CN1998007B - 光栅打印数据存储与数据加密方法 - Google Patents

Abstract

本文所讲述的发明是关于在物品上，主要是在纸张上以光栅打印来实现加密数据的高密度的储存。在物品上的打印图块是彼此独立的，是由光栅点组成的光栅细胞以事先定义好的模式划分，每个光栅细胞都包含两个以上的不同模型R，I，...。每个R，I，...模型都是由很多对相同大小，但是不重叠的模型(R0，R1)或者(I0，I1)所组成，每个模型都彼此邻接着至少一个光栅点，这些模型占满了光栅细胞的不同光栅点。

Description

光栅打印数据存储与数据加密方法

这个发明是关于在物品上通过光栅打印数据存储来存储电子数据和加密此光栅打印数据存储的方法。 

通过描述物品来储存信息可以追溯到埃及的和海地特人的象形文字。当时将很多模型定义为文字，音节和字母的代表符号。数字数据存储即是所谓的将信息字节或者信息字节顺序加编进去的一种模型。 

在US-PS 5315089中将非回转对称模型扭曲定义，来存储数字数据。继续研发此技术需要叠加可视信息，正如US-PS 5706099中所描述的。在一个光栅细胞的边角打印上两个90度的圆形天线。光栅细胞在加密时旋转90度。不同的灰色调将由不同粗细的圆形天线来实现。US-PS 5315098改进了加密光栅图像的视觉打印效果。 

目前的技术水平是大同小异的，都不能达到人们所期望的数据加密密度。原因如下，数码打印技术不能将每个光栅点打印出来。而且紧密相邻的直线也很容易混淆。各个紧邻的光栅点显示出的坏视觉效果通过扫描仪表现的更为强烈。通过应用激光打印机以1200dpi密度打印US-PS 5 315 089中描述的数据条大概可以达到6000bit/cm的存储密度(毛数据存储密度，冗余及错误信息未计入)。一个由6x6个光栅点组成的细胞存储一位数据字节。 

DE 199 26 194描述了一种新的数据条和加密解密的方法，通过它可以打印高数据密度存储的数码数据载体然后并将其信息重新读出。这种数据载体可以通过一个例子来说明。例如将压缩处理过的声音数据打印存储在纸张上，然后应用简单的手持机器读取数据即可重新还原声音文件。这种方法是建立在如下的基础上，即不同的二维模型都是由基础打印而成，每个模型都表示了一位信息字节或者字节顺序。在解码过程中，每个二维模型的识别都被重新装置并重新建立字节顺序。通过高数据密度然后实现在数据条中定义好的位置加入不含信息的二维模型。这种模型作为扫描仪的检测模型。这样，在产生打印或者扫描故障时， 例如，打印颜色混和或者不清楚的视觉图像，这些对扫描仪的影响都被考虑到。 

此后，在德国专利注册DE 103 45 669 A1中，讲述了关于带复印保护的数据条和此数据条的加密方法。复印保护是通过在便携数据中介的原料上随机取一块结构元件，并在每个数据条之间放置不同的保护码来实现的，进而起到防伪和复印保护的目的。保护码只与随机取的结构部分相关。数据条打印再加上从便携数据中介取结构部分是更有优势的，结构部分和打印颜色可以相互作用，共同被加密并作为保护码。 

在关于DE 103 45 669 A1所讲述的方法的实际运用中，如果数据条以很高的分辨率打印出来，这样对随机取的结构部分的测量就非常困难。首先，打印点会彼此交错融合，这种互相交错融合的情况只有在很特定的条件下才可以作为防伪保护。其次，由于阅读器有限的定位分辨率，会加强对所取图像互相交错融合的效果。这样在数据条中几乎就没有可以应用的随机结构被测量出来。 

下列文件还涉及到通过打印数据存储器来存储数据： 

文件EP 0 665 510 A1提供了一种多用途二维代码纸，它具有以高速度和高精度处理大量数据的能力。为此以类似矩阵形式排列了多个代码标识。 

在EP 0 469 864 A2中描述了通过旋转变量模型转动90度来实现一个信息位的编码。 

在WO 98/50882中公开了一种采用多颜色来提高数据密度的方法。 

文件US 6 176 427 B1解释了一个允许一个变量格式的数据存储器。此外还描述了通过特殊的校准元素可以纠正在扫描过程中的几何失真。 

本发明是想通过应用物品主要是带光栅打印的纸张作为数据储存载体，并且在增加数据密度的同时让数据储存载体不受打印颜色互相交错融合的影响，以一种简单的方法来实现数据的加密和解密。这个任务将依照此发明的权利要求的明显特征来解决。要达到的效果是在光栅细胞中储存更多的信息位，但同时又不对打印和解密提出更多附加要求。这项技术尤其适合在DE 103 45 669 A1中讲述的数据条的复印保护和DE 10 2005 013 962的文件防伪保护。 

按以下步骤来实现应用光栅打印以高数据密度储存加密数据。物品的打印面积是由 以光栅点组成的光栅细胞彼此交界，并按预先定义好的形式划分而成。每个光栅细胞都由至少两个不同模型R，I，...打印而成，每个模型R，I，... 

1)从很多对同样面积，但是互相不重叠的模型(R0，R1)及(I0，I1)中挑选出来的，

2)最少有一个光栅点邻接着相同光栅细胞里的不同模型，

3)占据着光栅细胞不同的光栅点。

这样可以实现每个光栅细胞至少储存两个信息位。在只有两个模型的特殊情况下，存在着一个所谓的带有真实部分R和虚构部分I的复杂符号。符号这个词代表着被打印模型所遵循的逻辑。模型R，I，...是按照发明的规则来为互相联系的打印块做补充。只要各个不同的光栅细胞的单个打印块不是彼此特别接近，这种互相联系的打印块就不会对打印技术做过多要求。这样，每个模型R，I，...以不同的光栅点占满光栅细胞，就产生所谓的正交模型，一种很容易区分的模型。 

因此，至少有一个模型R，I，...在光栅细胞的边界，并且和另外至少一个模型R，I，...在另一个光栅细胞边缘相邻接，可以通过缩小光栅细胞来减少打印面积并且提高数据密度。光栅细胞将被缩得尽可能的小，这样可以使打印块延伸到光栅细胞的边缘，并且和打印块的其他光栅细胞连成一片。印刷油墨分布在不同光栅细胞的打印块上，不会改变整个打印图像的效果。 

因此，对于有些挨近光栅细胞边界的模型R，I，...需要增加或者减少一些固定的光栅点的数量，或者通过在一个光栅细胞中，把被打印的区域以没被打印的来替换，来实现被储存信息视觉效应的叠加，并且不会对数据储存起到严重影响。增加或者减少光栅点的数量还有这样的优势，就是可以得到尽可能圆的打印块。它还可以应用在在一个光栅细胞上储存附加信息。在复杂符号，也可称为高值复杂符号的情况下，例如模型R和I存在于每一个或大或小的图像显示中，这样就可创建出16个不同的总模型，每个加密由4个信息位在一个单个光栅细胞里完成。为了不提高对打印技术的要求，在增加或者减少模型真实部分的光栅点也关联着模型的虚构部分同样是很重要的。 

模型R，I，...可以以不同颜色打印出来，来到光栅打印数据储存的视觉辨识，有 色图像的叠加或者附加数字信息位储存的目的。最后一种情况要求扫描仪必须能清楚地辨认颜色。 

光栅打印数据存储能够在纸张打印文件的防伪保护方面应用。光栅打印存储可以在相对来说较小的面积上储存整个文件的内容以及被打印纸张的独立的纸张纹络。通过加入著名的密钥技术可以还原并检测这个文件的整个内容，而且可以为复印识别做准备。 

每张纸张都有其独特的纸张纹络，可以以附加的核准元素被打印出来，在今后的无差测量中占优势。如果在核准元素的打印区域上，有百分之2到百分之15的纸张被打印颜色所覆盖，就可以在扫描过程中同时读取出其纸张的纸张纹络。这尤其适用于由彼此交错相邻的光栅细胞构成的核准元素。互相邻接的光栅细胞都是由至少两个不同的模型所打印出来的，每个模型序列都重复至少部分按3×5或者7×9的光栅细胞。这种模型序列尤其适用对读取器，例如扫描仪的传递性质的测量。由重复模型效果3×5或者7×9光栅细胞而引至的特殊的优势是所谓的二元M序列的著名的关联性质。另外一个优势是按照权利要求9的实际应用。通过在各个纸张上做上不同的人或者机器可以辨识的标志来使防伪保护变得简单。每个纸张独特的纸张纹络可以通过这种标志储存在数据库中。在做文件的防伪保护时可以查询这个数据库。这种做法有很大的实际应用效果。当数据从数据库中提取出后，就可以销毁数据库中关于纸张纹络的信息。 

本发明最大的优势就是按现有技术提高了四倍的数据密度，但是又没对打印做过多要求，也没增加解码的费用。如上所述，因为紧密结合模型R，I，...所以对打印要求不多。简单并可信赖的解码是通过模型R，I，...的正交性，在这里是复杂二值符号(R，I)简单阐述的。读取光栅打印图像是通过一个节奏确定来计算出光栅细胞的位置的。每个光栅细胞的图像强度导向一个复杂的二元数码过滤器。当适合过滤器系数时，根据模型的正交性，在过滤器的出口给出无干扰的数值(±3，±1，±j，±3j)，也即4个信息位的加密。合适的过滤器系数可以通过按最小平方法解一个线性方程组得出。光栅细胞的图像强度的复杂线性组合必须由(±3，±1，±j，±3j)数值表示出来。在下面的范例中，有四位信息通过一个唯一复杂过滤器解码出来。每字节的计算成本乘以二还小于每个光栅细胞储存一个字节的情况。 

另一个有优势的方法是，应用二层神经元网在每个光栅细胞的图像点上。每个隐藏 层的大小和重量都通过计算机模拟来确定。对于第一种过滤器方法来说，优势在于二层神经元网是非线性作用于打印上的。进而可以降低读取器的域分辨率，正如在一些还不能从理论上解释的试验所证明的。具体说1200dpi的打印图像可以用1200dpi的扫描仪读取出来。但是对于过滤器方法来说，由于探测理论，需要2400dpi的扫描仪。 

以下将以图像和详细例子来解释这个发明： 

图1是创建一个由真实部分和虚构部分组成的复杂符号，

图2修正打印模型的边界，

图3继续修正打印模型的边界，

图4光栅打印数据存储范例，

图5实际应用光栅打印数据存储在有核准元素的文件纸张上，

图6核准元素特殊有优势的布局，

图7文件的防伪保护。

图1是一个由6×6个光栅点组成的光栅细胞。在光栅细胞5上打印了一个所谓的由真实部分R1和虚构部分I3组成的复杂符号。真实部分R是由两个模型R01和R12选出来的，同样虚构部分I是由I03和I14选出的。在一个复杂符号中可以储存2个信息位。属于真实部分的模型1和2将信息位零或者一加密。属于虚构部分的的模型3和4同样将信息位零或者一加密。在本例中，光栅细胞5加密信息位按零-零顺序，光栅细胞6，7和8加密信息位按零-一，一-零和一-一顺序。这样复杂符号的真实部分和虚构部分邻接着每个信息位排序，组成了互相依存，可以被打印出的块。每个复杂符号进而由两个对称排列的块组成。这种对称性为后来的简单解码过程打下基础。另一个优势是，每个由四个互相结合的总模型5，6，7，8都用不同光栅点占满光栅细胞。这四个总模型在数学角度说是正交的(直角orthogonal)。这包含了本发明要求的在真实部分R和虚构部分I的正交性。在图像中，用不同的灰色值表示了真实部分和虚构部分，这在实际应用中是不需要的。 

图2展示了修正打印模型的边界。总模型9，10，11，12是由总模型5，6，7，8通过在其边界不占有每2个光栅点所组成。模型的真实部分和虚构部分都丢失了一个光栅点，每个放在总模型的边界上。总模型13，14，15，16，或者17，18，19，20由总模型5，6，7，8通过在边界附加一到两个光栅点所组成。这些光栅点可以实现叠加光栅打印的视觉信息并储存数据。或多或少的光栅点导致了光栅细胞或深或浅的视觉效果。附加的光栅点可以应用于附加数据的加密。对于解码来说，光栅点在总模型13到20的基础模型的真实部分和虚构部分最好保持正交。

图3是总模型21，22，23，24和25，26，27，28的边缘点修正，对于色彩交错融合的打印步骤是很必要的。

图4是应用总模型9到16的光栅打印数据存储。因为模型覆盖到光栅细胞的边缘，并与相邻细胞的模型共同组成大的块，而且没对打印过程做更多要求。应用商业通用的激光打印机以1200dpi打印出的光栅打印数据储存图像是2,07cm大小，可储存41,2kbit，数据密度是12400bit/cm2。这个是一般通用技术的2倍。如果能消除视觉信息叠加，将可以达到18600bit/cm2的数据储存密度和简单的解码。

图5结合文件纸张29和核准元素30来应用光栅打印数据存储。核准元素30是由非常精细的印刷字样所组成，可以更好地服务于扫描仪检测纸张指纹打印的测定。如所设定的，完美的模型被打印出来，可以实现测量和综合扫描仪的叠加作用，并可以找到有纸张指纹打印的域。另外文件纸张29含有独立的特征数31，可以与核准元素30结合起来。光栅打印数据存储32包含了核准元素30周围环境的纸张指纹的数字化的、加密的数据及其它数据，如证实文件原创者的个人数据。

图6详细地解释了核准元素的优势。打印模型38是通过伪随机结果引致的，并且有一个3×5的打印变量循环。那种所谓二元M序列尤其适合扫描仪的测定。打印模型38对比度很低，这样在扫描过程中可以同时读取纸张纹络。按照不同的打印颜色要求可以在百分之2到百分之15的范围内应用对比度。 

图7阐明了简单创建一个防伪保护文件的方法。文件纸张还是一个半成品，带有打印，尤其是透明膜，保险元素30。生产出很多价值很高的半成品。每个半成品33的保险元素都将被扫描，并且将数据储存在数据库35里独自的特征数31中。扫描半成品33可以通过试验确定的扫描仪以高速度，高价值和高质量来实现。数字化的数据将在其后的证实结果中经历数据降低和数据压缩，这是通过扫描过程批量处理来完成的，目前计算机还不能解决。在创建文件防伪保护的过程中，纸张指纹信息可以通过数据库35读取，半成品33由独自的光栅打印数据存储32来履行。对于计算光栅打印数据储存推荐用公开密钥34的密钥36。光栅打印数据存储了关于纸张指纹，个人数据和应用数据的信息。特殊单位37可以结合这些数据来达到复印失效的作用。 

Claims (8)

1.一种通过在物品上进行光栅打印数据存储与数据加密的方法，物品上的印刷或打印面积是由彼此邻接的由光栅点组成的光栅细胞以预先设定的形式划分并且每个光栅细胞至少由两个模型R，I，...印刷或打印而成，其特征在于，为了储存至少两个信息位，每个模型R，I，...

1)从很多对同样面积，但互相不重叠的模型(R0，R1)或(I0，I1)中挑选出来的，

2)有至少一个光栅点邻接着相同光栅细胞里的不同模型，

3)占据着光栅细胞不同的光栅点，

4)其中最少有一个模型R，I，...在光栅细胞边缘而且至少和在另一个光栅细胞边缘的最少一个模型R，I，...相邻接地被印刷或打印出来。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了在光栅细胞内叠加可视信息，光栅细胞的印刷或打印部分能够由未被印刷或打印的部分替换。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在同一个光栅细胞里的模型R，I，...以不同颜色印刷或打印出来，是为了能够通过视觉来辨别彩色图像的叠加或者储存附加数字信息位。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，纸张上应用的光栅打印数据存储能够用来储存数字数据和/或者独特的纸张纹理数据。

5.根据权利要求4述的方法，其特征在于，应用被附加印刷或打印了核准元素的纸张，只允许印刷油墨覆盖百分之2到百分之15的纸张面积。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所应用的预先印刷或打印上核准元素的纸张中的核准元素是由光栅细胞组成的，相邻的光栅细胞是由至少两个不同模型序列印刷或者打印而成，这个模型序列至少部分由3×5或者7×9的光栅细胞重复组成。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过应用每张纸张各不相同的、能由人眼和/或者机器辨别的标记，能够实现从数据库读取相应的独特的纸张纹理数据的目的。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，纸张提供一种独特的光栅打印数据存储(32)。

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