基于莫爾效應的半色調圖像處理防偽方法

趙小梅，謝 兵

(天津科技大學包裝與印刷工程學院，天津 300222)

基于莫爾效應的半色調圖像處理防偽方法

趙小梅，謝 兵

(天津科技大學包裝與印刷工程學院，天津 300222)

以莫爾效應和半色調圖像的信息隱藏為理論基礎，將圖像和文字信息隱藏在預復制的彩色圖像中，然后通過激光打印機和印刷打樣方式輸出圖像.實驗結果表明：將特定的檢測膜片置于打印稿或印刷稿上，如果角度和位置合適，可以清晰地觀察到隱藏于圖像中的圖文信息.在激光打印稿的防偽實驗中，低分辨率的半色調圖像(＜600,dpi)的防偽效果明顯好于高分辨圖像的防偽效果；在印刷稿的防偽實驗中，175,lpi圖像的防偽效果和顏色層次再現最佳；青、品紅、黃、黑四色圖像分別作為防偽母版，青版和品紅版可獲得較好的防偽效果；將圖文信息隱藏在防偽母版的亮調和中間調部位防偽效果較好.

莫爾效應；半色調圖像；信息隱藏；防偽

防偽技術種類很多，主要有物理學防偽技術、化學防偽技術、生物學防偽技術、計算機防偽技術、防偽印刷技術、包裝結構防偽技術等[1].基于莫爾效應的半色調圖像處理防偽方法屬于防偽印刷技術范疇，該方法將圖文信息隱藏于需要印刷或打印的半色調圖像中，基于印刷稿和檢測膜片產生的莫爾現象，利用特定的檢測膜片可以輕易提取出印刷稿或打印稿中隱藏的防偽信息.已有學者進行了相關的理論和實驗研究，文獻[2]提出了一種半色調圖像信息隱藏算法，并在 Photoshop軟件中進行了防偽仿真實驗；文獻[3]研究了利用圖形設計軟件設計出隱含特殊信息的莫爾紋圖案并將其應用到包裝防偽中；文獻[4]研究了利用 Photoshop軟件對半色調圖像進行信息隱藏，通過光柵片提取隱藏的圖文信息.以上研究均利用已有圖像處理軟件，采購軟件費用高，不利于推廣應用.

本文基于已有的信息提取方法對基于莫爾效應的半色調圖像處理防偽方法進行研究，采用不同的信息隱藏算法，而且編制了軟件，使得防偽操作更簡單，更利于該技術的推廣應用.

1 半色調圖像中圖文信息隱藏算法

在印制圖像時，通常利用加網技術將連續調圖像轉換為半色調圖像(二值圖像)，即利用不連續的網點來再現圖像的階調層次和顏色的濃淡變化.加網技術主要分為調幅加網(AM)技術和調頻加網(FM)技術.調幅加網中網點出現的空間頻率固定，通過控制網點大小來再現圖像原稿的階調層次，而調頻加網中網點大小一致，通過控制網點出現的頻率來再現原稿的階調層次[5].由于目前在印前制版中廣泛使用的是調幅加網技術，因而本文著重于研究利用調幅加網技術進行圖像防偽.

半色調圖像的信息隱藏[6–8]技術是近年來的研究熱點，主要是為了解決互聯網世界中數字文件的版權保護問題.前人的研究重點集中于如何在圖像半色調的過程中隱藏信息，本文的研究重點則是在加網后的半色調圖像中隱藏信息而不易被人眼察覺.該算法主要是通過改變網點位置來實現在半色調圖像中隱藏信息.由于網點位移量較小，對圖像整體而言不會產生突兀的變化，人眼幾乎無法察覺到圖像的變化.網點位移量的計算與網點的特征參數相關.調幅加網中網點的特征參數包括：加網線數(lpi)、網點形狀和加網角度(α)等.加網角度描述了網點的排列方向；加網線數表示沿網線角度的方向上，單位長度內的網線行數；而網點形狀是網點輪廓的幾何形狀.如圖1所示，網點形狀為圓形，加網角度為45°，相鄰網點距離為 d，d＝1/lpi.

圖1 調幅加網網點示意圖Fig.1 Schematic of AM screen dots

在圖文信息隱藏算法的實現中，網點位置的改變是通過數字圖像中像素位置的改變來實現的.設 xt表示像素沿x方向的偏移量，yt表示像素沿y方向的偏移量，dpi表示加網過程中輸出設備的記錄分辨率，則xt、yt需滿足以下的條件關系：

2 莫爾現象在印刷防偽中的應用

莫爾條紋[9–10]作為一種光學現象，最早是由法國的絲綢工人發現的.莫爾條紋的產生是由于光的干涉和衍射原理，產生了干涉和衍射效應.如圖 2所示，如果 2個柵距相等的光柵片相互疊加，并使兩個光柵的柵線形成夾角 θ，這時，在近于柵線垂直的方向上就會出現明暗相間的條紋，這就是莫爾條紋(圖2中虛線所示).莫爾條紋的周期滿足如下公式：

式中：e1、e2和 θ分別為兩個光柵片的柵線周期和它們之間的夾角.當 e1＝e2＝e時，則莫爾條紋的周期公式變為

式中：放大倍率k與夾角θ有關，且θ越小，k越大，產生的莫爾條紋周期 p越大，莫爾條紋圖案也越明顯.

圖2 莫爾條紋周期和方向Fig.2 Moiré period and direction

在印刷防偽中，由于半色調圖像中網點排列的均勻性，可以把半色調圖像作為一個周期變化的圖案，隱藏的圖文信息部位的網點排列方向與正常網點的排列方向稍有不同，而把另一個具有相同周期圖案的光柵片作為檢測膜片.將檢測膜片放置于印刷品上，如果角度和位置合適，由于正常網點部位和隱藏信息部位所產生的莫爾條紋的紋理不同，依靠紋理的對比效應，印刷品中隱藏的各種圖文信息就能清晰地再現出來.

3 實 驗

基于莫爾效應的半色調圖像處理防偽方法的步驟如下：

(1)根據給定的需要隱藏的圖文信息 m，將圖文信息的數據做對比度調整，即對其進行二值化處理，生成隱藏信息輪廓矩陣 M.在圖像處理過程中，如果圖像 m是彩色圖像，則首先將其處理為 8位的灰度圖像，這時像素的取值范圍為 0～255，0代表黑色，255代表白色，0～255之間的數值代表不同亮度等級的灰色.其處理方法為

式中：G ray(i,j)是(i，j)位置像素點處理后的灰度值；R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)是(i，j)位置像素點處理前紅、綠、藍顏色分量值.

如果圖像 m是灰度圖像，則直接將其處理為二值圖像，這時像素值只能取0和 1，0代表黑色，1代表白色.其處理方法為

式中：M(i，j)是(i，j)位置像素點處理后的亮度值；m(i，j)是(i，j)位置像素點處理前的亮度值.

(2)給定調幅加網參數，如輸出設備的記錄分辨率、加網角度、加網線數、網點形狀等，對原稿圖像進行半色調加網處理，生成四色青(C)、品紅(M)、黃(Y)、黑(K)1,bit水TIFF圖像文件.

(3)在加網輸出的四色圖像文件中選定某一圖像作為防偽母版.在防偽母版中設定隱藏圖文信息的位置，根據隱藏信息輪廓矩陣 M，在防偽母版中對像素位置進行調整.在算法的實現中，將隱藏信息輪廓矩陣覆蓋在防偽母版圖像上，如果隱藏信息輪廓矩陣中(i，j)位置的像素的亮度值為 0，那么覆蓋在下面的防偽母版圖像中的像素進行位移，否則，覆蓋在下面的防偽母版圖像中的像素不進行位移.

(4)用激光打印機或印刷打樣方式合并輸出加網后的四色圖像文件，其中作為防偽母版的圖像中隱藏了圖文信息.

(5)依據半色調加網中原稿圖像所用的加網線數，保持加網線數不變，輸出灰度一定的印刷膠片，該印刷膠片作為提取隱藏圖文信息的檢測膜片.其中灰度的取值范圍在中間灰度值范圍內.

隱藏信息的檢測方法如下：將檢測膜片置于印刷稿或打印稿上并進行緩慢旋轉，使其網點的排列方向與防偽母版中的加網角度趨于一致，由于正常網點部位和隱藏信息網點部位所產生的莫爾條紋不同，依靠紋理的對比效應可以再現所隱藏的圖文信息.

實驗中，使用Visual C # 編程語言，編寫軟件模塊，實現了上述步驟(1)中和步驟(3)中的功能.由于加網后的半色調圖像的分辨率較高，以一幅 1,920像素×1,536像素的圖像為例，加網后的圖像變為15,119像素×12,095像素.因此，在程序運行中需要讀取和操作大量圖像數據，常規的圖像處理方法無法處理如此大的圖像，會出現內存溢出現象.因此，利用GDAL(geospatial data abstraction library)開源庫建立半色調圖像信息隱藏操作平臺，實現大數據量半色調圖像的讀取、縮放、截取等基本操作.

3.1 原稿圖像的加網輸出

實驗中，使用 Harlequin RIP軟件對原稿圖像進行半色調加網輸出，生成四色 1,bit TIFF圖像文件.輸出中的加網角度設置為：C,45°、M,15°、Y,0°、K,75°；網點的形狀選擇 Euclidean；輸出設備的分辨率設置為 300～2,400,dpi；加網線數設置為 53～175,lpi.圖 3所示為原稿圖像，圖 4為加網輸出的四色1,bit TIFF圖像.

圖3 原稿圖像Fig.3 Primal image

圖4 原稿圖像的半色調加網輸出Fig.4 Halftone processing output

3.2 圖文信息的隱藏

通過 GDAL中的 RasterIO()函數分別讀入需要進行信息隱藏的半色調圖像和需要隱藏的圖像文件，進行相應比例縮放后分別顯示在窗體的左右兩側，如圖 5所示.設置隱藏圖文的位置時，可以通過兩種方法來實現：一種是在窗體右上部的相應文本框中直接輸入位置數值；第二種是用鼠標在左側的半色調圖像上點擊，根據選取點的屏幕坐標值和圖像顯示比例，計算出半色調圖像中實際的插入點坐標值，并顯示在窗體中相應的文本框中，同時，待隱藏圖像與半色調圖像的比例關系會以矩形框進行顯示，見圖4中不銹鋼杯子部位.

圖5 設置圖像和隱藏信息的軟件界面Fig.5 Interface of setting halftone image and hidden image

設置像素在x方向和y方向的偏移量后，待隱藏圖像數據按照指定大小的塊循環讀入內存，根據前述圖文信息隱藏算法計算得到防偽母版中對應點像素實際移動位置，并使用 WriteRaster()函數進行像素寫入操作.循環結束后使用 FlushCache()函數保存半色調圖像文件.圖 6所示為生成的半色調圖像并將隱藏信息部分局部放大后的效果圖，可以清晰地看到部分網點發生位移.

圖6 局部放大后的半色調圖像Fig.6 halftone image of local blowback

3.3 半色調圖像輸出和隱藏信息提取

采用兩種方式輸出半色調圖像：一種是在Photoshop軟件中合并四色1,bit TIFF圖像，通過HP LaserJet CP1525,n彩色激光打印機輸出圖像；第二種是采用傳統膠印打樣方式，先輸出菲林片，曬 PS版后在打樣機上印制四色單色樣張和彩色樣張.

分別設置加網線數為 53,lpi、100,lpi、133,lpi、150,lpi、175,lpi，灰度值為 40%，輸出 5,cm×5,cm 的印刷膠片作為檢測膜片.

將對應的檢測膜片放置在打印稿或印刷稿上，使其網線角度與防偽母版的網線角度趨于一致，即可觀察到隱藏的圖文信息.圖 7所示為印刷打樣圖像提取隱藏信息前后的效果.

圖7 印刷打樣圖像Fig.7 Printing proof images

3.4 結果與討論

對比分析所有輸出圖像的防偽效果可知：

(1)在激光打印稿的防偽實驗中，低分辨率的半色調圖像(＜600,dpi)的防偽效果明顯好于高分辨圖像的防偽效果.原因為HP LaserJet CP1525,n激光打印機本身的輸出分辨率較低(最高為 600,dpi)，所以在輸出高分辨的圖像時不能達到理想效果.

(2)在印刷稿的防偽實驗中，對加網線數為 100 lpi、133,lpi、150,lpi 和 175,lpi圖像的防偽效果進行比較，用對應的檢測膜片都能清晰地提取出隱藏的圖文信息.由于膠印的特性，加網線數低時對應的網點比較大，影響了圖像的細節再現，實驗中，175,lpi圖像的防偽效果和顏色層次再現是最佳的.所以，在膠印中為獲得良好的防偽效果，應選擇較高的加網線數.

(3)在防偽母版的選擇方面，通過將青、品紅、黃、黑四色圖像分別作為防偽母版進行比較，在青版和品紅版中獲得了較好的防偽效果.將黃版作為防偽母版，由于黃色墨比較明亮，與白紙的反差較小，幾乎觀察不到隱藏的圖文信息. 黒將 版作為防偽母版，由于黑墨色相深，而且在膠印中黑墨是最先印的，被其他的墨層覆蓋，防偽效果也不理想.

(4)通過對圖文信息隱藏在防偽母版不同位置的防偽效果進行比較可知，將圖文信息隱藏在防偽母版的亮調和中間調部位防偽效果較好.分析其原因如下：如果將圖文信息隱藏于圖像的暗調部位，由于暗調部位網點較大，網點發生搭接，產生的莫爾現象不明顯(見圖7(b)中字母“cn”部分).

4 結 語

本文提出了一種基于莫爾效應的半色調圖像處理防偽方法.該方法將圖文信息隱藏于需要印刷或打印的半色調圖像中，基于印刷稿和檢測膜片產生的莫爾現象，利用特定的檢測膜片可以輕易提取出印刷稿或打印稿中隱藏的防偽信息.該方法在印前制版中完成，在印刷中實現，無需增加額外的成本，對設備和印刷工藝沒有太高的要求，并且可以保證通過復制、掃描等操作后無法再次提取隱藏的圖文信息，從而達到了防偽的目的.

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Moiré Effect Based Halftone Image Processing Method of Security

ZHAO Xiaomei，XIE Bing
(College of Packaging and Printing Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

A halftone image processing method of security based on Moiré effect was developed. On the theoretical basis of Moiré effect and information hiding in halftone images，some images and text information were hidden in the pre-copy color images，and then the images were produced by means of laser printers and traditional printing proof. The experimental results show that when the specific detecting film is in the right angle and position，the hidden graphic information can be clearly observed. In the security experiment of the laser printed matters，the security effectiveness of low-resolution halftone images(less than 600,dpi)is better than the high-resolution halftone images. In the security experiment of the presswork，the image with screen frequency at 175,lpi has the best security effectiveness and reproduction effectiveness. As to the security master image，through comparing the security effectiveness of C，M，Y and K as the security master image respectively，it is found that C and M can give better results. The graphic information is more easily observed when hidden in the mid-toneor the light part of the security master image.

Moiré effect；halftone image；information hiding；security

TS853+.6

A

1672-6510(2012)02-0065-05

2011–11–24；

2012–01–04

趙小梅（1974—），女，山西人，講師，tjzhxm@tust.edu.cn.

常濤