CN111476703B - 一种光学水印的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学水印的制作方法，包括以下步骤：步骤1.确定非线性解码片；步骤2.准备待隐藏水印图像；步骤3.生成预水印图像；步骤4.将多层预水印图像加权相加；步骤5.生成水印。

Description

一种光学水印的制作方法

技术领域

本发明涉及光学防伪技术领域，尤其涉及一种随机误差分散非线性光栅多层光学水印的制作方法。

背景技术

在大量需要单据或有价证券的应用场景中存在防伪需求。例如提货单，兑换券，大额保单、合同等。目前流行的防伪技术各具有其应用的特点和局限性。随着应用行业业务量的增大，以及对业务灵活性的需求，原有预印单证逐渐变成更为灵活便捷的打印方式，导致基于印刷的防伪技术则不再适用，因此需要一种基于打印的防伪技术，为此，本发明提供了一种光学水印的制作方法，其构成的水印适合市面普通激光打印机，具有制作方法简单，防伪能力强，隐藏信息可与被保护文档动态关联、编码空间大等优点。

发明内容

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种光学水印的制作方法，包括以下步骤：步骤1.确定非线性解码片；步骤2.准备待隐藏水印图像；步骤3.生成预水印图像；步骤4.将多层预水印图像加权相加；步骤5.生成随机误差分散水印。

所述的方法，其中：步骤1包括：确定每层水印的解码片，每层水印的解码片由母线的曲线方程、条纹的线数和旋转角度表示。

所述的方法，其中按如下方式确定每层水印的解码片：

首先确定一条过原点的曲线，称该曲线为母线，设定该母线的线宽，母线为黑色；

将母线在与水平线相垂直的方向上依次平移相同的预定距离，得到与母线相互平行的多条平行线，母线与多条平行线之间呈黑色线与白色线交错排列的形式；

将母线及其平行线以原点为中心顺时针旋转θ角后形成非线性解码片图像。

所述的方法，其中：非线性解码片的数量为多个，每层解码片的母线按照公式6确定旋转角度：

其中，N是总层数，θ_i是第i层的旋转角度，θ₀是旋转角度的初始值。

所述的方法，其中：步骤2中待隐藏水印图像是二值化的图案。

所述的方法，其中：二值化图案的最细笔画的宽度不低于解码片的条纹重复周期T的2倍。

所述的方法，其中：步骤3中为每层水印生成预水印图包括将解码片图像和水印信息图像按照公式1进行运算，公式1如下：

其中M表示预水印图像，W表示待隐藏水印信息图像，K表示解码片图像。

所述的方法，其中：将多层预水印图像加权相加，生成一个包含多层水印的复合预水印图像，如下：

I_i是第i个预水印，w_i是第i层权重，I是复合预水印。

所述的方法，其中：将多层预水印图像加权相加包括等权相加和非等权相加。

所述的方法，其中：对预水印图像进行高斯模糊。

所述的方法，其中生成随机误差分散水印包括：

先调整复合预水印图像的灰度级，灰度级调整的公式如下

I′(x,y)＝I(x,y)(G_H-G_L)/255+G_L+(U(0,1)-0.5)(G_H-G_L)/M (公式9)

其中，I(x,y)是复合预水印的图像强度，值在0～255之间。G_L和G_H分别是目标图像的最小值和最大值。U(0,1)表示0～1之间的均匀分布，M是噪声衰减系数；

通过误差分散算法将添加了灰度级调整且添加了噪声的复合预水印图像转换为二值的水印图像。

所述的方法，其中，误差分散算法采用弗洛伊德-斯坦伯格抖动算法从上到下逐行扫描图像的每个点，对每个点按照如下公式7的误差分散矩阵处理：

其中*号表示当前正在处理的像素。设当前点*的灰度值为g

则该点按照(公式11)被设定为新的值v：

由此产生的误差e为：

e＝v-g (公式12)

然后将误差分别乘以误差矩阵中的四个权重后，分别加到这些未处理的相邻点上，则当前点处理完毕；

之后再重复上述的步骤依次处理接下来的点。

所述的方法，其中还包括解码：用相应层的解码片覆盖到打印出的光学水印上以显示隐藏信息。

附图说明

图1为本发明随机误差分散非线性光栅多层光学水印的制作流程示意图；

图2为本发明中多层水印中第一层对应的非线性解码片；

图3为本发明中多层水印中第二层对应的非线性解码片；

图4解码片原理示意图；

图5解码片周期示意图；

图6是本发明中需要隐藏的第一层的文字；

图7是本发明中需要隐藏的第二层的文字；

图8是本发明生成的第一层的预水印；

图9是本发明生成的第二层的预水印；

图10是将多层预水印叠加后的预水印；

图11是将叠加后的预水印进行误差分散处理后的水印图像；

图12是水印图形的包含水印信息部分的局部放大图像；

图13是用第一层解码片解码后看到的水印信息的效果图；

图14是用第二层解码片解码后看到的水印信息的效果图。

具体实施方式

下面结合附图1-14对本发明的具体实施方式进行详细说明：

步骤1：确定每层水印的解码片，如图2和图3所示分别为第一层和第二层的解码片。每层水印的解码片由一组黑白相间的平行曲线组成。解码片的制作分为两个步骤，首先确定一条过原点的曲线，用公式2表示，

y＝f(x) (公式2)

称该曲线为母线。将母线在与水平线相垂直的方向移动距离d得到与母线平行的曲线方程：

y-d＝f(x) (公式3)

这样，每个d值确定一条与母线平行的曲线(见图4左)，或者反过来说，每条与母线平行的曲线都对应一个d值。通过垂向平移母线，可以扫过平面上的所有点，因此平面上的任意一点总可以认为在某条母线的平行线上从而与这条曲线的d值关联起来。下面用方波函数来确定平面上每个点的颜色。方波函数如下：

其中T为方波函数的周期，其波形如图5所示。将与该点关联的d值代入方波函数，若s(d)为0，则该点被涂为黑色，若为1则涂为白色。由于方波的1和0各占半个周期，故黑白点的比率是1:1。这样，平面上的每个点通过阈值关联都被赋予了黑色或者白色，从而使得整个平面呈现为黑白相间的条纹，这些条纹与母线平行。而该方波函数的周期就是黑白条纹的重复周期，此时条纹的密集程度用每英寸的周期数来表示，称为线数(lines perinch,lpi),其公式为

然后将这组黑白相间的条纹以原点为中心顺时针旋转θ角后形成解码片图像(见图4右)。

因此解码片由母线方程，条纹线数，旋转角度表示。

注意母线应当尽量选择曲率很小的光滑曲线。正弦函数Asin(2πx/L)是母线的一个例子。为了确保曲率很小，这里振幅A通常小于2厘米，波长L通常大于40厘米。另一个母线的例子是softmax函数，这里也是A通常小于2厘米，L通常大于40厘米。

由于母线是曲线，不同解码片的母线在不同位置的夹角不同，母线的局部夹角应尽量大一些，例如大于20°，最佳度数是90°。这里局部母线是指不同层的解码片的母线在其交点处的各自切线的夹角中较小者。解码片层数不宜太多，实验表明4层以下可以获得清晰的解码效果。为了使得不同层的解码片间的母线局部夹角尽可能大，按照以下方式来选择旋转角度。

其中，N是总层数，θ_i是第i层的旋转角度，θ₀是旋转角度的初始值，可以任意设定，实际操作中选择为0～90之间的一个随机数。

步骤2：确定需要被隐藏的水印信息。这些信息可以是任意二值化的图案。图案的最细笔画的宽度应该不低于解码片的条纹重复周期T的2倍，以大于3倍为宜。如图6和图7所示，分别为第一层和第二层的水印信息。

步骤3：为每层水印生成预水印图。将解码片图像和水印信息图像按照公式1进行运算：运算公式如下

其中M表示预水印图像，W表示待隐藏水印信息图像，K表示解码片图像。这个公式的含义是用解码片的条纹来表示整个水印图像。只是对应于水印图像的白色部分，条纹与解码片完全相同，而对应于水印图像的黑色部分，条纹与解码片条纹完全反相。

生成的第一层预水印图像和第二层预水印图像分别如图8和图9所示。生成的预水印需要进行高斯模糊处理，使得线条模糊。高斯模糊的变换核的控制方程如公式(公式7)

其中u和v分别是变换核中元素到中心元素的距离，以像素数为度量单位。变换核的尺寸是6σ+1。a是一个归一化系数，使得变换核的所有元素之和为1。在这个步骤中，取σ＝0.5的高斯变换核。

步骤4：将多层预水印图像加权相加，生成一个包含多层水印的复合预水印图像，如下：

I_i是第i个预水印，w_i是第i层权重，I是复合预水印。

通常多层预水印的权重是相等的，也可以是非等权的，如图10所示。对叠加后的图像也要进行高斯模糊。本实施例中，i的取值范围i∈[1,2]。

步骤5：处理复合预水印图像，生成随机误差的点阵图案，形成最终的光学水印：

先调整复合预水印图像的灰度级，灰度级调整的公式如下

I′(x,y)＝I(x,y)(G_H-G_L)/255+G_L+(U(0,1)-0.5)(G_H-G_L)/M (公式9)

其中，I(x,y)是复合预水印的图像强度，值在0～255之间。G_L和G_H分别是目标图像的最小值和最大值。U(0,1)表示0～1之间的均匀分布，M是噪声衰减系数，通常取5～10之间的数。这个公式分成两部分。前两项是将图像亮度线性调整到[G_L,G_H]之间，第三项则是添加噪声，噪声值在±(G_H-G_L)/(2*M)之间。

然后通过误差分散算法将添加了灰度级调整且添加了噪声的复合预水印图像转换为二值的水印图像，如图11所示。水印图像的平均灰度级与预水印图像的平均灰度级相同，因此，可以通过调节预水印的图像灰度来调节最终的水印图像的点阵密度和平均灰度。

这里，误差分散算法采用弗洛伊德-斯坦伯格抖动算法(Floyd–Steinbergdithering)。算法从上到下逐行扫描图像的每个点，对每个点按照如下公式10的误差分散矩阵处理：

其中*号表示当前正在处理的像素。设当前点*的灰度值为g

则该点按照(公式11)被设定为新的值v：

由此产生的误差e为：

e＝v-g (公式12)

然后将误差分别乘以误差矩阵中的四个权重后，分别加到这些未处理的相邻点上，当前点处理完毕，之后再重复上述的步骤依次处理接下来的点。

通过误差分散操作，灰度图像变成了纯黑和纯白点够成的二值图像。这个二值图像就是最终生成的水印图像。

步骤6：解码。用相应层的解码片(例如含有解码片图案的感光胶片)覆盖到打印出的光学水印上，就可以看到对应层的隐藏信息。如图13和图14所示，分别为用第一层解码片看到的水印和用第二层解码片看到的水印。

本发明的随机误差分散非线性光栅多层光学水印的优点如下：

1.由于采用随机误差分散算法而非规则网点，本发明的水印适用于分辨率不低于600dpi激光打印机。目前市面上的激光打印机都符合这个条件。

2.水印内容可以动态给定。使得可以将隐藏信息与被保护物品的关键信息进行绑定，做到一物一码。提高了防伪能力

3.线性光学水印的重要参数是解码片频率。可以利用的频率是有限的。采用非线性解码片，大大拓展了解码片的编码空间。

4.由于直接使用600dpi的点阵排列作为信息载体，复印或者扫描再打印会破坏原有点整结构从而使得解码质量严重下降或者彻底无法解码。这一特性使得采用了本发明水印的打印件具有防复印的功能。

5.本发明水印的最小适用面积是0.5x0.5cm，这使得本发明水印可以放置到文档中的一些微小部分，从而与原始文档的某些图案融为一体，不破坏原有文档的视觉效果。例如将水印作为公司Logo的一部分。

6.多层水印可以将一层水印公开，一层水印保密。利用保密的解码片可以有效防止基于解码片公开导致的攻击行为。

Claims (2)

1.一种光学水印的制作方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1.确定非线性解码片；步骤2.准备待隐藏水印图像；步骤3.生成预水印图像；步骤4.将多层预水印图像加权相加；步骤5.生成随机误差分散水印；

其中，步骤1包括：确定每层水印的解码片；

步骤5包括：

先调整复合预水印图像的灰度级，灰度级调整的公式如下

I′(x,y)＝I(x,y)(G_H-G_L)/255+G_L+(U(0,1)-0.5)(G_H-G_L)/M (公式9)

其中，I(x,y)是复合预水印的图像强度，值在0～255之间；G_L和G_H分别是目标图像的最小值和最大值；U(0,1)表示0～1之间的均匀分布，M是噪声衰减系数；

通过误差分散算法将添加了灰度级调整且添加了噪声的复合预水印图像转换为二值的水印图像；

所述误差分散算法采用弗洛伊德-斯坦伯格抖动算法从上到下逐行扫描图像的每个点，对每个点按照如下公式10的误差分散矩阵处理：

其中*号表示当前正在处理的像素。设当前点*的灰度值为g

则该点按照公式11被设定为新的值v：

由此产生的误差e为：

e＝v-g(公式12)

然后将误差分别乘以误差矩阵中的四个权重后，分别加到这些未处理的相邻点上，则当前点处理完毕；

之后再重复上述的步骤依次处理接下来的点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括解码：用相应层的解码片覆盖到打印出的光学水印上以显示隐藏信息。