CN108932690A - 一种改善中间调和暗调图像光栅防伪性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善中间调和暗调图像光栅防伪性能的方法，包括如下步骤：步骤一、选择宿主图像；步骤二、选择宿主通道；步骤三、宿主图像离散化；步骤四、设置隐藏信息。本发明基于数字加网和直线光栅原理，在针对中间调和暗调宿主图像的光栅防伪实现中，隐藏信息具有优良的隐藏性能和提取性能。

Description

一种改善中间调和暗调图像光栅防伪性能的方法

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种改善中间调和暗调图像光栅防伪性能的方法。

背景技术

目前我国对于印刷防伪技术的研究主要集中在印刷材料(如纸张、油墨等)及数码防伪等方面，这些技术虽然能达到防伪效果，但因其对印刷设备要求较高、生产成本提高等原因受到了限制，因此没有被广泛使用。光栅防伪技术是近几年出现的对半色调图像进行防伪处理的防伪方法，该技术由于对隐形图文的隐蔽性好、保密性高、防伪效果显著、不增加额外的生产成本等优点成为了研究热点。

基于数字加网技术和人眼视觉特性的相关理论，南京林业大学的刘真提出了基于加网复制的光栅防伪技术研究，并利用Adobe photoshop软件对提出的方法进行了模拟实验，然后采用Epson 7880打印机对图像进行输出，用对应参数的光栅片对实际打样稿的防伪效果进行了检验。实验证明只有利用特定的光栅片才能看到图像中隐藏的防伪信息，说明该防伪方法在加网复制印刷中具有较好的防伪效果。

光栅防伪技术分为嵌入和提取两个组成部分：嵌入部分，选择经过加网后待输出的图像作为宿主图像，在宿主图像的四色通道上选择通道作为防伪通道，设计隐藏信息并嵌入在防伪通道上；提取部分，设计具有相应周期的光栅检测片完成信息提取。不同于激光全息、数字水印、纳米防伪等技术，其具有检测手段直接、防伪性能高、抗攻击性强及不增加额外成本等优势。由于仿造者难以获取宿主图像及潜像的加网参数，因此无法提取到防伪潜像。

具体地，在隐藏信息的嵌入阶段：采用数字加网技术(加网后的半色调图像是用网点百分比来再现连续调原稿图像的阶调和层次变化的)，生成由数字网点构成的半色调图，在半色调图中，再采用相位调制法进行网点的位移，由于人眼视觉的这种低通滤波特性，在对半色调宿主图形进行调幅加网处理后，整体改变局部区域的部分网点位置，由于网点非常小，微量的其位置后是不会明显的引起人眼是觉感知的，基于这种原理将隐藏信息嵌入到宿主图像之中，且不会引起人眼视觉的感知。因此，光栅防伪的实现需要相位调制与数字加网相结合运用。

数字网点的生成主要是按网点形状建立数学模型(数学表达式)，进而规定在一个网目调单元中所有的记录栅格如何曝光(即曝光的次序)，主要有阈值法、模型法、生长模型法和对半取反法这4中生成方法。迄今为止，不管是基于莫尔效应或者是改进的光栅防伪方法，其在隐藏信息的潜像嵌入阶段，几乎全部采用统一的相位调制法。但是在相位调制法的应用中，并没有完全考虑与其相结合使用的数字加网的特别情况，相位调制法的网点生成采用生长模型法，其在中间调或者暗调图像的应用中，隐藏信息的隐藏效果非常糟糕。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善中间调和暗调图像光栅防伪性能的方法，本发明基于数字加网和直线光栅原理，在中间调和暗调图像的光栅防伪操作中，隐藏信息具有优良的隐藏性能和提取性能。

本发明提供了如下的技术方案：一种改善中间调和暗调图像光栅防伪性能的方法，包括如下步骤：

步骤一、选择宿主图像；

选择宿主图像，宿主图像包括x×y个像素点，分色处理，得到C、M、Y、K四个通道；

步骤二、选择宿主通道

设置隐藏条件，选择与隐藏条件相对应的通道作为宿主通道，宿主通道的数量为1个，剩余3个通道为常规通道，当无法选择出宿主通道时，则回到步骤一再次选择宿主图像；

步骤三、宿主图像离散化

采用半色调加网方法，对宿主图像离散化处理，加网前设置加网参数，加网参数包括加网线数、加网角度、网点形状和输出分辨率，记l代表所述加网线数，所述宿主通道的加网角度为α，加网后分别得到宿主通道半色调图和3个常规通道半色调图，半色调图均由网点分布组成；

记宿主通道上各个像素点对应的颜色值为f_(x,y)，下标(x,y)代表像素点的坐标；加网时，当f_(x,y)≤50％时，网点生成方法为生长模型法；当f_(x,y)＞50％时，网点生成方法为对半取反法；在MATLAB中使用imread函数读取颜色值，记为宿主通道上颜色值的平均值；

步骤四、隐藏信息的嵌入

选择隐藏信息，在宿主通道半色调图中确定嵌入位置，设置隐藏信息，得到嵌入有隐藏信息的宿主通道半色调图，然后与3个常规通道半色调图合成，得到嵌入有隐藏信息的宿主图像半色调图；

步骤五、隐藏信息的提取

设计用于检测隐藏信息的模拟直线光栅，模拟直线光栅为在图像处理软件中模拟直线光栅的光学折射特性制备的图层，模拟直线光栅由长度相同的黑色条纹和透明条纹相互平行间隔排列组成；

黑色条纹的宽度为T₁，透明条纹的宽度为T₂，单位均为mm，所述T₁的计算方法为：

将模拟直线光栅覆盖在携带隐藏信息的宿主图像半色调图上，旋转和移动模拟直线光栅，直至观察到隐藏信息，完成隐藏信息的提取。

进一步说，

所述步骤四中，所述隐藏信息的设置方法为：

将隐藏信息置于宿主通道半色调图的图层上，根据隐藏信息的轮廓在宿主通道半色调图的图层上确定待位移区域，将待位移区域内的网点做位移运动，记网点在横向和纵向上调整的位移量分别为W和H；

时，位移的算法为：

进一步说，

所述位移的算法为：

进一步说，

所述宿主通道的加网角度α为0°，位移的算法为：

进一步说，

所述步骤四中，所述隐藏信息的设置方法为：

将隐藏信息置于宿主通道半色调图的图层上，根据隐藏信息的轮廓在宿主通道半色调图的图层上确定待位移区域，将待位移区域内的网点做位移运动，记网点在横向和纵向上调整的位移量分别为W和H，

所述时，位移的算法为：

进一步说，

所述宿主通道的加网角度α为0°，位移的算法为：

进一步说，

所述步骤二中，所述隐藏条件包括颜色值条件和直方图条件，宿主通道的选择为先进行颜色值条件筛选再进行直方图条件筛选，包括以下步骤：

(1)、分析颜色值

所述宿主图像包括x×y个像素点；分别读取四个通道上的颜色值，记C、M、Y、K四个通道上颜色值函数为f_C(x,y)、f_M(x,y)、f_Y(x,y)、f_K(x,y)，其中(x,y)代表像素点的坐标；计算四个通道上颜色值的平均值，分别得到单位为％；

所述颜色值条件为或者或者或者选出匹配的通道；

(2)、分析直方图

在图像处理软件中得到符合颜色值条件的通道的直方图，所述直方图条件为颜色值集中分布在中间调或者暗调的通道，根据直方图反应的灰度分布，筛选出对应的通道作为宿主通道。

进一步说，

所述颜色值条件为或者或者或者选出对应的宿主通道。

进一步说，

所述步骤三中，加网线数为96lpi，网点形状为圆形；宿主图像离散化处理在photoshop软件中采用半调网屏处理或者在Matlab软件中采用调幅加网算法处理。

本发明的有益效果具体在于：

1、本发明在网点的生成过程中，当f_(x,y)≤50％时，网点生成方法为生长模型法；当f_(x,y)＞50％时，网点生成方法为对半取反法，以50％的网点为基准，对大于百分之50％的网点，则取与其互补的小网点的点型(即常规方法中该曝光的网点区域不曝光，而周围不该曝光的网点区域则选择曝光)，按照取反的运算法则来获得网点；

本发明打破了相位调制法中的技术偏见，使得中间调和暗调的图像同样可以使用相位调制法，特别是在暗调图像隐藏信息的隐蔽性上取得了非常显著的进步；

同时，在中间调和暗调图像的光栅防伪操作中，隐藏信息具有优良的隐藏性能和提取性能；

2、基于前述，对于从50％开始递增的颜色值，如51％颜色值的网点，则按照49％的传统方法(如生长模型法)曝光，就可以得到圆形的网点，最终得到51％颜色值的网点与49％颜色值的网点的形状完全相同，唯一的区别在于两者的曝光点相反，51％颜色值的网点为空白圆形；

当递增至90％时，则按照10％的传统方法曝光，就可以得到圆形的网点，最终得到90％颜色值的网点与10％颜色值的网点的形状完全相同，但是当继续递增例如到91％时，则按照9％的传统方法曝光，虽然可以得到圆形的网点，90％颜色值的网点与9％颜色值的网点的形状完全相同；

但是当网点百分比小于10％时，隐藏信息的隐蔽性非常好，但是提取识别性能极差，因此，对于90～100％的颜色值不作考虑。

3、本发明采用颜色值条件和直方图条件相结合的方式，颜色值条件可以直观的反映出宿主图像的平均颜色值，而直方图条件则可以进一步得到宿主图像的亮度、对比度、阶调分布等情况，这样的方法更加科学合理；

4、本发明的宿主图像和隐藏信息具有随机性，可以是预先设计好的各种数字文件，也可以是随机选择的符合隐藏条件的数字文件，提高了实际操作的灵活性；

5、本发明还对隐藏信息进行提取，进一步验证了隐藏信息的可用性，在光栅防伪中，隐藏信息在宿主通道的隐蔽性和被光栅提取的显著性两个方面是评价光栅防伪是否成功的关键因素；

本发明可以将隐藏信息非常好地隐藏在宿主通道中，人眼在没有光栅的情况下无法察觉，同时，使用光栅提取隐藏信息时，又可以在特定角度下准确观测到隐藏信息，完成一个完整的防伪过程；

6、在位移算法中，为相邻两个网点最近点之间的距离；为相邻两个网点中心之间的距离，采用这样的方式，可以避免在所有的颜色值的情况下，隐藏信息的轮廓上的网点不会与周围的网点产生重叠，造成视觉感知。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例1中的宿主图像(未表现色彩)；

图2为本发明实施例1中的隐藏信息；

图3是本发明实施例1中携带隐藏信息的宿主图像半色调图(未表现色彩)；

图4为本发明实施例1中覆盖识别光栅后的宿主图像半色调图(未表现色彩)；

图5为本发明实施例2中的宿主图像(未表现色彩)；

图6为本发明实施例2中的隐藏信息；

图7是本发明实施例2中携带隐藏信息的宿主图像半色调图(未表现色彩)；

图8为本发明实施例2中覆盖识别光栅后的宿主图像半色调图(未表现色彩)；

图9为本发明实施例3中的宿主图像(未表现色彩)；

图10为本发明实施例3中的隐藏信息；

图11是本发明实施例3中携带隐藏信息的宿主图像半色调图(未表现色彩)；

图12为本发明实施例3中覆盖识别光栅后的宿主图像半色调图(未表现色彩)。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。现结合说明书附图，详细说明本发明的结构特点。

实施例1

一种改善中间调和暗调图像光栅防伪性能的方法，参见图1，包括如下步骤：

步骤一、选择宿主图像；

参见图1，选择宿主图像，宿主图像包括x×y个像素点，分色处理，得到C、M、Y、K四个通道；

步骤二、选择宿主通道

设置隐藏条件，选择与隐藏条件相对应的通道作为宿主通道，宿主通道的数量为1个，剩余3个通道为常规通道；

当无法选择出宿主通道时，则回到步骤一再次选择宿主图像；

隐藏条件包括颜色值条件和直方图条件；

宿主通道的选择为先进行颜色值条件筛选再进行直方图条件筛选，包括以下步骤：

(1)、分析颜色值

所述宿主图像包括x×y个像素点；在MATLAB中使用imread函数读取或者在photoshop软件中打开颜色信息窗口得到颜色值数据，记C、M、Y、K四个通道上颜色值函数为f_C(x,y)、f_M(x,y)、f_Y(x,y)、f_K(x,y)，其中(x,y)代表像素点的坐标；记为宿主通道上颜色值的平均值；

计算四个通道上颜色值的平均值，分别得到单位为％；

所述颜色值条件为或者或者或者选出匹配的通道；

(2)、分析直方图

在图像处理软件中得到符合颜色值条件的通道的直方图，所述直方图条件为颜色值集中分布在中间调或者暗调的通道；

根据直方图反应的灰度分布，筛选出对应的通道作为宿主通道，本实施例中，C通道为宿主通道；

步骤三、宿主图像离散化

采用半色调加网方法，对宿主图像离散化处理，加网前设置加网参数，加网参数包括加网线数、加网角度、网点形状和输出分辨率；

记l代表所述加网线数，所述宿主通道的加网角度为α，加网后分别得到宿主通道半色调图和3个常规通道半色调图，半色调图均由网点分布组成；

C通道的加网角度为0度，其余通道的加网角度为15°、45°和75°的任意组合；

本实施例中，l＝96lpi，输出分辨率为1440dpi，网点形状为圆形网点；

记宿主通道上各个像素点对应的颜色值为f_(x,y)，下标(x,y)代表像素点的坐标；加网时，当f_(x,y)≤50％时，网点生成方法为生长模型法；当f_(x,y)＞50％时，网点生成方法为对半取反法；

步骤四、隐藏信息的嵌入

参见图2，选择隐藏信息，在宿主通道半色调图中确定嵌入位置，设置隐藏信息，隐藏信息的设置方法为：

将隐藏信息置于宿主通道半色调图的图层上，根据隐藏信息的轮廓在宿主通道半色调图的图层上确定待位移区域，将待位移区域内的网点做位移运动；

所述时，位移的算法为：

由于C通道的加网角度为0度，位移的算法优选为：

式中，为网点最近点之间的距离；

得到嵌入有隐藏信息的宿主通道半色调图，然后与3个常规通道半色调图合成，得到嵌入有隐藏信息的宿主图像半色调图，参见图3。

步骤五、隐藏信息的提取

设计用于检测隐藏信息的模拟直线光栅，模拟直线光栅为在图像处理软件中模拟直线光栅的光学折射特性制备的图层，模拟直线光栅由长度相同的黑色条纹和透明条纹相互平行间隔排列组成；

黑色条纹的宽度为T₁，透明条纹的宽度为T₂，单位均为mm，所述T₁的计算方法为：

式中，为宿主通道上颜色值的平均值，本实施例中

将模拟直线光栅覆盖在携带隐藏信息的宿主图像半色调图上，旋转和移动模拟直线光栅，直至观察到隐藏信息，完成隐藏信息的提取，参见图4。

将本实施例1中的宿主通道半色调图和3个常规通道半色调图合成，得到未嵌入隐藏信息的宿主图像半色调图；

进一步，采用SSIM(结构相似度)算法和WSNR(加权信噪比)分别评价未嵌入隐藏信息的宿主图像半色调图和嵌入有隐藏信息的宿主图像半色调图两者之间的相似度，从而间接得到隐藏信息的隐蔽性的评价结果，如下表1所示：

表1实施例1隐蔽性评价结果

其中，本领域的评价方法中，SSIM的值越接近于1或者WSNR的值越大，代表两幅图像的相似度越大，由上述表1可知，实施例1的隐藏信息，其隐蔽性效果好，不易被人眼察觉。

实施例2

参见图5～8，在实施例1的基础上，实施例2的不同之处在于：

(1)、宿主图像不同；宿主通道为M通道；

(2)、隐藏信息不同。

进一步，将本实施例2中的宿主通道半色调图和3个常规通道半色调图合成，得到未嵌入隐藏信息的宿主图像半色调图；

采用SSIM(结构相似度)算法和WSNR(加权信噪比)分别评价未嵌入隐藏信息的宿主图像半色调图和嵌入有隐藏信息的宿主图像半色调图两者之间的相似度，从而间接得到隐藏信息的隐蔽性的评价结果，如下表2所示：

表2实施例2隐蔽性评价结果

其中，本领域的评价方法中，SSIM的值越接近于1或者WSNR的值越大，代表两幅图像的相似度越大，由上述表2可知，实施例1的隐藏信息，其隐蔽性效果好，不易被人眼察觉。

实施例3

参见图9～12，在实施例1的基础上，实施例3的不同之处在于：

(1)、宿主图像不同；宿主通道为M通道；

(2)、隐藏信息不同。

进一步，将本实施例3中的宿主通道半色调图和3个常规通道半色调图合成，得到未嵌入隐藏信息的宿主图像半色调图；

采用SSIM(结构相似度)算法和WSNR(加权信噪比)分别评价未嵌入隐藏信息的宿主图像半色调图和嵌入有隐藏信息的宿主图像半色调图两者之间的相似度，从而间接得到隐藏信息的隐蔽性的评价结果，如下表3所示：

表3实施例3隐蔽性评价结果

其中，本领域的评价方法中，SSIM的值越接近于1或者WSNR的值越大，代表两幅图像的相似度越大，由上述表3可知，实施例3的隐藏信息，其隐蔽性效果好，不易被人眼察觉。

本发明还对实施例1、2和3分别进行主观评价，主观评价是让评价者对一组图像按质量高低给出质量分数。主观评价包括：

(1)对隐藏信息在宿主图像中的隐蔽性能评价；

(2)对模拟直线光栅提取显著性的评价；

主观评价尺度如表4所示：

表4主观评价尺度

为了保证图像主观评价的意义，参加评分的评价者包括一般观察者和专业人士共389名，并对其给出的分值进行加权平均得到归一化评价值。

表5隐蔽性能评价得分

表6提取显著性评价得分

依据表5可知，实施例1～3中的隐藏信息，在宿主图像中的隐蔽性较高，人眼无法直接察觉，根据表6可知，在进行隐藏信息提取时，提取效果很好，能够很清晰的观看到隐藏信息。

综上所述，主观评价进一步验证了本发明中隐藏信息的可用性，在光栅防伪中，隐藏信息在宿主通道的隐蔽性和被光栅提取的显著性两个方面是评价光栅防伪是否成功的关键因素。

本发明可以将隐藏信息非常好地隐藏在宿主通道中，人眼在没有光栅的情况下无法察觉，同时，使用光栅提取隐藏信息时，又可以在特定角度下准确观测到隐藏信息，完成一个完整的防伪过程。

Claims (9)

1.一种改善中间调和暗调图像光栅防伪性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、选择宿主图像；

选择宿主图像，宿主图像包括x×y个像素点，分色处理，得到C、M、Y、K四个通道；

步骤二、选择宿主通道

设置隐藏条件，选择与隐藏条件相对应的通道作为宿主通道，宿主通道的数量为1个，剩余3个通道为常规通道，当无法选择出宿主通道时，则回到步骤一再次选择宿主图像；

步骤三、宿主图像离散化

采用半色调加网方法，对宿主图像离散化处理，加网前设置加网参数，加网参数包括加网线数、加网角度、网点形状和输出分辨率，记l代表所述加网线数，所述宿主通道的加网角度为α，加网后分别得到宿主通道半色调图和3个常规通道半色调图，半色调图均由网点分布组成；

记宿主通道上各个像素点对应的颜色值为f_(x,y)，下标(x,y)代表像素点的坐标；加网时，当f_(x,y)≤50％时，网点生成方法为生长模型法；当f_(x,y)＞50％时，网点生成方法为对半取反法；在MATLAB中使用imread函数读取颜色值，记为宿主通道上颜色值的平均值；

步骤四、隐藏信息的嵌入

选择隐藏信息，在宿主通道半色调图中确定嵌入位置，设置隐藏信息，得到嵌入有隐藏信息的宿主通道半色调图，然后与3个常规通道半色调图合成，得到嵌入有隐藏信息的宿主图像半色调图；

步骤五、隐藏信息的提取

设计用于检测隐藏信息的模拟直线光栅，模拟直线光栅为在图像处理软件中模拟直线光栅的光学折射特性制备的图层，模拟直线光栅由长度相同的黑色条纹和透明条纹相互平行间隔排列组成；

黑色条纹的宽度为T₁，透明条纹的宽度为T₂，单位均为mm，所述T₁的计算方法为：

将模拟直线光栅覆盖在携带隐藏信息的宿主图像半色调图上，旋转和移动模拟直线光栅，直至观察到隐藏信息，完成隐藏信息的提取。

2.根据权利要求1所述的改善中间调和暗调图像光栅防伪性能的方法，其特征在于：所述步骤四中，所述隐藏信息的设置方法为：

将隐藏信息置于宿主通道半色调图的图层上，根据隐藏信息的轮廓在宿主通道半色调图的图层上确定待位移区域，将待位移区域内的网点做位移运动，记网点在横向和纵向上调整的位移量分别为W和H；

时，位移的算法为：

3.根据权利要求2所述的改善中间调和暗调图像光栅防伪性能的方法，其特征在于：所述位移的算法为：

4.根据权利要求3所述的改善中间调和暗调图像光栅防伪性能的方法，其特征在于：所述宿主通道的加网角度α为0°，位移的算法为：

5.根据权利要求1所述的改善中间调和暗调图像光栅防伪性能的方法，其特征在于：所述步骤四中，所述隐藏信息的设置方法为：

将隐藏信息置于宿主通道半色调图的图层上，根据隐藏信息的轮廓在宿主通道半色调图的图层上确定待位移区域，将待位移区域内的网点做位移运动，记网点在横向和纵向上调整的位移量分别为W和H，

所述时，位移的算法为：

6.根据权利要求5所述的改善中间调和暗调图像光栅防伪性能的方法，其特征在于：所述宿主通道的加网角度α为0°，位移的算法为：

7.根据权利要求1所述的改善中间调和暗调图像光栅防伪性能的方法，其特征在于：所述步骤二中，所述隐藏条件包括颜色值条件和直方图条件，宿主通道的选择为先进行颜色值条件筛选再进行直方图条件筛选，包括以下步骤：

(1)、分析颜色值

所述宿主图像包括x×y个像素点；分别读取四个通道上的颜色值，记C、M、Y、K四个通道上颜色值函数为f_C(x,y)、f_M(x,y)、f_Y(x,y)、f_K(x,y)，其中(x,y)代表像素点的坐标；计算四个通道上颜色值的平均值，分别得到单位为％；

所述颜色值条件为或者或者或者选出匹配的通道；

(2)、分析直方图

在图像处理软件中得到符合颜色值条件的通道的直方图，所述直方图条件为颜色值集中分布在中间调或者暗调的通道，根据直方图反应的灰度分布，筛选出对应的通道作为宿主通道。

8.根据权利要求7所述的改善中间调和暗调图像光栅防伪性能的方法，其特征在于：所述颜色值条件为或者或者或者选出对应的宿主通道。

9.根据权利要求1所述的改善中间调和暗调图像光栅防伪性能的方法，其特征在于：所述步骤三中，加网线数为96lpi，网点形状为圆形；宿主图像离散化处理在photoshop软件中采用半调网屏处理或者在Matlab软件中采用调幅加网算法处理。