郭凌華, 陳 燕, 劉國棟, 邢鐵豆
(陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(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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基于網(wǎng)點式光柵的半色調(diào)圖像防偽技術(shù)研究
郭凌華, 陳 燕, 劉國棟, 邢鐵豆
(陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(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)
基于莫爾條紋形成的幾何光學(xué)原理,對半色調(diào)圖像的網(wǎng)點進行一定路徑的偏移,嵌入隱藏信息,再根據(jù)網(wǎng)點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,制作對應(yīng)的網(wǎng)點式解碼光柵,提取隱藏信息。在該防偽技術(shù)中隱藏信息達(dá)到了較好的隱藏效果,疊加相應(yīng)的網(wǎng)點式解碼光柵之后,隱藏信息能夠清晰顯現(xiàn)。此技術(shù)可應(yīng)用到印刷品的防偽中,提高印刷品的附加值.
網(wǎng)點式光柵; 信息隱藏; 光柵匹配; 半色調(diào)圖像防偽
印刷盜版現(xiàn)象日益增多,新的防偽方法如數(shù)字水印技術(shù)、納米防偽等對設(shè)備的依賴性大,防偽過程復(fù)雜,印刷成本高[1-3].而莫爾條紋防偽方法無需改變現(xiàn)有的印刷工藝,普通消費者可以直接識別.但該方法主要是借助特殊的光柵材料,在提取隱藏信息時的清晰度不夠高,在實際生產(chǎn)中還沒有廣泛應(yīng)用[4-7].
筆者針對上述問題,提出一種基于網(wǎng)點式光柵的半色調(diào)圖像防偽提取技術(shù).該技術(shù)以莫爾條紋效應(yīng)和半色調(diào)圖像加網(wǎng)為理論基礎(chǔ),將隱藏信息嵌入到印刷主圖的半色調(diào)圖像中,根據(jù)網(wǎng)點式解碼光柵與含有隱藏信息的編碼光柵參數(shù)匹配關(guān)系來制作相應(yīng)的解碼光柵,利用此光柵來提取隱藏信息.該方法隱藏效果好,網(wǎng)點式解碼光柵提取隱藏信息的清晰度提高,從而實現(xiàn)半色調(diào)圖像防偽的目的.
1.1 莫爾條紋形成原理
印刷品的莫爾條紋是由間斷性的網(wǎng)點組成的直線光柵以某種角度疊合后,發(fā)生光學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的幾何圖像.因此可以把印刷中半色調(diào)圖像看作是特殊的網(wǎng)點式光柵.而印刷品兩網(wǎng)點間的距離遠(yuǎn)大于可見光的波長,因此其網(wǎng)點式光柵屬于粗光柵,粗光柵形成的莫爾條紋由遮光陰影原理解釋[8-10].
如圖1所示,當(dāng)兩塊粗光柵以夾角θ面對面疊合時,根據(jù)遮光原理,透過光線的區(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.
圖1 光柵莫爾條紋示意圖
當(dāng)兩光柵的柵距P1、P2以及兩光柵的夾角θ取不同值時,會產(chǎn)生不同樣式的莫爾條紋[11,12].莫爾條紋的周期滿足如下公式:
(1)
式中:P1、P2和θ分別為兩個光柵的柵距和它們之間的夾角.當(dāng)P1=P2=P時,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.
在半色調(diào)圖像防偽中,把嵌入了隱藏信息的半色調(diào)圖像作為編碼光柵,然后將網(wǎng)點式解碼光柵與編碼光柵疊合以后形成的莫爾條紋的周期越大,則對于隱藏區(qū)域與非隱藏區(qū)域的對比度越大,隱藏信息更易被清晰提取.由公式(2)可知,當(dāng)兩光柵夾角θ為0時,周期達(dá)到無窮大,此時隱藏區(qū)域與非隱藏區(qū)域的對比度最大,隱藏信息顯現(xiàn)最清晰.
1.2 人眼的分辨率
正常人視角一般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,當(dāng)印刷品中的網(wǎng)點間距小于此距離時,人眼將無法分辨,網(wǎng)點構(gòu)成的圖像就被當(dāng)作了連續(xù)調(diào)圖像[13],根據(jù)人眼的最小可分辨距離計算最小加網(wǎng)線數(shù)為:
P=25.4÷0.073÷2≈174 LPI
因此,在半色調(diào)圖像防偽中,對圖像通常采用175LPI的加網(wǎng)線數(shù).在此基礎(chǔ)上,對網(wǎng)點進行微量調(diào)整,人眼難以察覺[14].該半色調(diào)圖像防偽技術(shù)也就是基于此原理來實現(xiàn)隱藏信息的嵌入的.
1.3 調(diào)幅加網(wǎng)原理
調(diào)幅加網(wǎng)利用每個小方格中的網(wǎng)點面積的變化來表現(xiàn)原稿層次,即網(wǎng)點間距離相同而網(wǎng)點大小不同[15,16].本防偽技術(shù)是在調(diào)幅加網(wǎng)的基礎(chǔ)上進行研究的,建立了調(diào)幅加網(wǎng)參數(shù)與光學(xué)中光柵參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系,準(zhǔn)確設(shè)置含有隱藏信息的編碼光柵和網(wǎng)點式解碼光柵的參數(shù).
2.1 隱藏信息的嵌入
對半色調(diào)圖像的網(wǎng)點進行偏移,嵌入隱藏信息.網(wǎng)點的偏移達(dá)到人眼不可見.嵌入隱藏信息的印刷品與網(wǎng)點式解碼光柵疊合,隱藏信息能清晰顯現(xiàn).偏移的網(wǎng)點與匹配的網(wǎng)點式光柵形成一個密集度較高的隱藏區(qū)域,增強隱藏區(qū)域與非隱藏區(qū)域的對比性,在提取時凸顯隱藏信息.
如圖2所示,其中的白色網(wǎng)點1是原印刷圖某一色版加網(wǎng)后圖像的網(wǎng)點位置,黑色網(wǎng)點2是網(wǎng)點1偏移后的位置,黑色網(wǎng)點3是解碼光柵網(wǎng)點的位置.在隱藏區(qū)域,將原印刷圖的白色網(wǎng)點1移動到黑色網(wǎng)點2的位置,黑色網(wǎng)點2位于由周圍解碼光柵的網(wǎng)點形成的正方形的中心,使偏移網(wǎng)點與解碼光柵網(wǎng)點形成密集區(qū);在非隱藏區(qū)域,原印刷圖的網(wǎng)點沒有偏移,被解碼光柵的網(wǎng)點覆蓋,與隱藏區(qū)域產(chǎn)生對比,凸顯隱藏信息.
圖2 偏移網(wǎng)點與解碼光柵網(wǎng)點的位置關(guān)系圖
2.2 網(wǎng)點式解碼光柵的設(shè)計
2.2.1 網(wǎng)點式解碼光柵參數(shù)的設(shè)定
設(shè)置解碼光柵的加網(wǎng)線數(shù)、加網(wǎng)角度和網(wǎng)點形狀,設(shè)置時與含有隱藏信息的編碼光柵的加網(wǎng)參數(shù)相同.
2.2.2 網(wǎng)點式解碼光柵與編碼光柵匹配關(guān)系的建立
(1)形成密集度高的隱藏區(qū)域
如圖2所示,嵌入隱藏信息時,將隱藏信息區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)點進行偏移,到達(dá)以四個網(wǎng)點組成的正方形的中心點.在疊加解碼光柵后,解碼光柵的網(wǎng)點與進行位移后的網(wǎng)點互補性地疊合,就會形成密集度高的面區(qū)域,使隱藏信息突出顯現(xiàn).
(2)網(wǎng)點式解碼光柵與含有隱藏信息的色版的匹配
設(shè)含有隱藏信息的色版的網(wǎng)點面積率為T1%,網(wǎng)點式解碼光柵的網(wǎng)點面積率為T2%.
當(dāng)T1<50時,T1與T2應(yīng)為互補關(guān)系,即T1+T2=100;
當(dāng)T1≥50時,形成高密集度的隱藏區(qū)域,解碼光柵的網(wǎng)點要覆蓋住含有隱藏信息色版的網(wǎng)點即要求T2≥T1,又因為隱藏區(qū)域與非隱藏區(qū)域形成高對比性,因此非隱藏區(qū)域的網(wǎng)點面積率越小,與隱藏區(qū)域的對比性越大,即要求T2=T1.
綜上所述,網(wǎng)點式解碼光柵與含有隱藏信息的色版的匹配公式如下:
2.3 提取隱藏信息
如圖3所示,編碼光柵的網(wǎng)點面積率為20%,網(wǎng)點式解碼光柵的網(wǎng)點面積率為80%,可以看到,隱藏區(qū)域的偏移網(wǎng)點與解碼光柵的網(wǎng)點是互補關(guān)系,形成了接近于黑色面的區(qū)域,因此增強了隱藏區(qū)域與非隱藏區(qū)域的對比性,凸顯了隱藏信息.
圖3 隱藏信息的顯現(xiàn)
3.1 實驗軟件
該防偽技術(shù)是通過在Photoshop CS3中進行仿真實驗來驗證的.
3.2 實驗步驟
3.2.1 嵌入隱藏信息
(1)建立印刷主圖.在Photoshop CS3中建立一個尺寸為5 cm×5 cm的CMYK顏色模式的數(shù)字圖像,選取網(wǎng)點面積率分別為20%的C、M、Y、K作為前景色填充.
(2)對數(shù)字圖像進行調(diào)幅加網(wǎng)處理.對建立的CMYK印刷主圖進行分色,并對每個色版進行調(diào)幅加網(wǎng)處理,其中加網(wǎng)線數(shù)均為175 LPI,輸出分辨率設(shè)定為2 400 DPI,形狀為圓形,C、M、Y、K四個通道加網(wǎng)角度分別為15 °、75 °、90 °、45 °.其中輸出分辨率的設(shè)定與光柵圖像處理器(RIP)的分辨率相同,為避免再次加網(wǎng),通常RIP使用的分辨率為2 400 DPI.
(3)偏移網(wǎng)點形成嵌入隱藏信息的半色調(diào)圖像.選擇青版作為隱藏信息的色版,輸入隱藏信息(陜西科技大學(xué)校徽)的圖層,根據(jù)2.1對網(wǎng)點進行偏移,合并四個色版,形成含有隱藏信息的半色調(diào)圖像,其隱藏效果如圖4所示,達(dá)到人眼不可見的效果.
圖4 隱藏效果圖
3.2.2 制作網(wǎng)點式解碼光柵
Photoshop CS3中建立一個尺寸為5 cm×5 cm的灰度顏色模式的數(shù)字圖像,根據(jù)2.2設(shè)定網(wǎng)點式光柵的參數(shù).填充前景色K為80%,其余均為0%,在進行調(diào)幅加網(wǎng)時,其中加網(wǎng)線數(shù)設(shè)定為175 LPI,輸出分辨率設(shè)定為2 400 DPI,形狀為圓形,加網(wǎng)角度為15 °.
3.2.3 提取隱藏信息
將制作好的網(wǎng)點式光柵疊合于已嵌入隱藏信息的數(shù)字圖像上,提取隱藏信息,其整體效果如圖5(a)所示,局部放大效果如圖6(a)、7(a)和8(a)所示,分別展示不同線條粗度的顯現(xiàn)效果.
為說明網(wǎng)點式光柵的優(yōu)勢,試驗中另外制作了直線型解碼光柵,其參數(shù)設(shè)置除加網(wǎng)時使用直線加網(wǎng),其余參數(shù)均與網(wǎng)點式的一樣,其提取隱藏信息的整體效果如圖5(b)所示,局部放大效果如圖6(b)、7(b)和8(b)所示.
(a)網(wǎng)點光柵 (b)直線光柵
(a)網(wǎng)點光柵 (b)直線光柵
(a)網(wǎng)點光柵 (b)直線光柵
(a)網(wǎng)點光柵 (b)直線光柵
3.3 實驗結(jié)果分析
由圖5的整體效果圖可以看出,網(wǎng)點式光柵提取的隱藏信息更凸顯.具體分析如下:從圖6粗線條放大效果圖可以看出,網(wǎng)點式光柵提取信息的輪廓邊界更清楚;從圖7“陜”字放大效果圖可以看出,網(wǎng)點式光柵提取隱藏信息后,隱藏區(qū)域與非隱藏區(qū)域的對比更強烈;從圖8“SCIENCE”放大效果圖可以看出,網(wǎng)點式光柵提取的隱藏信息更厚實.
綜上所述,網(wǎng)點式光柵提取隱藏信息的清晰度要明顯高于直線型解碼光柵,提高了提取隱藏信息的清晰度.
本文提出一種基于網(wǎng)點式光柵的半色調(diào)圖像防偽新技術(shù).結(jié)果表明,隱藏信息的嵌入對原數(shù)字圖像的影響很小,人眼無法識別,達(dá)到較好的隱藏效果.在疊加了與之對應(yīng)的網(wǎng)點式解碼光柵之后,隱藏信息能夠清晰顯現(xiàn),并與直線型解碼光柵比較,其清晰度明顯提高.
網(wǎng)點式解碼片在印前圖像處理部分可以全部完成,按照文章2.2中的參數(shù)設(shè)置,在Photoshop中設(shè)計網(wǎng)點式解碼光柵,經(jīng)過激光照排機輸出菲林片,得到網(wǎng)點式解碼光柵就可提取隱藏信息,其制作不改變現(xiàn)有的印刷工藝,不增加生產(chǎn)成本.該技術(shù)提高了提取隱藏信息的清晰度,在實際生產(chǎn)中有更好的實用價值.
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Halftone anti-counterfeiting technology based on dot grating
GUO Ling-hua, CHEN Yan, LIU Guo-dong, XING Tie-dou
(College of Light Industry and Energy, Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)
Based on geometrical optics principle of moiré fringe formation,the hidden information is embedded by shifting the dot of halftone image.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.Hidden information has reached a good hidden effect in this anti-counterfeiting technology,after superposing the corresponding dot decoding grating,hidden information is clearly revealed.This technology can be applied to the anti-counterfeiting printing,improving the added value of prints.
dot grating; hiding information; grating matching; halftone anti-counterfeiting
2015-02-21
陜西省教育廳重點實驗室科研項目(2011HBSZS014); 陜西科技大學(xué)博士科研啟動基金項目(BJ13-01)
郭凌華(1970-),女,山東煙臺人,副教授,博士,研究方向:防偽印刷及顏色科學(xué)
1000-5811(2015)03-0033-04
TS853+.6
A