TWI514840B - 半色調資料隱寫編碼系統及半色調資料隱寫解碼系統 - Google Patents

Description

半色調資料隱寫編碼系統及半色調資料隱寫解碼系統

本發明是有關於一種資料編碼方法，特別是指一種可將資料隱藏於圖案中的資料隱寫編碼及解碼系統。

條碼(barcode)系統在現今產業中的應用非常廣泛，舉凡物流自動化管理、防偽、標籤等。又近年來政府積極推動數位內容產業、數位典藏計畫，藉由將寶貴的文物內容轉為數位化，使文物變得容易保存、容易輸出(被複製傳播或重複列印)後，如何兼顧版權以防止被非法授權使用，成為一個重要的課題。因此，針對上述需求，在目前的數位列印產業中，主要做法是在數位內容加上一額外的條碼，例如常見的黑白條碼或QR碼。但是要在一個印刷精美的正版印刷品上加印一個條碼，不但顯得突兀而且破壞整體美感。

因此，如何將商品資訊，例如防偽資料隱藏在附加價值高的印刷品，例如商標圖案或圖片上，使其能與 印刷品內容融為一體，而不致破壞整體美感，遂成為業界研發的重點。例如圖1所示，美國第8594453號專利揭露一種在半色調影像中編碼的方法，其顯示一由多個圖素組成的半色調單元502的一墨點形狀，且藉由將墨點上、下、左、右顛倒，使墨點位置能有四種變化，即可讓具有四種不同墨點位置的半色調單元502、504、506、508分別代表一個二元碼，例如00、01、10、11，藉此即可將資訊以二元碼方式隱寫在半色調影像中，而避免額外列印的條碼或商標破壞影像整體的美感。但此種編碼方法刻意移動墨點的方式不屬於傳統半色調轉換方式，因此容易破壞半色調影像品質。

再者，習知一種直接二位元搜尋法(direct binary search，以下簡稱DBS)可以使半色調影像的品質達到最佳，其方法如圖2所示，即測試半色調影像中每一個圖素，例如圖2位於中心的圖素10經過黑白互換(toggle)或與周邊八個鄰近的圖素黑白互換(swap)後，半色調影像與原始灰階影像兩者經由一人眼視覺模型(模擬人眼的視覺)感知後的一感知誤差值，並且不斷地重覆上述動作，以遞迴調整半色調影像直到該感知誤差值達到最小，使半色調影像在視覺上能夠最接近原始灰階影像。

因此，如何在半色調影像編碼過程中結合DBS技術，讓編碼後半色調影像品質達到最佳化，遂成為本發明的重點。

因此，本發明的目的即在於提供一種能將資料隱藏在一半色調影像中，並使編碼後半色調影像最接近原始影像的半色調資料隱寫編碼系統，以及提供一種能讀取隱藏在半色調影像中的資料的半色調資料隱寫解碼系統。

於是，本發明一種半色調資料隱寫編碼系統，用以將一灰階影像轉換成一半色調影像，並將資料隱寫在該半色調影像中；該系統包括：一半色調轉換模組，其根據一正方形臨界值矩陣，將該灰階影像轉換成一半色調影像；一可編碼區域判定模組，其根據該正方形臨界值矩陣所對應的一墨點成長序列，從該半色調影像中選出可供編碼的至少一個可編碼單元，其中該墨點成長序列包含分別由1~m個白色圖素構成的m個墨點形狀，m為該正方形臨界值矩陣中的該等臨界值數量，且該可編碼單元的墨點形狀與該墨點成長序列中形狀不對稱的該等墨點形狀其中之一相同；一編碼模組，包含與該可編碼單元的墨點形狀對應的至少兩種墨點旋轉圖案，每一種墨點旋轉圖案對應一個二元碼，且該編碼模組根據一要被隱寫的二元碼，從該等墨點旋轉圖案中選出一個墨點旋轉圖案取代該可編碼單元，使成為一已編碼單元；一非編碼單元優化模組，其針對該半色調影像中不可編碼的至少一個非編碼單元所包含的每一個圖素進行直接二位元搜尋，直到判定該非編碼單元與該灰階影像相對應的一部分影像的誤差達到最小；及一已編碼單元優化模組，其包含與該已編碼單元對應的多個墨點移動圖案，並根據該等墨點移動圖案進行直接二位 元搜尋，直到判定其中的一個墨點移動圖案與該灰階影像相對應的一部分影像的誤差達到最小，並以該墨點移動圖案取代該已編碼單元，而成為一最終編碼單元，藉此產生一編碼後半色調影像。

在本發明的一實施例中，該正方形臨界值矩陣包含由兩個二維向量[0,N]、[N,0]組成的一網幕向量以及NxN個臨界值。

在本發明的一實施例中，該非編碼單元優化模組是由上到下、由左到右一一對該半色調影像中的每一個非編碼單元進行直接二位元搜尋，並且一次只對一個非編碼單元進行直接二位元搜尋，直到該非編碼單元與該原始灰階影像中相對應的該部分影像的誤差收斂至最小後，才會再對下一個非編碼單元進行直接二位元搜尋。

此外，本發明一種半色調資料隱寫解碼系統，用以讀取隱寫在一編碼後半色調影像中的資料，並包括：一資料庫，其記錄與該編碼後半色調影像對應的一原始灰階影像、一正方形臨界值矩陣、一與該正方形臨界值矩陣對應的墨點成長序列，其包含分別由1~m個白色圖素構成的m個墨點形狀，其中m為該正方形臨界值矩陣中的該等臨界值數量，且該等墨點形狀中包含複數個形狀不對稱的墨點形狀，每一個形狀不對稱的墨點形狀對應多個墨點旋轉圖案，且每一墨點旋轉圖案代表一個二元碼；一編碼單元判定模組，其根據該正方形臨界值矩陣，將該原始灰階影像轉換成一半色調影像，並根據該墨點成長序列中形狀 不對稱的該等墨點形狀，找出該半色調影像中的至少一可編碼單元，且根據該可編碼單元，找出該編碼後半色調影像中的至少一最終編碼單元；及一解碼單元，其比對該最終編碼單元與該等形狀不對稱的墨點形狀，以找出對應的一墨點形狀，再與該墨點形狀對應的多個墨點旋轉圖案比對，以找出對應的一個二元碼。

且在本發明的一實施例中，該正方形臨界值矩陣包含由兩個二維向量[0,N]、[N,0]組成的一網幕向量以及NxN個臨界值。

本發明藉由一預設的正方形臨界值矩陣，將灰階影像10轉換成半色調影像，再根據正方形臨界值矩陣對應的一墨點成長序列中形狀不對稱的該等墨點形狀，挑出半色調影像中可以被編碼的可編碼單元，並由對應可編碼單元的多個墨點旋轉圖案中，挑出和要編碼的二位元資訊對應的一個墨點旋轉圖案取代可編碼單元，再分別對半色調影像中不可編碼的各該非編碼半色調單元以及已編碼單元進行直接二位元搜尋，以優化其影像品質，即完成編碼作業，並且使編碼後半色調影像的畫質在視覺上能最接近原始灰階影像，讓編碼後半色調影像兼具美觀與防止非法使用，確實達到本發明的功效與目的。

10‧‧‧灰階影像

11‧‧‧半色調影像

12‧‧‧已編碼半色調影像

13‧‧‧編碼後半色調影像

21‧‧‧半色調轉換模組

22‧‧‧可編碼區域判定模組

23‧‧‧編碼模組

24‧‧‧非編碼單元優化模組

25‧‧‧已編碼單元優化模組

26‧‧‧臨界值矩陣

27‧‧‧墨點成長序列

31‧‧‧資料庫

32‧‧‧編碼單元判定模組

33‧‧‧解碼模組

101‧‧‧灰階單元

110‧‧‧非編碼單元

111‧‧‧半色調單元

112‧‧‧可編碼單元

113‧‧‧已編碼單元

114‧‧‧最終編碼單元

251-253‧‧‧墨點移動圖案

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是習知一種半色調影像編碼方法藉由移動墨點形狀 進行編碼的示意圖；圖2是習知一種直接二位元搜尋法的示意圖；圖3是本發明半色調資料隱寫編碼系統的一實施例的組成元件示意圖；圖4是本實施例的半色調資料隱寫編碼系統將一灰階影像轉成一半色調影像，並從中挑出可編碼單元的流程示意圖；圖5是本實施例從一可編碼單元對應的四種墨點旋轉圖案中選取一種取代該可編碼單元以完成編碼的流程示意圖；圖6是本實施例對已編碼的半色調影像進行直接二位元搜尋以優化其影像品質的示意圖；及圖7是本發明半色調資料隱寫解碼系統的一實施例的組成元件，及其從編碼後半色調影像中找出已編碼單元並取出相對應編碼資料的流程示意圖；

參見圖3至圖6所示，是本發明半色調資料隱寫編碼系統的一實施例，其用以將資料隱寫在輸入的一灰階影像10中，並包括一半色調轉換模組21、一可編碼區域判定模組22、一編碼模組23、一非編碼單元優化模組24及一已編碼單元優化模組25。其中灰階影像10是以一具有8X8個圖素(pixel)的影像為例，其代表一待編碼影像(圖未示)其中的一小部分。且半色調轉換模組21根據一正方形臨界值矩陣26，將灰階影像10轉換成一半色調影像11。

更確切地說，本實施例採用的正方形臨界值矩陣26是一個4X4集中式網幕，其包含由兩個二維向量組成的一網幕向量以及由4X4個臨界值構成的一矩陣。且半色調轉換模組21根據正方形臨界值矩陣26的大小，將灰階影像10以4X4個圖素為一個單位(cell)，分割成四個灰階單位101，再由上到下，由左至右，將每一灰階單位101的4X4個圖素的灰階值與臨界值矩陣24中相對位置的臨界值進行比對，若圖素的灰階值大於臨界值則輸出1代表白色，否則輸出0代表黑色(墨點)，藉此將灰階影像10轉換成只以黑白二色顯示的半色調影像11，使得半色調影像11中的每一個半色調單元111都具有一墨點形狀。

且由於不同的正方形臨界值矩陣會產生相對應的一墨點成長序列。例如本實施例的正方形臨界值矩陣26具有與其相對應的墨點成長序列27，如圖4所示，其中包含16種墨點形狀以對應0~255個灰階值(每8個灰階值對應一種墨點形狀)，亦即從只有一個白點(對應灰階0~7)的墨點形狀、兩個白點的墨點形狀(對應灰階8~15)、三個白點的墨點形狀(對應灰階16~23)...至具有16個白點(對應灰階248~255，即全白)的墨點形狀。因此半色調影像11中大部分的半色調單元111是由墨點成長序列27中的墨點形狀所組成。

此外，本實施例的編碼模組23是採用旋轉墨點的方式進行編碼，亦即依照墨點形狀，例如墨點成長序列27的第6個墨點形狀，將墨點於原地順時針(或反時針)旋 轉0度或90度，使分別代表一種二元碼，例如0或1，或者依照墨點形狀，例如墨點成長序列27的第5個墨點形狀，將墨點於原地朝順時針(或反時針)依序旋轉0度、90度、180度或270度，使分別代表一種二元碼，例如00、01、10、11。因此為了能夠反應墨點旋轉前後的差異以利於編碼，必需使用形狀不對稱的墨點形狀，來挑選出半色調影像11中具有形狀不對稱的墨點形狀的那些半色調單元111做為可編碼單元。

因此，可編碼區域判定模組22會根據正方形臨界值矩陣26所對應的墨點成長序列27中的該些形狀不對稱的墨點形狀，例如由墨點成長序列27從上數下來第2、3、5、6、7、8、10、11、12、13、14、15個墨點形狀，從半色調影像11中選出可供編碼的至少一個可編碼單元，亦即可編碼區域判定模組22會將半色調影像11中的每個半色調單元111中的墨點形狀與墨點成長序列27中的該些形狀不對稱的墨點形狀進行比對，並判定墨點形狀與該些形狀不對稱的墨點形狀中的任一墨點形狀相同的半色調單元111為可編碼單元112，例如圖2中半色調影像11之左上方的半色調單元111的墨點形狀與墨點成長序列27中的第八個墨點形狀相同，即判定該單元為可編碼單元112。

接著，編碼模組23根據要寫入半色調影像中的二元碼，例如10，從圖5所示的可編碼單元112對應的四個具有不同旋轉角度的墨點旋轉圖案中，選取一個代表二元碼”10”的墨點旋轉圖案取代可編碼單元112，使成為一已 編碼單元113，即完成編碼。

且由於本實施例在編碼過程中，只改變(旋轉)半色調影像11中可編碼單元112的墨點形狀，並未增加或減少可編碼單元112中的白色圖素數量，故不會改變或影響已編碼半色調影像12的畫質。

而且，為了讓已編碼半色調影像12的品質達到最佳，且視覺上能夠最接近原始灰階影像10，如圖6所示，本實施例的非編碼單元優化模組24針對已編碼半色調影像12中的該等不可編碼的半色調單元111(以下統稱非編碼單元110)，進行如圖2所示的直接二位元搜尋(direct binary search，簡稱DBS)，亦即在每一非編碼單元110中由左到右，由上到下地對每一個畫素進行搜尋，例如將每一畫素的顏色黑白互換(toggle)，或者與其相鄰的畫素黑白互換(swap)，並經由一人眼視覺模型判斷那一種互換結果可以讓該非編碼單元110與原始灰階影像10中相對應的一部分影像的誤差達到最小，即接受該互換結果，藉此，不斷遞迴測試每一非編碼單元110中的每一個畫素，直到每一畫素皆不需再改變，即完成該等非編碼單元110的優化作業。

此外，因為本實施例的非編碼單元優化模組24是依循由上到下、由左到右的方式一一對已編碼半色調影像12中的每一個非編碼單元110進行直接二位元搜尋，因此非編碼單元優化模組24會對一個非編碼單元110進行直接二位元搜尋，直到該非編碼單元110與原始灰階影像10 中相對應的部分影像的誤差收斂至最小後，才會再對下一個非編碼單元110進行直接二位元搜尋，藉此盡可能地減少遞迴測試的次數以提升影像處理的速度。

再者，同樣地，為了讓已編碼半色調影像12的該已編碼單元113具有最佳的品質，且視覺上能夠最接近原始灰階影像10中相對應的部分影像，本實施例的已編碼單元優化模組24會針對已編碼半色調影像12中的該已編碼單元113，進行類似上述的直接二位元搜尋，不過與上述直接二位元搜尋不同的是，已編碼單元優化模組24只會測試已編碼單元113中的墨點形狀在單元中的所有可能的移動方式，例如圖6所示已編碼單元113具有三種墨點移動圖案251、252、253，且已編碼單元優化模組24根據上述的人眼視覺模型判斷那一種墨點移動圖案可以讓已編碼單元113與原始灰階影像10中相對應的部分影像的誤差達到最小，即以該種墨點移動圖案取代已編碼單元113，例如圖6所示，已編碼單元113被墨點移動圖案253取代，而成為一最終編碼單元114。藉此，不斷遞迴測試已編碼半色調影像12中的每一個已編碼單元113，即完成已編碼半色調影像12中的已編碼單元113的優化作業。

最後，再由非編碼單元優化模組24或已編碼單元優化模組25將該等優化後的非編碼單元110與最終編碼單元114合併成一編碼後半色調影像13。

因此，藉由上述方法即可將上述待編碼影像轉換成隱含有編碼資料的半色調影像，並供列印或掃描輸出 ，以應用在需要將編碼資料隱寫在特定圖案或商標中的各種不同的產業領域中。而且此種編碼方式可以讓半色調影像中的每一可編碼單元攜帶二位元或至少一位元的二元碼資料。

所以，當一圖案或商標是以一編碼後半色調影像13呈現時，為了讀取隱寫在半色調影像中的資料或資訊以進行後續驗證或應用，如圖7所示，本發明半色調資料隱寫解碼系統的一實施例，用以取出隱寫在一編碼後半色調影像13中的資料，並包括一資料庫31、一編碼單元判定模組32及一解碼模組33。其中編碼後半色調影像13代表一已編碼影像(圖未示)其中的一小部分。資料庫31主要記錄編碼後半色調影像13的原始灰階影像10，將灰階影像10轉換成半色調影像的正方形臨界值矩陣26，與正方形臨界值矩陣26對應的墨點成長序列27，以及與墨點成長序列27中的每一個形狀不對稱的墨點形狀對應的多個墨點旋轉圖案，且每一個墨點旋轉圖案代表一個二元碼，例如圖7所示，其中只顯示與墨點成長序列27中的第八個墨點形狀對應的四個墨點旋轉圖案。

因此，如圖7所示，編碼單元判定模組32收到編碼後半色調影像13時，其先將資料庫31中儲存的所有灰階影像皆根據正方形臨界值矩陣26轉換成半色調影像，再將編碼後半色調影像13與全部的半色調影像進行比對，以找出與編碼後半色調影像13對應的一個半色調影像，亦即灰階影像10所對應的半色調影像11。

接著，編碼單元判定模組32根據資料庫31儲存的第一墨點成長序列27中的該等形狀不對稱的墨點形狀，找出半色調影像11中的可編碼單元112，即可根據半色調影像11中的可編碼單元112的位置，從編碼後半色調影像13中挑出與可編碼單元112位置對應的最終編碼單元114，並交給解碼模組33。然後，解碼模組33再將最終編碼單元114的墨點形狀與資料庫31中儲存的四個與最終編碼單元114對應的墨點旋轉圖案進行比對，即可找出相對應的一個二元碼”10”，並輸出解碼結果。據此，本實施例即可根據上述解碼方法讀取隱寫在上述已編碼影像中的資料或資訊。

因此，上述實施例藉由一預設的正方形臨界值矩陣26將灰階影像10轉換成半色調影像11，再根據正方形臨界值矩陣26對應的一墨點成長序列27中形狀不對稱的該等墨點形狀，挑出半色調影像11中可以被編碼的可編碼單元112，並由對應可編碼單元112的多個墨點旋轉圖案中，挑出和要編碼的二位元資訊對應的一個墨點旋轉圖案取代可編碼單元112而成為已編碼單元113，再分別對半色調影像11中不可編碼的各該半色調單元111以及已編碼單元113進行直接二位元搜尋以優化其影像品質，即完成編碼作業，並且使編碼後半色調影像13的畫質在視覺上能最接近原始灰階影像10，使編碼後半色調影像13兼具美觀與防止非法使用，確實達到本發明的功效與目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而 已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

11‧‧‧半色調影像

12‧‧‧已編碼半色調影像

23‧‧‧編碼模組

111‧‧‧半色調單元

112‧‧‧可編碼單元

113‧‧‧已編碼單元

Claims (5)

1. 一種半色調資料隱寫編碼系統，用以將一灰階影像轉換成一半色調影像，並將資料隱寫在該半色調影像中；該系統包括：一半色調轉換模組，其根據一正方形臨界值矩陣，將該灰階影像轉換成一半色調影像；一可編碼區域判定模組，其根據該正方形臨界值矩陣所對應的一墨點成長序列，從該半色調影像中選出可供編碼的至少一個可編碼單元，其中該墨點成長序列包含分別由1~m個白色圖素構成的m個墨點形狀，m為該正方形臨界值矩陣中的臨界值數量，且該可編碼單元的墨點形狀與該墨點成長序列中形狀不對稱的該等墨點形狀其中之一相同；一編碼模組，包含與該可編碼單元的墨點形狀對應的至少兩種墨點旋轉圖案，每一種墨點旋轉圖案對應一個二元碼，且該編碼模組根據一要被隱寫的二元碼，從該等墨點旋轉圖案中選出一個墨點旋轉圖案取代該可編碼單元，使成為一已編碼單元；一非編碼單元優化模組，其針對該半色調影像中不可編碼的至少一個非編碼單元所包含的每一個圖素進行直接二位元搜尋，直到判定該非編碼單元與該灰階影像相對應的一部分影像的誤差達到最小；及一已編碼單元優化模組，其包含與該已編碼單元對應的多個墨點移動圖案，並根據該等墨點移動圖案進行 直接二位元搜尋，直到判定其中的一個墨點移動圖案與該灰階影像相對應的一部分影像的誤差達到最小，並以該墨點移動圖案取代該已編碼單元，而成為一最終編碼單元，藉此產生一編碼後半色調影像。
2. 如請求項1所述的半色調資料隱寫編碼系統，其中該正方形臨界值矩陣包含由兩個二維向量[0,N]、[N,0]組成的一網幕向量以及NxN個臨界值。
3. 如請求項1所述的半色調資料隱寫編碼系統，其中該非編碼單元優化模組是由上到下、由左到右一一對該半色調影像中的每一個非編碼單元進行直接二位元搜尋，並且一次只對一個非編碼單元進行直接二位元搜尋，直到該非編碼單元與該原始灰階影像中相對應的該部分影像的誤差收斂至最小後，才會再對下一個非編碼單元進行直接二位元搜尋。
4. 一種半色調資料隱寫解碼系統，用以讀取隱寫在一編碼後半色調影像中的資料，並包括：一資料庫，其記錄與該編碼後半色調影像對應的一原始灰階影像、一正方形臨界值矩陣、一與該正方形臨界值矩陣對應的墨點成長序列，其包含分別由1~m個白色圖素構成的m個墨點形狀，其中m為該正方形臨界值矩陣中的臨界值數量，且該等墨點形狀中包含複數個形狀不對稱的墨點形狀，每一個形狀不對稱的墨點形狀對應多個墨點旋轉圖案，且每一墨點旋轉圖案代表一個二元碼； 一編碼單元判定模組，其根據該正方形臨界值矩陣，將該原始灰階影像轉換成一半色調影像，並根據該墨點成長序列中形狀不對稱的該等墨點形狀，找出該半色調影像中的至少一可編碼單元，且根據該可編碼單元，找出該編碼後半色調影像中的至少一最終編碼單元；及一解碼單元，其比對該最終編碼單元與該等形狀不對稱的墨點形狀，以找出對應的一墨點形狀，再與該墨點形狀對應的多個墨點旋轉圖案比對，以找出對應的一個二元碼。
5. 如請求項4所述的半色調資料隱寫解碼系統，其中該正方形臨界值矩陣包含由兩個二維向量[0,N]、[N,0]組成的一網幕向量以及NxN個臨界值。