JP4874221B2 - カラー画像を生成する方法およびシステム - Google Patents

Description

本出願は、印刷されたハーフトーン画像に電子透かしを埋め込む方法に係り、より詳しくは、印刷されたハーフトーン画像にカラー電子透かしを埋め込む方法に関する。

透かしは、ドキュメントのソースもしくは出自を識別するために印刷業界において長期間使用されてきた。通常、透かしは画像中に薄い模様として現れ、オリジナルドキュメントを特定の方法で閲覧した場合にのみ可視化される。

今日、画像の作成者が、不正コピーが第三者に広まらないことを保証できる電子オリジナルを生成することは、極めて困難である。電子透かしの使用は、電子コピーにおける画像のソースを識別可能とする識別マークを画像に組み込むことにより、こうした（不正コピーの）広まりの防止を目的とした技術である。識別マークはオリジナル画像の内容を妨害したり閲覧者の気を逸らしたりするものでなく、同時にソースを容易に識別可能とするものであることが重要である。透かしは画像取得時もしくは取得後にスキャナを使用して、またはハーフトーニングソフトウェアを使用して付加することができる。

透かしは可視すなわち知覚可能、あるいは非可視すなわち知覚不可能、の２つの基本的な形式をとり得る。可視透かしは、分配されるデジタル画像または印刷画像に印刷される著作権ロゴや符号などのマークあるいはロゴである。透かしの存在は、画像やドキュメントを破損することなく除去することが困難な方法で画像もしくはレンダリングされたドキュメントにおいて明確に可視化される。

後に、視覚的支援を利用し、あるいは画像を走査する際に透かし検出アルゴリズムを使用して検出され得る、印刷されたハーフトーン画像に埋め込まれた透かしは、広範な用途で関心を集めている（特許文献１参照）。

米国特許第５，７９０，７０３号明細書 米国特許第５，６７３，１２１号明細書 米国特許第６，７３１，４０９号明細書 米国特許第６，８４４，９４１号明細書 米国特許第６，６３６，６１６号明細書 米国特許第６，７２１，０６３号明細書

印刷画像を走査する際に検出するための高コントラスト、適当な(good)信号対雑音比のカラー透かしを生成する方法が求められている。

本発明の実施形態は、適当な信号対雑音比を維持する一方で高コントラストを提供するカラー電子透かしを生成する方法を開示する。該方法では、各色分解(color separation)に別々のスクリーンを使用せず、単一のハーフトーンスクリーンを全ての色分解に使用する。

本開示の目的において、用語「スクリーニング」もしくは「ハーフトーニング」は、コントーン画素の二次元配列の各画素値を、予め選択された閾値セット（閾値は二次元マトリクスとして記憶されてもよく、このマトリクスにより生成される繰り返しパターンがハーフトーンセルとみなされる）の１つと比較するプロセスを指す。この処理により、比較の結果に応じた各画素の２値出力が生成される。閾値のマトリクスは「スクリーン」と呼ばれることが多く、スクリーンを使用してコントーン画像から２値画像を生成するプロセスを「スクリーニング」もしくはハーフトーニングと呼んでいる。

さらに、認証可能なカラー画像を生成する方法が本発明に開示される。カラー画像は複数の色分解を含み、カラー画像に挿入された認証可能な画像は視覚的に知覚することが困難となっている。

該方法は第三および第四の色分解の配置および色をカバーすべく拡張可能である。さらに、該方法は単一のハーフトーンスクリーンを使用して第三の色分解に対応するハーフトーニング画像データを含み、スクリーン画素位置の対応する第三のセットは第三の分解により充填される。閾値の第三のセットは第二のセットに連続する閾値を有する。第四の色分解において、該方法は、単一のハーフトーンスクリーンを使用して第四の色分解に対応する画像データをハーフトーニングすることをさらに含み、スクリーン画素位置の対応する第四のセットは第四の分解により充填される。閾値の第四のセットは第三のセットに連続する閾値を有する。色分解はブラック、マゼンタ、シアンおよびイエローであってよい。

さらに、認証可能なカラー画像を生成する方法が本発明に開示される。カラー画像は複数の色分解を含み、カラー画像に挿入される認証可能な画像は、視覚的に知覚することが困難となっている。実施形態は、単一の確率的ハーフトーンスクリーンを提供することを含み、単一の確率的ハーフトーンスクリーンは、関連する閾値とともに、複数の画素位置を含む。確率的ハーフトーンスクリーンは複数のセルを有し、各セルは第一の領域および第二の領域を有し、各セルは隣接セルから第一の距離だけ空間的にオフセットされる。第一のセルの第一の領域は、第二のセルの第一の領域と実質上同一であり、第一のセルの第二の領域は第二のセルの第二の領域と実質上共役(conjugate)とされている。さらに、実施形態は、確率的ハーフトーンスクリーンを使用して複数の色分解に対応する画像データをハーフトーニングし、さらに各画素について、所定順序で複数の色分解に対応する画像値を合計し、少なくとも第一および第二の色分解の合計画像値を確率的ハーフトーンスクリーン中の閾値と比較し、比較結果に基づいた所定の関係に従って画素の配置および色を決定することを含む。カラー画像の第一のコピーがカラー画像の第二のコピーから少なくとも第一の距離だけ空間的にオフセットされている場合、カラー画像の第一および第二のコピーの各々の少なくとも第一のセルは、カラー画像の第一および第二のコピーの少なくとも第二のセルと位置合わせされ、同一領域および共役領域のコントラストは認証画像を形成すべく可視化される。

所定の関係の例として、第一の色分解用閾値に隣接させて第二の色分解用閾値を配置すること、第一の色分解用閾値から所定距離に第二の色分解用閾値を配置すること、および第一の色分解からの「ハーフトーン誤差」を追加することで第二の色分解用変更値を生成し、この色分解用変更値をスクリーニングすることで第二の色分解を得ること、が挙げられる。例えば、第二の色分解に対応する画像データのハーフトーニングは、確率的ハーフトーンスクリーンの閾値に第二の色分解用ハーフトーンドットを配置することを含んでいてもよい。確率的ハーフトーンスクリーンの閾値は、第一の色分解画像データと第二の色分解画像データの間のハーフトーン誤差を決定し、第二の色分解画像データに該ハーフトーン誤差を追加することにより決定される。

本発明の第１の態様は、埋め込み型の透かし画像を有するカラー画像を生成する方法であって、該カラー画像は複数の分解を含み、該カラー画像に挿入される透かし画像は視覚的に認識することが困難であり、該方法は、ａ．複数の分解のための単一のハーフトーニング処理を提供し、前記ハーフトーニング処理は周期的なタイルを含み、各タイルは固定変位により隣接タイルからオフセットされ、前記周期的なタイルが第一の領域および第二の領域を含み、前記第一の領域の第一の部分は前記第二の領域の対応する部分と実質的に同一であり、前記第一の領域の第二の部分は前記第二の領域の対応する部分と実質的に共役とされており、ｂ．単一のハーフトーニング処理を用いて前記カラー画像からの画像データをハーフトーニングし、第一の閾値と関連する画素位置のセットは複数の分解のうち第一の分解により満たされ、ｃ．前記単一のハーフトーニング処理を用いて画像データをハーフトーニングし、画素位置の第二のセットは複数の分解の第二の分解に関連し、前記カラー画像の第一のコピーが前記カラー画像の第二のコピーから前記固定変位の整数倍だけ空間的にオフセットされるように、画素位置の前記第二のセットは画素位置の第一のセットと連続して充填され、少なくとも前記第一の領域の前記第一の部分は前記第二の領域の第二の部分と位置合わせされ、前記第一の領域の第二の部分は前記第二の領域の第一の部分と位置合わせされ、同一のおよび共役とされる第一の部分および第二の部分のコントラストは透かし画像を見せるべく可視化される。

本発明の第２の態様は、認証可能なカラー画像を生成するシステムであって、該カラー画像は複数の分解を含み、該カラー画像に挿入される認証可能な画像は視認が困難であり、該システムは、認証対象の画像のカラー画像データを受信する回路と、前記受信する回路と結合され、前記カラー画像データをハーフトーン化して２値カラー画像を生成するハーフトーニング回路と、前記ハーフトーニング回路と結合され、前記ハーフトーン化画像全体にわたり周期的および規則的に繰り返されるタイルを、前記ハーフトーニング回路に追加するタイリング回路と、前記受信する回路および前記ハーフトーニング回路に結合され、前記複数の分解の各々の連続的なハーフトーン化を制御する制御回路であって、各連続的な分解により、先にハーフトーン化された分解に連続する画素を充填する、制御回路と、を含む。

認証可能なカラー画像を生成する方法の一実施形態は、カラードキュメントにおけるカラーパターンの使用を可能とする。カラーパターンは所望の画像を生成すべく確率的ハーフトーニング処理を用いて生成できる。このような技術を用いることで、確率的スクリーンのランダム性により、異なる確率的スクリーン間の相関性と協働する独自の認証手続きを含める機会が得られる。確率的カラーハーフトーンスクリーニングの原則への導入として、単色の確率的ハーフトーンスクリーニングについて以下に議論する。各種例示的実施形態において、認証可能なカラー画像を生成する方法は、Ｗａｎｇ（ワン）の特許文献２に記載された確率的スクリーニング方法を利用する。

画像中の各位置を「画素」もしくは「ドット」と呼ぶことができる。データまたは画像信号の各アイテムが値を提供する、画像を定義する配列では、位置の色を示す各値を「画素値」または「ドット値」と呼ぶことができる。単色のドキュメントの単色の確率的ハーフトーンスクリーニングでは、ハーフトーン画像はＮ個の要素を有するスクリーンマトリクスにより一定のグレイスケール入力から生成される。隣接画素間の重複を無視する場合、ｎ個のブラック画素および（Ｎ−ｎ）個のホワイト画素を有するスクリーンセルは、下記式と等しいグレースケール（ｇ）を備えた入力をシミュレートする。
ｇ＝（Ｎ−ｎ）／Ｎ
（式中、０≦ｎ≦Ｎ、または０≦ｇ＜１）。このパターンの視覚的外観は、ブラック画素が少数派であるか、ホワイト画素が少数派であるかに依存する。ブラック画素が少数派である場合、例えば０．５≦ｇ≦１．０である場合、ハーフトーンパターンの最良の視覚的外観はブラック画素が「均等に」配分されたときに生じる。換言すれば、ブラック画素はスクリーンの総面積の１／ｎまたは１／（１−ｇ）Ｎを「占める」ことが必要である。従って、隣接ブラック画素間の平均距離はα（１−ｇ）^-1/2と等しくなくてはならない。αはグレイレベルとは独立している。他方、ホワイト画素が少数派である場合、すなわち０≦ｇ≦０．５である場合、各ホワイト画素は総面積の１／（Ｎ−ｎ）または１／ｇＮを「占める」ことが必要であり、隣接ホワイト画素の平均距離は、αｇ^-1/2と等しくなくてはならない。理想的な確率的ディザリングスクリーンは、全グレイレベルの上記基準を満たすハーフトーン画像を生成する閾値マスクとして定義される。

一般に、入力グレイスケール画像は整数Ｇ（ｘ、ｙ）により指定される（０≦Ｇ≦Ｍ）。その結果、ディザリングスクリーンは０から（Ｍ−１）までのＭ個の異なる閾値を有する必要がある。さらに、各レベルにおいて、同一閾値Ｔを有する（Ｎ／Ｍ）個の要素がなくてはならない。確率的スクリーンを設計する究極の目標は、得られるハーフトーン画像が理想的な確率的スクリーンにより生成されたものに可能な限り近くなるように、閾値Ｔを分配することにある。

ディザリングスクリーンから任意の対の画素を選択する場合、これら２つの画素用の閾値がそれぞれＴ₁＝Ｔ（ｘ₁、ｙ₁）およびＴ₂＝Ｔ（ｘ₂、ｙ₂）である必要があると仮定されている。（ｘ₁、ｙ₁）および（ｘ₂、ｙ₂）はこれらの画素の座標である。ディザリングの結果、一定の入力Ｇ、出力Ｂ₁＝Ｂ（ｘ₁、ｙ₁）およびＢ₂＝Ｂ（ｘ₂、ｙ₂）は以下の可能な組み合わせを有する。
Ｇ≧Ｔ₁およびＧ≧Ｔ₂であるとき、Ｂ₁＝１、Ｂ₂＝１
Ｇ＜Ｔ₁およびＧ＜Ｔ₂であるとき、Ｂ₁＝０、Ｂ₂＝０
Ｂ₁≠Ｂ₂
式中、Ｂ＝１は印刷用ホワイトスポット、Ｂ＝０はブラックスポットを表す。ある出力画素がブラックであり、別の出力画素がホワイトである場合、これら２画素間の距離は上で概説した理由により視覚的外観とは無関係である。両画素がホワイトである場合、以下の場合の視覚的外観を考慮する必要がある。
Ｍ／２≧Ｇ、Ｇ≧Ｔ₁、Ｇ≧Ｔ₂であるとき。

この場合、両方の出力画素はホワイトであり、ホワイトスポットが少数派である。従って、（ｘ₁、ｙ₁）と（ｘ₂、ｙ₂）との間の対応する距離はハーフトーン画像の視覚的外観に関連がある。上述の分析によれば、理想的な確率的スクリーンの出力の場合この距離はαｇ^-1/2もしくはα（Ｇ／Ｍ）^-1/2以上である。この場合、全てのＧの中で、Ｇの重要なケース(critical case)は最小、すなわちＧ_c＝Ｍａｘ（Ｔ₁、Ｔ２）であり、これは２つの画素（ｘ₁、ｙ₁）と（ｘ₂、ｙ₂）との間に最大距離を要求する。

同様に、両方のドットあるいは画素がブラックドットまたは画素として現れる場合、以下の場合の視覚的外観を考慮しなければならない。
Ｇ≧Ｍ／２、Ｇ＜Ｔ₁およびＧ＜Ｔ₂であるとき。
この場合、全てのＧの中で、最大のＧはＧ_c＝Ｍｉｎ（Ｔ₁、Ｔ₂）で与えられ、これは（ｘ₁、ｙ₁）と（ｘ₂、ｙ₂）との間に最大距離α（１−Ｇ_c／Ｍ）^-1/2を要求する。

数学的には、メリット関数ｑ（Ｔ₂、Ｔ₂）は理想的な確率的スクリーンと選択された確率的スクリーンとの差を評価すべく使用できる。例えば、以下の選択（式（１））を用いることができる。
ｑ（Ｔ₁、Ｔ₂）＝ｅｘｐ〜（Ｃｄ²／ｄ_c ²） （１）
式中、
ｄ²＝（ｘ₁−ｘ₂）²＋（ｙ₁−ｙ₂）²
Ｔ₂＞Ｍ／２、Ｔ₁＞Ｍ／２であるとき、ｄ_c ²＝Ｍ／［Ｍ−Ｍｉｎ（Ｔ₁、Ｔ₂）］
Ｔ₂≦Ｍ／２、Ｔ₁≦Ｍ／２であるとき、ｄ_c ²＝Ｍ／Ｍａｘ（Ｔ₁、Ｔ₂）
上記以外の場合、ｄ_c ²＝０すなわちｑ＝０
Ｃは定数。

ディザリングスクリーンは、該スクリーンより大きいハーフトーニング画像に対して繰り返し使用されるため、ディザリングスクリーンから任意に選択される対の画素について、対応するハーフトーン画像の最も近い空間的距離はディザリング方法に依存し、またメリット関数に使用される必要がある。メリット関数全体は、あらゆる可能な組み合わせの貢献(contribution)を含む必要がある。実験では、ｑ（Ｔ₁、Ｔ₂）の総和が最適化用であった。
Ｑ＝Σｑ（Ｔ₁、Ｔ₂） （２）
式中、Σは、（ｘ₁、ｙ₁）≠（ｘ₂、ｙ₂）である全てについて（の総和）。

次いで、確率的スクリーンの設計が一般的な最適化問題となる。選択されたスクリーンの閾値が再配置されると、方向およびステップを決定すべくメリット関数を評価することができる。既存の多くの最適化技術をこのアプローチに適用できる。最も単純な方法は、メリット関数Ｑ全体が低減されたか否かを確かめるため一対の画素をランダムに選択し閾値を交換する方法である。交換された対と関連するＱ値のみを再計算すればよいため、Ｑの評価には多くの計算時間が消費されない。初期閾値は全て標準的なランダム数字発生器によりランダムに選択される。

あるいは、既存のスクリーンから閾値の割り当てを行ってもよい。メリット関数として式（１）によって示されるガウス関数に加え、バターワース関数およびそのフーリエ変換などの他の関数がテストされた。他の最適化関数が可能である。各反復について、一対の画素がディザリングスクリーンからランダムに選択され、それらの閾値が交換され、メリット関数Ｑの変更が計算された。Ｑが低減されない場合、閾値が元に戻される(restore)。そうでなければ、次の反復が行われる。閾値の満足な分配が達成されるまで最適化プロセスは継続される。

単色の確率的スクリーンに関して上に議論された問題は、認証可能なカラー画像を生成するこの方法による確率的ハーフトーンスクリーニング法の各種例示的実施形態に従ってハーフトーン化カラードキュメント中の非可視カラー透かしを生成すべく開発され得る。

特許文献１には、共役確率的スクリーンを用いてブラックおよびホワイトハーフトーン印刷方法において透かしを生成する方法が記載されている。全ての要素（ｘ、ｙ）について、対応する閾値対が以下の関係（式（３））を有する場合、同一サイズおよび同一形状の２つのスクリーン、Ｔ₁（ｘ、ｙ）およびＴ₂（ｘ、ｙ）は共役とされる。
Ｔ₁（ｘ、ｙ）＋Ｔ₂（ｘ、ｙ）＝Ｍ （３）
式中、Ｍは可能な全レベル数である。入力値Ｇ（ｘ、ｙ）と閾値Ｔ（ｘ、ｙ）の関係に基づいて出力Ｂ（ｘ、ｙ）の２値状態を定義する閾値処理に関する規則により、以下の関係が与えられる。
Ｇ（ｘ、ｙ）≧Ｔ（ｘ、ｙ）であるとき、Ｂ（ｘ、ｙ）＝１
Ｇ（ｘ、ｙ）＜Ｔ（ｘ、ｙ）であるとき、Ｂ（ｘ、ｙ）＝０
入力画像が一定値Ｇ（ｘ、ｙ）＝Ｍ／２を有する場合に、式（３）の２つの共役スクリーンＴ₁（ｘ、ｙ）およびＴ₂（ｘ、ｙ）により生成される２つの２値出力Ｂ₁（ｘ、ｙ）およびＢ₂（ｘ、ｙ）は、全画素について正確な２値補数であることに注目することは興味深い。換言すれば、Ｂ₁の任意のブラック画素は同一画素位置（ｘ、ｙ）にＢ₂の対応するホワイト画素を有しており、逆もまた然りである。入力レベルＧ（ｘ、ｙ）＜Ｍ／２である場合、Ｂ₁とＢ₂との２値補数関係は、この場合少数派としての全てのホワイトスポットに当てはまる。Ｇ（ｘ、ｙ）＞Ｍ／２である場合、Ｂ₁とＢ₂との２値補数関係は、この場合少数派としての全てのブラックスポットに当てはまる。

確率的スクリーンに関する上記議論から、Ｔ₂の全出力レベルについて、スクリーン設計処理の間に最適化される対応するレベルのＴ₁があることから、優れた設計の確率的スクリーンＴ₁（ｘ、ｙ）の共役スクリーンＴ₂（ｘ、ｙ）が優れた設計の確率的スクリーンであることを理解するのは困難ではない。主たる相違は、Ｔ₁のレベルがブラック少数派を有する場合、Ｔ₂の対応するレベルがホワイト少数派を有し、ホワイト少数派を有するＴ₁についても同様であることである。以下の２つのケースを考察する。

第一の例において、２つの同一ハーフトーン画像が、確率的スクリーンＴ₁（ｘ、ｙ）を使用して各々生成され、２つの透明体上に印刷される。２つの透明体が相互に重畳され、透き通して見られた場合、全面的な外観は２つのハーフトーン画像間の相対的位置に依存する。最大限の、または最も明るい透き通しは、横方向のずれや回転を生ずることなく２画像を完全に画素対画素で位置合わせすることによってのみ取得することができる。なお、このことはハーフトーン画像の二次元自己相関に類似する。最大の透き通しは、自己相関ピーク値、換言すれば相関性のポジティブピークに対応する。

別の例では、２つのハーフトーン画像が、式（３）により定義される２つの共役とされた確率的スクリーン、Ｔ₁（ｘ、ｙ）およびＴ₂（ｘ、ｙ）によりそれぞれ生成される。２つの共役スクリーンにより生成される２つのハーフトーン画像間の相互相関は、２つのハーフトーン画像が相互に重畳され、完全に位置合わせされた後、外観全体が最小もしくは最も暗い透き通しとなるように、上述の自己相関と逆に作用する。数学的には、このことは、相互相関のネガティブピークあるいは単に相関性のネガティブピークに相当する。

これらの２つの例は、第二のハーフトーン画像の一部が共役スクリーンＴ₂（ｘ、ｙ）の使用により生成され、第一のハーフトーン画像の生成に使用されたのと同一の確率的スクリーンＴ₁（ｘ、ｙ）により、第二の画像の残りの部分が生成されるように、相対的に組み合わせることが可能である。第一の画像に第二の画像を重畳することで、最も明るい透き通しと最も暗い透き通しとの間に強いコントラストが生じる。

実際上、上述の第二のハーフトーン画像の２つの部分を組み合わせることは、第一の確率的スクリーンＴ₁（ｘ、ｙ）と同一形状およびサイズを有する新しい確率的スクリーンＴ₂（ｘ、ｙ）の設計により実現できる。新しい確率的スクリーンＴ₂の一部は第一の確率的スクリーンＴ₁の一部に対応すべく共役とされ、新しい確率的スクリーンＴ₂の他の一部は第一の確率的スクリーンＴ₁の一部と同一となる。上述したような確率的スクリーン設計の最適化条件を修正することで、例えば特許文献２では、第二のスクリーンにより２つの部分間の境界を視覚的にシームレスとすることが可能である。従って、新しい確率的スクリーンＴ₂により生成されるハーフトーン画像は、第一の確率的スクリーンＴ₁により生成されるハーフトーン画像と遜色ない。共役関係について、部分の形状により定義される透かしは視覚的に知覚不可能であるが、情報は隠蔽され、あるいは相関度の程度に応じた方法で確率的スクリーンにより生成されたハーフトーン画像に組み込まれる。

特許文献１に記載された単色の技術の具体例について説明する。全ての対応する画素（ｉ、ｊ）について、同一形状および同一サイズを有する、Ｔ１（ｉ、ｊ）＝２５５−Ｔ２（ｉ、ｊ）となる共役関係を満たす２つの閾値処理マスクとして２つの共役とされたハーフトーンスクリーンを定義する。Ｔ１およびＴ２はそれぞれ２つのマスクの閾値処理値である。例示的な対の共役とされたハーフトーンスクリーンが表１に示される（表１のハーフトーンスクリーンを単一ハーフトーンスクリーンの２つのハーフトーンセルとみなしてもよい）。表１に示される任意の対応する画素対における２つの値の和は２５５である。

一定レベル１２８を有する入力が表１に示される共役スクリーンセルによりハーフトーン化される場合、結果は図１に示すように「共役とされた」一対の２値パターン１１０Ａ、１１０Ｂとなる。図１の２つの２値パターンを重畳することで、図２に示される完全なブラックパターンを得ることができる。他方、２つの同一ハーフトーンパターンを重畳すると、重畳されたパターンと同一の２値パターンとなる。例えば、図３は、図１の左側の２値画像のような２つの同一パターンを重畳した結果を示す。

表２に示すような一対のハーフトーンスクリーンセルを考察する。２つのスクリーン／セルの上から３列まで（第一のハーフトーンセルの第一の領域および第二のハーフトーンセルの第一の領域）は共役とされ、下から３列まで（第一のハーフトーンセルの第二の領域および第二のハーフトーンセルの第二の領域）は同一である。

これらの２つのスクリーンにより生成される２つの２値パターンと１つの一定入力１２８とを重畳することで、図４に示すパターンが現れる。

同様に、表３に示す、最初の３列（第二の領域）が同一で、第二の３列（第一の領域）が共役とされた一対のハーフトーンスクリーンセルにより、図５に示される重畳パターンが生成される。

特許文献３に記載された方法は、共役スクリーンおよび同一スクリーンの組み合わせを用いて、色コントラストを作成すべくカラーハーフトーニング用の単色の透かしを生成するために、特許文献１に記載された単色の共役スクリーン法を拡張する（各色分解に異なるハーフトーンスクリーンが使用される）。例えば、表２の共役ハーフトーンスクリーンを１つのチャネル（例えば、シアンとする）に適用し、表３の共役ハーフトーンスクリーンを別のチャネル（例えば、マゼンタ）に適用する。これによりシアンとマゼンタの最も高いコントラストが得られる。図６は、図４の出力をシアン、図５の出力をマゼンタで組み合わせた結果を示す。ここで、イエローおよびブラックの入力はないものと仮定する。ほとんどのカラーハーフトーニングの適用に３つあるいは４つのカラーチャネルがあるため、共役スクリーンおよび同一スクリーンの他の各種組み合わせが可能であり、結果の２つの例を図７に示す。図７は、イエローとブルー（左側）、およびレッドとグリーン（右側）の組み合わせ結果を示す。上述したように、この方法により、所望より低いコントラストを有し、検出される信号対雑音比が低い画像を生成することができる。

本発明中に記載される認証可能なカラー画像の生成方法は、カラー電子透かしを生成すべく単一の共役ハーフトーンスクリーン法を拡張する。認証可能なカラー画像の生成方法は、単一のハーフトーンスクリーンを全ての色分解に使用する、カラー電子透かしのための著しく改善されたシステムを提案する。一実施形態において、該方法は、埋め込み型の透かしを有して設計された確率的スクリーンによる連続的な充填(successive filling)を利用し、透かしを生成する際に別々の分解が協働で行われる。その結果行われるハーフトーンスクリーン処理により、透かしのための著しく高い信号対雑音比が得られる。該方法は、確率的スクリーンおよび同様のハーフトーニング技術を使用して、連続的な充填ハーフトーニングなどの単一のハーフトーンスクリーン技術に適用可能である。該方法は、従来開示されたカラー透かし法に対し、透かしの信号対雑音比を著しく改善する。

該方法が確率的ハーフトーンスクリーンに適用される場合、認証可能なカラー画像（もしくは透かし）は単一の確率的スクリーンに埋め込まれる。確率的ハーフトーンスクリーンは複数のセルを含み、各セルは少なくとも１つの第一の領域と少なくとも１つの第二の領域を含む。各セルは、隣接セルから少なくとも第一の距離だけ空間的にオフセットされる。確率的ハーフトーンスクリーンの第一のセルの第一の領域は、確率的ハーフトーンスクリーンの第二のセルの第一の領域と実質上同一であり、第一の確率的ハーフトーンスクリーンの第一のセルの第二の領域は、第一の確率的ハーフトーンスクリーンの第二のセルの第二の領域と実質上共役とされている。共役とされた領域は、結果として得られるハーフトーン画像中に透かしを提供する。透かしが走査あるいは印刷されたカラードキュメントの他の電子的に捕捉される画像から検出される場合、印刷および走査処理でのひずみにより位置合わせが困難となることがある。そのような状況では、２つのセルの同一の領域により、２つのセルに対応する領域の走査間の位置合わせを決定し、画像と透かし検出の目的でシフトされたバージョンとの「同期」プロセスを支援することが可能である。この点で、異なる分解に同一スクリーンが利用され、２つのセルのより多くの印刷されるドット位置が同一スクリーン領域において共通化されるため、開示されたシステムおよび方法は利点を有する。

同一の確率的ハーフトーンスクリーンが全ての色分解に使用される。連続的な充填は、単一のハーフトーンスクリーンが多数の分解に使用される、カラーハーフトーニングのために提案された技術である。分解にはスクリーンの「連続レベル」が割り当てられる。従って、入力ＣＭＹＫ（シアン、マゼンタ、イエロー、ブラック）カラー画像がｉ１、ｉ２、ｉ３およびｉ４（例えば、一般的に最も暗いものから最も明るいものへの順序が、Ｋ、Ｍ、ＣおよびＹにそれぞれ相当する）の特定の順序で配置された分解用の値で空間的に一定の場合、ハーフトーンスクリーンの第一のｉ１レベル、すなわち１からｉ１は第一の分解に使用され、ハーフトーンスクリーンの次のｉ２レベル、すなわちｉ１＋１からｉ１＋ｉ２は第二の分解に使用され、ハーフトーンスクリーンの次のｉ３レベル、すなわちｉ１＋ｉ２＋１からｉ１＋ｉ２＋ｉ３は第三の分解に使用され、次のｉ４レベル、すなわちｉ１＋ｉ２＋ｉ３＋１からｉ１＋ｉ２＋ｉ３＋ｉ４は第四の分解に使用される。このプロセスにおいて、ハーフトーンスクリーンのレベルが使い尽くされた場合、ハーフトーンスクリーンのレベルは最初のスクリーンと同一の順序で再度使用される。

連続的な充填処理は、いくつかの等価な方法を使用して、数学的に行われてもよい。１つの方法は特許文献４に記載された方法である。別の方法は、予め定義された順に複数の色分解に対応する画像値を合計し、少なくとも２つの分解の画像値の合計を確率的スクリーン閾値と比較し、各ドットについて上記比較に基づいたドットの色および配置を選択する、各工程を含んでもよい。以下の関係も利用できる。
ｉ１＞ｓｃｒｅｅｎ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ（スクリーン＿閾値）であるとき、
第一の分解の色を有するドットを印刷
（ｉ１＋ｉ２）＞ｓｃｒｅｅｎ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄであり、
ｉ１＜ｓｃｒｅｅｎ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄであるとき、
第二の分解の色を有するドットを印刷
（ｉ１＋ｉ２−Ｍ）＞ｓｃｒｅｅｎ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄであるとき、
第二の分解の色を有するドットの印刷
式中、ｉ１、ｉ２は、それぞれ第一の色分解および第二の色分解に対する画像データの画像値であり、ｓｃｒｅｅｎ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄは確率的ハーフトーンスクリーンにおける閾値であり、Ｍは最大閾値である。

この関係は、３つおよび４つの色分解へ延長できる。第三の分解については、関係は以下の式より与えられる。
（ｉ１＋ｉ２＋ｉ３）＞ｓｃｒｅｅｎ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄであり、
（ｉ１＋ｉ２）＜ｓｃｒｅｅｎ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄであるとき、
第三の分解の色を有するドットを印刷
（ｉ１＋ｉ２＋ｉ３−Ｍ）＞ｓｃｒｅｅｎ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄであり、
（ｉ１＋ｉ２−Ｍ）＜ｓｃｒｅｅｎ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄであるとき、
第三の分解の色を有するドットを印刷
（ｉ１＋ｉ２＋ｉ３−２＊Ｍ）＞ｓｃｒｅｅｎ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄであるとき、
第三の分解の色を有するドットを印刷

同様に、第四の分解の処理は次のように行われる。
（ｉ１＋ｉ２＋ｉ３＋ｉ４）＞ｓｃｒｅｅｎ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄであり、
（ｉ１＋ｉ２＋ｉ３）＜ｓｃｒｅｅｎ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄであるとき、
第三の分解の色を有するドットを印刷
（ｉ１＋ｉ２＋ｉ３＋ｉ４−Ｍ）＞ｓｃｒｅｅｎ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄであり、
（ｉ１＋ｉ２＋ｉ３−Ｍ）＜ｓｃｒｅｅｎ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄであるとき、
第三の分解の色を有するドットを印刷
（ｉ１＋ｉ２＋ｉ３＋ｉ４−Ｍ）＞ｓｃｒｅｅｎ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄであり、
（ｉ１＋ｉ２＋ｉ３−Ｍ）＜ｓｃｒｅｅｎ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄであるとき、
第三の分解の色を有するドットを印刷
（ｉ１＋ｉ２＋ｉ３−Ｍ）＞ｓｃｒｅｅｎ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄであるとき、
第三の分解の色を有するドットを印刷

連続的な充填では単一のハーフトーンスクリーンを全ての色分解に使用するため、異なる分解における透かしは（独立した分解が独立して作用するカラーコントラストハーフトーン透かしとは異なり）協働して作用する。その結果、透かしパターンはより高い信号対雑音比を有し、透かしパターンを得るためのシフトは、埋め込み型の透かしを帯びる印刷の走査からより容易に推定(estimate)される。

認証可能なカラー画像を生成する方法を例示するために、表２に示す一対のスクリーンと、ブラック、マゼンタ、シアン、イエロー（連続的な充填について共通の明るさが漸増する順序）の連続的充填を用いて入力ＣＭＹＫ値Ｋ＝Ｃ＝Ｍ＝Ｙ＝３２を有する領域をハーフトーニングした結果を考察する。これらの２つのハーフトーンスクリーンを用いるハーフトーニングの結果が図８に示されている。図８の左側は表２の左側のスクリーンによるハーフトーニング結果に相当し、右側は表２の右側のスクリーンによるハーフトーニング結果に相当する。（ハーフトーン検出プロセスにおける）これらの２つのハーフトーン画像を重畳した結果が図９に示されている。図９の左側の画像は色の重畳を示し、右側の画像は各画素の（任意の色の）ハーフトーンドットの存在を検出した結果を示す。この処理は、例えば各画素におけるＲＧＢ最小値をとる処理を通じて行われる。図９から、各画素上の連続的充填およびドットの検出により、カラーハーフトーニング透かしをブラック及びホワイト透かしと類似させ、検出性を著しく向上させる。

ここで示されるビットマップはハーフトーン・ビットマップにおける認証可能なカラー画像を生成する方法による改善を例示しているが、ハーフトーン・ビットマップが埋め込まれた情報が検出される前に印刷され走査される場合、透かし入れと検出の完全なプロセスを考慮することが重要である。新しいスキームの実行を評価し、カラーコントラスト透かし入れと比較すべく実験を行った。

認証可能なカラー画像を生成するための提案された方法を評価し、且つその実行をカラーコントラスト透かし入れ方法と比較するために実験を行った。Ｘ形状とされた埋め込み型共役透かしを有する単色のハーフトーン確率的スクリーンが設計された。このスクリーンを使用して、透かしを入れた２つのハーフトーン・ビットマップが作成された。第一のビットマップは、特許文献３に開示される既存のカラーコントラスト透かし入れスキームを利用し、第二のビットマップは上述のごとく連続的充填を行う認証可能なカラー画像を生成する方法を用いた。

示されたシステムの態様はカラーゼログラフィック印刷システムにも見出される。例えば、ハーフトーン・ビットマップは３００ｄｐｉの解像度でゼロックスコーポレーション（Ｘｅｒｏｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）のＰｈａｓｅｒ８５０プリンタで印刷された。ある印刷はカラーコントラスト透かし（特許文献３）で印刷され、別の印刷は、認証可能なカラー画像を生成する方法により生成された連続的充填によるカラー透かしとともに印刷された。２つの印刷画像はＵＭＡＸ Ｐｏｗｅｒｌｏｏｋデスクトップスキャナを利用して解像度３００ｄｐｉで走査され、デジタル画像処理動作（例えばハーフトーニング）の実行に適したハードウェア、ソフトウェアおよび回路（メモリ、プロセッサなど）を備えたワークステーションで実行される透かし検出アルゴリズムが走査上で実行された。カラーコントラスト透かし入り画像に適用された透かし検出アルゴリズムの結果から、透かしは極めて薄く、一定領域においてのみ可視的であることがわかった。連続的に充填されるカラー透かしに適用された透かし検出アルゴリズムの結果から、「Ｘ」パターンの透かしは画像のほとんどの平滑領域上で明確に視認されたことがわかった。これらの結果から、提案された連続的に充填されるカラー透かしが従来の方法と比較して検出性の面で著しく改善されたことが明らかである。

さらに、各透かしの信号対雑音比（ＳＮＲ）が透かし検出アルゴリズムを使用して評価された。カラーコントラスト透かし入れスキームの平均ＳＮＲは０．８８であり、連続的に充填される透かし入れスキームの平均ＳＮＲは３．３４である。連続的に充填される透かし入れの著しく高いＳＮＲは視覚的な結果と一致し、認証可能なカラー画像を生成する方法により提示された性能における著しい改善を示している。実験結果から、認証可能なカラー画像を生成する方法がカラーハーフトーン透かしを著しく改善するものであり、ほとんどが色を伴う実用上の用途に、この技術が極めて近づいたことが示された。

上記説明は確率的ハーフトーンスクリーンを使用して生成された色ハーフトーン画像の透かし入れに関して行われたが、提案された発明の方法は誤差拡散法を利用してカラーデータを埋め込むために用いることができる。一実施形態において、このことは特許文献６に記載された技術などの連続的充填技術を用いるカラーに対して特許文献５に開示される単色のハーフトーンデータ埋め込み方法を利用することで実現できる。

なお、例はあくまで説明のために示されたものであり、実際の実施においては複数の異なる実施方法が可能である。図１０に示すパターンをＣＭＹＫ面から成るカラーハーフトーン画像に埋め込むと仮定する。埋め込みは、結合(joint)誤差拡散法を用い、透かしパターンに依存するバイアスを追加することで、誤差拡散画像ハーフトーニングプロセスにバイアスを導入する多数の分解をハーフトーニングすることにより実施される。例示的なバイアスパターンが図１１に示されている。このパターンのサイズは、導入される透かしパターンの２倍である。パターンは、左半分１１１０および右半分１１１２において相補的な値をとる透かしパターンに対応する領域以外ではゼロである。このバイアスは誤差拡散用の閾値に加えられる。ｔ値およびｕ値は、例えばｔ＝−ｕ＝６４となるように選択されてもよい。ハーフトーニング処理においてこのバイアスパターンを閾値に追加することは、ｕと書かれた画素上に印刷されるハーフトーンドットの配置を支援し（この領域では閾値が低くなるため）、バイアスがｔである画素にはドットを配置しないようにする（この領域では閾値が高くなるため）。図１１のバイアスパターンが左半分におけるそれぞれの位置に関連して右側では置き換えられたｔおよびｕを有することから、出力における印刷ハーフトーンドットは相補的な位置に存在する。ハーフトーン画像（または印刷されたハーフトーン画像の適切な走査）が図１１に示される矩形の半分のサイズに対応する変位により右方向に水平にシフトされ、それ自身に重畳されると、「＋」形状の透かしパターンに対応する領域のドットは異なる位置上に存在する傾向があり、一方「＋」形状の透かしパターンの外側の領域のドットは、シフトされたバージョンでランダムに配置される傾向がある。従って、「＋」形状の透かしパターンはより暗い領域として現れる。透かしのコントラストは、これらの領域のドットが同一位置に存在する傾向を高めるため、図２に示されるブランクの画素にバイアスをかけることでさらに改善され得る。このように、この説明は、カラー平面が提供される方法を示していない。従って、それを実施し得る方法のアルゴリズム的な一実施形態を以下に示す。

分解についての値がｉ１（ｘ、ｙ）、ｉ２（ｘ、ｙ）、ｉ３（ｘ、ｙ）およびｉ４（ｘ、ｙ）として画素位置（ｘ、ｙ）で特定順序で示される場合の、ＣＭＹＫ（シアン、マゼンタ、イエロー、ブラック）カラー画像について考察する（ここでは分解に関する値は０と１との間で分配されると仮定する）。この処理は以下のように表すことができる。

（全ての色の和を計算）
Ｃｏｍｐｕｔｅ ｔｈｅ ｓｕｍ ｏｆ ａｌｌ ｃｏｌｏｒａｎｔｓ
ｓ（ｘ、ｙ）＝ｉ１（ｘ、ｙ）＋ｉ２（ｘ、ｙ）＋ｉ３（ｘ、ｙ）＋ｉ４（ｘ、ｙ）

各画素位置を量子化すべく、０（ドットなし）、１（１色ドット）、２（２色ドット）、３（３色ドット）および４（４色ドット）のマルチレベル誤差拡散を合計値に適用する。この処理は、例えば各画素について変更値ｉ（ｘ、ｙ）＝ｓ（ｘ、ｙ）＋ｅ（ｘ、ｙ）を計算することにより実行できる。ｅ（ｘ、ｙ）は周知の誤差拡散法に従って、先に処理された位置から位置（ｘ、ｙ）へ拡散された誤差である。以下のように出力値ｏ（ｘ、ｙ）を得るために、ｉ（ｘ、ｙ）を４つのレベルに量子化する。

式中、ｗ（ｘ、ｙ）は上述の透かしパターンに従って決定される画素位置（ｘ、ｙ）におけるバイアスである。確立された誤差拡散手順に従って未処理の隣接値に量子化誤差ｉ（ｘ、ｙ）−ｏ（ｘ、ｙ）を拡散する。

ステップ２で識別された位置の各々に含めるべき色を決定するため、個々の分解に制約を設けて、独立した誤差拡散を適用する。例えば、第一の分解について、ｉ１’＝ｉ１（ｘ、ｙ）＋ｅ１（ｘ、ｙ）を計算する。ｅ１（ｘ、ｙ）は周知の誤差拡散法に従って、第一の分解の先に処理された位置から位置（ｘ、ｙ）へ拡散される誤差である。同様にｉ２’（ｘ、ｙ）、ｉ３’（ｘ、ｙ）、ｉ４’（ｘ、ｙ）を計算する。但し、値の量子化のため、先に確立された印刷画素数に制約を用いる。すなわち、ｏ（ｘ、ｙ）が０でない場合、ｉ１’（ｘ、ｙ）、ｉ２’（ｘ、ｙ）、ｉ３’（ｘ、ｙ）、ｉ４’（ｘ、ｙ）から最大のｏ（ｘ、ｙ）値をとり、対応する出力ｏ１’（ｘ、ｙ）、ｏ２’（ｘ、ｙ）、ｏ３’（ｘ、ｙ）、ｏ４’（ｘ、ｙ）の対応する値を１に設定し、残りの値を０とする。個々の分解のため、確立された誤差拡散手順に従って未処理の隣接値への量子化誤差を計算および拡散する。

単色の共役ハーフトーンスクリーンを使用して生成された一対の「共役」２値パターンを示す。 図１に示した２つのハーフトーン画像を重ねた結果を示す。 図１の左側のパターンとして示された同一ハーフトーン画像を２つ重ねた結果を示す。 表２に記載された一対のハーフトーンスクリーンにより生成された２つのハーフトーン画像を重ねた結果を示す。 表３に記載された一対のハーフトーンスクリーンにより生成された２つのハーフトーン画像を重ねた結果を示す。 図４の出力をシアン、図５の出力をマゼンタで組み合わせた結果を示す。 イエローおよびブルー（左図）、レッドおよびグリーン（右図）の組み合わせ結果を示す。 ＣＭＹＫ値（Ｋ＝Ｃ＝Ｍ＝Ｙ＝３２）および表２に示されるスクリーンによる入力により、Ｋ、Ｍ、Ｙ、Ｃの色順序による連続的充填を使用して生成されたハーフトーン画像を示す。 図８の２つのハーフトーン画像を重ねた結果を示す。 画像に入れられる透かしを示す。 図１０の透かしを組み込むバイアスタイルを示す。

符号の説明

１１１０、１１１２ バイアスパターン

Claims (4)

1. 認証可能なカラー画像を生成する方法であって、
   該カラー画像は複数の分解を含み、
   該カラー画像に挿入される認証可能な画像は視認が困難であり、
   認証対象の画像の複数の分解を含むカラー画像データを受信し、
   前記カラー画像データから２値カラー画像を生成するために該カラー画像データをハーフトーン化し、
   前記ハーフトーン化は確率的スクリーンを含み、
   前記ハーフトーン化画像全体にわたり周期的および規則的に繰り返されるバイアス・パターンを、前記ハーフトーン化に追加し、
   前記バイアス・パターンは第一の領域と第二の領域とを有する確率的マスクを含み、
   前記第一の領域の第一の部分は前記第二の領域の対応部分と同一であり、
   前記第一の領域の第二の部分は前記第二の領域の対応部分と共役であり、
   前記複数の分解の各々の連続的なハーフトーン化を制御し、
   前記連続的にハーフトーン化される前記複数の分解の各々は先にハーフトーン化された分解から順番に画素を充填する、
   方法。
2. 前記ハーフトーン化は、
   第一の色分解画像データと第一の色分解出力ハーフトーン画像データとの間の第一の分解ハーフトーン誤差を決定し、
   第二の色分解に対応する画像データをハーフトーン化する前に第二の色分解画像データに前記第一の分解ハーフトーン誤差を加える、
   請求項１に記載の方法。
3. 埋め込み型の透かし画像を有するカラー画像を生成する方法であって、
   該カラー画像は複数の分解を含み、
   該カラー画像に挿入される透かし画像は視覚的に認識することが困難であり、
   該方法は、
   ａ．複数の分解のための単一のハーフトーニング処理を提供し、
   前記ハーフトーニング処理は周期的なタイルを含み、
   各タイルは固定変位により隣接タイルからオフセットされ、
   前記周期的なタイルが第一の領域および第二の領域を含み、前記第一の領域の第一の部分は前記第二の領域の対応する部分と実質的に同一であり、
   前記第一の領域の第二の部分は前記第二の領域の対応する部分と実質的に共役とされており、
   ｂ．単一のハーフトーニング処理を用いて前記カラー画像からの画像データをハーフトーニングし、
   第一の閾値と関連する画素位置のセットは複数の分解のうち第一の分解により満たされ、
   ｃ．前記単一のハーフトーニング処理を用いて画像データをハーフトーニングし、
   画素位置の第二のセットは複数の分解の第二の分解に関連し、
   前記カラー画像の第一のコピーが前記カラー画像の第二のコピーから前記固定変位の整数倍だけ空間的にオフセットされるように、画素位置の前記第二のセットは画素位置の第一のセットと連続して充填され、
   少なくとも前記第一の領域の前記第一の部分は前記第二の領域の第二の部分と位置合わせされ、
   前記第一の領域の第二の部分は前記第二の領域の第一の部分と位置合わせされ、
   同一のおよび共役とされる第一の部分および第二の部分のコントラストは透かし画像を見せるべく可視化され、
   前記方法は、更に、
   第一の色分解画像データと第一の色分解出力ハーフトーン画像データとの間の第一の分解ハーフトーン誤差を決定し、
   第二の色分解に対応する画像データをハーフトーン化する前に第二の色分解画像データに前記第一の分解ハーフトーン誤差を加える、
   ことを含む、
   方法。
4. 前記単一のハーフトーニング処理は確率的スクリーンの閾値と画像の値とを比較することを含む、
   請求項３に記載の方法。

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