孟卿君，黨玲玉，雷懷光，郭凌華，溫 蕾，任一方

(1.陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021; 2.陜西科技大學(xué) 輕化工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 中國(guó)輕工業(yè)紙基功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021; 3.陜西科技大學(xué) 人事處，陜西 西安 710021)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，印刷防偽也越來(lái)越引起普遍關(guān)注[1-3].基于印刷品信息隱藏的防偽技術(shù)也日漸成熟.如基于點(diǎn)到點(diǎn)誤差擴(kuò)散數(shù)字的加網(wǎng)技術(shù)空間域的數(shù)字水印算法[4]，該算法在對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行加網(wǎng)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印信息的嵌入，但該方法的計(jì)算量較大，而且在提取信息時(shí)需要依照原始連續(xù)調(diào)圖像才能找到信息隱藏的位置，隱藏和顯隱技術(shù)相對(duì)復(fù)雜；另外，微結(jié)構(gòu)加網(wǎng)的防偽方法[5,6]，利用該方法可以達(dá)到信息隱藏的目的，卻容易造成原稿信息的丟失，這種防偽技術(shù)不易提取，不易直接面對(duì)消費(fèi)者；而已有的半色調(diào)圖像防偽技術(shù)[7-9]隱藏信息提取時(shí),仍需要高分辨率的掃描形成數(shù)字圖像，且屬于一張隱藏信息對(duì)應(yīng)一張顯隱信息的防偽技術(shù).以上防偽技術(shù)均屬于靜態(tài)的顯隱防偽技術(shù)，其防偽系數(shù)較低，顯隱效果一般.如果顯隱圖像可以發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，能夠更加豐富隱藏圖像的顯隱效果，提高印刷防偽性能.動(dòng)態(tài)莫爾紋的連續(xù)圖像變化效果可以使單張光柵片顯示出多張圖片，若將動(dòng)態(tài)莫爾紋條紋應(yīng)用于防偽中，可以解決上述防偽中出現(xiàn)的問(wèn)題.

在印刷圖像隱藏過(guò)程中，網(wǎng)點(diǎn)面積率、加網(wǎng)線數(shù)、加網(wǎng)角度等物理參數(shù)對(duì)隱藏效果造成影響.其中，網(wǎng)點(diǎn)面積率表現(xiàn)地尤為明顯，據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)道[10]，網(wǎng)點(diǎn)面積率在20%左右的信息隱藏效果最好，網(wǎng)點(diǎn)面積率在50%左右的黑白條紋等間距的顯隱光柵片提取隱藏信息的效果最清晰.因此，本文在分析影響防偽圖像質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)基礎(chǔ)之上，經(jīng)插幀原則光柵化處理圖片，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)防偽信息圖，通過(guò)改變載體圖部分網(wǎng)點(diǎn)位置進(jìn)行防偽信息隱藏，根據(jù)匹配原理制作顯隱光柵片，提取動(dòng)態(tài)隱藏信息.本文結(jié)合動(dòng)態(tài)莫爾圖像顯示效果，提出更加優(yōu)化的莫爾信息隱藏和動(dòng)態(tài)顯隱防偽方法，設(shè)計(jì)2幀相關(guān)的動(dòng)態(tài)莫爾紋圖，經(jīng)信息的隱藏及光柵片的匹配，最終隨著光柵片的移動(dòng)，完成顯隱信息的動(dòng)態(tài)變化.

1 莫爾紋防偽技術(shù)

1.1 莫爾紋的圖像信息隱藏方法

圖像信息的隱藏方法主要是指在印刷前對(duì)圖像進(jìn)行分色加網(wǎng)后，在某個(gè)色版或幾個(gè)色版載入待隱藏圖形作為隱藏信息，建立一個(gè)含有隱藏信息的封閉選區(qū)，通過(guò)移動(dòng)選區(qū)內(nèi)網(wǎng)點(diǎn)位置，可使其它選區(qū)的網(wǎng)點(diǎn)與隱藏信息的網(wǎng)點(diǎn)之間相互"錯(cuò)開(kāi)".由于受人眼視覺(jué)分辨率的影響，網(wǎng)點(diǎn)間微量的位移并不會(huì)引起人視覺(jué)上的感知，位移后的選區(qū)便可形成隱藏信息[11].

圖1為信息隱藏算法示意圖.其中，圖1(a)為微量的網(wǎng)點(diǎn)位移關(guān)系，α為加網(wǎng)角度，b為網(wǎng)點(diǎn)直徑，d為相鄰兩個(gè)網(wǎng)點(diǎn)間的距離，即網(wǎng)目調(diào)單元的邊長(zhǎng).其中，d=輸出分辨率/加網(wǎng)線數(shù).

圖像信息隱藏方法是將隱藏的圖像信息區(qū)域的網(wǎng)點(diǎn)平移到與其他網(wǎng)點(diǎn)形成的正方形的中心，圖1(b)所示，即從網(wǎng)點(diǎn)1移動(dòng)到網(wǎng)點(diǎn)2的位置.根據(jù)圖1(c)網(wǎng)點(diǎn)間的幾何關(guān)系圖計(jì)算網(wǎng)點(diǎn)在水平方向與垂直方向的位移量x，y為[12]：

(1)

(a)網(wǎng)點(diǎn)參數(shù) (b)網(wǎng)點(diǎn)移動(dòng)關(guān)系 (c)網(wǎng)點(diǎn)間的幾何關(guān)系圖1 信息隱藏技術(shù)算法

1.2 莫爾紋信息顯隱光柵匹配原理

莫爾紋的顯隱光柵匹配原理是：顯隱光柵片是一張黑白相間的透明膠片，黑色條紋和透明條紋相間排列，對(duì)載體圖上的隱藏信息有“顯現(xiàn)”的效果，對(duì)于隱藏的莫爾信息圖，疊加光柵片在隱藏區(qū)域，改變光柵片到合適的位置，就可以提取到隱藏信息.根據(jù)顯隱光柵片的參數(shù)選擇出顯隱光柵片.當(dāng)顯隱光柵片參數(shù)與隱藏信息參數(shù)匹配時(shí)，顯隱光柵片的黑色條紋“遮蓋”載體圖的網(wǎng)點(diǎn)，透明條紋“顯現(xiàn)”出位置信息改變的隱藏信息網(wǎng)點(diǎn)，就可以得到隱藏信息[13].

顯隱光柵片的寬度匹配可以達(dá)到最佳的圖像顯隱效果.圖2所示為隱藏信息的網(wǎng)點(diǎn)面積率與顯隱光柵片的面積率匹配關(guān)系.其中圖2(a)所示網(wǎng)點(diǎn)所在最小單元和圖2(b)所示顯隱光柵片所在最小單元，當(dāng)光柵片寬度正好等于網(wǎng)點(diǎn)直徑時(shí)，可以達(dá)到顯隱效果.

(a)網(wǎng)點(diǎn)所在最小單元 (b)顯隱光柵所在最小單元圖2 隱藏信息網(wǎng)點(diǎn)面積率與顯隱光柵面積率匹配關(guān)系

設(shè)A為隱藏信息的網(wǎng)點(diǎn)面積率，B為顯隱光柵的網(wǎng)點(diǎn)面積率.則:

A=π(d/2)2/a2=πd2/4a2

(2)

網(wǎng)點(diǎn)直徑d的計(jì)算公式為：

(3)

顯隱光柵片的網(wǎng)點(diǎn)面積率為：

B=al2/a2=ad2/a2=d/a

(4)

式(2)～(4)中：d表示網(wǎng)點(diǎn)直徑，a表示最小單元的邊長(zhǎng)，l表示顯隱光柵片的寬度.得出顯隱光柵的網(wǎng)點(diǎn)面積率與隱藏信息網(wǎng)點(diǎn)面積率匹配關(guān)系為[14]：

(5)

1.3 動(dòng)態(tài)莫爾紋理論

動(dòng)態(tài)莫爾紋是由一張解碼光柵片和一張隱藏的動(dòng)態(tài)圖片疊合發(fā)生的一種光學(xué)現(xiàn)象.隱藏的動(dòng)態(tài)信息圖可以看成是n張光柵片疊合在一起的，且此時(shí)的解碼光柵片上的光柵距與這n張光柵片上每一張的光柵距是相匹配的.將每層光柵圖案的所平行的方向依照相關(guān)聯(lián)順序依次相隔等角度同位置的重疊，使若干層加密圖紋的光柵圖案重疊隱藏構(gòu)成合成圖[15].由于人眼的視覺(jué)有短暫停留特性，利用這一特性，快速且均勻地移動(dòng)光柵片，人眼可將這n個(gè)圖像看成一幅連續(xù)的動(dòng)態(tài)圖畫(huà)，就會(huì)形成動(dòng)態(tài)莫爾圖.

2 基于莫爾紋動(dòng)態(tài)顯示的圖像制作及隱藏方法

2.1 莫爾紋動(dòng)態(tài)效果的插幀原則

動(dòng)態(tài)莫爾效應(yīng)是由一系列相關(guān)聯(lián)的圖像組合在一起的，每張圖像被同張解碼光柵片經(jīng)過(guò)匹配處理成黑白相間條紋，此時(shí)的每一張圖像可以看作是等間距的光柵片，隱藏的動(dòng)態(tài)信息是一個(gè)光柵片組，其中包括n張光柵片.則移動(dòng)解碼光柵片，載體圖像上的每一個(gè)圖像會(huì)依次發(fā)生不同圖像的干涉現(xiàn)象，從而出現(xiàn)若干個(gè)莫爾效應(yīng)，且出現(xiàn)莫爾現(xiàn)象的不同位置是不同，是等間距變化的.其中的解碼光柵片是由黑白相交的條紋，可以根據(jù)光柵片特性來(lái)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)圖像的幀數(shù).

假設(shè)x像素是光柵片黑條紋寬，白條紋的寬度為y個(gè)像素，每隔t個(gè)像素插幀一次，則在一張光柵片插入圖片的幀數(shù)為：

n=(x+y)/t

(6)

一般，插幀圖片的間距與光柵片的白條紋寬相等，即插幀原則[16]為：

n=(x+y)/x

(7)

2.2 動(dòng)態(tài)隱藏信息制作

動(dòng)態(tài)莫爾紋隱藏圖像建立的前提是，根據(jù)插幀原則設(shè)計(jì)出基于莫爾紋的動(dòng)態(tài)效果圖.本實(shí)驗(yàn)選擇的圖像幀數(shù)為2幀，在photoshop軟件中，具體的制作步驟如下：

(1)建立文件1，尺寸大小5 cm×5 cm的文件，設(shè)計(jì)制作2張黑白圖像.圖3所示為本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的2張備用圖像.

(a)備用圖1

(b)備用圖2圖3 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的備用圖

(2)制作黑白相間的光柵片.根據(jù)圖像插幀機(jī)理，本實(shí)驗(yàn)的圖像幀數(shù)設(shè)計(jì)為2幀，則黑白條紋的寬度相同，每隔t個(gè)像素插幀一次，其中t與白條紋或黑條紋的寬度相等.具體為：新建文件2，畫(huà)出一個(gè)寬10個(gè)像素的長(zhǎng)矩形，并填充為黑色.復(fù)制并移動(dòng)長(zhǎng)矩形與原矩形水平間距10個(gè)像素，重復(fù)操作，形成黑白相間的光柵片.

(3)光柵化圖像.根據(jù)設(shè)計(jì)好的光柵片處理圖像，使之成為光柵化的圖像.具體是將圖3(a)、圖3(b)和光柵片相互重疊，刪去圖3(a)中與光柵片中黑色相交的區(qū)域，刪去圖3(b)中與光柵片白色相交的區(qū)域.合并光柵化后的圖3(a)和圖3(b)形成圖4.圖4為動(dòng)態(tài)莫爾紋信息圖，作為本實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)信息隱藏圖.

圖4 動(dòng)態(tài)莫爾紋信息圖

2.3 動(dòng)態(tài)信息隱藏方法

本文通過(guò)將網(wǎng)點(diǎn)經(jīng)微量變化來(lái)實(shí)現(xiàn).微量的網(wǎng)點(diǎn)改變?nèi)搜鄄荒茏R(shí)別出來(lái)，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)信息的隱藏.實(shí)驗(yàn)采用Photoshop CS5作為仿真實(shí)驗(yàn)軟件，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

(1)建立背景色塊.在Photoshop CS5中建立載體圖，首先新建一個(gè)文件，選擇菜單欄中的“編輯-填充”填充顏色，選擇網(wǎng)點(diǎn)面積率為20%.

(2)對(duì)載體圖像進(jìn)行加網(wǎng).在“位圖-半調(diào)網(wǎng)屏”對(duì)話框中可以設(shè)置加網(wǎng)參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)的加網(wǎng)三個(gè)參數(shù)包括：圖像加網(wǎng)線數(shù)100 lpi、加網(wǎng)角度90 °、網(wǎng)點(diǎn)形狀選擇圓形.選擇好確定的參數(shù)即完成灰度圖像的加網(wǎng)過(guò)程.

(3)動(dòng)態(tài)隱藏信息的嵌入.將隱藏的動(dòng)態(tài)信息圖復(fù)制到載體圖中，選中其中的隱藏圖層，刪除隱藏圖層，選擇菜單欄中的“濾鏡-位移”命令來(lái)執(zhí)行操作，完成選區(qū)內(nèi)的網(wǎng)點(diǎn)移動(dòng).圖5所示為動(dòng)態(tài)信息隱藏圖，其中動(dòng)態(tài)隱藏信息見(jiàn)圖4.其動(dòng)態(tài)信息隱藏效果到達(dá)了較好的不可感知性，對(duì)原稿的影響小，可達(dá)到人眼不可見(jiàn)的效果.

圖5 動(dòng)態(tài)信息隱藏效果圖

3 基于莫爾紋的動(dòng)態(tài)信息顯隱技術(shù)

動(dòng)態(tài)信息顯隱方法是指動(dòng)態(tài)顯隱光柵片的制作，主要是確定顯隱光柵片與隱藏信息之間的對(duì)應(yīng)匹配關(guān)系，確定光柵片的參數(shù)，建立唯一與隱藏的動(dòng)態(tài)信息相匹配的解碼光柵片.

3.1 動(dòng)態(tài)防偽信息顯隱技術(shù)的參數(shù)選擇

動(dòng)態(tài)防偽信息顯隱光柵片的制作，根據(jù)前文提到的匹配原理，設(shè)置顯隱光柵片的加網(wǎng)參數(shù)與隱藏動(dòng)態(tài)信息相一致，即光柵片的加網(wǎng)角度、加網(wǎng)線數(shù)和網(wǎng)點(diǎn)形狀.對(duì)于動(dòng)態(tài)的顯隱光柵片的參數(shù)，其光柵片的灰度與動(dòng)態(tài)莫爾效果圖相關(guān)，根據(jù)隱藏動(dòng)態(tài)莫爾效果圖的圖片幀數(shù)可以唯一確定光柵片的灰度.顯隱光柵片與前文中的動(dòng)態(tài)信息解碼光柵片形狀保持一致.

3.2 動(dòng)態(tài)防偽信息顯隱模型建立

在Photoshop CS5中新建一個(gè)尺寸大小為5 cm×5 cm的文件.分辨率為2 100 dpi，顏色模式為灰度，背景為白色.根據(jù)隱藏圖片的幀數(shù)來(lái)填充前景色.根據(jù)隱藏動(dòng)態(tài)莫爾效果圖的圖片幀數(shù)確定光柵片的灰度，本實(shí)驗(yàn)隱藏動(dòng)態(tài)信息的幀數(shù)為2幀，其光柵片的灰度為50%.選擇菜單欄中的“編輯-填充”填充顏色為50%的單色灰度圖.對(duì)光柵片加網(wǎng)處理：圖像加網(wǎng)線數(shù)、加網(wǎng)角度、網(wǎng)點(diǎn)形狀選擇.圖6所示，即為2幀的動(dòng)態(tài)信息顯隱光柵片.匹配解碼光柵片，可以形成莫爾紋動(dòng)態(tài)效果圖.

圖6 動(dòng)態(tài)莫爾紋顯隱光柵片

3.3 提取動(dòng)態(tài)隱藏信息

將動(dòng)態(tài)顯隱光柵片復(fù)制疊加到動(dòng)態(tài)信息隱藏圖上，則可以提取到動(dòng)態(tài)信息隱藏圖.可看出在顯隱光柵下，顯現(xiàn)出圖中難以被裸眼觀察到的隱藏多幅圖像.顯隱光柵和載體圖像網(wǎng)線相互作用，形成了條紋方向和水平方向平行的若干個(gè)橫向莫爾紋.得到的顯隱圖如圖7所示.移動(dòng)顯隱光柵片到隱藏圖像的不同位置可以得到6張不同的隱藏信息.將顯隱光柵片沿水平方向以恒定的速度移動(dòng)，多張圖片等間距交替顯現(xiàn)，發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，由于人眼的視覺(jué)短暫停留特征，就會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)莫爾圖，形成連續(xù)視覺(jué)效果.

(a)顯隱圖1 (b)顯隱圖2

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從圖7的6幅變化的效果圖可以看出，隱藏的動(dòng)態(tài)信息，通過(guò)建立莫爾紋動(dòng)態(tài)信息的顯隱模型以及提取動(dòng)態(tài)隱藏信息實(shí)驗(yàn)可以得到：與單張圖像信息顯隱效果相比，本實(shí)驗(yàn)可使一張光柵片在一個(gè)隱藏信息圖中，通過(guò)改變光柵片的位置提取多張隱藏信息.實(shí)驗(yàn)表明，提取的顯隱信息更多、更加豐富.進(jìn)一步地，本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)沿水平同一方向以恒定速度移動(dòng)光柵片，使得提取的多張隱藏信息不斷交替變化，最終動(dòng)起來(lái)，形成動(dòng)態(tài)的莫爾效應(yīng).

該動(dòng)態(tài)顯隱信息實(shí)驗(yàn)說(shuō)明采用動(dòng)態(tài)莫爾紋防偽的隱藏信息量更多，其動(dòng)態(tài)效果比靜態(tài)莫爾紋的顯隱效果更豐富、生動(dòng)，可適合應(yīng)用于防偽印刷中.

4 結(jié)論

本文提出一種動(dòng)態(tài)的莫爾紋在印刷中的防偽

技術(shù)，主要結(jié)合莫爾紋動(dòng)態(tài)顯示效果，研究了隱藏技術(shù)和動(dòng)態(tài)顯隱的防偽技術(shù).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)的隱藏和顯隱效果相對(duì)于靜態(tài)防偽效果更加豐富，可以提高防偽質(zhì)量、防偽性能以及印刷趣味性.基于莫爾紋的動(dòng)態(tài)效果防偽技術(shù)可以更好地應(yīng)用于印刷企業(yè)中，在不增加產(chǎn)品生產(chǎn)成本的同時(shí)，可以提升印刷產(chǎn)品的附加值，提高防偽系數(shù).