CN101447071B - 图案的视觉加密防伪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隐藏保密图像信息的视觉加密防伪方法。该图案的视觉加密防伪方法包括输入保密图像S和偏移参数s、t；随机生成灰度图像R；将保密图像S与随机图像R进行异或运算，生成加密图像E，其中加密图像E包含保密图像S的信息。通过将两份加密图像E叠加，可以恢复其中隐藏的保密图像S，进而达到防伪的目的。该图案的视觉加密防伪方法可与矩形、弧形等防伪图标结合形成防伪元件，应用在数据载体上，例如防伪文件、有价证券等。该防伪算法具有易识别、难仿造等特点。

Description

图案的视觉加密防伪方法

技术领域

本发明涉及防伪领域，特别涉及一种隐藏保密图像信息的视觉加密防伪方法。

背景技术

防伪技术是一个古老的研究课题，随着市场经济的日益繁荣和科学技术的不断发展，现已经成为一个崭新的并在不断变化的研究领域，它是综合了化学、生物学、物理学、材料学、核技术、通讯技术、计算机科学等多门学科的新兴边缘技术，并通过学科协作形成了一个特殊门类的完整体系。我国国家标准GB/T 17004-1997把防伪技术定义为“为了达到防伪的目的而采取的，在一定范围内能准确鉴别真伪并不易被仿制和复制的技术”。目前，国内外比较成熟的防伪技术种类繁多，特点各异，防伪效果各有优劣，其评价指标主要包括防伪技术的仿制难度、防伪技术的类别、检测手段的先进程度、保持防伪性能的最低时间等，根据防伪技术的难易和复杂程度把防伪技术等级分为四层(类)：第四层防伪技术，即一般的防伪技术(可以直接辨析标志，也叫公众级)；第三层防伪技术，即在一般的防伪技术基础上经过适当加密处理的技术(需要借助工具识别，在银行中称为柜台出纳级)；第二层防伪技术，即采用多种学科的防伪技术并经过适当加密处理的综合防伪技术(隐蔽的秘密防伪标识，在银行中称为央行级)；第一层防伪技术，即采用了极难仿造的防伪技术，(需要由专家最终鉴别，在银行中称为专家级)。

目前常用的防伪技术包括全息防伪、油墨防伪、纸张防伪、数码防伪等，它们把图案(包括图形、文字或数字等)作为防伪标识，通过技术处理或加密处理以达到标的物防伪的目的。在现有的图案防伪技术研究中，全息防伪逐渐向大视角、多变换、立体感强烈等方向发展，防伪效果好，但开发周期比较长，而低水平的全息技术容易被仿制；纸张防伪和油墨防伪产生的防伪图案易于辨析，但其伪造难度主要局限在原材料和制作工艺上，造假者有可能通过多种渠道获取原材料和制作工艺而使防伪图案失效；数码防伪技术利用加密技术、编码技术、通讯技术等为每个商品产生一个唯一的防伪查询码，消费者通过查询(电话或网络等)来辨别真伪，解决了易于伪造的问题，但它的辨析不是直接辨析，而是需要进行查询，这给消费者带来了不便，并且很多消费者不愿意去查证，这也给造假者提供了可乘之机。

可视加密技术是上世纪90年代发展起来的新兴加密技术。Naor和Shamir等人在1994年欧洲密码学会议上首先提出了视觉加密技术，并且构造了黑白密图的(k，n)阈值视觉密码方案(或视觉分存或视觉密码学，简称(k，n)-VCS)。视觉密码方案是将一张保密图像加密成N张分享图像，从而将原始数据隐藏在N张分享图像中。其解密过程仅利用人眼的视觉特性，通过所述N张分享图像重叠即可判断并辨识出原保密图像。从密文的保密角度看，它达到了Shannon提出的完全保密的要求；而它更重要的两个特点是：(1)可以利用图像本身的内容，掩饰保密信息，具有良好的隐蔽性；(2)利用人类的视觉系统恢复保密图像，既不需要加密知识也不需要密码计算。尤其是在一些无法使用电脑解密的情况下，上述视觉加密方法是一种很好的解决方案。由于视觉加密技术的上述特点，加密图像易于被普通人辨识，因此为防伪领域的研究者提供了一种新的研究思路。

考虑到现有防伪技术的局限性，将可视加密技术与图案防伪技术结合，设计易识别、难仿造的可视化防伪方案，具有重要的实际意义和应用价值。

发明内容

本发明利用可视加密技术，设计出一种具有隐藏功能的图案的视觉加密防伪方法，该图案的视觉加密防伪方法通过将一幅加密图像(又叫防伪图标)和自身叠加在一起，并经过一定相对位移后，恢复(解密)出原始保密图像的信息。该方法具有易识别、难仿造等特点。

根据本发明的一个方面，提出了一种具有隐藏功能的图案的视觉加密防伪方法，该图案的视觉加密防伪方法包括以下步骤：

步骤1：生成具有row×col个像素的保密图像S，其中row表示保密图像S的像素行数，col表示保密图像S的像素列数，并且row＞0，col＞0；

步骤2：确定偏移参数s、t，其中s表示在恢复所述保密图像S时，相同两幅加密图像E在列方向上相对移动的距离；t表示在恢复所述保密图像S时，相同两幅加密图像E在行方向上相对移动的距离，并且s≥0，t≥0，s和t不同时为0；

步骤3：随机生成具有(row+s)×(col+t)个像素的随机图像R；以及

步骤4：将保密图像S与随机图像R进行异或运算，得到具有(row+s)×(col+t)个像素的加密图像E，其中加密图像E包含保密图像S的信息。

优选地，保密图像S和随机图像R均是具有g级灰度的灰度图像，其中g≥2；并且0＜s＜row，0＜t＜col。

优选地，可以通过下述步骤实现对保密图像S的恢复(解密)：

1.将两份相同的包含加密图像E的防伪元件重叠，使得两份防伪元件所包含的两个加密图像E完全重合；

2.将一个加密图像相对于另一个加密图像在列方向上移动距离s，并且在行方向上移动距离t，从而可视地恢复出保密图像S。

优选地，对保密图像S与随机图像R进行异或运算得到加密图像E的步骤如下：

用g-1个二进制位表示g个灰度级；

对于随机图像R中的像素R(i，j)，其中R(i，j)表示随机图像R中第i行第j列的像素，

若1≤i≤s或1≤j≤t，则不做任何处理；

若i＞s且j＞t，则将R(i，j)修改为R(i-s，j-t)与S(i-s，j-t)的异或结果，其中S(i-s，j-t)表示保密图像S中第(i-s)行第(j-t)列的像素，从而生成加密图像E。

优选地，用于恢复保密图像S的防伪元件是透明件或半透明件。

优选地，用于恢复保密图像S的防伪元件是通过溶丝印、凹印或胶印工艺中的一种制成的。

根据本发明的另一方面，提供了一种包含保密图像S的防伪元件。所述防伪元件通过以下步骤制成：

生成具有row×col个像素的保密图像S，其中row表示保密图像S的像素行数，col表示保密图像S的像素列数，并且row＞0，col＞0；

确定偏移参数s、t，其中s表示在恢复所述保密图像S时，相同两幅加密图像E在列方向上相对移动的距离；t表示在恢复所述保密图像S时，相同两幅加密图像E在行方向上相对移动的距离，并且s≥0，t≥0，s和t不同时为0；

随机生成具有(row+s)×(col+t)个像素的随机图像R；

将保密图像S与随机图像R进行异或运算，生成具有(row+s)×(col+t)个像素的加密图像E，其中加密图像E包含保密图像S的信息；以及

印刷具有加密图像E的防伪元件。

优选地，所述防伪元件是透明件或半透明件。

优选地，所述防伪元件是通过溶丝印、凹印或胶印工艺中的一种制成的。

根据本发明的图案的视觉加密防伪方法以及应用该视觉加密防伪方法得到的加密图像具有难伪造、易识别、难复制等优点。并且，根据本发明的防伪元件制作方便、成本低廉。

该防伪算法可与矩形、弧形等防伪图标结合形成防伪元件，应用在数据载体上，例如防伪文件或有价证券，如钞票、股票、债券、契约、票据、信用卡或ID卡片、护照等。并且，该防伪图标也适用于产品防伪领域。例如将防伪图标或由其制成的防伪元件应用于产品的标签或包装上或者直接应用于产品上。

附图说明

图1示出了根据本发明第一实施例生成2阶加密图像的视觉加密防伪方法100的流程图；

图2示出了异或运算的真值表；

图3示出了根据本发明第一实施例利用异或运算构造2阶加密图像E的流程图；以及

图4示出了根据本发明第三实施例实现的具体加密图像E。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明多种实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

图1示出了根据本发明第一个实施例生成2阶加密图像E的图案的视觉加密防伪方法100的流程图。如图1所示，首先在步骤101中，生成(或输入)一幅row×col大小的2阶保密图像S。保密图像S的灰度级为2，即保密图像S仅具有两种颜色：黑色和白色。保密图像S可以被表示为(row)×(col)矩阵。该矩阵中的元素为0和1，其中0代表保密图像S中的白色像素，1代表保密图像S中的黑色像素。根据本发明的另一实施例，保密图像S可以从图像源(例如存储器或图像提取装置(例如照相机))输入，或者可以由机器或人按需直接产生。

并且，在步骤101中，确定(或输入)偏移参数s、t。这里，s表示在恢复所述保密图像S时，相同两幅加密图像E在列方向上相对移动的距离；t表示在恢复所述保密图像S时，相同两幅加密图像E在行方向上相对移动的距离，并且0＜s＜row，0＜t＜col。根据本发明的另一实施例，偏移参数s、t可以由人通过输入装置(例如键盘等)按需输入，或者可以由机器直接产生或从存储器中读取。此外，为方便说明，本实施例中对s和t的取值为0＜s＜row，0＜t＜col。但是本领域普通技术人员根据本实施例的描述，很容易得知，当s＞row或t＞col时，本发明的图案的视觉加密防伪方法是可以实施的。并且，当s和t中的一个参数为0而另一参数不为0时，本发明的图案的视觉加密防伪方法也是可以实施的。因此，本发明并不限于本实施例中限定的s和t的数值范围。

然后，根据图1所示的实施例，在步骤102中，随机生成一幅(row+s)×(col+t)大小的二阶随机图像R，随机图像R可以被表示为(row+s)×(col+t)矩阵。该矩阵中的元素为0和1，其中0代表图像R中的白色像素，1代表图像R中的黑色像素。根据本发明的一个实施例，可以利用计算机领域公知的随机数发生器逐像素生成随机图像R。计算机领域的普通技术人员还可以设计其他随机方法来生成随机图像R。

然后，在步骤103中，将上面生成的保密图像S与随机图像R进行逻辑(异或)运算，从而生成具有(row+s)×(col+t)个像素的加密图像E，其中加密图像E包含保密图像S的信息。图2示出了逻辑异或运算的真值表。

图3示出了根据本发明第一实施例利用异或运算构造2阶加密图像E的具体流程图。参考图3，对随机图像R中的每个像素R(i，j)执行如下处理，其中R(i，j)表示随机图像R中第i行第j列的像素：

若1≤i≤s或1≤j≤t，对R(i，j)不做任何处理；

若i＞s且j＞t，则将R(i，j)修改为R(i-s，j-t)与S(i-s，j-t)的异或结果，其中S(i-s，j-t)表示保密图像S中第(i-s)行第(j-t)列的像素。

对随机图像R逐像素进行上述处理后最终得到加密图像E(也叫防伪图标)。

根据上述图案的视觉加密防伪方法得到的加密图像E从肉眼看来是没有任何图案含义的随机二值图(雪花图，如图4所示)，普通人从视觉上无法从加密图像E中辨别出其所包含的保密图像S的信息。因此，根据本发明实施例的图案的视觉加密防伪方法具有很好地图像隐藏功能，所得的加密图像E难于仿造，具备优良的防伪功能。

此外，尽管图1所示的图案的视觉加密防伪方法利用上述对步骤103的具体描述生成包含保密图像S的加密图像E，但是加密领域普通技术人员可以知晓，对保密图像S与随机图像R进行异或运算并不限于上面描述的具体方法。例如，与上面描述的对R(i，j)(i＞s且j＞t)进行修改的方法不同，根据本发明的另一实施例，可以对R(i，j)(0＜i＜row且0＜j＜col)进行修改而保持随机图像R的其他部分不动。计算机领域普通技术人员还可以构想出其它合适的保密图像S与随机图像R的异或运算方法，以生成加密图像E。

下面将描述利用根据图1所示的图案的视觉加密防伪方法生成的加密图像E恢复保密图像S的过程。首先，将加密图像E制备(或印刷)在片材(例如胶片)上以形成两个防伪元件，其中每个防伪元件都包含完整的加密图像E。根据本发明的一个实施例，所述片材优选是透明的或半透明的。然后，将两个透明的防伪元件重叠(相当于逻辑或运算)，根据上面确定的偏移参数s、t，将一个加密图像E相对于另一个加密图像E在列方向上移动距离s，并且在行方向上移动距离t，从而可视地恢复出保密图像S。并且，该保密图像S的再现过程即实现了本发明的防伪目的。

根据图1所示的实施例生成的单幅错位防伪图标(加密图像E)的防伪应用之一如下：

将加密图像E分别印在两张透明胶片上。使用时，将两张透明胶片叠加在一起，当完全重合或者没有按照错位参数进行偏移时，无论如何也得不到有关保密图像的任何信息。当其中一张透明胶片相对于另一张有s，t的偏移时，用眼睛观察，可以观察出隐藏的保密图像。

通过印刷方式可以实现加密图像的输出。这种印刷方式不同于普通的印刷。在印刷过程中，可以通过与特殊油墨、溶丝印、凹印以及胶印工艺结合于一体，达到独特的抗复制效果，增加其防伪和信息隐藏的效果。

尽管上述参考图1描述的实施例仅仅公开了保密图像S是二阶图像的情形。但是，本领域技术人员会意识到，本发明并不局限于此。保密图像S可以是具有g级灰度的灰度图像(当g＝2时为二阶图像)，从而随机图像R和加密图像E也是具有g级灰度的灰度图像。根据本发明的一个实施例，可以将g阶图像S、R和E中的每个像素对应的灰度级用g-1位表示，g-1位全0表示第一级灰度，g-1位全1表示第g级灰度，第k级灰度(1≤k≤g)用g-k个0和k-1个1表示。当然，本发明对灰度级的二进制表示并不限于此。计算机领域的普通技术人员可以很容易构想出其他用二进制数表示灰度级的方法，进而对相应灰度级的像素进行逻辑(异或)运算。

实施例2

下面将描述根据本发明第二实施例生成2阶加密图像E的图案的视觉加密防伪方法计算机程序流程，其中偏移参数s＝0，t＝2。该计算机程序流程包括步骤如下：

步骤201：获取如下基本数据：输入二值保密图像S，保密图像具有两种颜色，其中0代表白色像素，1代表黑色像素，保密图像高度(row)为200，宽度(col)为300；加密图像E为恢复保密图像S所需的偏移量s＝0，t＝2。

步骤202：随机生成200×(300+2)的二值灰度图像R，其中用0代表白色像素，1代表黑色像素；

步骤203：从随机图像R中的第3列开始，逐列对R中的元素进行处理，设R(i，j)表示R中第i行第j列的像素，0代表白色像素，1代表黑色像素。设j＝3；

步骤204：如果j＞302，跳到步骤207；

否则j＝j+1，跳到步骤205；

步骤205：i＝1，跳到步骤206；

步骤206：如果i＞200，跳到步骤204；

否则R(i，j)＝xor(R(i，j-t)，S(i，j-t))；

i＝i+1；

跳到步骤206；

步骤207：生成加密图像E。

类似地，可以通过将加密图像E制作成两份相同的透明片，并将两份加密图像E错位重叠来恢复(解密)保密图像S。

实施例3

图4示出了根据本发明第三实施例实现的具体加密图像E。如图4所示，保密图像S为黑白二值图像，图像大小为100×100，偏移参数s＝12、t＝12。

可以看出由保密图像S和随机图像R进行逻辑异或运算(如图3所示)所得的加密图像E从肉眼看来仅是随机黑白图信息(如图4所示的加密图像E)，从肉眼无法分辨加密图像E中隐藏的原始保密图像S。通过将两份加密图像E错位重叠，可以清晰地恢复原始保密图像S。由于加密图像E具有很好的图像隐藏功能，使得以加密图像E形成的防伪元件(例如标签等)很难被仿造，从而可以起到很好的防伪功能。

本发明具有如下优点：

1.难伪造：因为其制作原理，采用了可视加密技术，计算过程比较复杂，同时采用了随机算法，使得计算过程很难被研究，一般非专业人员无法制出；

2.易识别：因为制作过程采用可视加密，因此利用人的视觉系统即可恢复保密图像，既不需要加密知识也不需要密码计算；

3.难以复制：在印刷过程中，因为其不同于普通的印刷，可以通过与特殊油墨以及溶丝印、凹印以及胶印工艺结合于一体，达到独特的抗复制效果，增加其防伪和信息隐藏的效果；

4.制作方便，成本低。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“第一/第二/第三实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中任何地方出现这种表述不是一定都指的是该同一个实施例。进一步，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点，落在本领域技术人员的范围内。

尽管参照本实用新型的多个解释性实施例对本实用新型进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (10)

1.一种图案的视觉加密防伪方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：生成具有row×col个像素的保密图像S，其中row表示保密图像S的像素行数，col表示保密图像S的像素列数，并且row＞0，col＞0；

步骤2：确定偏移参数s、t，其中s表示在恢复所述保密图像S时，相同两幅加密图像E在列方向上相对移动的距离；t表示在恢复所述保密图像S时，相同两幅加密图像E在行方向上相对移动的距离，并且s≥0，t≥0，s和t不同时为0；

步骤3：随机生成具有(row+s)×(col+t)个像素的随机图像R；以及

步骤4：将保密图像S与随机图像R进行异或运算，生成具有(row+s)×(col+t)个像素的加密图像E，其中加密图像E包含保密图像S的信息。

2.根据权利要求1所述的图案的视觉加密防伪方法，还包括恢复保密图像S的步骤：

将两份相同的包含加密图像E的防伪元件重叠，使得两份防伪元件所包含的两个加密图像E完全重合；

将一个加密图像E相对于另一个加密图像E在列方向上移动距离s，并且在行方向上移动距离t，从而可视地恢复出保密图像S。

3.根据权利要求1所述的图案的视觉加密防伪方法，其特征在于，

保密图像S和随机图像R均是具有g级灰度的灰度图像，其中g≥2；并且0＜s＜row，0＜t＜col。

4.根据权利要求3所述的图案的视觉加密防伪方法，其中，在将保密图像S与随机图像R进行异或运算的步骤4中：

用g-1个二进制位表示g个灰度级；

对于随机图像R中的像素R(i，j)，其中R(i，j)表示随机图像R中第i行第j列的像素，

若1≤i≤s或1≤j≤t，则对R(i，j)不做任何处理；

若i＞s且j＞t，则将R(i，j)修改为R(i-s，j-t)与S(i-s，j-t)的异或结果，其中S(i-s，j-t)表示保密图像S中第(i-s)行第(j-t)列的像素，从而生成加密图像E。

5.根据权利要求1所述的图案的视觉加密防伪方法，其中，保密图像S包括以字母、数字或图形中的至少一种构成的图案。

6.根据权利要求2所述的图案的视觉加密防伪方法，其中，用于恢复保密图像S的防伪元件是透明件或半透明件。

7.根据权利要求6所述的图案的视觉加密防伪方法，其中，用于恢复保密图像S的防伪元件是通过溶丝印、凹印或胶印工艺中的一种制成的。

8.一种包含保密图像S的防伪元件，其特征在于，所述防伪元件通过以下步骤制成：

生成具有row×col个像素的保密图像S，其中row表示保密图像S的像素行数，col表示保密图像S的像素列数，并且row＞0，col＞0；

确定偏移参数s、t，其中s表示在恢复所述保密图像S时，相同两幅加密图像E在列方向上相对移动的距离；t表示在恢复所述保密图像S时，相同两幅加密图像E在行方向上相对移动的距离，并且s≥0，t≥0，s和t不同时为0；

随机生成具有(row+s)×(col+t)个像素的随机图像R；

将保密图像S与随机图像R进行异或运算，生成具有(row+s)×(col+t)个像素的加密图像E，其中加密图像E包含保密图像S的信息；以及

印刷包含加密图像E的防伪元件。

9.根据权利要求8所述的防伪元件，其中，所述防伪元件是透明件或半透明件。

10.根据权利要求8所述的防伪元件，其中，所述防伪元件是通过溶丝印、凹印或胶印工艺中的一种制成的。

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