半色調與數位半色調技術

第二章 文獻探討

本研究主要結合數位半色調技術及噴墨色墨材料在紅外線下的光學特性製 作浮水印。透過實際輸出樣品再利用紅外線偵測觀察，驗證實際應用於合成皮革 上的隱藏效果。本章節將針對半色調與數位半色調技術、數位半色調影像加密技 術、紅外線與噴墨墨水的光學特性、UV 噴墨印刷特性介紹、合成皮革特性等文 獻加以探討，可作為本研究建構隱藏浮水印資訊應用於合成皮革上的基礎架構。

第一節 半色調與數位半色調技術

一、半色調技術

半色調技術（Halftoning）是一種傳統的印刷技術，是由美國康乃爾大學攝 影實驗室的弗德芮克‧艾伍茲（Frederic E. Ives）致力研發而成，由於印刷或印 表機僅能控制著墨或不著墨來輸出圖像，因此他將連續調影像轉換成微小的印刷 網點，將兩階影像模擬出連續調影像的層次，加上人眼又具有將臨近墨點積分之 作用，使得在一定距離觀看時，兩階影像在人眼上看貣來近似連續調影像（圖 2-1）。因此半色調的發明對於印刷來說是極為重要的里程碑，使得報刊雜誌可以 印出照片的半色調影像，省去了原來費時且昂貴的手工木雕圖案製程。

（a） （b） （c）

圖 2-1 半色調網點（a）連續調影像與不同網點結構的半色調影像（b）AM 網 點；（c）FM 網點

資料來源：Kang, H. R. (1999). Digital color halftoning (pp. 174-175). Bellingham, Washington USA: SPIE Optical Engineering Press.

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二、數位半色調技術

隨著數位技術的蓬勃發展，數位印刷製程利用半色調技術模擬連續調影像達 到圖像複製的目的。傳統半色調技術利用網屏透過照相過網，將連續調影像過網 成為半色調影像。而數位半色調則是利用半色調演算法，將連續調影像經由計算 轉換成數位的半色調影像，兩者最後目的都是將連續調影像，轉換成符合輸出設 備特性的網點，使之產生許多不同濃淡效果，給予印刷圖紋影像有階調的變化。

學者陸續發表許多半色調演算法，演算法種類眾多且有各自的優缺點，以下 針對比較常見的演算方式作介紹，同時也要找出適合本研究建構浮水印的半色調 演算法，依照網點呈現方式的不同，大致分為以下幾種主要的半色調方法：

（一）調幅網點（Amplitude Modulation, AM）

調幅網點形成的半色調影像主要是利用網點尺寸大小的不同來呈現影像的 階調，所以細節部分呈現較差，暗部階調則呈現較好。而其網點中心至另一個網 點中的距離一樣，也就是點與點之間的距離固定。所以 AM 網點形成的半色調 影像主要的特徵就是網點頻率固定，但振幅改變（如圖 2-2 所示）。

圖 2-2 AM 網點概念圖

資料來源：Okuyama, K., & Suzuki, M. (2000). U.S. Patent No. 6,136,286.

Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.

此類網點形成方法如點陣調色法（Ordered Dithering），其演算精神在於透過 連續調原稿與臨界值矩陣的比對，決定個別像素點成為 1 或 0 的訊號值，對於數 位印刷機來說，點陣調色法就是指引機器如何去著墨的方式。

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（二）調頻網點（Frequency Modulation,FM）

FM 網點主要的特徵為網點基本單位大小一樣，但點與點之間的距離不同，

也就是頻率改變，但振幅固定，因此所形成的半色調影像因利用網點疏密來表現 階調（圖 2-3），所以對於影像中亮部表現佳，暗部則易因網點擴張，造成暗部階 調表現差。

圖 2-3 FM 網點概念圖

資料來源：Okuyama, K., & Suzuki, M. (2000). “Carbon Black,” U.S. Patent No.

6,136,286. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.

（三）混合網點（AM-FM Hybrid）

調幅網屏主要是以網點的尺寸來呈現階調，階調範圍決定於網點的尺寸。但 網點的尺寸與網點的數目必頇做取捨的參數，因此在保全階調範圍的情況下，調 幅網屏對於細部的呈現較差。調頻網屏為利用網點密度來呈現階調的方式，網點 尺寸固定，對於細部的表現較調幅網屏佳，但在暗部必頇使用大量的網點進行模 擬，所以會造成較大的網點擴張，使暗部呈現變差。

因此有人提出混合調幅網屏與調頻網屏，也就是各取其優點來做組合，即在 影像中亮部的部份以調頻網屏來呈現，以達良好的效果，在暗部的地方則採用網 點擴張程度較小的調幅網屏來模擬，此類方法如綠雜訊遮罩（Green Noise Mask, GNM），兼具有調幅網屏與調頻網屏混合（AM-FM Hybrid）特性的遮罩，利用 網點的大小和網點的分佈來表示階調，且絲雜訊的分佈為既隨機又帄均，並具有 叢聚的特性，圖 2-4 為 Barbara 經此方法處理後所得之半色調影像。

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(a) （b）

圖 2-4 綠雜訊遮罩半色調影像（a）原灰階影像；（b）經綠雜訊遮罩法處理所 得之半色調影像

資料來源：Kang, H. R. (1999). Digital color halftoning (pp. 174-175). Bellingham, Washington USA: SPIE Optical Engineering Press.

以綠雜訊遮罩為基礎之網點形成主要分為兩個階段，首先是隨機計算出各網 點之核心位置。以一核心位置而言，其相鄰且相對核心位置對於距離能較 FM 網 點有較帄均的分佈，也就是分布方式愈帄均愈佳。再以中心位置所對應之原灰階 影像的濃度，堆疊出不同單位面積百分比的網點，形成綠雜訊遮罩所形成的網點

。

每當要產生單一階調之綠雜訊分佈可以分為主處理程序和次處理程序兩個 部份：

1.主要處理程序：找出單一階調之綠雜訊分部內各個叢聚的位置，並令其為 重心。

2.次要處理程序：利用已知的重心，配合已知之綠雜訊於頻譜內的特性，以 產生其所組成之像素點。

12 熟知的數位浮水印技術為 E.H.Adelson 於 1990 年提出的 LSB（Least-Significant Bit）最低位元法，如灰階影像的像素值以 8 位元表示，因為人眼對於低位元較