紙張表面性能與硬拷貝水印提取質(zhì)量相關(guān)性研究

葛乃馨 王 琪韓雪瑩

（南京林業(yè)大學(xué)，江蘇南京，210037）

數(shù)字水印作為版權(quán)保護(hù)和信息認(rèn)證的有效手段，受到人們廣泛的關(guān)注。將數(shù)字水印應(yīng)用到印刷防偽中，需通過打印-掃描圖像獲取水印信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)印刷品防偽鑒定、版權(quán)保護(hù)等應(yīng)用功能［1］。但有水印嵌入的數(shù)字圖像在硬拷貝輸出過程中，設(shè)備精度、紙張性能、油墨屬性等因素都會(huì)對(duì)水印的提取質(zhì)量產(chǎn)生影響，進(jìn)而干擾到水印防偽的效果［2-5］。在掃描儀、數(shù)碼印刷機(jī)及對(duì)應(yīng)油墨相對(duì)固定的前提條件下，紙張的表面性能便成為影響水印提取的主要可變因素。研究紙張表面性能與水印提取質(zhì)量的相關(guān)性，對(duì)水印在印刷包裝類產(chǎn)品上的良好應(yīng)用有實(shí)際意義。

近些年，變換域水印因較好的不可見性及優(yōu)越的抗攻擊性能，成為硬拷貝輸出水印算法中的重要組成。Tang等［6］通過調(diào)整載體圖像離散余弦變換（DCT）系數(shù)的極性以強(qiáng)化水印抗打印-掃描攻擊性能，實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。Wang等［7］提出基于人眼視覺系統(tǒng)與空間結(jié)構(gòu)模板相結(jié)合的水印算法，在增強(qiáng)水印魯棒性的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了圖像的保真印刷，并對(duì)水印提取質(zhì)量趨于穩(wěn)定的適用掃描分辨率進(jìn)行了驗(yàn)證。但上述研究均以提升水印自身抗攻擊性和優(yōu)化設(shè)備性能為主要目的，而沒有提及紙張性能對(duì)水印提取質(zhì)量的影響。謝勇等［8］通過噴墨打印、激光打印、膠版印刷、數(shù)碼印刷等多種印刷方式對(duì)全息水印進(jìn)行硬拷貝輸出發(fā)現(xiàn)，紙張的表面性能對(duì)水印提取質(zhì)量也有影響，但研究者并沒有展開研究。紙張印刷是油墨在紙張表面鋪展與淺吸附的過程，而白度、平滑度、不透明度、粗糙度、光澤度、透氣度、水分等紙張性能可反映紙張的印刷適性［9-12］，因此這些性能也是硬拷貝水印提取質(zhì)量的影響因素。蔡靜等［13］研究多種因素對(duì)單一變量影響時(shí)，提出可利用Pearson相關(guān)系數(shù)對(duì)多個(gè)影響因素實(shí)施分析的方法，從而確定關(guān)鍵影響因子。

本研究采用DCT水印算法實(shí)現(xiàn)隱藏信息的嵌入與提取，選用7種常用印刷紙張作為承印材料，采用靜電數(shù)碼印刷機(jī)輸出，Pearson相關(guān)性分析方法，研究紙張表面性能對(duì)水印提取質(zhì)量的影響，考察紙張表面性能與打印掃描后水印質(zhì)量的相關(guān)性，以期為數(shù)字水印硬拷貝輸出的紙張選擇提供有效參考依據(jù)。

1 基礎(chǔ)原理

1.1 DCT水印算法

DCT運(yùn)用在信息隱藏時(shí)，通常采用二維DCT變換［14］。設(shè)I（x，y） 為M×N大小圖像，其二維DCT正變換F（u，v）見式（1）：

其中，u=0，1，…，N-1；v=0，1，…，M-1。

二維DCT逆變換f（x，y）見式（2）：

DCT水印的核心思想是對(duì)圖像實(shí)施二維DCT變換，利用圖像變換后的不同頻域系數(shù)的相對(duì)大小實(shí)現(xiàn)水印嵌入［15-16］。本研究嵌入過程中，首先將二值水印圖像轉(zhuǎn)換成一維行向量，并作為水印嵌入序列。之后對(duì)載體圖像進(jìn)行8×8分塊，得到的所有子塊進(jìn)行二維DCT變換。水印嵌入位置的具體選取由子塊中方差最大的前N塊決定，根據(jù)密鑰K有規(guī)則地改變前N塊子圖DCT變換后得到的系數(shù)，完成水印嵌入。最后，所有子圖經(jīng)過DCT逆變換生成含水印圖像。水印的提取是嵌入的逆過程，其流程圖如圖1所示。

1.2 Pearson相關(guān)性分析原理

不同事物間的相互關(guān)聯(lián)是多樣化的，但大致可以分為2類關(guān)系：確定性的函數(shù)關(guān)系和非唯一性的相關(guān)關(guān)系［17-18］。函數(shù)關(guān)系中的變量可由某單一變量確定其變化，相關(guān)關(guān)系中變量是由多個(gè)變量值決定。因此，對(duì)于水印提取質(zhì)量的相關(guān)性研究可選用統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析法來度量不同紙張表面性能與水印質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系強(qiáng)弱。以統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的形式衡量不同變量間的相關(guān)性，可以準(zhǔn)確描述變量間的相關(guān)程度。選取Pearson簡單相關(guān)系數(shù)r作為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，見式（3）。

其中，X，Y為變量，-X，-Y為均值，i的取值范圍為1～n。r的正負(fù)表示變量間相關(guān)性的性質(zhì)，是正相關(guān)還是負(fù)相關(guān)，r的絕對(duì)值表征變量間相關(guān)性的強(qiáng)弱。通常，0≤ ||r≤0.2，變量間為極弱相關(guān)或無相關(guān)；0.2＜ ||r≤0.4，變量間為低相關(guān)性；0.4＜ ||r≤0.6，變量間相關(guān)性為中等；0.6＜ ||r≤0.8，變量間為強(qiáng)相關(guān)性；0.8＜ ||r≤1，變量間相關(guān)性為最高［16］。

為降低樣本數(shù)量少以及取樣隨機(jī)性等問題帶來的影響，需要判斷變量間的顯著性。當(dāng)顯著性≤0.05時(shí)，說明兩個(gè)變量間相關(guān)性顯著；當(dāng)顯著性＞0.05時(shí)，說明兩個(gè)變量間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。

1.3 水印提取質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

采用歸一化相關(guān)系數(shù)（NC值）來評(píng)價(jià)不同紙張的水印提取質(zhì)量［8］，如式（4）所示。

式中，I（m，n）為提取的待評(píng)價(jià)水印圖像；I'（m，n）為原數(shù)字水印圖像。NC值越大，說明提取的水印圖像與原始水印圖像越接近，最大值為1。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

設(shè)備：Konica Minolta C6000數(shù)字靜電印刷機(jī)，日本柯尼卡美能達(dá)控股株式會(huì)社；PROFILE/Plus PPS表面粗糙度測(cè)試儀，美國Techidyne；Novo Gloss TM光澤度測(cè)定儀；ZB-BK10A全自動(dòng)平滑度測(cè)定儀，杭州紙邦自動(dòng)化有限公司；Color Touch PC白度顏色測(cè)定儀，美國Techidyne；Microtek FileScan 4800F2掃描儀，上海中晶科技有限公司。

材料：7種常用印刷紙張，柯美原裝墨水。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.2.1 測(cè)量紙張表面性能參數(shù)

圖1 DCT水印嵌入流程圖

將7種紙張置于恒溫恒濕室存放24 h，然后測(cè)量紙張的定量、白度、粗糙度、光澤度、不透明度、平滑度，多點(diǎn)采樣測(cè)量后取平均值作為有效數(shù)據(jù)。其中，不透明度根據(jù)紙張反射率計(jì)算得到，見式（5）。

式中，R0表示單張被測(cè)紙樣背襯黑體時(shí)的反射率，R∞表示重疊多層紙樣至不透明時(shí)的反射率。

2.2.2 水印的嵌入及印刷輸出

基于Matlab R2016a軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)DCT域水印的嵌入；相同設(shè)備環(huán)境條件下（Konica Minolta C6000數(shù)碼印刷機(jī)加載相同顏色配置文件），分別對(duì)7種紙張?jiān)诜直媛蕿?200 dpi條件下進(jìn)行印刷，對(duì)應(yīng)的2幅載體圖像及水印圖像如圖2所示。

2.2.3 掃描

使用Microtek FileScan掃描儀，掃描分辨率設(shè)置為75、150、300、600、800、1200 dpi，得到JPEG格式的對(duì)應(yīng)掃描圖。

2.2.4 水印的提取

在Photoshop CS6環(huán)境下，對(duì)掃描得到的圖像進(jìn)行裁切并矯正水印圖像打印掃描過程中的幾何失真，得到與原始載體圖像大小一致的含水印掃描圖。再次基于Matlab R2016a軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水印的提取，并計(jì)算原始水印圖與掃描稿水印的NC值。

2.2.5 SPSS相關(guān)性分析

為減輕數(shù)據(jù)分析的計(jì)算量，采用SPSS（Statistical Productand Service Solutions）統(tǒng)計(jì)分析軟件，評(píng)價(jià)紙張表面性能與水印圖像提取質(zhì)量的內(nèi)在影響與聯(lián)系。

3 結(jié)果與討論

3.1 紙張表面性能

7種打印紙依序記為1#，2#，3#，…，7#，其表面性能參數(shù)如表1所示。

表 1 紙張表面性能參數(shù)

3.2 最適用NC值的確定

掃描分辨率的不同勢(shì)必會(huì)對(duì)水印的提取產(chǎn)生影響，而根據(jù)定量分析法，應(yīng)確保水印提取質(zhì)量的唯一性，因此研究紙張表面性能對(duì)水印提取質(zhì)量的影響時(shí)需固定掃描的分辨率，即確定最佳掃描分辨率從而得到最適用NC值。同一紙張?jiān)诓煌瑨呙璺直媛氏碌乃√崛C值如圖3所示。

觀察圖3中的數(shù)據(jù)走向可知，無論是Lena圖還是Peppers圖，隨著掃描分辨率的增大，水印提取NC值出現(xiàn)較顯著提高，后逐漸趨于平緩。其中，掃描分辨率從75 dpi增至600 dpi的階段，NC值上升明顯；800 dpi時(shí)的水印提取NC值相比于600 dpi時(shí)的雖也有所上升，但提升的幅度較??；800 dpi增至1200 dpi時(shí)，水印提取NC值不再有提高趨勢(shì)，說明當(dāng)掃描分辨率≥600 dpi時(shí)，水印提取質(zhì)量已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定。因此，可將600 dpi作為不同紙張硬拷貝水印圖像提取時(shí)的最佳掃描分辨率。

掃描分辨率為600 dpi時(shí)，各紙樣水印提取的NC值如表2所示，相對(duì)應(yīng)的水印提取效果圖如圖4和圖5所示。

圖2 載體圖像及水印圖像

圖3 不同分辨率水印提取的NC值

表2 掃描分辨率為600 dpi的水印提取NC值

表2表明各紙樣水印提取的NC值都大于0.85。觀察圖4和圖5可知，分辨率為600 dpi時(shí)，掃描提取得到的水印信息清晰可辨，說明主觀評(píng)價(jià)質(zhì)量一致。由此可以推斷出，600 dpi的掃描分辨率可以滿足硬拷貝水印的提取需求，其對(duì)應(yīng)于7種紙張的NC值可有效用于水印提取質(zhì)量的相關(guān)性分析。

3.3 紙張表面性能與水印提取質(zhì)量相關(guān)性分析

為驗(yàn)證上述7種紙張的表面性能與水印提取質(zhì)量參數(shù)NC值的相關(guān)性，利用表1和表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在SPSS中采用雙變量相關(guān)性進(jìn)行分析，其中相關(guān)系數(shù)設(shè)置為Pearson系數(shù)、顯著性檢驗(yàn)設(shè)置為雙邊檢驗(yàn)，得到NC值與紙張粗糙度、白度、不透明度、定量、光澤度間的相關(guān)性數(shù)值，如圖6所示。相關(guān)性數(shù)據(jù)皆取絕對(duì)值，其中，粗糙度為負(fù)數(shù)，其余性能均為正數(shù)。

由圖6可知，NC值與紙張粗糙度、平滑度、白度的相關(guān)性數(shù)值分別為0.931、0.924、0.838，均大于0.8，且三者顯著性數(shù)值均小于0.05，說明水印提取質(zhì)量與紙張這些表面性能間具有強(qiáng)相關(guān)性；NC值與紙張光澤度的相關(guān)性數(shù)值略大于0.6，說明水印提取質(zhì)量與紙張光澤度具有中等偏上相關(guān)性；NC值與紙張不透明度的相關(guān)性數(shù)值約為0.3，且顯著性遠(yuǎn)大于0.05，表現(xiàn)為弱相關(guān)性。

粗糙度是反映紙張表面凹凸程度的重要指標(biāo)，決定了油墨在紙面上的轉(zhuǎn)移效果。粗糙度高的紙張表面孔隙較大，凹凸不平整，油墨易發(fā)生滲透，進(jìn)而導(dǎo)致印品顏色不鮮明，彩度低，影響圖像復(fù)制質(zhì)量，降低載體圖像掃描再現(xiàn)時(shí)的清晰度。因此，紙張粗糙度與硬拷貝水印提取質(zhì)量關(guān)聯(lián)度最大，與NC值呈負(fù)相關(guān)。

平滑度是評(píng)價(jià)紙張表面平整程度的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。紙張表面平整光滑、凹凸少，油墨在紙面上的轉(zhuǎn)移效果優(yōu)越，能較好地再現(xiàn)網(wǎng)點(diǎn)形態(tài)，準(zhǔn)確表征載體圖像階調(diào)層次，從而使嵌入圖像中的水印信息較好地保存，有利于水印的掃描提取，因此紙張平滑度對(duì)硬拷貝水印提取質(zhì)量有較大影響，平滑度與NC值呈正相關(guān)。

較高白度的紙張能準(zhǔn)確真實(shí)地再現(xiàn)圖像色彩，有利于圖像階調(diào)層次和清晰度的提升，使印刷品色澤鮮艷、反差鮮明，最大程度地降低紙張白度對(duì)圖像再現(xiàn)質(zhì)量的影響。紙張白度對(duì)硬拷貝水印提取質(zhì)量同樣具有較大影響，白度與NC值呈正相關(guān)。

圖4 掃描分辨率為600 dpi時(shí)Lena圖水印提取效果

圖5 掃描分辨率為600 dpi時(shí)Peppers圖水印提取效果

圖6 NC值與紙張表面性能間的相關(guān)性

高光澤度的紙張有利于油墨的均勻附著，使印刷品墨色鮮艷飽滿，視覺效果更突出，可以適當(dāng)提高印刷品質(zhì)量，但紙張的光澤度與平滑度有關(guān)，一般平滑度越高的紙張其光澤度也較高，因此與紙張的白度、平滑度、粗糙度相比，其對(duì)硬拷貝水印提取質(zhì)量的影響中等偏上。

在數(shù)碼印刷輸出時(shí)，本研究選取的7種印刷紙張定量均大于70 g/m2，其不透明度能有效防止油墨透印，從而都能實(shí)現(xiàn)較高的印刷質(zhì)量。紙張的不透明度與硬拷貝水印提取質(zhì)量無直接相關(guān)性。

4 結(jié) 論

本研究就紙張表面性能對(duì)硬拷貝輸出離散余弦變換（DCT）水印提取質(zhì)量的影響進(jìn)行研究。通過靜電印刷機(jī)輸出含水印載體圖像，運(yùn)用Pearson相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析法，探究紙張表面性能與硬拷貝水印提取質(zhì)量的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。研究結(jié)果表明，歸一化相關(guān)系數(shù)（NC值）與紙張的平滑度、白度、粗糙度具有強(qiáng)相關(guān)性，與光澤度相關(guān)性為中等偏大，與不透明度幾乎不相關(guān)。因此，在選擇數(shù)字水印作為印刷防偽手段時(shí)，可將與水印質(zhì)量相關(guān)性強(qiáng)的紙張表面性能作為主要選擇依據(jù)，以提高水印防偽的質(zhì)量。該研究成果為數(shù)字水印硬拷貝輸出中紙張的選擇提供了有價(jià)值的理論依據(jù)，可有效較減少紙張消耗，提高實(shí)際防偽應(yīng)用效率，加強(qiáng)水印在包裝印刷產(chǎn)品應(yīng)用上的普遍適用性。