CN110163789B - 基于莫尔效应的半色调复印脆弱水印技术方法 - Google Patents

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    • G06T1/0042—Fragile watermarking, e.g. so as to detect tampering

Abstract

本发明提供了一种基于莫尔效应的半色调复印脆弱水印技术方法，包括：给定打印条件，并根据打印条件对原始图像进行缩放；对缩放后的图像从RGB颜色空间转换到CMYK颜色空间，并进行水印嵌入；对于没有嵌入水印的通道采用调幅加网半色调方法处理，对于嵌入水印的通道采用随机矩阵的调幅加网半色调方法并嵌入水印处理；对处理后的通道合并，并转化到RGB颜色空间和输出带有分辨率信息的图像。本方法可以有效的增大原始文件与复印件之间的水印检测差距，达到了对复印脆弱的效果。

Description

基于莫尔效应的半色调复印脆弱水印技术方法
技术领域
本发明涉及半色调水印技术领域，尤其涉及一种基于莫尔效应的半色调复印脆弱水印技术方法。
背景技术
随着互联网和各类办公软件的普及，电子化办公也越来越广泛。虽然无纸化办公被提倡，但是仍然有一些如合同，协议等材料需要以实体的形式打印出来进行保存。电子化的办公协议、合同等可以通过数字水印等技术保护起来，但是对于打印出来的电子合同，现有的水印技术的缺点为：①容易在打印的过程丢失水印信息无法保证合同的安全；②打印后复印时水印仍然存在，无法保证打印原件的真伪；③检测复杂，使用成本太高，检测时间过长。数字半色调技术是一种将连续色调图像转化为二元色调图像的技术。半色调技术产生的基础有两点：一是目前市场上流行的打印机只能打印二元色调的图像(打印了油墨的黑点和没有打印油墨的白点)；二是人眼视觉系统具有低通特性，当从稍远距离观看以较高分辨率打印的二元色调图像时，二元色调图像在人眼视网膜上的成像与原始图像在视网膜上的成像差别不大。半色调技术常被应用于计算机打印，以及印刷书籍、报纸和杂志等。目前常见的半色调技术有三种，分别为有序抖动(Ordered Dithering，OD)、误差扩散(ErrorDiffusion,ED)和迭代式重建(Iteration-based Reconstruction，IR)。基于莫尔效应的半色调水印技术是近年来的研究的针对印刷品的一种水印技术，基于莫尔效应的半色调水印技术中所使用到的半色调技术为有序抖动。这种水印技术使用有序抖动的方法将连续色调的图像转化为半色调图像，对于需要嵌入水印的位置，通过移动有序抖动后半色调图像中的大的网点来实现水印嵌入。若半色调图片中大的网点中心之间的距离为d，基于莫尔效应的半色调水印技术通常将需要的网点沿着加网方向的45°方向移动
Figure GDA0002783338670000021
检测时，使用lpi＝1/d的光栅片加盖在含有水印的图像上，根据莫尔效应，当光栅片与半色调的加网方向之间的夹角充分小时，就可以观察到嵌入的水印了。
但是现有的基于莫尔效应的半色调水印因为使用的是有序抖动，且使用的抖动矩阵会使得获得点集中在一起形成一个大的黑点，并且最终打印的半色调图像中网点的大小还受到检测用的光栅片的线数(lpi,line per inch)限制(通常情况下不超过200lpi)。此外，由于移动的点很大，在打印复印过程中移动点的信息很容易被保留下来，出现在复印件中。这限制了基于莫尔效应的半色调水印技术在需要保证原始文件唯一性中的应用。
因此，需要一种基于莫尔效应的半色调复印脆弱水印技术，能够使用光栅片快速的区分打印原件和复印件，达到保护打印原件的效果。
发明内容
本发明提供了一种基于莫尔效应的半色调复印脆弱水印技术方法，以解决以上问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
本发明提供了一种基于莫尔效应的半色调复印脆弱水印技术方法，包括：
给定打印条件，并根据打印条件对原始图像进行缩放；
对缩放后的图像从RGB颜色空间转换到CMYK颜色空间，并进行水印嵌入；
对于没有嵌入水印的图像的通道采用调幅加网半色调方法处理，对于嵌入水印的图像的通道采用随机矩阵的调幅加网半色调方法并嵌入水印处理；
对处理后的所有图像的通道进行合并，并转化到RGB颜色空间和输出带有分辨率信息的图像。
优选地，打印条件包括：被打印图像，水印图像，需要打印图像的尺寸和分辨率，半色调网格的光栅片的线数。
优选地，根据打印条件对原始图像进行缩放，包括：需要打印图像的尺寸和分辨率计算出图像在打印时的像素点的个数，根据像素点的个数对原始图像进行缩放。
优选地，根据像素点的个数对原始图像进行缩放，包括：根据像素点的个数采用双线性二次差值法将原始图像和水印图像缩放到对应大小。
优选地，对缩放后的图像从RGB颜色空间转换到CMYK颜色空间，包括：根据打印机或输入的颜色空间转换文件将图像从标准的RGB颜色空间转化到CMYK颜色空间。
优选地，对于没有嵌入水印的图像的通道采用调幅加网半色调方法处理，包括：将各个没有嵌入水印的通道图像旋转对应的角度，然后在水平方向上加网，然后再旋转加网后的图像到原始图像的方法。
优选地，对于嵌入水印的图像的通道采用随机矩阵进行调幅加网半色调方法并嵌入水印处理，包括：对网点在水印图像中为白点的阈值矩阵修改为随机阈值矩阵，并进行调幅加网半色调处理，对网点在水印图像中为黑点的阈值矩阵修改为随机阈值矩阵，并将随机阈值矩阵循环右移半个长度后进行调幅加网半色调处理。
优选地，对于嵌入水印的通道采用随机矩阵进行调幅加网半色调方法并嵌入水印处理，包括：根据下式(1)计算阈值矩阵中的像素点到网点中心的距离对所有网点中的像素点按从小到大排序，从而得到随机阈值矩阵：
Figure GDA0002783338670000031
其中，L为加网半色调的最小网点宽度，(i，j)为阈值矩阵中的点，Rand(i，j)服从N(0，0，σ1，σ2，0)的正态分布，其中σ1，σ2是二维正态分布在横纵方向上的标准差。
由上述本发明的基于莫尔效应的半色调复印脆弱水印技术方法提供的技术方案可以看出，本发明方法通过在使用加调幅网半色调的过程中设计了具有一定分散性随机加网矩阵，使得产生的网点在网点分布中不会过于集中，从而在复印时使网点的移动在复印下受到较大干扰，有效的增大了原始文件与复印件之间的水印检测差距，达到了对复印脆弱的效果。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施提供的一种基于莫尔效应的半色调复印脆弱水印技术方法流程图；
图2为本实施的转化后在CMYK颜色空间中每个颜色通道的图片示意图；
图3为一个6×6的网点的阈值矩阵示意图；
图4为对应图2的每个通道加网半色调后的图片示意图；
图5为本实施提供的一种打印原件示意图；
图6为本实施提供的一种加盖光栅片后的原件示意图
图7为本实施提供的一种加盖光栅片后的复印件示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明。
实施例
莫尔条纹是一种光学现象，莫尔条纹的产生是由于光的干涉和衍射，产生了干涉和衍射效应。如果两个栅距相等的光栅片互相叠加，并使两个光栅的栅线形成夹角θ，这时，在光栅线的垂直方向上就会出现明暗相间的条纹，这就是莫尔条纹。莫尔条纹的周期满足如下公式\*MERGEFORMAT(1)：
Figure GDA0002783338670000051
其中：T1，T2分别为两个光栅片的光栅线周期，θ为两个光栅片之间的夹角。当T1＝T2＝T时，公式简化为下式(2)：
Figure GDA0002783338670000061
从公式(2)中可以看出，莫尔条纹的周期TM与两个光栅片的夹角θ有关，θ越小，得到的莫尔条文的周期TM越大，莫尔条纹图案也就越明显。
图1为本实施提供的一种基于莫尔效应的半色调复印脆弱水印技术方法流程图，参照图1，该方法包括：
S1给定打印条件，并根据打印条件对原始图像进行缩放。
打印条件包括：被打印图像，水印图像，需要打印图像的尺寸和分辨率，半色调网格的光栅片的线数(LPI)。需要保证输入的原始图像与水印图像大小相同，原始图像为RGB颜色空间的图像，而水印图像则为二值化的图像，水印图像中的图案为黑色的部分是需要在原始图像半色调后的图像中进行移动的部分；因为图像需要打印出来并且通过相应的光栅片检测出来，所以打印时采用的分辨率，打印时图像的大小以及光栅片的线数(lpi)需要给出，以方便后面确定图像的尺寸和半色调网格的大小。
根据需要打印图像的尺寸和分辨率(dpi，dot per inch)计算出图像在打印时的像素点的个数，假设需要打印图像的尺寸单位为inch，长和宽分别为w和h，则对应的长和宽的像素点的个数分别为，M＝w×dpi，N＝h×dpi。根据像素点的个数对原始图像进行缩放。一般情况下为放大，虽然图像的像素点的个数被放大了，但是在实际打印时需要考虑到dpi的影响，图像的实际尺寸并没有增大，不会影响视觉效果。
优选地，根据像素点的个数采用双线性二次差值法将原始图像和水印图像缩放到对应大小。
需要说明的是，还可以采用其他差值算法将原始图像和水印图像缩放到对应大小，本发明不限于上述的双线性二次差值法。
S2对缩放后的图像从RGB颜色空间转换到CMYK颜色空间，并进行水印嵌入。
颜色空间转化的目的是为了使得对图像的处理更加接近打印时的情况，将图像转化为，尽量平衡每个通道间的颜色差距，不同通道，不同加网角度的纹理掩盖网点移动的痕迹，从而使得移动了网点的情况下，水印痕迹不明显。因为CMYK颜色空间和RGB颜色空间没有直接的数值转化关系，根据打印机或输入的颜色空间转换文件将图像从标准的RGB颜色空间转化到CMYK颜色空间。图2示出了转化后在CMYK颜色空间中每个颜色通道的图片示意图。
S3对于没有嵌入水印的通道采用调幅加网半色调方法处理，对于嵌入水印的通道采用随机矩阵的调幅加网半色调方法并嵌入水印处理。
S31对于没有嵌入水印的通道采用调幅加网半色调方法处理，包括：将各个没有嵌入水印的通道图像旋转对应的角度，然后在水平方向上加网，然后再旋转加网后的图像到原始图像的方法。该方法可以满足各种不同的dpi，lpi的对应需求，使得对于任意给定的dpi，lpi和加网角度θ的组合都能够半色调且嵌入水印。
在给定的dpi，lpi下0°的加网半色调的最小网点宽度(所占像素点的个数)L＝dpi/lpi。在L给定的情况下，0°的调幅加网半色调矩阵可以给出网点的中心位置为[L/2，L/2]，给出网点中任意一个像素点到网点中心的距离对所有网点中的像素点按从小到大排序，所得的顺序便是这个像素点在阈值矩阵中的值，这样得到的矩阵为阈值矩阵。示意性地，图3为一个6×6的网点的阈值矩阵示意图。
设阈值矩阵在像素点[i，j]处的值为t(i，j)。将旋转后的图像分为大小为L×L的小块，设每一小块的左上角在旋转后图像中的坐标为[m，n]，设旋转后图像在点[i，j]处的像素值为f(i，j)，则计算该网点中黑色点应得的个数如下式(3)所示：
Figure GDA0002783338670000071
在以[m，n]为起始点的半色调网点中，只需要比较该网点NUMm，n与阈值矩阵中对应位置的阈值的大小即可，即在点[m+i，n+j]处若NUMm，n>t(i，j)则在半色调图像中该点为黑点，反之则为白点。示意性地，图4为对应图2的每个通道加网半色调后的图片示意图。
S32对于嵌入水印的通道采用随机矩阵进行调幅加网半色调方法并嵌入水印处理，包括：对网点在水印图像中为白点的阈值矩阵修改为随机阈值矩阵，并进行调幅加网半色调处理，对网点在水印图像中为黑点的阈值矩阵修改为随机阈值矩阵，并将随机阈值矩阵循环右移半个长度后进行调幅加网半色调处理。
为了使得嵌入水印的图像在复印时会丢失一部分水印信息，本实施例对上述步骤中的加网矩阵中加入了一定的随机性，使得得到的网点不在是聚集在一起的圆形，而是呈现一点程度的散列。根据下式(4)计算阈值矩阵中的像素点到网点中心的距离对所有网点中的像素点按从小到大排序，从而得到随机阈值矩阵：
Figure GDA0002783338670000081
其中，L为加网半色调的最小网点宽度，(i，j)为阈值矩阵中的点，Rand(i，j)服从N(0，0，σ1，σ2，0)的正态分布，其中σ1，σ2是二维正态分布在横纵方向上的标准差用于控制正态分布的形状。
S4对处理后的通道合并，并转化到RGB颜色空间和输出带有分辨率信息的图像。
将所有的CMYK通道合并，将图像从CMYK颜色空间转化到RGB颜色空间，利用libpng等工具输出带有dpi信息的图像。
因为在电子办公中，使用的图像格式多为PNG和JPEG格式，这两种格式对于CMYK颜色空间的支持效果不好，并且CMYK颜色空间的图像难以同透明通道配合使用。因此最后得到的图像需要以RGB颜色空间输出。颜色空间的转化方法与上述的颜色空间转化方法相同，通过读入icc文件进行转化。转化完成以后输出带有分辨率信息的图像，从而保存图像中信息，确保在打印时，打印的信息与期望的信息相同。
为了有效说明本实施例的性能，下面提供仿真示例的附图对实验结果进行展示和分析，以证明本发明的技术效果。
本仿真实验时所用的打印机为Ecostar环星Konica minolta 8050，打印分辨率为600dpi，复印时的扫描分辨率也为600dpi。水印嵌入在测试用章的中心五角星处，制作水印时采用的分辨率为1127，半色调时网点的线数为161lpi，印章的大小为4cm×4cm。
图5、图6和图7分别为打印原件示意图、加盖光栅片后的原件示意图和加盖光栅片后的复印件示意图，从图片5,6,7中可以看出，打印输出的印章原件在没有加盖光栅片的情况下，几乎看不到任何痕迹，这将不会影响印章的正常使用。在加盖光栅片的情况下可以清晰的看到印章中心区域的五角心处有一个汉字“知”，而在复印件中相同的位置上，“知”则不够清晰，几乎不可辨识。
从实验中可以看出本发明中提出的半色调水印方法确实能够起到对复印脆弱的效果，能够有效的保护打印原件的真伪性。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于莫尔效应的半色调复印脆弱水印技术方法，其特征在于，包括：
给定打印条件，并根据打印条件对原始图像进行缩放；
对缩放后的图像从RGB颜色空间转换到CMYK颜色空间，并进行水印嵌入；
对于没有嵌入水印的图像的通道采用调幅加网半色调方法处理，对于嵌入水印的图像的通道采用随机阈值矩阵的调幅加网半色调方法并嵌入水印处理，包括：对网点在水印图像中为白点的阈值矩阵修改为随机阈值矩阵，并进行调幅加网半色调处理，对网点在水印图像中为黑点的阈值矩阵修改为随机阈值矩阵，并将随机阈值矩阵循环右移半个长度后进行调幅加网半色调处理；
对处理后的所有图像的通道进行合并，并转化到RGB颜色空间和输出带有分辨率信息的图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的打印条件包括：被打印图像，水印图像，需要打印图像的尺寸和分辨率，半色调网格的光栅片的线数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据打印条件对原始图像进行缩放，包括：需要打印图像的尺寸和分辨率计算出图像在打印时的像素点的个数，根据像素点的个数对原始图像进行缩放。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的根据像素点的个数对原始图像进行缩放，包括：根据像素点的个数采用双线性二次差值法将原始图像和水印图像缩放到对应大小。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对缩放后的图像从RGB颜色空间转换到CMYK颜色空间，包括：根据打印机或输入的颜色空间转换文件将图像从标准的RGB颜色空间转化到CMYK颜色空间。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对于没有嵌入水印的图像的通道采用调幅加网半色调方法处理，包括：将各个没有嵌入水印的通道图像旋转对应的角度，然后在水平方向上加网，然后再旋转加网后的图像到原始图像的方法。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对于嵌入水印的通道采用随机阈值矩阵进行调幅加网半色调方法并嵌入水印处理，包括：根据下式(1)计算阈值矩阵中的像素点到网点中心的距离对所有网点中的像素点按从小到大排序，从而得到随机阈值矩阵：
Figure FDA0002783338660000021
其中，L为加网半色调的最小网点宽度，(i，j)为阈值矩阵中的点，Rand(i，j)服从N(0，0，σ1，σ2，0)的正态分布，其中σ1，σ2是二维正态分布在横纵方向上的标准差。
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