母版网角对潜像防伪效果的影响

韩雪莹,杨 熙,王 琪,葛乃馨

(南京林业大学轻工与食品学院,江苏南京210037)

光栅防伪技术以半色调图像加网与光栅折射性能为理论基础,运用相位调制潜像法实现隐藏信息的嵌入,利用莫尔条纹原理完成防伪信息的提取[1],即通过对半色调图像进行局部网点微量位移,形成肉眼不可察觉的潜藏图案,后叠加与母版信息匹配的解码光栅而使潜像视觉可见,从而达到防伪目的[2-3]。该技术以加网后各单色通道作为潜像嵌入的基础母版,因此,依据数字加网理论所形成的网点特征参数会对防伪效果产生相应的影响,其中加网角度便是影响因素之一。在相关研究中,唐柱斌等[4]提出一种变角度潜像防伪技术,先基于有理正切加网用18.44°代替15°、71.57°代替75°,将通道加网角度调整为0°、18.44°、45°和71.57°,后通过设置不同于原图的加网角度,将潜像以21.14°加网而实现信息隐藏;文献[5]在探讨各色版对潜像防伪效果的影响时,为了减小潜像网点移动过程中的难度,直接将母版网角设为0°,在固定加网角度的前提下确定最适合做防伪母版的通道;郭凌华等[6]研究微结构网点的信息隐藏时,根据人眼视觉的低通滤波特性,推测信息隐藏在45°色版中的隐藏效果最佳,以此对防伪母版使用45°阈值矩阵进行艺术网点加网。基于以上研究,本文通过单通道潜像和双通道拼接潜像两种方案,比较四种不同加网角度对潜像防伪效果带来的差异,探讨母版网角对光栅防伪效果的影响。

1 变角度母版的潜像防伪

1.1 单母版变角度潜像防伪

单母版指选定某一通道作为承载潜像的防伪母版。已有文献研究表明[5],并非所有通道都适合作为潜像母版,黑(K)通道潜像隐藏性差,黄(Y)通道潜像提取效果不佳,故选择综合表现较好的青(C)或品红(M)通道作为单母版。在彩色印刷中,为了最大限度地避免龟纹,通常四色通道的加网角度设置为0°、15°、45°和75°。虽然在实际生产中,四色版的加网角度一般是固定的,但在有关光栅防伪研究中[7-8],为了使实验步骤简单化,均将潜像所在母版角度设为0°,对其他角度的情况却少有探讨。本文基于相位调制潜像法,不局限于实际生产中的加网角度,将母版网角依次设为0°、15°、45°、75°,重点探讨在潜像属性相同的情况下,改变母版加网角度对防伪效果产生的影响。将相同潜像信息分别嵌入,再设计与宿主图像加网参数相匹配的解码光栅,将光栅叠加到含有潜像的防伪图像上提取防伪信息。

1.2 双母版变角度拼接潜像防伪

双母版指选择CMYK通道中的C和M通道共同作为潜像母版[9]。将一个完整潜像分成两部分,使之分别位于两个通道中,四色叠印时潜像形成无缝拼接,用光栅可提取出完整潜像。相比于单母版,这种防伪方法具有更高的抗复制性能。变角度是指调整拼接潜像所在双母版的角度,令其在0°、15°、45°和75°间进行变化形成加网角度的不同组合,研究角度变化与组合对拼接潜像防伪性能的影响。

调整C和M通道的加网角度,在保证双母版加网角度不同的前提下,双母版的构成有图1所示的6种组合方式(左侧为C,右侧为M)。以0°+15°为例,表示双母版中C母版加网角度为0°,M母版加网角度为15°。将图2的“蝴蝶”形态纵分成对称的左右两部分,分别嵌入到6种网角组合的C版和M版中。

图1 C和M变角度组合母版Fig.1 Variable angle combination of C and M

图2 隐藏信息分割Fig.2 Segmentation of hiding information

2 潜像防伪评价算法

潜像防伪效果的评价采用全参考图像质量评估法,传统评估算法有均方误差(MSE)、峰值信噪比(PSNR)等,由于这些算法只是从统计意义上对图像进行分析,逐个对比两张图像中的像素点,没有考虑到相邻像素之间的相关性,因此不具备较好的主客观一致性。

结构相似度(SSIM)是将人眼视觉特性和图像结构信息相结合的一种图像质量评价方法,该方法从图像的亮度、对比度、结构三个方面综合评价[10],评价结果更符合真实视觉效应。因此,本文选择与人眼视觉特性相吻合的SSIM进行评价:

SSIM(x,y)=[l(x,y)]α·[c(x,y)]β·[s(x,y)]γ

(1)

式中,l(x,y)为亮度比较函数;c(x,y)为对比度比较函数;s(x,y)为结构比较函数;α、β、γ为加权系数,起到调整亮度、对比度和结构三个分量的作用。亮度比较函数、对比度比较函数和结构比较函数是相互独立的,各自对应函数为:

(2)

(3)

(4)

为了确保评价结果的准确性,除采用在时域中进行的SSIM算法外,还采用从图像频谱出发提取图像底层特征(颜色、纹理和形状特征)的特征相似性(FSIM)算法[12-13]。FSIM以原始图像和处理图像的相位一致性和梯度强度为特征,提取与图像相位保持高度一致性的纹理结构[14],表达式为:

(5)

式中,Ω表示整个空域;PCm(x,y)=max(PC(x),PC(y))用于对图像x和图像y的整体相似性进行加权;SPC(x,y)、SG(x,y)分别表示图像x、y的特征相似性与梯度相似性,其定义式为:

(6)

(7)

式中,G(x)与G(y)表示两幅图像的梯度幅值,包含图像各频率分量的强度信息;T1、T2为正常数,以避免分母为0;PC(x)与PC(y)用来表示图像的相位一致性信息[15-16]。

相位一致性是对相位信息一致性的度量标准,其基本原理是假定图像傅里叶分量最一致的点为特征点,这样相位信息就能准确地检测到图像特征。这与人类视觉系统(HVS)对图像特征的认知相符,具有对图像亮度和对比度的不变性,可获得精确的特征定位和丰富的局部特征信息。

3 实验内容与评价

3.1 潜像防伪实现步骤

1) 单母版变角度潜像

设计宿主图像:新建颜色模式为CMYK的宿主图像,四色通道的网点面积率均设置为20%。

加网:以C通道作为防伪母版,加网线数设置为144 lpi,网点形状设置为圆形,加网角度分别设置为0°、15°、45°和75°生成对应的母版图像。

嵌入潜像:在不同角度的C母版中嵌入隐藏标识,合并四色通道,得到含有潜像信息的四色防伪图像。

提取潜像:制作解码光栅,以特定角度叠加到四色图像上,提取出防伪潜像。

单母版潜像隐藏与提取效果如图3所示。视觉观察可知,75°母版网角下的潜像隐藏效果较差;比较不同加网角度下,光栅提取潜像的显著性效果,只能看出母版为0°网角时,图像莫尔效应相对明显,因此0°网角下潜像防伪效果不佳。

图3 单母版潜像防伪效果图Fig.3 Anti-counterfeiting diagram of latent image on single master

2) 双母版变角度拼接潜像

根据1.2节中预设的角度组合对双母版C和M通道进行加网,将对称“蝴蝶”潜像的左侧嵌入至C通道,右侧嵌入至M通道,保证潜像无缝拼接,实现双母版拼接潜像的隐藏;设计与双母版相匹配的拼接光栅,光栅中线对准潜像纵分界线,分别提取出C和M通道中的潜像,从而使拼接潜像可视化。

双母版拼接潜像隐藏与提取效果如图4所示。观察发现,组合角度中两角度差为30°或60°,即网角组合为15°+45°、15°+75°、45°+75°时,潜像隐藏效果较差,潜像轮廓可见且拼接区域存在露白现象;在提取效果中,以上三种网角组合的潜像左右异色不明显,视觉感知不强烈。

图4 双母版拼接潜像防伪效果图Fig.4 Anti-counterfeiting diagram of spliced latent image on double master

3.2 潜像防伪性评价

实验主要内容是比较不同母版网角下潜像的隐藏与提取差异,通过相对评价和图像质量评价评估不同加网角度对潜像防伪效果的影响。依据前述SSIM与FSIM算法的意义可知,其值越大,处理图像与原图结构越相似;反之,与原图差异较大。借助算法评价防伪标识的隐蔽性,数值越大,说明隐蔽性越好;评价隐藏信息的提取显著性时,其值越小,说明提取潜像越清晰。

1) 单母版变角度潜像防伪效果评价

单母版变角度潜像防伪评价数据如表1所示。隐蔽性评价数据中,0°对应的数值最大,其次为45°、15°和75°所对应的数值,说明母版网角为0°时隐藏效果最好,45°时较好,15°和75°时相对较差。这是由于0°和45°网角的网点稳定性相对较好,对视觉干扰作用较小;而15°和75°的网点较为呆板,即使网屏线数超过眼睛能分辨单个点子的极限,眼睛也能看到成行的点子或线型图案,所以15°和75°网角不利于信息隐藏。

表1 单母版潜像防伪评价数据Tab.1 Evaluation data on latent image on single master

潜像提取数据中,将数值从大到小排列,其所对应的网角依次为0°、15°、75°、45°,提取效果依次变佳,其中45°时潜像提取显著性最好,0°时潜像提取效果最差。产生该现象的原因是人眼视觉系统在0°～90°范围内,对接近0°和90°方向上的信息最为敏感,光栅叠加到防伪图像上产生的干扰条纹明显,影响提取效果。因此,单母版网角设为45°时,潜像综合防伪表现效果最佳。

2) 双母版变角度拼接潜像防伪效果评价

双母版变角度拼接潜像防伪数据如表2所示。隐蔽性评价结果中,网角组合为0°+15°、0°+75°的数值较大,其次为0°+45°,而45°+75°、15°+75°、15°+45°所对应的三组数值较小,这说明母版网角差为15°和75°时,防伪信息的不可感知性最高;网角差为45°时,隐蔽性较好;30°或60°网角差的隐蔽性较差,因此网角组合15°+45°、15°+75°、45°+75°不适合作为组合母版角度。

表2 双母版拼接潜像防伪评价数据Tab.2 Evaluation data on spliced latent image on double master

对网角组合为0°+15°、0°+45°、0°+75°的潜像进行提取评价,将评价数值由大到小排列,其所对应的网角组合依次为0°+15°、0°+75°、0°+45°,即0°+45°网角组合的拼接潜像提取效果最佳,0°+15°和0°+75°组合下的提取效果相对较差。由此可见,母版网角的差异会对潜像防伪性产生不同的影响。潜像区域网点进行定量位移时,网点位移方向依循母版网角方向,不同的加网角度致使潜像网点空间分布不同。除此之外,不同的网角组合直接导致拼接处网点密度不同,从而使得潜像防伪性出现差异。综合考虑,0°+45°是最适用的母版网角组合形式,不仅隐蔽性较好,且提取显著性最佳。

4 结 语

本文就母版网角对潜像防伪效果的影响进行研究,以期提供潜像嵌入的最适用网版角度,从而保障潜像的隐蔽性和提取显著性。通过单通道母版角度调整和双通道母版角度的排列组合,设计实验方案并进行分析,结果发现,母版加网角度对潜像的隐藏性和提取效果均会产生一定影响。对于单母版而言,网角为0°时潜像的隐蔽性最好,其次为45°;在提取显著性方面,45°时最好,0°时最差。因此,单母版网角设为45°时,潜像的综合防伪效果最佳。双母版的实验结果表明,母版组合角度为0°+15°、0°+75°的拼接潜像隐藏性最好,0°+45°次之;网角组合为0°+45°的拼接潜像的提取显著性较好。综合考虑,0°+45°可作为双母版的最佳网角组合。该研究成果为光栅防伪相位调制法中母版网角的设定提供了有价值的理论依据。