基于微結(jié)構(gòu)網(wǎng)點的信息隱藏防偽技術(shù)研究

郭凌華， 任龍飛， 劉國棟， 王 崟， 王 鑫

(陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室，陜西 西安710021)

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基于微結(jié)構(gòu)網(wǎng)點的信息隱藏防偽技術(shù)研究

郭凌華， 任龍飛， 劉國棟， 王 崟， 王 鑫

(陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室，陜西 西安710021)

對基于閾值矩陣的加網(wǎng)方法中的閾值矩陣進行改進，設(shè)計出具有微觀防偽功能的藝術(shù)型網(wǎng)點，利用半色調(diào)信息隱藏技術(shù)進行信息隱藏，研究其在半色調(diào)信息隱藏技術(shù)中潛在的應(yīng)用價值。實驗結(jié)果表明，將信息隱藏防偽和網(wǎng)點結(jié)構(gòu)防偽結(jié)合，可使信息隱藏達(dá)到更好的視覺保密效果，在不增加成本的條件下提高了防偽技術(shù)水平和產(chǎn)品附加價值。

閾值矩陣；信息隱藏；防偽；微結(jié)構(gòu)網(wǎng)點

隨著印刷技術(shù)的快速進步,高精度的印刷設(shè)備也越來越普及。技術(shù)的進步必將帶來產(chǎn)品的革新，但是印刷品的盜版侵權(quán)現(xiàn)象日益增加，因此防偽技術(shù)在印刷中所起的作用日益重要。目前，防偽技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一門集計算機、物理學(xué)、材料、生物學(xué)和光學(xué)等學(xué)科于一體的綜合性技術(shù)。國內(nèi)的印刷防偽目前主要借助特種油墨、特種紙張和相關(guān)的技術(shù)防偽，雖然一度遏制了盜版現(xiàn)象的發(fā)生，但都是依賴于材料和設(shè)備， 這對生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備提出了更高的要求，且增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本，使防偽技術(shù)的推廣和使用受到了限制。本文以最小閾值矩陣的加網(wǎng)原理為基礎(chǔ)，設(shè)計了區(qū)別于普通形狀的特殊網(wǎng)點，利用網(wǎng)點移動在圖像中隱藏秘密信息，并結(jié)合物理光柵的光學(xué)特性形成莫爾紋來提取隱藏信息。該技術(shù)不依賴材料和設(shè)備，技術(shù)性要求低，檢測方法簡單，信息的隱藏效果好，防復(fù)制性能高，生產(chǎn)成本低而且能夠達(dá)到高效率防偽的目的[1-3]。

1 基于調(diào)幅的閾值矩陣微結(jié)構(gòu)加網(wǎng)技術(shù)

圖像的半色調(diào)化技術(shù)，也稱為數(shù)字加網(wǎng)技術(shù)，是利用人眼視覺的低通濾波性，在多色二值設(shè)備或二值設(shè)備上將連續(xù)色調(diào)的圖像離散為像素化的圖案。在印刷中就是用網(wǎng)點來實現(xiàn)連續(xù)圖像階調(diào)層次的變化。半色調(diào)化過程就是將深度值較大的連續(xù)調(diào)圖像轉(zhuǎn)換成深度值較小的目標(biāo)圖像并且使目標(biāo)圖像在輸出設(shè)備上的輸出與原連續(xù)調(diào)圖像在視覺上盡可能一致的過程。目前理論上較為成熟的半色調(diào)加網(wǎng)方式主要有調(diào)頻加網(wǎng)技術(shù)、調(diào)幅加網(wǎng)技術(shù)和混合加網(wǎng)技術(shù)。 基于閾值矩陣的圖像半色調(diào)處理技術(shù)屬于調(diào)幅加網(wǎng)技術(shù)，調(diào)幅加網(wǎng)技術(shù)通過控制網(wǎng)點的大小和形狀來再現(xiàn)連續(xù)調(diào)圖像的層次階調(diào)，網(wǎng)點是調(diào)幅加網(wǎng)中表現(xiàn)圖像顏色和層次變化的最小單元。網(wǎng)點大小由記錄柵格中記錄點所占的面積大小來決定，網(wǎng)點的形狀可以按照規(guī)定設(shè)計，一般記錄點排列遵循一定的順序，每個網(wǎng)點的形狀都不會改變，只是隨著像素值的變化灰度值不同，像素值越大網(wǎng)點的面積就越大，圖像的灰度就越暗，與其他加網(wǎng)方式相比，調(diào)幅加網(wǎng)的網(wǎng)點對中間階調(diào)的顏色層次能夠很好地實現(xiàn)平穩(wěn)過渡[4-7]，但是容易造成圖像亮調(diào)和暗調(diào)層次的丟失[8]。在眾多的加網(wǎng)技術(shù)理論研究中，由于實際工作設(shè)備精密程度很難達(dá)到理論上的要求，加之印刷工藝的限制，使得調(diào)幅加網(wǎng)成為最主要的圖像印刷半色調(diào)處理技術(shù)[9]，所以基于微結(jié)構(gòu)處理的加網(wǎng)方法基于調(diào)幅加網(wǎng)的技術(shù)原理完成。

1.1 閾值矩陣加網(wǎng)的技術(shù)原理

閾值矩陣是網(wǎng)點的生成模型。閾值矩陣具體的有離散態(tài)閾值矩陣和聚集態(tài)閾值矩陣。聚集態(tài)閾值矩陣加網(wǎng)以網(wǎng)格中心元素為基礎(chǔ)起始點，以逐漸旋轉(zhuǎn)的形式從中心開始往外生長，相鄰兩網(wǎng)點的中心距不變，加網(wǎng)網(wǎng)點的空間位置固定不變，網(wǎng)點的像素排列遵循一定的規(guī)律，加網(wǎng)圖像的灰度級別決定了網(wǎng)點大小，被用于調(diào)幅加網(wǎng)。閾值調(diào)幅加網(wǎng)技術(shù)所形成的網(wǎng)點，因最小柵格邊緣的相互重疊，可以有效減小網(wǎng)點擴大效應(yīng)而實現(xiàn)色彩階調(diào)和層次的真實還原。所以調(diào)幅加網(wǎng)圖像的中間調(diào)加網(wǎng)效果比較好，而且階調(diào)過渡比較自然平滑溫和，但是加網(wǎng)線數(shù)過高會造成亮調(diào)和暗調(diào)部分加網(wǎng)效果不理想，導(dǎo)致圖像的細(xì)節(jié)層次丟失。基于閾值矩陣的點離散態(tài)加網(wǎng)，它的曝光點均勻地分散在加網(wǎng)網(wǎng)格內(nèi)，被用于調(diào)頻加網(wǎng)。

本文應(yīng)用符合調(diào)幅加網(wǎng)技術(shù)原理要求的聚集態(tài)閾值矩陣完成圖像的加網(wǎng)過程。圖1所示是基于閾值矩陣的聚集態(tài)加網(wǎng)和離散態(tài)加網(wǎng)原理示意圖。

閾值矩陣聚集態(tài)加網(wǎng) 閾值矩陣離散態(tài)加網(wǎng)圖1 閾值矩陣加網(wǎng)原理Fig.1 Screening principle of threshold matrix

圖中聚集態(tài)網(wǎng)點的曝光面積大小代表的灰度為45%，離散態(tài)網(wǎng)點曝光的面積大小代表的灰度為50%。每個網(wǎng)點都是由很多小的柵格組成，只是曝光的位置有所不同，從而形成不同形態(tài)的網(wǎng)點，在二值設(shè)備中如果網(wǎng)點柵格中的像素值大于圖像的灰度值，就對其進行曝光，閾值大于灰度的點為黑色，表示曝光，閾值小于灰度的點為白色，表示未曝光。以此將連續(xù)圖像處理成二值化的半色調(diào)圖像[10-11]。

1.2 隱藏閾值矩陣設(shè)計

網(wǎng)點的外形設(shè)計是調(diào)幅加網(wǎng)技術(shù)中一項重要的指標(biāo)，可以借鑒微觀藝術(shù)網(wǎng)點，將網(wǎng)點外形設(shè)計成與普通方形、菱形、圓形等有所區(qū)別的特殊形狀，以達(dá)到利用網(wǎng)點形狀來防偽的功能與效果，只需普通光學(xué)放大鏡就可以通過網(wǎng)點形狀來識別印刷品的真?zhèn)危杀镜颓沂褂梅椒ê唵?。網(wǎng)點形狀設(shè)計就是將閾值矩陣中的閾值重新排列獲得新的曝光順序，然后按照角度要求進行加網(wǎng)產(chǎn)生半色調(diào)圖像。一般印刷工藝要求需要生成四個不同角度(0°、15°、45°和75°)的半色調(diào)單色圖像，然后通過疊印來完成復(fù)制。但是隱藏信息加載到哪個角度的色版中才能達(dá)到更好的隱藏效果，這是確保印刷防偽信息視覺保密性的主要因素。

基于人眼視覺低通濾波特性的研究表明：在0°到90°的角度范圍內(nèi)人眼對45°角度上距離的變化視覺敏感度最差，從該角度向兩邊擴展，離45°越遠(yuǎn)視覺敏感度越大，0°和90°最敏感。所以相比其他角度印刷品的信息隱藏，在45°色版中的隱藏效果最佳，人眼最不易察覺。

按照基于最小閾值矩陣的加網(wǎng)算法，對45°加網(wǎng)矩陣重新設(shè)計，使網(wǎng)點的形狀為呈現(xiàn)傾斜“N”的形狀，以此為代表來研究藝術(shù)網(wǎng)點在半色調(diào)信息防偽中的應(yīng)用效果。

45°加網(wǎng)角度時采用的閾值矩陣大小為128，8位深度顏色的256級灰度遠(yuǎn)大于閾值矩陣中的網(wǎng)格數(shù)量, 因此要將色彩灰度值與閾值矩陣進行轉(zhuǎn)化,建立的能夠等比例映射的函數(shù)映射關(guān)系[11-12]如式(1)所示：

(1)

式中Fa表示經(jīng)等比例壓縮轉(zhuǎn)化后的像素值，F(xiàn)b表示壓縮前的像素值，Qmax代表最大閾值，fix代表向下取整。角度15°、75°和90°采用普通圓形網(wǎng)點加網(wǎng),經(jīng)轉(zhuǎn)換和改進后的45°閾值矩陣加網(wǎng)效果和加網(wǎng)排列方式如圖2所示。

根據(jù)閾值矩陣加網(wǎng)原理的要求，45°加網(wǎng)時，彼此相鄰兩層的矩陣在排列時，下層矩陣相對上層矩陣向左移動8個格柵才能使形成的網(wǎng)點呈45°排列，以最大閾值為中心按照順序依次曝光就可以識別出網(wǎng)點形狀。

圖2 45加網(wǎng)閾值矩陣和加網(wǎng)效果放大圖Fig.2 Threshold matrix for screening angle 45° and amplificating screening effect

2 實 驗

2.1 實驗內(nèi)容與評價

實驗主要內(nèi)容是比較普通網(wǎng)點加網(wǎng)和微觀藝術(shù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)點加網(wǎng)在半色調(diào)信息隱藏技術(shù)中的實際應(yīng)用效果，并通過人眼視覺觀察和結(jié)構(gòu)相似度指數(shù)[13-15]評價，比較微結(jié)構(gòu)網(wǎng)點和普通網(wǎng)點對信息的隱藏效果。

(2)

結(jié)構(gòu)相似度指數(shù)Qssim從圖像組成的角度將結(jié)構(gòu)信息定義為獨立于亮度、對比度的反映場景中物體結(jié)構(gòu)的屬性。Sssim表示兩個像素信號x和y之間的結(jié)構(gòu)相似度，l(x,y)、c(x,y)和s(x,y)分別代表兩像素之間的亮度、對比度和結(jié)構(gòu)度差異計算函數(shù)，各自對結(jié)構(gòu)相似度的影響指數(shù)分別為α、β和γ。Qssim表示兩幅圖像整體的結(jié)構(gòu)相似度，是整幅圖像所有像素信號評價總和的平均值。X、Y分別代表參考圖像和測試圖像，x、y是兩幅圖像對應(yīng)的兩個像素信號，M表示像素信號的總數(shù)。Qssim值越大代表經(jīng)處理所得的圖像與原始圖像的相似度越高，差異越小，視覺效果越接近原始圖像，結(jié)構(gòu)相似度指數(shù)的最小值0和最大值1分別表示待評價的兩幅圖像完全不相似、完全沒有區(qū)別。實驗步驟詳述如下。

1) 原稿處理。準(zhǔn)備一幅數(shù)字彩色圖像，分辨率為P,色彩模式為CMYK，各色版的顏色灰度值都為30%，對圖像進行分色，得到C、M、Y和K四個通道，然后進行加網(wǎng)處理，加網(wǎng)線數(shù)都為L，加網(wǎng)角度分別為15°、45°、75°和90°，M版使用設(shè)計好的45°閾值矩陣進行微結(jié)構(gòu)半色調(diào)加網(wǎng)，其他三個色版使用普通圓形網(wǎng)點加網(wǎng)。加網(wǎng)結(jié)果放大效果如圖3所示。

圖3 CMYK四色版加網(wǎng)效果Fig.3 Screening effect of 4 colors

2) 載入隱藏信息。首先在待隱藏信息的色版中加載待隱藏信息的輪廓，選取并復(fù)制輪廓內(nèi)的網(wǎng)點信息，根據(jù)網(wǎng)點在不同角度色版中的排列方向要求計算網(wǎng)點的位移距離，將選中的網(wǎng)點信息移動到相鄰四個網(wǎng)點幾何中心的位置，計算方法如式(3)所示，式中H、V分別表示所選擇信息沿水平和豎直方向的位移，θ表示色版的加網(wǎng)角度。

(3)

按照以上步驟將加密信息(“陜西科大”字樣)分別加載到由微結(jié)構(gòu)網(wǎng)點組成的品紅色版和普通網(wǎng)點加網(wǎng)后的品紅色版中，主觀視覺觀察對比不同形狀網(wǎng)點品紅色版對信息隱藏的視覺保密效果。將加入隱藏信息的品紅色版和CMY色版進行通道合并，比較加入隱藏信息的圖像整體效果，見圖4。

圖4 加入隱藏信息的圖像效果對比Fig.4 Images effect of adding hidden information

3) 質(zhì)量評價。首先，對加入隱藏信息的微結(jié)構(gòu)網(wǎng)點和普通網(wǎng)點的品紅版進行結(jié)構(gòu)相似度指數(shù)評價；然后，對加入隱藏信息的各色版合并后圖像與原始圖像用結(jié)構(gòu)相似度進行評價，信息隱藏效果的評價結(jié)果如表1所示。

表1 加入隱藏信息圖像的結(jié)構(gòu)相似度指數(shù)(SSIM)

4) 制作顯隱光柵。特殊網(wǎng)點的半色調(diào)隱藏信息顯影光柵是與網(wǎng)點形狀和灰度相匹配的特殊網(wǎng)點光柵。制作出與隱藏信息區(qū)域灰度相同的黑白圖像，并采用微結(jié)構(gòu)的加網(wǎng)方法對其進行半色調(diào)處理就可以獲得電子光柵，通過印刷出菲林的方法即可得到顯隱用的物理光柵。

5) 光柵顯影。在計算機中使用電子光柵對加入隱藏信息的半色調(diào)圖像進行模擬顯隱操作，提取隱藏的秘密信息，顯隱效果如圖5所示。

圖5 顯隱效果Fig.5 Effects of showing hidden

6) 印刷檢測。通過實際的印刷輸出測試，信息的隱藏和提取效果如圖6所示。檢驗結(jié)果表明，正常的印刷工藝條件下該印刷信息的隱藏防偽方法可實際應(yīng)用于產(chǎn)品中而且不會影響實際印刷品的質(zhì)量。

圖6 打樣效果Fig.6 Effects of proofing

2.2 實驗分析與結(jié)果

基于人眼視覺的低通濾波性特征，應(yīng)用閾值矩陣設(shè)計獨特結(jié)構(gòu)型網(wǎng)點對圖像加網(wǎng)，借助網(wǎng)點的微觀藝術(shù)效果實現(xiàn)印刷品網(wǎng)點層次的防偽目的。結(jié)合信息隱藏技術(shù)在特殊網(wǎng)點組成的網(wǎng)版中加載保密信息。

人眼主觀視覺的評價結(jié)果表明，無論是普通網(wǎng)點還是微結(jié)構(gòu)網(wǎng)點，在單色版和合并版圖像中對信息的隱藏效果都達(dá)到了較好的不可感知性，但是藝術(shù)網(wǎng)點的信息隱藏效果要明顯好于普通圓形網(wǎng)點的隱藏效果，而普通網(wǎng)點實現(xiàn)的信息隱藏會因為網(wǎng)點移動而產(chǎn)生較明顯的人工紋理。

結(jié)構(gòu)相似度指數(shù)的計算結(jié)果表明，不論是在單個色版中還是在整體圖像中，藝術(shù)網(wǎng)點對信息的隱藏效果比普通網(wǎng)點對信息的隱藏效果更佳。所以客觀分析和主觀分析的結(jié)果一致表明，微結(jié)構(gòu)網(wǎng)點對信息的隱藏效果要優(yōu)于普通網(wǎng)點。

在信息提取方面，特殊結(jié)構(gòu)的光柵能夠把視覺不可見的隱藏信息完整地通過莫爾紋的形式還原和再現(xiàn)。

3 結(jié) 語

基于閾值矩陣加網(wǎng)方法，設(shè)計具有特殊外觀形狀的網(wǎng)點以區(qū)別于普通的網(wǎng)點形狀，使印刷品能夠達(dá)到網(wǎng)點層次的防偽。根據(jù)人眼視覺的低通濾波性，在藝術(shù)網(wǎng)點生成的網(wǎng)版中隱藏信息，在正常視覺下達(dá)到了不可見的效果，利用特殊參數(shù)的物理光柵顯隱可以清晰地再現(xiàn)所隱藏的信息，同時實現(xiàn)了網(wǎng)點防偽和信息隱藏防偽，對印刷品起到了很好防復(fù)制和安全保護效果。實驗主觀評價和結(jié)構(gòu)相似度指數(shù)客觀評價結(jié)果均表明，微觀藝術(shù)效果的網(wǎng)點比普通網(wǎng)點實現(xiàn)了更好的隱藏和提取。不僅實現(xiàn)了藝術(shù)網(wǎng)點在光柵防偽技術(shù)中較好的應(yīng)用，而且使光柵防偽技術(shù)達(dá)到了更好的防偽效果，為藝術(shù)網(wǎng)點應(yīng)用的進一步研究提供了一定的理論基礎(chǔ)，同時在不增加成本的情況下實現(xiàn)了多層防偽，對生產(chǎn)實踐有一定的指導(dǎo)意義和廣闊的實際應(yīng)用價值與前景。

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(責(zé)任編輯 王衛(wèi)勛)

Research on anti-counterfeiting of information hiding technology based on micro structure dot

GUO Linghua, REN Longfei, LIU Guodong, WANG Yin, WANG Xin

(College of Bioresources Chemical and Materials Engineering, Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper, Shaanxi University of Science&Technology, Xi’an 710021, China)

The improved screening method is proposed based on screening with threshold matrix and with the artistic dot with micro-structure anti-counterfeiting function designed, using the technology of dot hiding information hide information and investigating its potential application in information hiding. Test results show that the combination of dot security and the information hiding security could achieve better visual secret effect; under the condition of almost no increase in cost, the technical level of security and the added value of the product are improved.

threshold matrix; information hiding; anti-counterfeiting; artistic dot

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.04.007

2015-09-02

國家自然科學(xué)基金資助項目(51402180)；陜西省教育廳專項科研計劃資助項目(15JK1071,16JK1109)；陜西省工業(yè)科技攻關(guān)資助項目(2016GY-079,2016GY-017)；陜西省協(xié)同創(chuàng)新計劃資助項目(2015XT-64)；西安市科技計劃資助項目(CXY1513(8))

郭凌華，女，博士，副教授，研究方向為防偽印刷及顏色科學(xué)。E-mail: guolinghua@sust.edu.cn

TH853+.6

A

1006-4710(2016)04-0416-05