劉國棟， 謝 佩， 楊青青， 牛文興， 陳官田

(1.陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院 輕化工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 中國輕工業(yè)紙基功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021； 2.溫州立可達(dá)印業(yè)股份有限公司， 浙江 溫州 325011)

0 引言

近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展為圖像處理提供了技術(shù)支撐，將計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)應(yīng)用于印刷中，成為印刷防偽行業(yè)一個(gè)新的研究熱點(diǎn).已有文獻(xiàn)利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)與印刷防偽技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了信息的置亂加密[1]、水印生成[2]、半色調(diào)信息的隱藏[3]等.

其中，半色調(diào)信息隱藏防偽技術(shù)作為一種不改變現(xiàn)有印刷工藝，不增加產(chǎn)品額外成本的方式備受關(guān)注.半色調(diào)圖像隱藏技術(shù)基于莫爾效應(yīng)[4]，在圖像半色調(diào)加網(wǎng)的過程中嵌入隱藏信息，利用網(wǎng)點(diǎn)相位調(diào)制[5]算法對(duì)隱藏信息進(jìn)行相位變換，并通過特殊的物理顯隱工具(物理光柵或電子顯隱光柵)，實(shí)現(xiàn)隱藏信息的再現(xiàn)[6-8]，達(dá)到防偽的目的.

在此基礎(chǔ)上，鐘云飛等[9]研究了不同加網(wǎng)參數(shù)下圖像的隱藏和再現(xiàn)效果，得出了最優(yōu)防偽參數(shù).為了進(jìn)一步提升半色調(diào)圖像的防偽性能，任龍飛等[10,11]研究了異形網(wǎng)點(diǎn)的生成方法，在此基礎(chǔ)上利用相位調(diào)制算法在單色版上實(shí)現(xiàn)信息的隱藏，通過對(duì)比傳統(tǒng)網(wǎng)點(diǎn)的隱藏效果，該類網(wǎng)點(diǎn)的使用可以提高信息的嵌入隱蔽性.楊熙等[12]將隱藏信息一分為二，同時(shí)嵌入兩個(gè)色版中，可以提取出隱藏圖像左右異色的效果，異色的對(duì)接使得信息的再現(xiàn)效果更具視覺沖擊力，更易被人眼識(shí)別.但這些技術(shù)都是基于二維平面的，且信息的再現(xiàn)效果比較單一，一定程度上限制了防偽效果.

本文在信息隱藏及顯示平面效果的基礎(chǔ)上，將隱藏信息同時(shí)嵌入兩個(gè)色版中，利用組合光柵實(shí)現(xiàn)隱藏信息的三維顯示，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究不同色版組合、不同加網(wǎng)線數(shù)、不同網(wǎng)點(diǎn)面積率下信息的隱藏及三維再現(xiàn)效果，同時(shí)使用主客觀相結(jié)合的評(píng)價(jià)算法對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出具有最佳防偽性能的加網(wǎng)參數(shù)，為進(jìn)一步拓展半色調(diào)信息隱藏技術(shù)的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方面的支持.

1 半色調(diào)圖像隱藏信息的三維顯示原理

1.1 圖像的嵌入

圖像的三維效果是在兩個(gè)色版中同時(shí)嵌入隱藏信息，其邊界疊加而呈現(xiàn)出視覺的三維效果.兩個(gè)色版中的信息隱藏算法與單色版類似，即在圖像進(jìn)行分色加網(wǎng)的同時(shí)嵌入隱藏信息，在人眼不可見范圍內(nèi)對(duì)隱藏信息部分的網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行位移，位移量由公式(1)計(jì)算得到，位移后的網(wǎng)點(diǎn)與背景圖像的網(wǎng)點(diǎn)排列產(chǎn)生差異，達(dá)到隱藏信息的目的.圖像的隱藏示意圖如圖1所示，白色網(wǎng)點(diǎn)為原加網(wǎng)網(wǎng)點(diǎn)，灰色網(wǎng)點(diǎn)為位移后的網(wǎng)點(diǎn).

(1)

式(1)中：x、y分別為隱藏信息的橫向和縱向位移量，Pl為圖像的橫向分辨率，Pc為圖像的縱向分辨率，L為圖像的加網(wǎng)線數(shù)，α為加網(wǎng)角度.

圖1 網(wǎng)點(diǎn)位移示意圖

1.2 三維圖像的提取

隱藏信息的三維顯示，需要基于信息隱藏的光柵進(jìn)行解碼.由于隱藏信息的三維效果是通過兩個(gè)色版的信息隱藏進(jìn)行實(shí)施，隱藏信息的顯示則需要通過兩色版的光柵進(jìn)行組合顯示，因此該組合光柵是由兩個(gè)單層光柵合并而成，同時(shí)單層光柵的灰度、加網(wǎng)角度、加網(wǎng)線數(shù)與其相對(duì)應(yīng)的防偽母版相同.

單層光柵解碼隱藏信息呈現(xiàn)出兩種效果，其中一種是顯隱光柵的透明部分與防偽母版中未移動(dòng)過的網(wǎng)點(diǎn)重合，移動(dòng)過的網(wǎng)點(diǎn)處于光柵不透光網(wǎng)點(diǎn)(或線條)部分的下部，該種信息顯示效果圖稱之為陰圖[13,14]，如圖2(a)所示；第二種是光柵的透明部分與防偽母版中發(fā)生位移的網(wǎng)點(diǎn)重合，未經(jīng)移動(dòng)的網(wǎng)點(diǎn)處于光柵不透光部分的網(wǎng)點(diǎn)(或線條)下部，該種信息顯示效果圖稱之為陽圖，如圖2(b)所示.組合光柵同時(shí)解碼出兩個(gè)防偽母版中的隱藏信息，因此顯隱圖會(huì)呈現(xiàn)出四種不同的效果.

(a)陰圖 (b)陽圖圖2 光柵解碼隱藏信息效果圖

2 半色調(diào)圖像隱藏信息的三維顯示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1.1 防偽主圖像的半色調(diào)處理

利用軟件Photoshop新建一個(gè)6 cm×6 cm的數(shù)字圖像(此處以該尺寸圖像做效果分析，實(shí)際可依據(jù)需求制作其他尺寸的圖像)，并對(duì)圖像進(jìn)行前景色填充，在位圖模式下利用圓形網(wǎng)點(diǎn)對(duì)四個(gè)色版進(jìn)行加網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)圖像的半色調(diào)化(其中，青、品、黃、黑四色版的加網(wǎng)角度分別為15 °、75 °、90 °、45 °).

2.1.2 隱藏信息的嵌入

選擇兩個(gè)色版作為防偽母版，由于黃色版(Y)的顯隱效果微弱，因而將青色版(C)、品紅版(M)、黑色版(K)三種色版兩兩組合，形成青版+品紅版(C+M)、青版+黑版(C+K)、品紅版+黑版(M+K)三種色版組合做探究實(shí)驗(yàn).

將尺寸為3.5 cm×3.5 cm的“楓葉”作為隱藏信息(隱藏信息如圖3所示，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，隱藏信息的尺寸小于防偽主圖像的尺寸即可)，在灰度模式下分別嵌入到兩個(gè)色版的不同位置.完成信息嵌入后，通過公式(1)計(jì)算所得結(jié)果對(duì)隱藏信息進(jìn)行位移處理，經(jīng)計(jì)算：青版(C)的橫向位移為2個(gè)像素，縱向位移為6個(gè)像素；品紅版(M)的橫向位移為6個(gè)像素，縱向位移為2個(gè)像素；黑版(K)的橫向位移為4個(gè)像素，縱向位移為4個(gè)像素.

圖3 隱藏信息

2.1.3 隱藏信息的提取

正如前述，為了將兩個(gè)防偽母版的信息同時(shí)提取出來，需要制作一個(gè)由兩個(gè)單層光柵合成的組合光柵，單層光柵的加網(wǎng)參數(shù)與其相應(yīng)的防偽母版一致(包括加網(wǎng)角度、網(wǎng)點(diǎn)形狀、加網(wǎng)線數(shù)等).將制作好的組合光柵疊加在四色隱藏圖像上，即可得到隱藏信息的三維顯示效果.分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出具有最佳防偽效果的母版組合.

在最佳防偽母版組合的基礎(chǔ)上，重復(fù)上述步驟，探究不同加網(wǎng)線數(shù)和不同網(wǎng)點(diǎn)面積率下的實(shí)驗(yàn)效果.加網(wǎng)線數(shù)以50 lpi為間隔，從50 lpi～200 lpi進(jìn)行信息的隱藏與再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，分析最適宜做圖像防偽的加網(wǎng)線數(shù)；網(wǎng)點(diǎn)面積率從10%～100%變化，以10%的梯度增加，分別在不同網(wǎng)點(diǎn)面積率的防偽主圖像上嵌入隱藏信息，探究具有最佳三維顯示效果的網(wǎng)點(diǎn)面積率.

2.2 防偽性能評(píng)價(jià)

圖像的防偽性能由隱藏信息的嵌入隱蔽性和再現(xiàn)顯著性共同決定，本文采用主觀和客觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比.主觀評(píng)價(jià)通過人眼直觀判定的結(jié)果得到，客觀評(píng)價(jià)是依據(jù)模型給出的量化指標(biāo)或參數(shù)衡量圖像質(zhì)量.客觀評(píng)價(jià)算法應(yīng)用最廣的是結(jié)構(gòu)相似法(SSIM)[15,16]，該方法基于結(jié)構(gòu)信息衡量原始信號(hào)與處理后信號(hào)之間的相似程度，將失真信息建模為這三種信息的組合，用均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別作為亮度和對(duì)比度的估計(jì)，協(xié)方差作為結(jié)構(gòu)相似度的度量，SSIM值越接近1，則表明兩幅圖的結(jié)構(gòu)越相似.設(shè)圖像的亮度信息為l(x,y)，對(duì)比度信息為c(x,y)，結(jié)構(gòu)信息為s(x,y)，則SSIM值由公式(2)～(5)計(jì)算得到.

(2)

(3)

(4)

SSIM(x,y)=[l(x,y)]α[c(x,y)]β[s(x,y)]γ

(5)

式(2)～(5)中：μx和μy反映了圖像的亮度信息，σx和σy反映了圖像的對(duì)比度信息，σxσy反映了兩幅圖像的結(jié)構(gòu)信息相似度相關(guān)系數(shù)，C1、C2和C3防止分母為零產(chǎn)生異常.

3 結(jié)果與討論

3.1 最佳隱藏色版組合

將制作完成的匹配組合光柵疊加在含有隱藏信息的圖像上，完成信息的三維再現(xiàn).三種色版組合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～6所示，其中，圖(a)表示隱藏效果，圖(b)～圖(e)表示四種三維再現(xiàn)效果.同時(shí)，利用Matlab平臺(tái)運(yùn)行SSIM算法所得結(jié)果如表1所示.

表1 不同色版組合的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

通過觀察三種不同色版組合的隱藏圖發(fā)現(xiàn)：隱藏效果相差不大，視覺上難以分辨隱藏圖像的邊緣紋理；對(duì)比三種組合色版隱藏信息的三維再現(xiàn)效果，其中圖(b)、(c)三維效果較明顯，圖(d)、(e)雖然能夠觀察到隱藏信息，但是隱藏效果圖立體感欠佳，且品紅(M)+黑(K)色版組合中的圖(b)、(c)三維效果最為明顯.

針對(duì)上述視覺的觀察結(jié)果，分析表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：三種色版組合中，信息隱蔽性結(jié)構(gòu)相似度指數(shù)相近，說明背景圖像與加入隱藏信息后的圖像結(jié)構(gòu)相似度達(dá)到90%，相似度極高，與上述視覺觀察效果一致.同時(shí)，三種色版組合提取圖像的結(jié)構(gòu)相似度均<20%，達(dá)到很好的再現(xiàn)效果.

在四種再現(xiàn)效果的提取顯著性結(jié)構(gòu)相似度指數(shù)中，從表1進(jìn)行橫向比較，可發(fā)現(xiàn)每一種色版的組合均是圖(b)、(c)的數(shù)值偏低，即其再現(xiàn)效果較圖(d)、(e)再現(xiàn)效果好.同時(shí)，三組色版組合縱向比較，品紅(M)+黑(K)色版組合的圖(b)、(c)結(jié)構(gòu)上相似度指數(shù)數(shù)值均最小，即再現(xiàn)效果最明顯，與上述主觀觀察結(jié)果相一致.

綜上所述，可知：品紅(M)+黑(K)色版組合是圖像提取效果理想的防偽母版組合.

(a)隱藏效果 (b)青(陰)+品紅(陽)

(c)青(陽)+品紅(陰) (d)青(陽)+品紅(陽)

(e)青(陰)+品紅(陰)圖4 青版+品紅版組合色版的實(shí)驗(yàn)效果圖

(a)隱藏效果 (b)青(陰)+黑(陽)

(c)青(陽)+黑(陰) (d)青(陽)+黑(陽)

(e)青(陰)+黑(陰)圖5 青版+黑版組合色版的實(shí)驗(yàn)效果圖

(a)隱藏效果 (b)品紅(陰)+黑(陽)

(c)品紅(陽)+黑(陰) (d)品紅(陽)+黑(陽)

(e)品紅(陰)+黑(陰)圖6 品紅版+黑版組合色版的實(shí)驗(yàn)效果圖

3.2 防偽效果最佳的加網(wǎng)線數(shù)

以3.1中所得的最佳防偽色版組合品紅(M)+黑(K)為防偽母版，做不同加網(wǎng)線數(shù)下的隱藏和顯隱實(shí)驗(yàn)，其隱藏實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示；三維再現(xiàn)效果選取品紅(陰)+黑(陽)效果做對(duì)比，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示；客觀質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果見表2所示.

觀察圖7發(fā)現(xiàn)：圖像的隱藏信息人眼均不能識(shí)別，圖像的加網(wǎng)線數(shù)=50lpi時(shí)，原隱藏圖像只能以模糊的輪廓再現(xiàn)，并不能觀察到隱藏信息的三維顯示效果，隨著圖像加網(wǎng)線數(shù)的增加，隱藏信息的三維再現(xiàn)效果逐漸增強(qiáng).從表2所列數(shù)據(jù)可以看出：隱蔽性結(jié)構(gòu)相似度指數(shù)數(shù)值隨著加網(wǎng)線數(shù)的增加逐漸降低，說明隱藏信息的嵌入隱蔽性與加網(wǎng)線數(shù)呈負(fù)相關(guān).綜上所述，在實(shí)際的印刷應(yīng)用中，可以依據(jù)實(shí)際需求和印刷條件選取最適宜的加網(wǎng)角度.

(a)50 lpi (b)100 lpi

(c)150 lpi (d)200 lpi圖7 不同加網(wǎng)線數(shù)下的隱藏效果圖

(a)50 lpi (b)100 lpi

(c)150 lpi (d)200 lpi圖8 不同加網(wǎng)線數(shù)下的顯隱效果圖

表2 不同加網(wǎng)線數(shù)的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.3 防偽效果最佳的網(wǎng)點(diǎn)面積率

以3.1中所得的最佳防偽色版組合品(M)+黑(K)為防偽母版，做不同網(wǎng)點(diǎn)面積率下的信息隱藏及三維再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，網(wǎng)點(diǎn)面積率從10%開始，以10%為梯度增加至100%，不同網(wǎng)點(diǎn)面積率的隱藏效果圖如圖9所示；三維再現(xiàn)效果選取品紅(陰)+黑(陽)效果作對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示；圖像的結(jié)構(gòu)相似度指數(shù)值見表3所示.

觀察圖9～10實(shí)驗(yàn)效果圖和表3中的隱蔽性結(jié)構(gòu)相似度指數(shù)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)圖像的網(wǎng)點(diǎn)面積率為10%～90%時(shí)，均可實(shí)現(xiàn)圖像的高度隱藏，原圖像和嵌入隱藏信息后的圖像結(jié)構(gòu)相似度均>93%，隱藏效果極佳；而圖像的提取顯著性結(jié)構(gòu)相似度指數(shù)在網(wǎng)點(diǎn)面積率處于10%～80%時(shí)相對(duì)較小，即信息的三維再現(xiàn)效果較佳，但由于網(wǎng)點(diǎn)面積率為70%、80%時(shí)，圖像色調(diào)整體較暗，人眼難以辨認(rèn)隱藏信息，網(wǎng)點(diǎn)面積率為10%時(shí)，圖像顏色較淺，無法辨識(shí)隱藏內(nèi)容.綜上，該方法應(yīng)用于圖像防偽時(shí)，適宜的圖像網(wǎng)點(diǎn)面積率的選擇范圍為20%～60%，在此條件下，可以實(shí)現(xiàn)圖像的三維顯示，達(dá)到較理想的防偽效果.

(a)10% (b)20%

(c)30% (d)40%

(e)50% (f)60%

(g)70% (h)80%

(i)90% (j)100%圖9 不同網(wǎng)點(diǎn)面積率下的隱藏效果圖

(a)10% (b)20%

(c)30% (d)40%

(e)50% (f)60%

(g)70% (h)80%

(i)90% (j)100%圖10 不同網(wǎng)點(diǎn)面積率下的隱藏信息三維顯示效果圖

表3 不同網(wǎng)點(diǎn)面積率下的圖像SSIM值

4 結(jié)論

本文主要研究了半色調(diào)圖像隱藏信息的三維顯示技術(shù)，通過在兩個(gè)色版中同時(shí)嵌入隱藏信息，將可以提取出兩個(gè)隱藏信息的組合光柵與圖像疊加，使得隱藏信息以三維形式再現(xiàn).基于此原理，探討了不同色版組合、不同加網(wǎng)線數(shù)、不同網(wǎng)點(diǎn)面積率下信息的隱藏及三維再現(xiàn)效果，對(duì)比分析，得出具有最佳防偽性能的加網(wǎng)參數(shù)，主要結(jié)論如下：

(1)不同色版組合作為防偽母版時(shí)，三種組合均可實(shí)現(xiàn)較好的信息隱藏及再現(xiàn)效果，品紅+黑(M+K)色版組合的三維顯隱效果最優(yōu).

(2)以最佳色版品紅+黑(M+K)組合為基礎(chǔ)，做不同加網(wǎng)線數(shù)下的信息三維顯示，結(jié)果表明：信息的嵌入隱蔽性與加網(wǎng)線數(shù)呈負(fù)相關(guān)，提取顯著性與加網(wǎng)線數(shù)呈正相關(guān)，因此實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳的加網(wǎng)線數(shù).

(3)以品紅版+黑(M+K)組合版為防偽母版，探究不同網(wǎng)點(diǎn)面積率對(duì)信息隱藏及三維再現(xiàn)效果的影響.結(jié)果表明：當(dāng)圖像的網(wǎng)點(diǎn)面積率為10%～90%時(shí)，信息的隱蔽性可達(dá)到理想狀態(tài);網(wǎng)點(diǎn)面積率處于20%～60%時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)隱藏信息的三維提取效果.因此，能使圖像達(dá)到理想防偽性能的網(wǎng)點(diǎn)面積率范圍為20%～60%.