郭凌华， 陈 燕， 刘国栋， 邢铁豆

(陕西科技大学 轻工与能源学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安 710021)



基于网点式光栅的半色调图像防伪技术研究

郭凌华， 陈 燕， 刘国栋， 邢铁豆

(陕西科技大学 轻工与能源学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安 710021)

基于莫尔条纹形成的几何光学原理，对半色调图像的网点进行一定路径的偏移，嵌入隐藏信息，再根据网点式解码光栅与含有隐藏信息的编码光栅参数的匹配关系，制作对应的网点式解码光栅，提取隐藏信息。在该防伪技术中隐藏信息达到了较好的隐藏效果，叠加相应的网点式解码光栅之后，隐藏信息能够清晰显现。此技术可应用到印刷品的防伪中，提高印刷品的附加值.

网点式光栅； 信息隐藏； 光栅匹配； 半色调图像防伪

0 引言

印刷盗版现象日益增多，新的防伪方法如数字水印技术、纳米防伪等对设备的依赖性大，防伪过程复杂，印刷成本高[1-3].而莫尔条纹防伪方法无需改变现有的印刷工艺，普通消费者可以直接识别.但该方法主要是借助特殊的光栅材料，在提取隐藏信息时的清晰度不够高，在实际生产中还没有广泛应用[4-7].

笔者针对上述问题，提出一种基于网点式光栅的半色调图像防伪提取技术.该技术以莫尔条纹效应和半色调图像加网为理论基础，将隐藏信息嵌入到印刷主图的半色调图像中，根据网点式解码光栅与含有隐藏信息的编码光栅参数匹配关系来制作相应的解码光栅，利用此光栅来提取隐藏信息.该方法隐藏效果好，网点式解码光栅提取隐藏信息的清晰度提高，从而实现半色调图像防伪的目的.

1 半色调图像防伪技术的原理

1.1 莫尔条纹形成原理

印刷品的莫尔条纹是由间断性的网点组成的直线光栅以某种角度叠合后，发生光学反应而产生的几何图像.因此可以把印刷中半色调图像看作是特殊的网点式光栅.而印刷品两网点间的距离远大于可见光的波长，因此其网点式光栅属于粗光栅，粗光栅形成的莫尔条纹由遮光阴影原理解释[8-10].

如图1所示，当两块粗光栅以夹角θ面对面叠合时，根据遮光原理，透过光线的区域形成亮带，不透光的区域形成暗带，其余区域介于亮带与暗带之间.

图1 光栅莫尔条纹示意图

当两光栅的栅距P1、P2以及两光栅的夹角θ取不同值时，会产生不同样式的莫尔条纹[11,12].莫尔条纹的周期满足如下公式：

(1)

式中：P1、P2和θ分别为两个光栅的栅距和它们之间的夹角.当P1=P2=P时，莫尔条纹的周期公式变为:

(2)

式中：放大倍率k与夹角θ有关，且θ越小，k越大，产生的莫尔条纹周期w越大，莫尔条纹图案也越明显.

在半色调图像防伪中，把嵌入了隐藏信息的半色调图像作为编码光栅，然后将网点式解码光栅与编码光栅叠合以后形成的莫尔条纹的周期越大，则对于隐藏区域与非隐藏区域的对比度越大，隐藏信息更易被清晰提取.由公式(2)可知，当两光栅夹角θ为0时，周期达到无穷大，此时隐藏区域与非隐藏区域的对比度最大，隐藏信息显现最清晰.

1.2 人眼的分辨率

正常人视角一般1′左右，在明视距离250 mm下，人眼的最小可分辨距离为0.073 mm，当印刷品中的网点间距小于此距离时，人眼将无法分辨，网点构成的图像就被当作了连续调图像[13]，根据人眼的最小可分辨距离计算最小加网线数为：

P=25.4÷0.073÷2≈174 LPI

因此，在半色调图像防伪中，对图像通常采用175LPI的加网线数.在此基础上，对网点进行微量调整，人眼难以察觉[14].该半色调图像防伪技术也就是基于此原理来实现隐藏信息的嵌入的.

1.3 调幅加网原理

调幅加网利用每个小方格中的网点面积的变化来表现原稿层次,即网点间距离相同而网点大小不同[15,16].本防伪技术是在调幅加网的基础上进行研究的，建立了调幅加网参数与光学中光栅参数的对应关系，准确设置含有隐藏信息的编码光栅和网点式解码光栅的参数.

2 基于网点式光栅的半色调图像防伪方法的构建

2.1 隐藏信息的嵌入

对半色调图像的网点进行偏移，嵌入隐藏信息.网点的偏移达到人眼不可见.嵌入隐藏信息的印刷品与网点式解码光栅叠合，隐藏信息能清晰显现.偏移的网点与匹配的网点式光栅形成一个密集度较高的隐藏区域，增强隐藏区域与非隐藏区域的对比性，在提取时凸显隐藏信息.

如图2所示，其中的白色网点1是原印刷图某一色版加网后图像的网点位置，黑色网点2是网点1偏移后的位置，黑色网点3是解码光栅网点的位置.在隐藏区域，将原印刷图的白色网点1移动到黑色网点2的位置，黑色网点2位于由周围解码光栅的网点形成的正方形的中心，使偏移网点与解码光栅网点形成密集区；在非隐藏区域，原印刷图的网点没有偏移，被解码光栅的网点覆盖，与隐藏区域产生对比，凸显隐藏信息.

图2 偏移网点与解码光栅网点的位置关系图

2.2 网点式解码光栅的设计

2.2.1 网点式解码光栅参数的设定

设置解码光栅的加网线数、加网角度和网点形状，设置时与含有隐藏信息的编码光栅的加网参数相同.

2.2.2 网点式解码光栅与编码光栅匹配关系的建立

(1)形成密集度高的隐藏区域

如图2所示，嵌入隐藏信息时，将隐藏信息区域内的网点进行偏移，到达以四个网点组成的正方形的中心点.在叠加解码光栅后，解码光栅的网点与进行位移后的网点互补性地叠合，就会形成密集度高的面区域，使隐藏信息突出显现.

(2)网点式解码光栅与含有隐藏信息的色版的匹配

设含有隐藏信息的色版的网点面积率为T1%，网点式解码光栅的网点面积率为T2%.

当T1<50时，T1与T2应为互补关系，即T1+T2=100；

当T1≥50时，形成高密集度的隐藏区域，解码光栅的网点要覆盖住含有隐藏信息色版的网点即要求T2≥T1，又因为隐藏区域与非隐藏区域形成高对比性，因此非隐藏区域的网点面积率越小，与隐藏区域的对比性越大，即要求T2=T1.

综上所述，网点式解码光栅与含有隐藏信息的色版的匹配公式如下：

2.3 提取隐藏信息

如图3所示，编码光栅的网点面积率为20%，网点式解码光栅的网点面积率为80%，可以看到，隐藏区域的偏移网点与解码光栅的网点是互补关系，形成了接近于黑色面的区域，因此增强了隐藏区域与非隐藏区域的对比性，凸显了隐藏信息.

图3 隐藏信息的显现

3 实验

3.1 实验软件

该防伪技术是通过在Photoshop CS3中进行仿真实验来验证的.

3.2 实验步骤

3.2.1 嵌入隐藏信息

(1)建立印刷主图.在Photoshop CS3中建立一个尺寸为5 cm×5 cm的CMYK颜色模式的数字图像，选取网点面积率分别为20%的C、M、Y、K作为前景色填充.

(2)对数字图像进行调幅加网处理.对建立的CMYK印刷主图进行分色，并对每个色版进行调幅加网处理，其中加网线数均为175 LPI，输出分辨率设定为2 400 DPI，形状为圆形，C、M、Y、K四个通道加网角度分别为15 °、75 °、90 °、45 °.其中输出分辨率的设定与光栅图像处理器(RIP)的分辨率相同，为避免再次加网，通常RIP使用的分辨率为2 400 DPI.

(3)偏移网点形成嵌入隐藏信息的半色调图像.选择青版作为隐藏信息的色版，输入隐藏信息(陕西科技大学校徽)的图层，根据2.1对网点进行偏移，合并四个色版，形成含有隐藏信息的半色调图像，其隐藏效果如图4所示，达到人眼不可见的效果.

图4 隐藏效果图

3.2.2 制作网点式解码光栅

Photoshop CS3中建立一个尺寸为5 cm×5 cm的灰度颜色模式的数字图像，根据2.2设定网点式光栅的参数.填充前景色K为80%，其余均为0%，在进行调幅加网时，其中加网线数设定为175 LPI，输出分辨率设定为2 400 DPI，形状为圆形，加网角度为15 °.

3.2.3 提取隐藏信息

将制作好的网点式光栅叠合于已嵌入隐藏信息的数字图像上，提取隐藏信息，其整体效果如图5(a)所示，局部放大效果如图6(a)、7(a)和8(a)所示，分别展示不同线条粗度的显现效果.

为说明网点式光栅的优势，试验中另外制作了直线型解码光栅，其参数设置除加网时使用直线加网，其余参数均与网点式的一样，其提取隐藏信息的整体效果如图5(b)所示，局部放大效果如图6(b)、7(b)和8(b)所示.

(a)网点光栅 (b)直线光栅

(a)网点光栅 (b)直线光栅

(a)网点光栅 (b)直线光栅

(a)网点光栅 (b)直线光栅

3.3 实验结果分析

由图5的整体效果图可以看出，网点式光栅提取的隐藏信息更凸显.具体分析如下：从图6粗线条放大效果图可以看出，网点式光栅提取信息的轮廓边界更清楚；从图7“陕”字放大效果图可以看出，网点式光栅提取隐藏信息后，隐藏区域与非隐藏区域的对比更强烈；从图8“SCIENCE”放大效果图可以看出，网点式光栅提取的隐藏信息更厚实.

综上所述，网点式光栅提取隐藏信息的清晰度要明显高于直线型解码光栅，提高了提取隐藏信息的清晰度.

4 结束语

本文提出一种基于网点式光栅的半色调图像防伪新技术.结果表明，隐藏信息的嵌入对原数字图像的影响很小，人眼无法识别，达到较好的隐藏效果.在叠加了与之对应的网点式解码光栅之后，隐藏信息能够清晰显现，并与直线型解码光栅比较，其清晰度明显提高.

网点式解码片在印前图像处理部分可以全部完成，按照文章2.2中的参数设置，在Photoshop中设计网点式解码光栅，经过激光照排机输出菲林片，得到网点式解码光栅就可提取隐藏信息，其制作不改变现有的印刷工艺，不增加生产成本.该技术提高了提取隐藏信息的清晰度，在实际生产中有更好的实用价值.

[1] 朱新新.莫尔加密防伪技术及其在包装印刷中的应用[J].中国防伪报道,2011,10(12)：48-50．

[2] 问双双.基于数字加网的防伪技术的研究[D].广州:华南理工大学,2012.

[3] 王 琪．基于网点结构形态的图像信息印刷复制研究[D]．南京：南京林业大学，2013．

[4] 赵小梅，谢 兵．基于莫尔效应的半色调图像处理防伪方法[J]．天津科技大学学报，2012，27(2):65-69．

[5] Rosen J,Javidi B.Hiding images in halftone pictures[J].Applied Optics,2001,40(26):3 346-3 353．

[6] 王晓博,王 琪,刘萧豪.基于周期无穷大纵向莫尔条纹的半色调防伪技术研究[J].包装工程,2014,36(1)：130-134．[7] 刘 真，任乐义.基于加网复制的光栅防伪技术研究[J].中国印刷与包装研究，2010，2(z1)：155-158．

[8] I Amidror，S Chosson，R D Hersch．Moiré methods for the protection of documents an products:A short survey[J].Journal of Physics:Conference Series，2007，77(1)：012 001-012 010．

[9] Kumar Raj.Interferometric moiré pattern encoded security holograms with concealed phase object[J].Optics Communications，2007，279(1)：120-123．

[10] 刘铁根．光学防伪检测技术[M].北京：电子工业出版社，2008：85-241．

[11] 高 葳,高 英.论莫尔效应的发展[J].科技资讯,2013,11(12)：78-80.

[12] 石潇文.光栅识别隐形图文防伪技术的研究与应用[D].天津：天津科技大学,2011．

[13] 陈永常.分色及制版工艺原理[M].北京：化学工业出版社，2006：90-122．

[14] 刘 真,任乐义,杨晟炜.调幅加网技术在光栅防伪技术中的应用[J].包装工程,2011,33(21):90-93.

[15] 姚海根．数字加网技术[M].北京：印刷工业出版社，2000：267-271．

[16] Chosson S.Synthesized images moiré[D]．Switzerland：Ecole Poly Technique Fédérale de Lausanne，2006．

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

陕西省教育厅重点实验室科研项目(2011HBSZS014)； 陕西科技大学博士科研启动基金项目(BJ13-01)

郭凌华(1970-)，女，山东烟台人，副教授，博士，研究方向：防伪印刷及颜色科学

1000-5811(2015)03-0033-04

TS853+.6

A