗內(nèi)容與評價

3.1 潛像防偽實現(xiàn)步驟

1) 單母版變角度潛像

設(shè)計宿主圖像:新建顏色模式為CMYK的宿主圖像,四色通道的網(wǎng)點面積率均設(shè)置為20%。

加網(wǎng):以C通道作為防偽母版,加網(wǎng)線數(shù)設(shè)置為144 lpi,網(wǎng)點形狀設(shè)置為圓形,加網(wǎng)角度分別設(shè)置為0°、15°、45°和75°生成對應的母版圖像。

嵌入潛像:在不同角度的C母版中嵌入隱藏標識,合并四色通道,得到含有潛像信息的四色防偽圖像。

提取潛像:制作解碼光柵,以特定角度疊加到四色圖像上,提取出防偽潛像。

單母版潛像隱藏與提取效果如圖3所示。視覺觀察可知,75°母版網(wǎng)角下的潛像隱藏效果較差;比較不同加網(wǎng)角度下,光柵提取潛像的顯著性效果,只能看出母版為0°網(wǎng)角時,圖像莫爾效應相對明顯,因此0°網(wǎng)角下潛像防偽效果不佳。

圖3 單母版潛像防偽效果圖Fig.3 Anti-counterfeiting diagram of latent image on single master

2) 雙母版變角度拼接潛像

根據(jù)1.2節(jié)中預設(shè)的角度組合對雙母版C和M通道進行加網(wǎng),將對稱“蝴蝶”潛像的左側(cè)嵌入至C通道,右側(cè)嵌入至M通道,保證潛像無縫拼接,實現(xiàn)雙母版拼接潛像的隱藏;設(shè)計與雙母版相匹配的拼接光柵,光柵中線對準潛像縱分界線,分別提取出C和M通道中的潛像,從而使拼接潛像可視化。

雙母版拼接潛像隱藏與提取效果如圖4所示。觀察發(fā)現(xiàn),組合角度中兩角度差為30°或60°,即網(wǎng)角組合為15°+45°、15°+75°、45°+75°時,潛像隱藏效果較差,潛像輪廓可見且拼接區(qū)域存在露白現(xiàn)象;在提取效果中,以上三種網(wǎng)角組合的潛像左右異色不明顯,視覺感知不強烈。

圖4 雙母版拼接潛像防偽效果圖Fig.4 Anti-counterfeiting diagram of spliced latent image on double master

3.2 潛像防偽性評價

實驗主要內(nèi)容是比較不同母版網(wǎng)角下潛像的隱藏與提取差異,通過相對評價和圖像質(zhì)量評價評估不同加網(wǎng)角度對潛像防偽效果的影響。依據(jù)前述SSIM與FSIM算法的意義可知,其值越大,處理圖像與原圖結(jié)構(gòu)越相似;反之,與原圖差異較大。借助算法評價防偽標識的隱蔽性,數(shù)值越大,說明隱蔽性越好;評價隱藏信息的提取顯著性時,其值越小,說明提取潛像越清晰。

1) 單母版變角度潛像防偽效果評價

單母版變角度潛像防偽評價數(shù)據(jù)如表1所示。隱蔽性評價數(shù)據(jù)中,0°對應的數(shù)值最大,其次為45°、15°和75°所對應的數(shù)值,說明母版網(wǎng)角為0°時隱藏效果最好,45°時較好,15°和75°時相對較差。這是由于0°和45°網(wǎng)角的網(wǎng)點穩(wěn)定性相對較好,對視覺干擾作用較小;而15°和75°的網(wǎng)點較為呆板,即使網(wǎng)屏線數(shù)超過眼睛能分辨單個點子的極限,眼睛也能看到成行的點子或線型圖案,所以15°和75°網(wǎng)角不利于信息隱藏。

表1 單母版潛像防偽評價數(shù)據(jù)Tab.1 Evaluation data on latent image on single master

潛像提取數(shù)據(jù)中,將數(shù)值從大到小排列,其所對應的網(wǎng)角依次為0°、15°、75°、45°,提取效果依次變佳,其中45°時潛像提取顯著性最好,0°時潛像提取效果最差。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是人眼視覺系統(tǒng)在0°～90°范圍內(nèi),對接近0°和90°方向上的信息最為敏感,光柵疊加到防偽圖像上產(chǎn)生的干擾條紋明顯,影響提取效果。因此,單母版網(wǎng)角設(shè)為45°時,潛像綜合防偽表現(xiàn)效果最佳。

2) 雙母版變角度拼接潛像防偽效果評價

雙母版變角度拼接潛像防偽數(shù)據(jù)如表2所示。隱蔽性評價結(jié)果中,網(wǎng)角組合為0°+15°、0°+75°的數(shù)值較大,其次為0°+45°,而45°+75°、15°+75°、15°+45°所對應的三組數(shù)值較小,這說明母版網(wǎng)角差為15°和75°時,防偽信息的不可感知性最高;網(wǎng)角差為45°時,隱蔽性較好;30°或60°網(wǎng)角差的隱蔽性較差,因此網(wǎng)角組合15°+45°、15°+75°、45°+75°不適合作為組合母版角度。

表2 雙母版拼接潛像防偽評價數(shù)據(jù)Tab.2 Evaluation data on spliced latent image on double master

對網(wǎng)角組合為0°+15°、0°+45°、0°+75°的潛像進行提取評價,將評價數(shù)值由大到小排列,其所對應的網(wǎng)角組合依次為0°+15°、0°+75°、0°+45°,即0°+45°網(wǎng)角組合的拼接潛像提取效果最佳,0°+15°和0°+75°組合下的提取效果相對較差。由此可見,母版網(wǎng)角的差異會對潛像防偽性產(chǎn)生不同的影響。潛像區(qū)域網(wǎng)點進行定量位移時,網(wǎng)點位移方向依循母版網(wǎng)角方向,不同的加網(wǎng)角度致使?jié)撓窬W(wǎng)點空間分布不同。除此之外,不同的網(wǎng)角組合直接導致拼接處網(wǎng)點密度不同,從而使得潛像防偽性出現(xiàn)差異。綜合考慮,0°+45°是最適用的母版網(wǎng)角組合形式,不僅隱蔽性較好,且提取顯著性最佳。

4 結(jié) 語

本文就母版網(wǎng)角對潛像防偽效果的影響進行研究,以期提供潛像嵌入的最適用網(wǎng)版角度,從而保障潛像的隱蔽性和提取顯著性。通過單通道母版角度調(diào)整和雙通道母版角度的排列組合,設(shè)計實驗方案并進行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),母版加網(wǎng)角度對潛像的隱藏性和提取效果均會產(chǎn)生一定影響。對于單母版而言,網(wǎng)角為0°時潛像的隱蔽性最好,其次為45°;在提取顯著性方面,45°時最好,0°時最差。因此,單母版網(wǎng)角設(shè)為45°時,潛像的綜合防偽效果最佳。雙母版的實驗結(jié)果表明,母版組合角度為0°+15°、0°+75°的拼接潛像隱藏性最好,0°+45°次之;網(wǎng)角組合為0°+45°的拼接潛像的提取顯著性較好。綜合考慮,0°+45°可作為雙母版的最佳網(wǎng)角組合。該研究成果為光柵防偽相位調(diào)制法中母版網(wǎng)角的設(shè)定提供了有價值的理論依據(jù)。