基于莫尔条纹隐藏图像动态显隐方法的研究

孟卿君，党玲玉，雷怀光，郭凌华，温 蕾，任一方

(1.陕西科技大学 轻工科学与工程学院，陕西 西安 710021; 2.陕西科技大学 轻化工程国家级实验教学示范中心 中国轻工业纸基功能材料重点实验室 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西 西安 710021; 3.陕西科技大学 人事处，陕西 西安 710021)

0 引言

随着科学技术的快速发展，印刷防伪也越来越引起普遍关注[1-3].基于印刷品信息隐藏的防伪技术也日渐成熟.如基于点到点误差扩散数字的加网技术空间域的数字水印算法[4]，该算法在对数字图像进行加网的过程中实现数字水印信息的嵌入，但该方法的计算量较大，而且在提取信息时需要依照原始连续调图像才能找到信息隐藏的位置，隐藏和显隐技术相对复杂；另外，微结构加网的防伪方法[5,6]，利用该方法可以达到信息隐藏的目的，却容易造成原稿信息的丢失，这种防伪技术不易提取，不易直接面对消费者；而已有的半色调图像防伪技术[7-9]隐藏信息提取时,仍需要高分辨率的扫描形成数字图像，且属于一张隐藏信息对应一张显隐信息的防伪技术.以上防伪技术均属于静态的显隐防伪技术，其防伪系数较低，显隐效果一般.如果显隐图像可以发生动态变化，能够更加丰富隐藏图像的显隐效果，提高印刷防伪性能.动态莫尔纹的连续图像变化效果可以使单张光栅片显示出多张图片，若将动态莫尔纹条纹应用于防伪中，可以解决上述防伪中出现的问题.

在印刷图像隐藏过程中，网点面积率、加网线数、加网角度等物理参数对隐藏效果造成影响.其中，网点面积率表现地尤为明显，据实验报道[10]，网点面积率在20%左右的信息隐藏效果最好，网点面积率在50%左右的黑白条纹等间距的显隐光栅片提取隐藏信息的效果最清晰.因此，本文在分析影响防伪图像质量的关键参数基础之上，经插帧原则光栅化处理图片，设计动态防伪信息图，通过改变载体图部分网点位置进行防伪信息隐藏，根据匹配原理制作显隐光栅片，提取动态隐藏信息.本文结合动态莫尔图像显示效果，提出更加优化的莫尔信息隐藏和动态显隐防伪方法，设计2帧相关的动态莫尔纹图，经信息的隐藏及光栅片的匹配，最终随着光栅片的移动，完成显隐信息的动态变化.

1 莫尔纹防伪技术

1.1 莫尔纹的图像信息隐藏方法

图像信息的隐藏方法主要是指在印刷前对图像进行分色加网后，在某个色版或几个色版载入待隐藏图形作为隐藏信息，建立一个含有隐藏信息的封闭选区，通过移动选区内网点位置，可使其它选区的网点与隐藏信息的网点之间相互"错开".由于受人眼视觉分辨率的影响，网点间微量的位移并不会引起人视觉上的感知，位移后的选区便可形成隐藏信息[11].

图1为信息隐藏算法示意图.其中，图1(a)为微量的网点位移关系，α为加网角度，b为网点直径，d为相邻两个网点间的距离，即网目调单元的边长.其中，d=输出分辨率/加网线数.

图像信息隐藏方法是将隐藏的图像信息区域的网点平移到与其他网点形成的正方形的中心，图1(b)所示，即从网点1移动到网点2的位置.根据图1(c)网点间的几何关系图计算网点在水平方向与垂直方向的位移量x，y为[12]：

(1)

(a)网点参数 (b)网点移动关系 (c)网点间的几何关系图1 信息隐藏技术算法

1.2 莫尔纹信息显隐光栅匹配原理

莫尔纹的显隐光栅匹配原理是：显隐光栅片是一张黑白相间的透明胶片，黑色条纹和透明条纹相间排列，对载体图上的隐藏信息有“显现”的效果，对于隐藏的莫尔信息图，叠加光栅片在隐藏区域，改变光栅片到合适的位置，就可以提取到隐藏信息.根据显隐光栅片的参数选择出显隐光栅片.当显隐光栅片参数与隐藏信息参数匹配时，显隐光栅片的黑色条纹“遮盖”载体图的网点，透明条纹“显现”出位置信息改变的隐藏信息网点，就可以得到隐藏信息[13].

显隐光栅片的宽度匹配可以达到最佳的图像显隐效果.图2所示为隐藏信息的网点面积率与显隐光栅片的面积率匹配关系.其中图2(a)所示网点所在最小单元和图2(b)所示显隐光栅片所在最小单元，当光栅片宽度正好等于网点直径时，可以达到显隐效果.

(a)网点所在最小单元 (b)显隐光栅所在最小单元图2 隐藏信息网点面积率与显隐光栅面积率匹配关系

设A为隐藏信息的网点面积率，B为显隐光栅的网点面积率.则:

A=π(d/2)2/a2=πd2/4a2

(2)

网点直径d的计算公式为：

(3)

显隐光栅片的网点面积率为：

B=al2/a2=ad2/a2=d/a

(4)

式(2)～(4)中：d表示网点直径，a表示最小单元的边长，l表示显隐光栅片的宽度.得出显隐光栅的网点面积率与隐藏信息网点面积率匹配关系为[14]：

(5)

1.3 动态莫尔纹理论

动态莫尔纹是由一张解码光栅片和一张隐藏的动态图片叠合发生的一种光学现象.隐藏的动态信息图可以看成是n张光栅片叠合在一起的，且此时的解码光栅片上的光栅距与这n张光栅片上每一张的光栅距是相匹配的.将每层光栅图案的所平行的方向依照相关联顺序依次相隔等角度同位置的重叠，使若干层加密图纹的光栅图案重叠隐藏构成合成图[15].由于人眼的视觉有短暂停留特性，利用这一特性，快速且均匀地移动光栅片，人眼可将这n个图像看成一幅连续的动态图画，就会形成动态莫尔图.

2 基于莫尔纹动态显示的图像制作及隐藏方法

2.1 莫尔纹动态效果的插帧原则

动态莫尔效应是由一系列相关联的图像组合在一起的，每张图像被同张解码光栅片经过匹配处理成黑白相间条纹，此时的每一张图像可以看作是等间距的光栅片，隐藏的动态信息是一个光栅片组，其中包括n张光栅片.则移动解码光栅片，载体图像上的每一个图像会依次发生不同图像的干涉现象，从而出现若干个莫尔效应，且出现莫尔现象的不同位置是不同，是等间距变化的.其中的解码光栅片是由黑白相交的条纹，可以根据光栅片特性来设计动态图像的帧数.

假设x像素是光栅片黑条纹宽，白条纹的宽度为y个像素，每隔t个像素插帧一次，则在一张光栅片插入图片的帧数为：

n=(x+y)/t

(6)

一般，插帧图片的间距与光栅片的白条纹宽相等，即插帧原则[16]为：

n=(x+y)/x

(7)

2.2 动态隐藏信息制作

动态莫尔纹隐藏图像建立的前提是，根据插帧原则设计出基于莫尔纹的动态效果图.本实验选择的图像帧数为2帧，在photoshop软件中，具体的制作步骤如下：

(1)建立文件1，尺寸大小5 cm×5 cm的文件，设计制作2张黑白图像.图3所示为本实验设计的2张备用图像.

(a)备用图1

(b)备用图2图3 本实验设计的备用图

(2)制作黑白相间的光栅片.根据图像插帧机理，本实验的图像帧数设计为2帧，则黑白条纹的宽度相同，每隔t个像素插帧一次，其中t与白条纹或黑条纹的宽度相等.具体为：新建文件2，画出一个宽10个像素的长矩形，并填充为黑色.复制并移动长矩形与原矩形水平间距10个像素，重复操作，形成黑白相间的光栅片.

(3)光栅化图像.根据设计好的光栅片处理图像，使之成为光栅化的图像.具体是将图3(a)、图3(b)和光栅片相互重叠，删去图3(a)中与光栅片中黑色相交的区域，删去图3(b)中与光栅片白色相交的区域.合并光栅化后的图3(a)和图3(b)形成图4.图4为动态莫尔纹信息图，作为本实验的动态信息隐藏图.

图4 动态莫尔纹信息图

2.3 动态信息隐藏方法

本文通过将网点经微量变化来实现.微量的网点改变人眼不能识别出来，从而达到动态信息的隐藏.实验采用Photoshop CS5作为仿真实验软件，实验过程如下：

(1)建立背景色块.在Photoshop CS5中建立载体图，首先新建一个文件，选择菜单栏中的“编辑-填充”填充颜色，选择网点面积率为20%.

(2)对载体图像进行加网.在“位图-半调网屏”对话框中可以设置加网参数，本实验的加网三个参数包括：图像加网线数100 lpi、加网角度90 °、网点形状选择圆形.选择好确定的参数即完成灰度图像的加网过程.

(3)动态隐藏信息的嵌入.将隐藏的动态信息图复制到载体图中，选中其中的隐藏图层，删除隐藏图层，选择菜单栏中的“滤镜-位移”命令来执行操作，完成选区内的网点移动.图5所示为动态信息隐藏图，其中动态隐藏信息见图4.其动态信息隐藏效果到达了较好的不可感知性，对原稿的影响小，可达到人眼不可见的效果.

图5 动态信息隐藏效果图

3 基于莫尔纹的动态信息显隐技术

动态信息显隐方法是指动态显隐光栅片的制作，主要是确定显隐光栅片与隐藏信息之间的对应匹配关系，确定光栅片的参数，建立唯一与隐藏的动态信息相匹配的解码光栅片.

3.1 动态防伪信息显隐技术的参数选择

动态防伪信息显隐光栅片的制作，根据前文提到的匹配原理，设置显隐光栅片的加网参数与隐藏动态信息相一致，即光栅片的加网角度、加网线数和网点形状.对于动态的显隐光栅片的参数，其光栅片的灰度与动态莫尔效果图相关，根据隐藏动态莫尔效果图的图片帧数可以唯一确定光栅片的灰度.显隐光栅片与前文中的动态信息解码光栅片形状保持一致.

3.2 动态防伪信息显隐模型建立

在Photoshop CS5中新建一个尺寸大小为5 cm×5 cm的文件.分辨率为2 100 dpi，颜色模式为灰度，背景为白色.根据隐藏图片的帧数来填充前景色.根据隐藏动态莫尔效果图的图片帧数确定光栅片的灰度，本实验隐藏动态信息的帧数为2帧，其光栅片的灰度为50%.选择菜单栏中的“编辑-填充”填充颜色为50%的单色灰度图.对光栅片加网处理：图像加网线数、加网角度、网点形状选择.图6所示，即为2帧的动态信息显隐光栅片.匹配解码光栅片，可以形成莫尔纹动态效果图.

图6 动态莫尔纹显隐光栅片

3.3 提取动态隐藏信息

将动态显隐光栅片复制叠加到动态信息隐藏图上，则可以提取到动态信息隐藏图.可看出在显隐光栅下，显现出图中难以被裸眼观察到的隐藏多幅图像.显隐光栅和载体图像网线相互作用，形成了条纹方向和水平方向平行的若干个横向莫尔纹.得到的显隐图如图7所示.移动显隐光栅片到隐藏图像的不同位置可以得到6张不同的隐藏信息.将显隐光栅片沿水平方向以恒定的速度移动，多张图片等间距交替显现，发生动态变化，由于人眼的视觉短暂停留特征，就会出现动态莫尔图，形成连续视觉效果.

(a)显隐图1 (b)显隐图2

3.4 实验结果分析

从图7的6幅变化的效果图可以看出，隐藏的动态信息，通过建立莫尔纹动态信息的显隐模型以及提取动态隐藏信息实验可以得到：与单张图像信息显隐效果相比，本实验可使一张光栅片在一个隐藏信息图中，通过改变光栅片的位置提取多张隐藏信息.实验表明，提取的显隐信息更多、更加丰富.进一步地，本次实验通过沿水平同一方向以恒定速度移动光栅片，使得提取的多张隐藏信息不断交替变化，最终动起来，形成动态的莫尔效应.

该动态显隐信息实验说明采用动态莫尔纹防伪的隐藏信息量更多，其动态效果比静态莫尔纹的显隐效果更丰富、生动，可适合应用于防伪印刷中.

4 结论

本文提出一种动态的莫尔纹在印刷中的防伪

技术，主要结合莫尔纹动态显示效果，研究了隐藏技术和动态显隐的防伪技术.实验结果表明，该技术的隐藏和显隐效果相对于静态防伪效果更加丰富，可以提高防伪质量、防伪性能以及印刷趣味性.基于莫尔纹的动态效果防伪技术可以更好地应用于印刷企业中，在不增加产品生产成本的同时，可以提升印刷产品的附加值，提高防伪系数.