JPH11261806A - 人が読むことのできる情報を画像に埋め込むための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特別な装置を用いずに人が読むことのできる
データを、ハーフトーンパターンに埋め込むための、運
用性の高いサーペンタインハーフトーン形状を提供す
る。 【解決手段】 本発明のサーペンタインハーフトーン形
状は、ハーフトーンフィルパターンの対称軸を中心とし
た２つの対称な半々を、独立して選択的に、画像の実際
のトーンから強度変調することができる。人が読むこと
のできる情報は、ハーフトーンフィルパターンを、英数
字の文字の意味を有するパターンを構成するように密集
させることによって、画定されるので、この強度変調さ
れた部分が視覚的につながって、ハーフトーンパターン
に埋め込まれた、人が読むことのできる情報を、強調表
示できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人が読むことので
きる情報のハーフトーンパターンへの埋め込みに関し、
特に、そのような情報の可読性を強化する方法及び手段
に関する。

【０００２】

【従来の技術】種々の内容の画像にマシンが読むことの
できるデジタルデータを埋め込むために、セルフクロッ
キンググリフコードが開発されてきた。このグリフコー
ドをラインアート(lineart) 画像に統合するために、デ
ータは典型的には、小さな、同じようなサイズの、空間
的に並べられた（spatially formatted)、楕円型または
スラッシュ状のマーク、即ち”グリフ”に埋め込まれ、
グリフは、一般的に直交した配置において、左または右
に傾斜され、それぞれが二進法の”０”または”１”を
コード化する。通例、これらのグリフは、中心の空間的
に周期的な２次元格子に、１平方インチ当たり約５００
バイトまでのデータを記憶できる密度で、例えば普通紙
文書上に書き出される。従って、明らかに、このグリフ
コードは、文字及び他のタイプのラインアート画像にデ
ジタルデータチャネルを組み込むのに、よく適してい
る。実際、前述のタイプのグリフコードの長所の一つ
は、それらが概ね均一なテクスチュアの外観を有してお
り、時には実質的に均質なグレースケールの外観を有す
るように見えることすらあるので、美的な妨げになるよ
うには目立たない傾向があることである。

【０００３】タウ(Tow) は、「ハーフトーン画像にマシ
ンが読むことのできるデジタルデータを埋め込む方法及
び手段（"Methods and Means for Embedding Machine R
eadable Digital Data in Halftone Images") 」として
1994年 5月24日に発行され、本出願と同一の出願人に譲
渡された米国特許第５，３１５，１１２号に、ハーフト
ーン画像にセルフクロッキンググリフコードを組み込む
ための”丸い非対称な”ハーフトーンドットの使用を記
載している。これは、公知のまたは特定できる空間的な
配列規則に従って、データが画像のミッドトーン（中濃
度）領域に制限される場合に、有効な方法である。しか
し残念なことに、画像の、より暗い、またはより明るい
領域から、埋め込まれたデータを、許容できる信頼性を
もって再生するには、過大な感受性が要求される。もう
一つの短所は、この非対称なハーフトーンドットで構成
されたハーフトーン画像中の背景ノイズが、これらの画
像の感知される質を落とすかもしれないことである。例
えば、４つの非対称なドットは、中心点から外に放射状
に延びるパターンを形成するかもしれず、或いは、正方
形の辺を形成することもあり得る。この回転に依存する
相違は、画像中ですぐに目につくものであり、眺めた際
に、望ましくないざらつき感及びノイズを生じる。

【０００４】本発明の出願人と同一の出願人に譲渡さ
れ、「サーペンタインハーフトーン画像を生成する方法
及び装置（"Method and Apparatus for Generating Ser
pentine Halftone Images"）」として1998年 1月 6日に
発行された、米国特許第５，７０６，０９９号は、画像
にデータを埋め込むために、丸いサーペンタイン(circu
lar serpentine) のハーフトーンセル構造を導入するこ
とによって、上述の問題の部分的解決法を提供してい
る。図１に示されるように、このサーペンタインハーフ
トーンセルは、回転しても、トーンが変わらない度合い
が高い。実際には、このハーフトーンセルの円弧は、セ
ルのトーンが変わるにつれて、太さが変化する。しか
し、トーンに関係なく、各ハーフトーンセルの各円弧の
中心軸は、隣接するセルの辺と、各辺の中点で交わる。
このように、たとえ埋め込まれたデータの値が、セルの
データ軸（つまり対称軸）が、低速走査方向に対して＋
45度または−45度の向きをなすようにしていても、これ
らの円弧の軸は、実質的に、隣接するどのハーフトーン
セルの円弧の軸とも一致する。（図１参照。）セル境界
のハーフトーンセルの形状が、セルの回転に関わらず類
似しているので、回転に関連するノイズは大いに削減さ
れる。正方形の向かい合う角に四半円を有する、このタ
イプの構造は、トルーチェット(Truchet) タイルとして
も知られている。

【０００５】上記に参照した本発明の発明者の特許は、
弧状のフィルパターン（fill pattern) が、回転により
区別がつくハーフトーン構造の別の対を生成するため
に、ハーフトーンセル境界に関して45度回転されてもよ
いことを、教示している。この構造はマンハッタン (Ma
nhattans) と呼ばれており、また、時として、直立サー
ペンタイン(ortho-serpentine)としても言及される。し
かしながら、このマンハッタンまたは直立サーペンタイ
ン構造は、回転によって、サーペンタインセル構造より
も大きくトーンが変化する。このようなわけで、マンハ
ッタンまたは直立サーペンタイン構造は、各ハーフトー
ンセルに１対のデータビットを埋め込むのに必要とな
る、回転により区別がつく付加的なセル構造を提供する
というような、特別の目的に主に向けられる。

【０００６】残念ながら、本発明の発明者の上記特許に
記載のハーフトーンセル構造の円弧の対は、そのような
セル構造で構成されたハーフトーン画像から、埋め込ま
れたマシンが読むことのできるデータが、効果的に再生
される、ダイナミックトーンレンジに、望ましくない制
約を課している。図２を参照すると、より暗いトーンを
生成するために、円弧の線幅、即ち太さが増すにつれ
て、円弧は１５におけるように重なった状態に達し、ト
ーンが暗くなるほど重なりの程度が増す。この重なりが
生じてしまうと、埋め込まれた”０”を埋め込まれた”
１”から区別するのは、セルの四隅の形状情報だけにな
り、特に重なりの量が増加するにつれて、形状情報が誤
変換されるリスクを伴う。従って、回転しても実質的に
トーンが変わらないだけでなく、拡張されたトーンレン
ジ全体に渡って容易に確認できる配置方向の目印をも提
供する、ハーフトーンセルを構成する技術を有すること
は、明らかに有益である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この双曲線サーペンタ
インハーフトーンセルは、円形サーペンタインハーフト
ーンセル同様、人が読むことのできる情報をハーフトー
ンパターンに埋め込むために、幾何学的に密集させるこ
とができる。しかし、そのような人が読むことのできる
情報を、パターンの周囲の部分から際立たせる技術を有
することが、望ましいであろう。

【０００８】上記に記した目標を実現するために、本発
明は、パターンに埋め込まれた、人が読むことのできる
情報を画定する、サーペンタインハーフトーンパターン
の構造を、選択的に強調する方法及び手段を提供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に従ったハーフト
ーンパターンを生成するために推奨される方法は、従来
のハーフトーン生成方法と幾分異なる。本発明の目標
は、ハーフトーンフィルパターンのエッジ、即ち”形
状”の、ハイライトからシャドウへと大きくなるにつれ
ての発展の仕方を、より正確に制御することである。

【００１０】特に、従来のデジタルハーフトーン処理で
は、閾値アレイの適切な数のビットをオンにして、所望
のトーンを生成する。アレイは、閾値が上昇するにつれ
て、中央ロケーションから外に向けてスパイラルを描
く、閾値のシーケンスを保持する。ハーフトーンセル内
のこれらのロケーションに対応するビットは、入ってく
るデータ強度がそのビットロケーションの閾値に等しい
か、または閾値より大きいと、”オンになる”。この方
法は、閾値が次々と、強度値のレンジの例えば０から２
５５までを、行ったり来たりするにつれて、非対称的に
大きくなるハーフトーンドットを生成する。

【００１１】しかし、サーペンタインパターンについて
は、より良い形状制御を維持するために、ハーフトーン
フィルパターンを、パターンの周辺上の全ての位置で同
時に大きくすることが望まれる。従って、ハーフトーン
フィルパターンを生成するには、典型的に２ステップの
プロセスが用いられる。第１に、ハイライト領域に当た
る最も小さい形状から、ミッドトーンを経て、最後にハ
ーフトーンセル全体を覆うまで、所定の発展に従って大
きくなる、解析的形状関数が定義される。このステップ
では、形状情報は、解析関数により”無限の精度”をも
って維持される。第２に、形状の領域がより大きくなる
につれて、フィルパターン、即ち形状は、対応する形状
を有するテキストまたはラインアートのセグメントであ
るかのように、描画される。ハーフトーンの形状及びト
ーンの発展が解析関数で定められるので、その結果、形
状及びトーンをよりよく制御できる。それにも関わら
ず、サーペンタインを生成するためには、十分に大きな
閾値アレイを前提とすれば、従来の閾値アレイを用いる
ことができるであろうと信じられる。

【００１２】形状関数を解析的に定義するにあたって、
２つの主な目標がある。第１の目標は、強度値０の最も
小さい形状から、例えば強度値２５５の最も大きい形状
へと大きくなるまで、連続した形式で発展可能な関数を
定義することである。関数の非連続性によって生じるト
ーンのとびは、どのようなものでも、ハーフトーン画像
内ですぐに目につくであろう。第２の目標は、前記関数
が、ハーフトーンセル内の任意の点から最も近い形状エ
ッジの位置及び角度に対して、関数の発展の全段階で解
析的な精度をもって、確実に解かれ得るようにすること
である。上記目標の達成によって、形状が正確に描画さ
れる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図３は、ハーフトーンセルと基本
双曲線型形状関数との関係を示している。この関係は、
次の式のような、原点を中心としてＹ軸上に焦点を有す
る双曲線から始めて、展開される。

【００１４】

【数１】

【００１５】４つの線、ｘ＝ａ、ｘ＝−ａ、ｙ＝ｂ、ｙ
＝−ｂの交点は、対角線が双曲線の漸近線を形成する矩
形を画定する。次に、双曲線の焦点ｆのＹ軸に沿った位
置をｃとした場合は、次式を満たす、辺ａ、ｂ、ｃから
なる直角三角形ができる。

【００１６】

【数２】

【００１７】ハーフトーンセルの辺Ｓの長さは、ハーフ
トーンセルの画素サイズによって決定される。曲線群を
作るのに用いられる戦略は、焦点を適当な値に固定し、
それからハーフトーンセルの辺に沿ったｘ，ｙの値（図
３でｐｘ，ｐｙと示される）を１つずつ、曲線群の各要
素に対して選択することである。ｘ、ｙ及びｃが分かれ
ば、方程式（１）及び（２）は２つの未知数ａ及びｂの
連立方程式になる。従って、連立方程式を解いてａ及び
ｂの解を求めることができ、曲線群の各要素ごとに方程
式（１）の１つの実例ができる。

【００１８】認識されるように、もし焦点が原点に接近
して配置されれば、生成される双曲線群は、原点付近で
急激に方向を変え、他では概ね真っ直ぐであろう。一
方、もし焦点がハーフトーンセルの一番上の頂点に接近
するように選択されれば、曲線は、問題の領域全体で概
ね真っ直ぐなままであろう。これら２つの極端な例の中
間をとって、原点とセルの頂点との間の距離の２／３の
値が焦点として選択されるのが適切である。従って、以
下のｃを求める方程式でｋ＝２／３としておく。

【００１９】

【数３】

【００２０】すると、パラメータｂ及びａは、方程式
（１）及び（２）を連立して解いた、以下の関係によっ
て求められる。

【００２１】

【数４】

【００２２】図４は、焦点パラメータｋが２／３と設定
されているときに、ハーフトーンセルの辺上の異なるｘ
＝ｐｘ，ｙ＝ｐｙの値から生成された曲線の、幾つかの
代表的な例を示している。

【００２３】サーペンタインハーフトーンパターンのト
ーンを、回転しても実質的に変わらないようにしている
性質の１つは、セルを９０度回転しても、隣合うハーフ
トーンセル間との境界で、ほとんど変化がないことであ
る。これは、フィルパターン即ち形状を定める１対の曲
線のそれぞれの交点を、ハーフトーンセルの辺Ｓの中点
から等距離にあるように選択することによって、達成さ
れる。２つの双曲線が、サーペンタイン形状を画定する
ために用いられ、それらの曲線がハーフトーンセルの周
辺と交わる点ｐｘ，ｐｙが選択されて、これらの交点は
セルの辺Ｓの中点から反対方向に等しく置き換えられ
る。図５は、この場合の、１対の曲線ｃ１及びｃ２、並
びに、対応する鏡像の１対の曲線ｃ３及びｃ４の一例を
示している。これら２対の曲線及びハーフトーンセルの
辺は、典型的に、サーペンタイン形状関数に対応するフ
ィルイン（fill-in ）領域を定める。

【００２４】前に指摘したように、本発明のハーフトー
ン形状は、形状がテキストまたはラインアートの一部で
あるかのように、描画されることが、有利である。ハー
フトーン形状が定められる解析的精度を有効活用するた
めに、形状のエッジの描画は、典型的に、レーザプリン
タ（図示せず）のレーザを、走査スポットのサイズより
細かい精度で変調することによって、実施される。例え
ば、走査スポットがスポット自体の直径をスウィープ
（掃引）し終えるのに要する時間内に、レーザを変調す
るための８ビットまでのデジタル情報を供給できる。こ
の目的のために、図６に示されるように、ハーフトーン
処理装置は典型的に、複数の強度”プレーン（plane)”
で構成される、階層分類的に組織されたテーブルルック
アップメモリ２１を有する。各強度プレーンは、個々に
アドレス可能なメモリセルの、例えば３２×３２アレイ
のような、２次元アレイで構成される。例えば、ルック
アップメモリ２１は、受け取られる個々のデータ値によ
って選択的にアドレスされるように索引付けされた、２
５６個の個別にアドレスできるデータプレーンを、有し
てもよい。一方、Ａ及びＢアキュムレータ、２２及び２
３は、各強度プレーンに備えたメモリアレイのＡ（水平
方向）及びＢ（垂直方向）の次元をモジュロとする（つ
まりモジュロ３２）数値を蓄積し、Ａ及びＢアキュムレ
ータに蓄積された値が増分される比率によって決定され
るスクリーン角度で、一連のハーフトーンセルを横断し
てスウィープする、走査ビームの位置を追跡する。

【００２５】このテーブル検索技術は、各アクセスに応
答して１バイトまでの出力データを生成する能力があ
る。Ａ及びＢアキュムレータ、２２及び２３は、米国特
許第５，４１０，４１４号ではＸ及びＹアキュムレータ
としてそれぞれ示されている。しかし、Ｘ及びＹは、本
開示の目的のためには、プリントプロセスの高速走査及
び低速走査の方向を示すためにとってあるので、アキュ
ムレータ２２及び２３にはＡ及びＢという表示が、明確
さを増すために適用されている。いずれにせよ、描画中
のハーフトーンセル内のスポットの現在位置からの、特
定の強度プレーンに対応するハーフトーンフィルパター
ンのエッジの距離及び角度を、有効活用するために、ル
ックアップメモリ２１の各強度プレーンの各メモリセル
にロードされる値は、注意深く選択される。これが、ト
ーン即ち濃度情報だけが分かっている従来のハーフトー
ン処理方法との、決定的な違いである。

【００２６】特に、サーペンタイン形状関数のための２
対の曲線の両方を一旦見つけてしまえば、課題は、任意
の可能なスポット位置から、最も近い形状のエッジを見
つけることである。これらの潜在的なスポット位置は、
ハーフトーンセル内の各メモリロケーションに対応する
ので、各メモリロケーションは特定の空間位置に対応す
る。従って、ハーフトーンセル内の各メモリロケーショ
ンは、ｘ−ｙグリッド上のメモリロケーションの中心に
対応するｘ₀ ，ｙ₀ と示すことができる。次いで、ｘ，
ｙでの曲線の導関数の負の逆数を、ｘ₀ ，ｙ₀ 及びｘ，
ｙの間に引かれた線の傾きと等しくなるように設定する
ことによって、曲線上の最も近い点が求められる。方程
式（１）から求めたｙの解を代入することにより、ｙへ
の参照を全て消去でき、それによって唯一の未知数がｘ
である方程式を与える。

【００２７】

【数５】

【００２８】開方に適したルーチンを用いて、ｘの値を
求めた。次いで、方程式（１）から、ｙの値を求めた。
スポット位置ｘ₀ ，ｙ₀ とセルロケーションｘ，ｙとの
間の距離及び角度が求められ、適切な変調値が、そのメ
モリセルに記憶される。このプロセスは、ｘ₀ ，ｙ₀ プ
レーンの中の全てのメモリロケーションに対して繰り返
され、次にルックアップテーブル２１の全ての強度プレ
ーンに対して再び繰り返される。これらの値は、ルック
アップテーブル２１の各メモリロケーションに対して１
回だけ計算されるため、平方根を求めるのに要する時間
は重要ではない。テーブル検索は計算を必要とせず、プ
リント中にプリント速度を落とすことなく、実行でき
る。

【００２９】理解されるであろうが、ルックアップテー
ブル２１は、プリントプロセスで要求される各強度に対
応したトーンを供給する。例えば、テーブル２１は、２
５６通りの異なるトーンを、可能なデータ入力強度値毎
に１つ、供給してもよい。従って、前に指摘したよう
に、ルックアップテーブル用のメモリは、ハーフトーン
セル内のｘ，ｙスクリーン位置を定義する従来の２つの
軸と、データの制御下で、異なる”強度プレーン”に索
引をつけるための第３の軸という、３つの軸を有する。
通常の８ビットデータ値用のテストプリントは、２５６
通りの異なるｐｘ，ｐｙの値の直線の傾斜を用いて実施
され、辺の中点から始まり（明るいトーン）、セルの頂
点で終わる（暗いトーン）。このプリントは濃度計で測
定でき、プリンタがプリントする実際のトーンが分か
る。逆の作業をすることによって、２５６通りのｐｘ，
ｐｙ値の直線の傾斜を、各入力強度値に対する正確なト
ーン出力をより良く表す曲線に、調整することができ
る。この曲線はトーン（階調）再現曲線と呼ばれてお
り、”無限の精度”をもって形状関数が定義されるの
で、曲線の精度も高くすることができる。

【００３０】コントラストは、高画質画像の重要な特性
である。トーンがほとんど無い、若しくは全く無い領
域、または、完全に飽和した（saturated ）暗いトーン
の領域は、ハイライトからシャドウまでのトーンの連続
体の中の、極端な部分を表す。人間である観察者が、明
るい又は暗い領域を見る能力は、これらの濃度をもたら
すプリントプロセスの能力を超えている。しかしなが
ら、この能力の差は、プリントプロセスが、見る人を非
常に満足させる画像を作ることを妨げるものではない。
さらに、ルーペを用いて、肖像や風景といった多くの高
画質画像を調べてみると、肉眼には、本当に白または黒
に見える多くの領域が、完全には飽和してはいないこと
が分かるであろう。これは、明るい領域は小さなハーフ
トーン構造を有し、より暗い領域に囲まれているから、
明るく見えるだけだからである。同様に、一見黒く見え
る領域も、ハーフトーンドット間に白い隙間を有するこ
とがあり、より明るい領域が近接しているから、黒く見
えるのである。図７は、典型的な双曲線状サーペンタイ
ンハーフトーンフィルパターンが大きくなる様子を図示
する。

【００３１】明らかに、ハーフトーンドットが全く存在
しない領域、またはドットが画像平面を完全に覆うほ
ど、十分に飽和した領域には、データを埋め込めない。
プリントプロセスにとってだけではなく人間の観察者に
とっても、コントラストは相対的なものなので、特に、
データが冗長に（redundantly ）記録されている、及び
／またはデータ上で算出されたエラー修正コードによっ
て保護されている場合には、殆どの画像のコントラスト
を適切に調整でき、そのような画像に埋め込まれたデー
タを信頼できるように再生できる。

【００３２】図６の態様に示されているハーフトーン生
成装置２１によって生成できる２５６通りの異なるハー
フトーンセルは、サーペンタインが描画される方向とは
無関係である。もし望むなら、ハーフトーン画像に埋め
込まれるべきデータビットのシリアルストリームを、別
個のチャネルを介して、例えば９番目のビットとして、
少なくとも幾つかのデータサンプル用に、システムに入
力可能である。しかしながら、カラーレーザプリンタ
（図示せず）によって実行されるゼログラフィー（静電
写真）プロセスは、各カラー層（イエロー、マゼンタ、
シアン、及びブラック）ごとに、１２８通りだけの異な
る（等しく間隔を置いた）トーンを再現するに限られる
こともある。その場合は、各データサンプルの最も重要
でないビットを埋め込みデータ用にとっておくことで、
８ビットデータチャネルを使用できる。そのような実施
のために、サーペンタイン形状が、例えば、偶数番号の
プレーンは左に傾斜した形状を収容し、奇数番号のプレ
ーンは右に傾斜した形状を収容して、互い違いの方向
で、ルックアップテーブル２１の各強度プレーンに描画
されるのが、適切である。

【００３３】１インチ当たり４００の走査線をプリント
するプリンタでのプロトタイピングは、１インチ当たり
１００個のサーペンタインハーフトーンドットをプリン
トする。各ハーフトーンドットは１ビットの埋め込み情
報を有するため、１平方インチ当たり、ざっと10,000ビ
ットつまり1250バイトの埋め込みデータがある。上述の
米国特許第５，４５３，６０５号に記載の、標準グリ
フ”埋め込みデータブロック（embedded data block)”
（ＥＤＢ）は、同期コード、及びデータ回復に備える冗
長性を付与するために用いられた。上記は典型的に、１
インチ当たり 500バイトの全体のデータ密度に対して、
2.5 の係数で、データ密度を減らす。

【００３４】各カラープレーンに同一の埋め込みデータ
が送られるので、フルカラー画像を再現する際、サーペ
ンタイン形状は正確に重なる。もし、これがなされない
としたら、カラー制御は遙かに困難になろう。そうなる
と、カラー分解の重複は、イエロー、マゼンタ、シア
ン、またはブラックの層に埋め込まれたデータの差異の
関数として変化するであろうから、色は画像データと同
じく埋め込みデータにも依存することになろう。

【００３５】サーペンタイン形状は、上書きする画像と
は独立の、多くの異なる面白いパターンになるようにタ
イル貼り（tile) できる。データを非ランダムなパター
ンに密集させることによって、ある種の有用な形状が形
成される。例えば、０と１をチェッカーボード上のよう
に交互に配置すると、図８のように、丸い”ドーナツ”
パターンのアレイが形成される。このタイプのパターン
は、特に、このドーナツのようなパターンが、埋め込み
データ領域を囲む”フレーム”としてアレイになってい
る場所の、データ再生中のデータ同期に有用かもしれな
い。確かに、このマクロ形状で作られたフレームの方
が、一定の、または擬似乱数的に変化する”０”及び”
１”で作られたフレームより、認識しやすいかもしれな
い。

【００３６】図９は、切れ目のない”１”の連なりを表
す画像の一例を示している。この”波のような”パター
ンは、ラインスクリーン、即ち、画像全体が一連の縦線
で描画され、トーンを添えるために線幅だけが変調され
る、ハーフトーンの１タイプに類似している。このサー
ペンタインの波のような性質は、そうでなければ概ね直
線であろうものに、二次元的な性状を与える。このサー
ペンタインパターンは、相当する直線パターンよりも長
い周辺を有しており、そのことは、このサーペンタイン
パターンが、所定のハーフトーン周波数において効果的
に作られる差異のあるトーンレベルの数を増やすため
の、基礎であることを意味する。

【００３７】埋め込みデータを密集させる別の方法は、
文字の意味を有し、従って、装置による読み込みやコン
ピュータによるデコードを必要とせずに、人が読むこと
のできる可能性を有するパターンを形成することであ
る。例えば、図１０のタイルパターンには、"read"とい
う単語が埋め込まれている。この場合は、数十ビットの
密集データが配置されて、標準８ビットASCII 文字コー
ドに代表される文字に相当すると考えられてよい、英数
字の文字を形成している。データを読み込んでデコード
するコンピュータは不要なので、同期コードは不要であ
る。そのような、人が読むことのできるパターンは、典
型的に、パターンを含む画像中に、冗長にコード化され
ている。そのようなパターンによって表されるテキスト
のサイズ及びデザインに従って、冗長性の係数（redund
ancy factor ）は３から５の間であるのが、大体の基準
となろう。

【００３８】これまでに、人が読むことのできる様々な
サイズ及び形状のパターンが構成されており、ルーペま
たは拡大鏡を介した視野は限られがちであることから、
通常は、小さいパターンの方が読みやすいことが分かっ
ている。初めて画像を与えられた被験者は、できるだけ
大きな範囲を見ることが有益である。被験者に、個々の
文字が見えたら、一文字ずつ書き出すように頼むこと
も、役に立つ。被験者が画像とルーペを与えられ、単
に、背景のハーフトーンに隠されたメッセージを見つけ
だすように頼まれると、通常、被験者が遭遇する問題
は、どのようなスケールで、埋め込まれた言葉を探せば
よいのか分からないということである。しかしながら、
強調表示されているサンプルメッセージを有する拡大画
像の形態でヒントを与えられた場合は、学習時間は大い
に削減される。観察者が探すべきものを学習してしまえ
ば、データを読む課題は容易になる。

【００３９】このタイプの埋め込みデータを、多くの他
のタイプから区別する特徴の１つは、メッセージのデコ
ードに、低い技術だけを要することである。即ち、必要
なのは拡大鏡だけであり、これは世界中でたやすく入手
できる。従って、認証には、入力スキャナ、コンピュー
タ、入手困難なプラスチックのオーバーレイ、または他
の、手元に無い、または容易に入手できないかもしれな
い装置は、不要である。

【００４０】上述の議論は、ハーフトーン形状の９０度
の回転で生じる違いを識別することを意図している。識
別技術の限界のみを条件として、データを埋め込むため
に、より小さい回転変位を用いて、同時にデータチャネ
ル容量を増加してもよい。例えば、左または右４５度に
傾斜したハーフトーンの代わりに、画像に対して直交す
る関係を持つハーフトーン構造を作成して用いる方法を
開発するのに、幾つかの努力が捧げられてきた。この直
交するハーフトーンは、傾斜したハーフトーンと組み合
わされると、データをハーフトーン画像に埋め込むため
の、４つの識別可能なハーフトーン構造を伴うシステム
となった。再び図５を参照すると、この追加のサーペン
タインを構成するために、セル頂点が一番上になるよう
にセルが配向され、２対の曲線ｃ１とｃ２、並びに、ｃ
３とｃ４が境界をなすサーペンタイン形状がフィルイン
される。

【００４１】単純にセルを４５度回転し、曲線間のフィ
ルイン領域の補色をとること（complementing ）によっ
て、新しいタイプの”直立サーペンタイン”形状を構成
できる。これは図１１に示されている。このときのフィ
ルイン領域は、ｃ１とセル頂部との間、ｃ４とセル底部
との間、またはｃ２、ｃ３、及びセルの辺との間であ
る。セル辺上のフィルイン領域の境界が等しくなるよう
に、曲線の位置が依然として揃えられていることに注目
されたい。これは、９０度の回転を介しても、セル境界
でトーンが影響されないままであることを保証する。

【００４２】これらのセルは、データを２方向に埋め込
むために用いられた場合は、斜めに配向されたサーペン
タインとして用いることができ、或いは４方向コード化
（quadrature encoding ）を達成するために斜めのサー
ペンタインと組み合わせることができる。配置方向の垂
直または水平の性質により、より多くの様々なパターン
が構成できる。

【００４３】残念ながら、この直立サーペンタイン形式
のハーフトーンセル形状のパターン中での挙動は、斜め
のサーペンタインほど好ましくない。問題は、この形状
が各セルごとに２つの”行き止まり”を与えることであ
る。すると、ハーフトーンの連続性が失われ、ハーフト
ーンの外観に”ノイズが多く”なる。しかしながら、よ
り高いハーフトーン周波数を用いることによって、ノイ
ズが減る可能性もあり、また、あまりノイズの影響を受
けない画像内で、この構造の使い途があるかもしれな
い。

【００４４】注目されるべきフィルイン領域及び形状の
配置方向には、他に２つの置き換えもある。それらは、
図１２に示されるように、上述したハーフトーンフィル
パターンのフィルイン領域の補色をとることによって得
られ、ハーフトーンセルの辺からではなく、角から発す
る形状を作り出す。図５の基本のサーペンタインパター
ンから導出された補足形状（complementary shape ）
は、１対の”行き止まり”を有する形状のもう一つの例
であるので、図１１の直立サーペンタイン形状から得ら
れた補足形状は、より低いノイズ特性を有する傾向にあ
る。

【００４５】サーペンタイン埋め込みデータの興味深い
拡張を、例えば、透かしに適用してもよい。透かしと
は、文書中の、大変複写が困難な可視の二次的な埋め込
み画像か、または画像中の、複写されないことが大変困
難な不可視のデータ記号のことである。このサーペンタ
インの応用は、これらの透かし戦略の、第１のタイプに
焦点をあてる。

【００４６】図１３に示されるように、サーペンタイン
ハーフトーン構造は、ハーフトーンセルの対角線のデー
タ軸に関して対称な２つの鏡像形状で、効果的に構成さ
れている。ハーフトーンセルの対称な各半分は、各々の
トーンまたはシェードが、画像の局所的なトーンから、
ある所定の量だけ、独立してオフセット（offset）され
るという、興味深い特性を有する。従って、サーペンタ
イン形状の、許容できる角度方向のそれぞれで、このオ
フセットの２つの置換が作成されてもよく、すると、２
つの許容できる角度方向を有する形状は、この半分のセ
ルの強度変調の区別できる置換を４つまで提供すること
ができる。例えば、図１３で”２”と表示されているセ
ルは、上右半分に０の強度オフセットを用いて構成され
ているので、セルのこの部分のトーンは画像データを忠
実に表す。しかし、同じセルの下左半分のトーンは、画
像値が最高強度の半分より低い場合は、画像に依存する
強度レベルからプラスのオフセットで、画像値が最高強
度の半分より高い場合は、画像に依存するレベルからマ
イナスのオフセットで、強度変調される。同様に、”
４”と表示されているセルは、上右半分にそのような強
度オフセットが適用されており、”６”と表示されてい
るセルは、両方にそのようなオフセットが適用されてい
る。認識されるように、この選択的トーン変調は、例え
ば、人が読むことのできる埋め込みデータパターンを、
より人目につきやすくする利点のために用いられてもよ
い。そのような、埋め込まれた二次的データを構成する
のに用いられるハーフトーンセル構造を完成するため
に、パターンは選択的に原画からオフセットされるであ
ろう。例えば、この技術は、図１０の単語 "read" を、
その周囲から視覚的にオフセットするのに用いることが
できそうである。

【００４７】図１４に移ると、この選択的変調プロセス
は、図６に示されるハーフトーン生成装置のデータチャ
ネルを補って、コントローラ３１を、装置に含めること
によって、すぐに実行できる。コントローラ３１は、所
望の変調のデジタル記述、及び、プリント中のハーフト
ーンセルに関するレーザビーム存在位置のデジタル表現
に応答する、データサンプルへの、またはデータサンプ
ルからの、所定のデジタルオフセット値を選択的に加算
または減算するために用いられる。任意に与えられた時
間に構成中の、ハーフトーンセルの配置方向は、そのハ
ーフトーンセルに埋め込まれているデータのビット値に
依存する。しかしながら、左に傾斜したデータ軸を有す
るハーフトーンセルの半分からもう一方へのレーザビー
ムの遷移は、Ａ及びＢアキュムレータの和が所定値（図
示された例では３２）を通過する時に、確認される。そ
れと似たように、右に傾斜したデータ軸を有するハーフ
トーンセルの半分からもう一方へのレーザビームの遷移
は、Ａ及びＢアキュムレータの差がもう一つの所定値
（この例では０）を通過する時に、確認される。従っ
て、直列データに応答する閾値論理３２を用いて、アキ
ュムレータ２２及び２３によって蓄積された値を演算的
にモニターし、ハーフトーンセルのどちらの半分に走査
スポットがあるかをコントローラ３１のために確認する
ことができる。一方、所望の強度変調のデジタル記述
は、典型的に、変調状態を区別するのに十分なビット長
（例えば、図１３に示される８つの状態に備えるには、
３ビットの長さの値）のデジタル値として、コントロー
ラ３１に加えられる。

【００４８】フルカラーでプリントされる、正確なカラ
ーバランスとハーフトーン形状を有するサーペンタイン
を、複写術によって（reprographically）再現するのは
非常に困難である。ハーフトーンセル内の、より暗い領
域を表す、狭く斜めに延びる、色の無い領域（図７参
照）は、忠実に再現するのが特に困難である。というの
は、通常の複写は、近くに隣合う形状に、ぼけを生じて
一緒にしてしまう傾向があり、セル方向の決定を補助す
る形状情報及び手掛かりを（消さないまでも）劣化させ
るからである。この顕著な特徴がないと、画像は”ワッ
フル（格子形の刻み目の）パターン”の形態をとり、偽
造であることが容易に確認される。上記は、１インチ当
たり約１００セルしかないスクリーン周波数でプリント
されたハーフトーンで、観察されている。従って、この
サーペンタインパターンの、フォトコピーによる偽造に
対する阻止力は、典型的に１インチ当たり１５０から２
００セルのハーフトーン周波数を有する、より高画質の
画像では、増加すると信じられる。

【００４９】典型的なカラー複写機が、高画質画像の正
確なトーンの再現に優れているとしても、これをきちん
となすためには、複写機は独自のハーフトーンアルゴリ
ズムを供給しなければならない。通常、複写機は、マシ
ンのエレクトロニクスに独自の電子的ハーフトーン処理
装置を埋め込んでおり、このハーフトーン処理装置は、
典型的に、マシンに依存する調子再現曲線、及び、実行
に依存するハーフトーンドット形状に合わせて、最適化
されている。したがって、存在するサーペンタイン以外
のハーフトーンが、サーペンタインハーフトーンを再現
できるということは、およそありそうもない。サーペン
タイン画像を再現できる別の方法は、画像を読み込み、
セル配置方向を決定するために画像を処理し、”オリジ
ナル”をプリントするのに必要なオリジナルデータファ
イルを再現することである。このためには、サーペンタ
インをプリントできるプリンタにアクセスする必要があ
り、通常の偽造者は、やりそうもないことである。

【００５０】従って、サーペンタインは、信頼性の高い
プリントアプリケーションのための、優れた候補であ
る。このアプリケーションのために、１つまたはそれ以
上のサーペンタインパターンを有するようにデザインさ
れた原本の文書をプリントするために、典型的に、”信
頼性の高いプリンタ”（例えば、官公庁のような、信頼
性の高い団体によってコントロールされるプリンタ）
が、使用される。所定のマシン及び／または人が読むこ
とのできる情報は、各原本の文書にプリントされるサー
ペンタインパターンの少なくとも１つに埋め込まれ、そ
のような文書の任意に与えられたプリントは、問題の文
書からこの既知の情報を再生しようと試みることによっ
て、原本であるかどうかを、証明または否定される。上
記は偽造に対抗する絶対的な安全対策ではないが、ゼロ
グラフィーによる複写、または他の簡便に作成された複
写を、原本としてつかませようとする人々への、大きな
抑止力となる。

【００５１】

【発明の効果】プリントされた文書に空間的にデータを
埋め込むために使用できる、高い能力のハーフトーン形
状が述べられてきた。サーペンタイン（serpentine) と
呼ばれるのは、その蛇行する性質のせいであり、サーペ
ンタインは、データを埋め込む能力とは別に、高画質画
像を表示することもできる。円の代わりに、双曲線状の
形状構造を基礎とすることで、ダイナミックトーンレン
ジを拡張する。この形状は正確なトーン制御を可能と
し、カラープリントにも用いることができる。埋め込み
データは、標準グリフフォーマットに使用されるような
データブロックのフレームにはめ込むことができ、また
数字や文字のような形状のパターンに密集させることが
できる。この構造は、人が拡大鏡を補助具に用いて読む
ことができ、入力スキャナやコンピュータを使用する必
要がないという、長所を有する。この形状を４５度回転
することにより、斜めの構造に加えて、２つの代用”直
立サーペンタイン”構造を構成でき、４つの配置方向を
伴う埋め込みデータシステムを作り出す。この４方向シ
ステムは、より多くの変化に富んだパターンを作ること
もできるが、付加的なノイズを短所とする。

【００５２】サーペンタインに大きなダイナミックレン
ジを与える特徴は、また、サーペンタインの複写も困難
にする。双曲線が、ハーフトーンセルを限定する対角線
に漸近的に近づくにつれて、白の小さな領域は、コント
ラストを失わずに複写することが極端に困難になる。そ
の結果生じる、ハーフトーンスクリーンの”ワッフル”
の外観は、方向性を欠いて都合が良い。このサーペンタ
インの特徴は、画像認証及び偽造防止に向いている。

【００５３】サーペンタイン埋め込みデータの複写が困
難なことに依拠する、信頼性の高いプリント用アプリケ
ーションが述べられた。プリントサービスを用いて安価
なサーペンタインのオリジナルを作り、著者及び文書の
所有者に戻る収益の流れを確立する。サーペンタインの
オリジナルを作成するのは困難であり、利益を上げるに
は多数の複製をつくらなければならず、物理的な配布を
通して摘発される危険があるため、価値の低いプリント
の偽造は魅力がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】円形サーペンタインハーフトーンセルで構成さ
れるパターンを示す図である。

【図２】徐々に暗いトーン値になり、セルを構成する円
弧の重なりを生じるトーン値を含む、一組の円形サーペ
ンタインハーフトーンセルを示す図である。

【図３】ハーフトーンセルと、解析的に定義された双曲
線形状関数との、典型的な関係を示す図である。

【図４】図３に示される形状関数に整合する双曲線群の
代表的な例を示す図である。

【図５】図３に示される形状関数に整合する双曲線ハー
フトーン形状を示す図である。

【図６】適切なハーフトーン生成装置の線図である。

【図７】双曲線ハーフトーン形状の成長を示す図であ
る。

【図８】非ランダムサーペンタインパターンを示す図で
ある。

【図９】別の非ランダムサーペンタインパターンを示す
図である。

【図１０】人が読むことができる情報を含むサーペンタ
インパターンを示す図である。

【図１１】直立サーペンタインハーフトーンフィルパタ
ーンを示す図である。

【図１２】補足的サーペンタインハーフトーンフィルパ
ターンを示す図である。

【図１３】データ変調サーペンタインパターンの、対称
な構成要素の選択的強度変調を示す図である。

【図１４】図１２に示される選択的強度変調を実行する
ための、ハーフトーン生成装置を模式的に示す図であ
る。

【符号の説明】

２１ テーブルルックアップメモリ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人が読むことのできる情報を画像に埋め
   込むための方法であって、該方法は、 セルのそれぞれが該セルの中心軸について対称なフィル
   パターンを含む、ハーフトーンセルによって構成される
   ハーフトーンパターンに前記情報を埋め込むために、人
   が読むことのできる情報を含む画像を画定するトーン値
   データを、ハーフトーン生成装置に入力するステップ
   と、 前記人が読むことのできる情報を、前記画像の人が読め
   ない部分から、視覚的にオフセットするように、前記デ
   ータの選択された部分のトーン値を、選択的に変調する
   ステップと、 を有する、人が読むことのできる情報を画像に埋め込む
   ための方法。