柱狀透鏡變圖技術與紅外線浮水印整合應用之研究
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(2) 中文摘要 隨著電腦科技的發展，人類對於圖文整合傳播方式的需求也逐步提升，進而 促成了動態圖片的出現，而動態圖片可使圖像在同一帄面上產生連續的變化，吸 引人們的目光，近年來備受市場青睞。本研究運用數位過網技術結合柱狀透鏡 （lenticular lens） 變圖及紅外線浮水印之隱藏條碼，增加產品獨特性及防偽功 能。首先以數位半色調技術設計多張屬於國人共同記憶之經典影像，以此為素材， 透過影像處理合成，另添加紅外線浮水印之二維條碼，利用碳黑吸收紅外線，而 青、洋紅、黃色等色料在紅外線下則幾乎呈現透明的特性，輸出具有隱藏資訊的 浮水印二維條碼，將其輸出為灰階圖像並隱藏於特定彩色圖文之中，使人眼無法 辨識。而後覆蓋柱狀透鏡聚焦，使其形成動態變圖效果，最後透過紅外線攝影裝 置進行偵測，使隱藏的紅外線浮水印顯現。本實驗結果顯示，在視覺主觀觀測下， 覆蓋柱狀透鏡組件聚焦呈現變圖的過程，可達到互動效果，並且無法察覺隱藏資 訊；同時在紅外線偵測下，原有圖文消失而利用碳黑色墨所組成的二維條碼浮現， 此二維條碼可置入額外隱藏之資訊內容與達到多重防偽之功效，並提高產品的獨 特性。. 關鍵字:柱狀透鏡、數位半色調、紅外線浮水印、二維條碼. i.
(3) Abstract With rapid progress of imaging and display devices, the requirements of integration of the multimedia elements, such as text, image, audio, animation is gradually addressed by academic and industry. Displays for still images and animated graphics are very promising. Lenticular image display products have experienced a growing interest in the last decade due to the very wide range of applications. The objective of this paper is to integrate lenticular lens with switching image and embedding the infrared watermark to provide the possibility of value-added and anti-counterfeiting features. First, the digital halftoning technique has been used to make multi-layered graphics and the infrared watermark. The infrared watermark is composed of cyan, magenta, yellow, and black halftone dots. The carbon material in black ink absorbs the infrared light and the watermark could be displayed under infrared detection. By using the lenticular lens, different graphics can be observed from different viewing angles. The results show the animation effect can be displayed by lenticular lens, and the hidden 2D barcode watermark can be observed under infrared detection.. Keywords: Lenticular lens； Digital halftoning； Infrared watermark； 2D barcode.. ii.
(4) 目錄 中文摘要 .................................................................................................................................... i Abstract .................................................................................................................................... ii 目錄. ................................................................................................................................... iii. 表目錄 .................................................................................................................................... v 圖目錄 ................................................................................................................................... vi 第一章 緒論............................................................................................................................ 1 第一節 研究背景與動機 ..................................................................................................... 1 第二節 研究目的 ................................................................................................................. 2 第三節 研究問題 ................................................................................................................. 3 第四節 研究範圍與限制 ..................................................................................................... 3 第五節 名詞釋義 ................................................................................................................. 4 第二章 文獻探討.................................................................................................................... 5 第一節 數位半色調技術 ..................................................................................................... 5 第二節 柱狀透鏡組件 ....................................................................................................... 17 第三節 紅外線浮水印 ....................................................................................................... 25 第四節 二維條碼 ............................................................................................................... 32 第五節 文獻小結 ............................................................................................................... 37 第三章 研究方法.................................................................................................................. 38 第一節 研究流程 ............................................................................................................... 38 第二節 研究工具 ............................................................................................................... 39 第三節 實驗設計 ............................................................................................................... 41 第四節 印刷輸出與數據量測 ........................................................................................... 48 第四章 實驗成果與討論...................................................................................................... 50 第一節 紅外線濃度匹配導表輸出結果 ........................................................................... 50. iii.
(5) 第二節 柱狀透鏡變圖與紅外線浮水印之整合應用 ....................................................... 56 第三節 柱狀透鏡變圖與紅外線浮水印偵測成果 ........................................................... 58 第四節 修正後紅外線濃度匹配導表及柱狀透鏡變圖與紅外線浮水印整合成果 ........ 58 第五章 結論與建議.............................................................................................................. 64 第一節 研究結論 ............................................................................................................... 64 第二節 研究建議 ............................................................................................................... 65 參考文獻 ................................................................................................................................. 66 附件一 .................................................................................................................................. 71 附件二 .................................................................................................................................. 74. iv.
(6) 表目錄 表 2-1. 紅外線輻射分譜表.................................................................................................. 26. 表 2-2. 一維條碼與二維條碼特性的比較 .......................................................................... 35. 表 2-3. 二維條碼常用的種類.............................................................................................. 35. 表 3-1. 研究設備及工具...................................................................................................... 41. 表 4-1. 燈箱光源種類.......................................................................................................... 54. 表 4-2. 不同光源下的效果.................................................................................................. 55. 表 4-3. 不同光源下的效果.................................................................................................. 60. v.
(7) 圖目錄 圖 2-1 利用網點模擬不同連續調影像濃度之示意圖 ........................................................... 6 圖 2-2 傳統半色調過網示意圖 ............................................................................................... 7 圖 2-3 連續調影像及不同網點結構的半色調影像 ............................................................... 8 圖 2-4 點陣調色法 ................................................................................................................... 9 圖 2-5 8x8 臨界值矩陣示意圖 ............................................................................................... 10 圖 2-6 誤差擴散法 ................................................................................................................. 12 圖 2-7 誤差擴散法之演算架構 ............................................................................................. 12 圖 2-8 誤差擴散法進行兩階化之處理方向 ......................................................................... 13 圖 2-9 利用誤差擴散法所得之半色調影像 ......................................................................... 14 圖 2-10 混合網點示意圖 ....................................................................................................... 14 圖 2-11 混合網點加密示意圖 ............................................................................................... 15 圖 2-12 傳統調幅網點與改良式調幅網點不同著墨比例之示意圖 ................................... 16 圖 2-13 防複印紙張效果示意圖 ........................................................................................... 16 圖 2-14 由不同節距（Pitch）之透鏡板觀察可得複合式加密影像示意圖 ....................... 17 圖 2-15 柱狀透鏡分光原理 ................................................................................................... 18 圖 2-16 柱狀透鏡線條方向 ................................................................................................... 18 圖 2-17 柱狀透鏡呈垂直方向之 3D 視覺效果 .................................................................. 19 圖 2-18 以不同角度觀看英國皇家郵政發行的「雷鳥神機隊」（Thunderbirds）之紀念郵 票，所產生之變圖效果.......................................................................................... 20 圖 2-19 香港巴士郵票產品示意圖 ....................................................................................... 21 圖 2-20 新版 100 美元鈔票柱狀透鏡示意圖 ....................................................................... 21 圖 2-21 塑膠卡片覆蓋柱狀透鏡效果的示意圖 ................................................................... 22 圖 2-22 國際地球奧林匹亞競賽 （IESO） 紀念郵票覆蓋柱狀透鏡解密可觀察到每張郵 票皆隱藏不同資訊，左上（CAMBODIA） 、右上 （JAPAN） 、左下 （FRANCE）、 右下 （KOREA） 等不同參賽國家之國名及“IESO”活動可顯現 .................... 23 vi.
(8) 圖 2-23 新臺幣壹佰元鈔券經 62.4 lpi 柱透鏡解密示意圖 （a）新臺幣壹佰元鈔券原圖； （b）經 62.4 lpi 柱透鏡解密後顯現 100 字樣.................................................... 23 圖 2-24 可調式之柱狀透鏡配置圖 ....................................................................................... 24 圖 2-25 光譜示意圖 ............................................................................................................... 26 圖 2-26 上圖於正常光源下拍攝，可明確看到四個小朋友的身形；下圖為於紅外線光源 下，觀察到右邊兩個小朋友的圖像比較清楚。 .................................................. 28 圖 2-27 ImageSwitch® 技術之網點結構示意圖 .................................................................. 29 圖 2-28 ImageSwitch® 技術之範例圖 （a）一般光源下；（b）紅外線光源下 ............ 29 圖 2-29 與紅外線浮水印結合的音訊互動節目單 ............................................................... 30 圖 2-30 C、M、Y、K、IR 分色原理 （a）一般光源下;（b）紅外線光源下 ............... 30 圖 2-31 色彩管理技術圖像應用（a） 一般光源下;（b）紅外線光源下 ......................... 31 圖 2-32 最早的條碼，公牛眼碼 ........................................................................................... 33 圖 2-33 一維條碼應用於書本之例子 ................................................................................... 33 圖 3-1 研究流程圖 .................................................................................................................. 39 圖 3-2 LITHRONE S26 小森四色 UV 紫外線帄版印表機 ................................................. 40 圖 3-3 DORS1100 紅外線偵測器 .......................................................................................... 40 圖 3-4 紅外線視訊攝影機 ..................................................................................................... 40 圖 3-5 實驗設計流程示意圖 .............................................................................................. 42 圖 3-6 盧彥勳晉級溫布頓八強影片 ..................................................................................... 42 圖 3-7 （a）盧彥勳親吻手指；（b）盧彥勳指向天際 ..................................................... 43 圖 3-8 研究設計之圖像 （a）盧彥勳親吻手指；（b）盧彥勳指向天際 ....................... 44 圖 3-9 影像合成圖之示意圖。 ............................................................................................. 44 圖 3-10 設計柱狀透鏡圖層之放大示意圖。 ....................................................................... 45 圖 3-11 柱狀透鏡圖層之放大示意圖。 ............................................................................... 45 圖 3-12 （a）5%網點面積百分比之紅外線匹配導表示意圖；（b）顯微鏡下的調幅網點 （K 墨）和調頻網點（C、M、Y 墨）；（c） 網點結構示意圖 .................... 46 圖 3-13 網點結構示意圖 ....................................................................................................... 47 圖 3-14 變圖與紅外線浮水印之整合流程示意圖 ............................................................... 47 vii.
(9) 圖 3-15 紅外線浮水印所使用之二維條碼 ........................................................................... 48 圖 4-1 紅外線濃度匹配導表 K 墨網點面積百分比為 3% 之示意圖 ............................... 51 圖 4-2 紅外線濃度匹配導表 K 墨網點面積百分比為 5% 之示意圖 ............................... 51 圖 4-3 紅外線濃度匹配導表 K 墨網點面積百分比為 7% 之示意圖 ............................... 52 圖 4-4 紅外線濃度匹配導表不同網點濃度之 K 墨網點面積百分比之輸出結果 （a）K 3% 與 CMY 1~6%；（b）K 5% 與 CMY 2~7%；（c）K 7% 與 CMY 3~8% ... 53 圖 4-5 紅外線濃度匹配導表不同網點濃度數值對照表 （a）K 3% 與 CMY 1~6%；（b） K 5% 與 CMY 2~7%；（c）K 7% 與 CMY 3~8% .......................................... 53 圖 4-6 結合影像合成圖與紅外線浮水印之 C、M、Y、K 四色版 ................................... 57 圖 4-7 影像合成輸出圖 ......................................................................................................... 57 圖 4-8 透過覆蓋柱狀透鏡之變圖（a）盧彥勳親吻手指 ;（b）盧彥勳指向天際 .......... 57 圖 4-9 （a）一般光源下，影像合成圖與加密資訊整合；（b）紅外線光源下，可見隱藏 資訊浮現.................................................................................................................. 58 圖 4-10 FM 網點之紅外線濃度匹配導表，K 墨網點面積百分比為 5% 之示意圖 ....... 59 圖 4-11 FM 網點之紅外線濃度匹配導表，K 墨網點面積百分比為 5% 之輸出結果 ... 59 圖 4-12 紅外線濃度匹配導表不同網點濃度數值對照表 ................................................... 60 圖 4-13 影像合成輸出圖 ....................................................................................................... 62 圖 4-14 於一般光源下，透過覆蓋柱狀透鏡之變圖（a）盧彥勳親吻手指 ;（b）盧彥勳 指向天際.................................................................................................................. 63 圖 4-15 （a）一般光源下，影像合成圖與加密資訊整合；（b）紅外線光源下，原有圖 文版面呈現透明狀，紅外線浮水印之二維條碼浮現 .......................................... 63. viii.
(10) 第一章. 緒論. 本研究將結合柱狀透鏡變圖技術及隱藏的紅外線浮水印資訊達到浮水印隱 藏之效果，本章緒論將分為以下四個部份，並按節次順序逐一呈現：第一節為研 究背景與動機；第二節為研究目的；第三節為研究問題；第四節為名詞釋義。. 第一節 研究背景與動機 隨著電腦科技發展，圖像傳播時代的來臨，人們對視覺感受的需求已大幅提 升。由於圖像擁有即時性與完整性，能直接刺激感官，人類對於圖文整合傳播方 式的喜好漸漸大於純文字傳播，並開始追求逼真生動的視覺效果。與一般帄面圖 像相比，動態的圖像顯示技術更能吸引人們的目光。 綜觀顯示技術的發展歷史，從黑白到彩色、小尺寸到大尺寸、以至薄型化、 及高畫質化等，均是朝向提供一個接近真實世界的高傳真影像努力（蔡朝旭、陳 政寰，民 93） ，根據此趨勢，帄面動態的變圖顯示技術可做出圖像的變化、設計 輕薄短小、便於攜帶的產品，因而備受市場青睞。而此顯示技術又以結合柱狀透 鏡的產品最具實用與普及性，藉由不同角度觀看，可看到放大、縮小、翻轉、變 圖等特效創造出不同視覺的變化，增加產品的趣味性 (Urruchi Del Pozo et al., 2012)。 而隨著數位複製技術的進步，數位版權與品牌保護已成為重要之課題，許多 研究者致力於聲音、影像、視訊等數位媒體素材之浮水印技術，以防止數位產品 的盜版與侵權 (Jung & Cho, 2006)；相對於傳統實體化產品之防偽技術，其相 關研究則相對較少，但仍有其重要性。在諸多防偽技術中，以光學加密為主的技 術種類繁多 (van Renesse, 2005)。目前國內常見之光學影像防偽技術有雷射全像. 1.
(11) 防偽、折光變色防偽、光影變化箔膜防偽等，而相較於幾種不同的光學防偽方式， 紅外線浮水印可藉由油墨本身光學特性進行防偽印刷的設計。 現今紅外線浮水印之應用，利用紅外光可穿透黃 （Yellow） 、洋紅 （Magenta）、 青 （Cyan） 三色的原理，隱藏圖樣之外的圖文部分因而受紅外光穿透而不顯 現，而以黑墨 （K） 隱藏之加密內容則會浮現。若經過影印掃描，加密之產品 會經過一定的重組分色使原本的隱藏資訊消失，因此紅外線浮水印無法重製，使 其擁有防偽功能。目前尚未有研究利用紅外線浮水印技術，隱藏於柱狀透鏡合成 圖中，本研究希望能整合紅外線浮水印，藏入二維條碼於合成圖中，增加資訊內 容的承載量。 本研究之紅外線浮水印以二維條碼紅外線浮水印為基礎，除了能擴展紅外線 浮水印的防偽應用領域外，亦能整合於柱狀透鏡變圖中，讓使用者不單只能透過 柱狀透鏡看到變圖效果，並可使用紅外線偵測儀器偵測隱藏之二維條碼，讓使用 者能得到相關延伸資訊。藉由柱狀透鏡變圖技術與紅外線浮水印技術相互結合， 能夠有效提升產品的價值，同時覆蓋柱狀透鏡而產生變圖的過程，也能產生互動 效果，增加其趣味性。. 第二節 研究目的 由上述背景敘述，使用柱狀透鏡組件聚焦，輔以網點影像的變化設計，達成 動態圖像的顯示效果，並添加紅外線加密技術達到獨特性。茲將本計畫目的整理 如下： 一、利用多張影像透過程式相互結合，並設計紅外線浮水印之二維條碼加密於合 成影像中。 二、將加密之圖像隱藏於圖文中輸出，透過覆蓋柱狀透鏡產生變圖效果。 三、對已加密之圖像覆蓋柱狀透鏡組件，經偵測儀器擷取圖像之隱藏訊息。 2.
(12) 第三節 研究問題 根據以上的研究目的，將研究問題歸納如下列幾項： 一、如何將不同影像透過程式相互結合，並設計加密圖文隱藏於其中? 二、瞭解輸出加密之圖像，透過覆蓋柱狀透鏡是否產生變圖效果? 三、了解偵測儀器對已加密之圖文，經覆蓋柱狀透鏡進行影像偵測與取像之成果 為何?. 第四節 研究範圍與限制 本研究是依據 75 lpi （lines per inch） 之柱狀透鏡來做變圖效果的設計， 而實際量測每英吋範圍內之透鏡數數值，依據製造商提供與實際實驗測量所得為 75.49 lpi，而後再以混合不同類型的網點來製作紅外線浮水印之二維條碼，以隱 藏的方式加密於輸出產品中，透過移動柱狀透鏡組件產生變圖效果。經目視觀察， 隱藏二維條碼浮水印與圖片呈現一致階調的圖像，讓人無法察覺有二維條碼隱藏 於圖片下；而經由紅外線偵測器偵測時，成品內容消失且紅外線浮水印之二維條 碼浮出。 因此，本研究是針對 柱狀透鏡與紅外線浮水印應用於 PVC（Polyvinyl Chloride） 上，並在浮水印的隱藏加密效果加以探討，紙張、數位檔案之浮水印 與印表機之差別不屬於本研究之範圍。 綜合上述，本研究之研究限制如下: 一、本研究依據製造商提供之 75.49 lpi 之柱狀透鏡來做變圖效果的設計。 二、本研究設備採用小森四色 UV 紫外線帄版印刷機輸出測詴，墨滴變化、解 析度等參數皆以此設備所提供之數據做為參考。 三、本研究將以導表匹配比較法，因時間與人力的限制，導表網點面積百分比控 制於 3%、5%、7% ，並以視覺主觀觀測進行匹配取樣。 3.
(13) 第五節 名詞釋義 一、數位半色調 （Digital Halftoning） 利用半色調演算法，將連續調影像經由電腦計算轉換成數位的半色調影像， 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。 二、柱狀透鏡 （Lenticular Lens） 柱狀透鏡由透明光學塑膠製成，利用緊密排列的長條狀凸透鏡，將奇數和偶 數列畫素的光線以不同角度帄行射出，透過上下翻轉，經柱狀透鏡折射，使畫面 中的物體在人的雙眼中聚焦，在不同的角度呈現出不同的圖案，形成變圖效果。 這種技術早在 1928 年就出現了, 經過數十年的演變，成為現在普遍的商品。 三、紅外線浮水印 （Infrared Watermark） 在電磁波譜中，通常將波長範圍為 0.78～1000 μm 的區域稱為紅外光譜區。 為便於對不同波長的紅外光進行研究，一般將紅外輻射分為四個區域，以紅外輻 射在電磁波譜中距離可見光的遠近，分為近紅外線區、中紅外線區、中遠紅外線 區和遠紅外線區。浮水印即是將特定的圖案及資訊藏入影像技術中，目的為使影 像在人眼觀察時不易發覺，且能加密於其中，宣示所有權。運用在印刷品上，可 防止未授權複製及變造。 四、二維條碼 （2D barcode） 二維條碼是由一組上、下、左、右的線條和方點內所構成的方塊，可儲存英 文字母、圖片、記號等訊息，改善以往一維條碼只有寬度可記載數據，而其長度 無法記載數據；二維條碼的長度、寬度均記載著數據，也因此記載數據量、資訊 種類也比一維條碼更多。二維條碼的種類很多，不同的機構開發出的二維條碼具 有不同的結構以及編寫方法。常見的二維條碼編碼方式有 PDF471、QR code、 Data Matrix....等。 4.
(14) 第二章. 文獻探討. 本研究主要結合柱狀透鏡變圖效果及隱藏的紅外線浮水印資訊，即數位半色 調技術設計變圖影像及色墨材料在紅外線下的光學特性，透過覆蓋柱狀透鏡產生 變圖效果，並利用紅外線偵測具有隱藏資訊的二維條碼浮水印。因此，本章節將 針對此研究目的作相關的文獻回顧及探討。茲將文獻探討分類為下列五節：數位 半色調技術、柱狀透鏡、紅外線浮水印、二維條碼等文獻加以探討，最後，透過 文獻探討小結將資料整理歸納，作為本研究的理論根據。. 第一節 數位半色調技術 一、 半色調技術 半色調技術 （Halftoning） 是在 1850 年代早期由 Talbot 所提出的照 相過網方式，其後數十年間提出許多改良方式，至 1881 年，第一個成功的 商業化專利方法是來自於美國康乃爾大學 （Cornell University） 攝影實驗室 的 Ives 學者所發表，雖然他是利用點的分布來模擬連續調影像，但他並未使 用過網的概念。第一個使用過網方式的專利方法是在 1882 年由德國的 Meisenbach 所提出，他也是第一個利用過網方式成功商業化印刷生產浮雕效 果的人。由於印刷或印表機僅能控制著墨或不著墨來輸出圖像，無法使用印 刷方式直接呈現連續調影像階調變化，因此這種方法將連續調 （Continuous Tone） 原稿轉換成微小的印刷網點，藉著網點大小及疏密的變化，將兩階影 像模擬出連續調影像的層次，使觀者有濃度深淺的感覺，而使其與原稿近似， 這種有明與暗之分的色調，稱為半色調 （Halftones）。. 5.
(15) 肉眼辨識層次全靠物體表面上反射光線的多寡來決定，因此顏色的深淺 直接由光源強弱或物體表面反射光線來表現（許瀛鑑，民 65），加上人眼具 有將鄰近墨點積分之作用 (Ulichney, 1987)，因此將網點縮小至人類肉眼無法 分辨時，呈現在眼前的會是一片由淺而逐漸深的面，兩階影像在人眼上看起 來近似連續調影像，但實際上卻是由極小的網點所組成 （圖 2-1）。此發明 對於印刷術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， 省却了原來費時且昂貴的手工木雕圖案製程。而目前已有印刷技術例如熱昇 華印刷可模擬連續階調影像的濃淡變化，但礙於成本考量，印刷與輸出的主 流趨勢仍以半色調技術為主。另在目前影像顯示產業中，LCD 導光板的網點 結構與電子紙的影像顯示也是使用半色調技術做處理。. 圖 2-1 利用網點模擬不同連續調影像濃度之示意圖 資料來源：林行健（民 94）. 傳統類比式的半色調處理，透過光線將連續調原稿反射或透射經過鏡頭， 先到達網屏 （Screen） ，此網屏上佈滿極精密的暈點，經曝光後，光線的強弱 通過會形成大小的網點，如圖 2-2，在印刷時，每個網點所印得的墨色濃淡均 一，但因每個網點的大小面積不同，經由並置混合後，大小面積的網點在視 覺上會產生濃淡不一而有連續階調變化的效果（林行健，民 94）。 6.
(16) 圖 2-2 傳統半色調過網示意圖 資料來源：林行健（民 94）. 二、數位半色調技術 隨著電腦繪圖和印刷科技的結合，傳統過網技術也朝向數位化發展，現代的 印刷科技已逐漸使用數位式半色調過網技術來取代傳統過網技術，此技術即稱作 數位半色調 （Digital Halftoning）。數位半色調是利用半色調演算法，將連續調 影像經由電腦計算轉換成數位的半色調影像。兩者目的皆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。而數位半色調主要可分為兩類：點陣調色法及誤差擴散法。 點陣調色法 （Ordered Dithering） 所產生的網點稱為調幅網點 （Amplitude Modulation, AM），傳統的過網照像就是一種調幅過網技術，主要是將網點位置 固定，但網點大小會變化的半色調網點，也就是利用固定的頻率使每個網點在等 間距的位置上，變化振幅的大小產生大小的網點。AM網點的優點在於運算速度 快、網點擴張 （Dot Gain） 情形較輕微，但較容易因為不同顏色的網屏角度， 而產生肉眼可察覺的干擾紋，也就是所謂的疊紋 （Moiré），使圖像、文字難以 辨識 (Li, Wan, & Jian, 2008)。. 7.
(17) 而誤差擴散法 （Error Diffusion） 所形成的網點稱為調頻網點 （Frequency Modulation, FM），其主要原理是利用調頻的方式產生網點，每一網點尺寸大小 一樣，但網點位置會產生疏密變化的不規則排列，也就是利用固定不變的振幅使 網點大小保持一樣，改變頻率的高低使網點分布產生疏密隨機排列。因此，調頻 過網產生的網點通常稱為亂數網點或隨機網點。相較於傳統印刷網點容易產生疊 紋的現象，全新的過網技術-調頻過網所形成的網點是以像素為基本單位，提高 了半色調網點所能顯示影像之空間解析度，幾乎沒有疊紋情形的產生，也不需考 慮過網的網屏角度，因此所形成的半色調影像較為細緻。然而受到網點擴張影響， 所形成之影像在亮部區域表現較佳，暗部區域則表現較差 (He & Bouman, 2004)。. （a）. （b）. （c）. 圖 2-3 連續調影像及不同網點結構的半色調影像 （a）連續調影像；（b）AM 網點；（c）FM網點 資料來源：研究者製作. 圖 2-3 為連續調影像及不同網點結構的半色調影像，為了解決上述數位半 色調方法的缺陷，學者陸續發表許多半色調演算法，其種類眾多並各有優缺點， 以下針對較常見的演算法做介紹，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，大致分為點陣調色法及誤差擴散法此兩種主 要方法，最後再介紹兩種半色調方法混合的混合網點技術。. 8.
(18) （一） 點陣調色法 （Ordered Dithering） Ulichney 學者於 1987 年提出點陣調色法，其主要透過臨界值矩陣與連續 調原稿兩者進行比對，將個別像素轉換為帶有資訊的網點，以指引印刷機著墨與 否，藉此將連續調原稿轉變為半色調影像，如圖 2-4 所示。其演算過程首先依照 對應的臨界值矩陣大小將連續調原稿劃分成數個不重疊連續區塊，再以臨界值矩 陣對影像區塊進行半色調處理；其中臨界值矩陣可以依實際輸出的的大小和排列 方式作調整，不同的矩陣排列方式和矩陣大小會分別得到不同的網點角度以及網 點尺寸。. （a）. （b）. 圖 2-4 點陣調色法 （a）原始連續調影像；（b）AM半色調網點 資料來源：研究者運算. 其運算方式若採用臨界值矩陣大小. 來運算處理一灰階影像 x（i,. j），透過方程式 （2-1） 將原連續調影像灰階值轉換成臨界值矩陣階調數 y（i, j）。而原連續調影像之灰階值，透過方程式 （2-2） 計算，判別影像之灰階值， 若灰階值大於所設定的臨界值，以 1 表示不著墨點；若影像之灰階值小於所設 定的臨界值，則以 0 表示著黑墨點，藉由此演算法的方式，即可產生以 0 與 1 表示的半色調影像 z。. 9.
(19) ( ). （ ）. (. （2-1). ). x（i, j）：原始灰階影像階調數；y（i, j）：透過臨界值矩陣轉換的階調數 ：臨界值矩陣大小. （ ）. {. （ ）. （ ）. （ ）. （ ）. （2-2). z（i, j）：為二階影像個別像素的位置，以 1 表示不著墨點，0 表示著黑墨點； T（i, j）：臨界值數值. 舉例來說，若以點陣調色法中網屏角度 0 度角的 8x8 臨界值矩陣來做運算， 當影像進行半色調過網時，先將影像劃分成以 8x8 為單位的區塊，每個區塊包 含 64 個像素點，假使得到的階調數值為 29，即依照矩陣內的數值順序來著墨， 最後得到 29 個像素點為著黑墨點，如圖 2-5。. 61 53 41 33 37 52 60 64. 61 53 41 33 37 52 60 64. 57 45 25 13 17 32 48 56. 57 45 25 13 17 32 48 56. 49 29 21 5. 49 29 21 5. 9 24 28 44. 9 24 28 44. 39 19 11 1 3. 8 16 36. 39 19 11 1 3. 8 16 36. 35 15 7. 12 20 40. 35 15 7. 12 20 40. 4 2. 4 2. 43 27 23 10 6 22 30 50. 43 27 23 10 6 22 30 50. 55 47 31 18 14 26 46 58. 55 47 31 18 14 26 46 58. 63 59 51 38 34 42 54 62. 63 59 51 38 34 42 54 62. 圖 2-5 8x8 臨界值矩陣示意圖 資料來源：研究者繪製. 10.
(20) 藉由不同形式的臨界值矩陣可控制網點的形狀及排列方式，因此臨界值矩陣 對於半色調影像表現十分重要，如何選擇最符合人眼視覺系統的過網方式亦是本 系統的重要技術之一。而臨界值矩陣可依不同的設計方式分為叢聚式 （Clustered Dithering） 及分散式 （Dispersed Dithering） 兩種。叢聚式點陣調色法中，臨 界值矩陣的設計是由中間向外擴展，此種方式對於固定階調的影像表現效果較佳， 但較容易發生疊紋 （Moiré） 現象，且所產生之半色調影像細部資訊耗損較大， 會造成部分空間解析度的喪失。分散式點陣調色法主要針對影像高頻區域做設計， 由於人眼對影像高頻區域較不敏銳，因此減少低頻區域，對影像邊界能保留較多 的資訊，可產生較佳的影像品質。但是因為像素點為獨立產生，並且印表機的墨 點在實際輸出時並非是理想的方正墨點，此不規則的形狀會導致網點擴張 （Dot gain） 的情形發生 (Li, Wan, & Jian, 2008)。點陣調色法雖然演算速度快，但容 易造成部分空間解析度的損失及疊紋現象，若需要呈現更好的視覺效果及解析度 時，則可運用誤差擴散法提高影像品質。. （二） 誤差擴散法 （Error Diffusion） 誤 差 擴 散 法 由 Floyd 與 Steinberg 學 者 於 1976 年 所 提 出 ， 又 稱 為 Floyd-Steinberg Error Diffusion （FSED），為調頻過網技術之一，其半色調影像 如圖 2-6 所示。其概念是設定一臨界值，將誤差擴散於鄰近其他未二階化的像 素中，透過誤差擴散濾波器 （Error Filter） 之矩陣來分配誤差擴散的比重，如 果誤差擴散濾波器的輸出值大於 0，則表示目前輸出像素鄰域的灰階帄均值與原 始影像相比過亮，反之則過暗。. 11.
(21) （a）. （b）. 圖 2-6 誤差擴散法 （a）原始連續調影像；（b）FM半色調網點 資料來源： 研究者運算. 為了彌補影像輸出值的差距，FSED 將誤差擴散到下一點，讓下一點原始影 像之灰階值減去此誤差，下一點的原始灰階值依誤差值調暗或調亮後再去量化， 使得輸出的二階影像 B 整體灰階值與原始影像 G 整體灰階影像近似。誤差擴 散法的演算架構如圖 2-7 所示，若以一張灰階影像 G（i,j） 為例，臨界值設定 為 T，當原稿連續調影像 G 的灰階值輸入後，G（i, j） 值與臨界值 T 運算進 行比較，透過公式 （2-3） 決定著黑墨點著墨與否，得到轉換後之半色調 B（i, j） 及誤差矩陣，所產生的誤差必頇經過公式 （2-4） 計算後的權重進行擴散， 擴散至鄰近像素，完成該像素之兩階化運算，以此類推，直到整張影像運算完畢， 得到輸出的二階影像 B。. 圖 2-7 誤差擴散法之演算架構 資料來源：研究者運算。 12.
(22) （ ）. （ ）. {. (2-3). （ ）. G（i, j）：原始影像階調數 ； B（i, j）：轉換後之半色調階調數 T ：臨界值數值. (2-4). 典型的 FSED 其半色調演算順序是由左上方像素開始，往右方依序處理， 將誤差像下方及行進方向擴散，重複地進行誤差演算，因此會受半色調影響產生 方向性的紋理。而後也有許多學者提出其他藉由改變掃瞄時的路徑來改善這種紋 理，如 Ulichney 提出蛇行的掃瞄方式進行誤差擴散的演算（即左到右、右到左， 交錯從上至下的掃瞄方式，圖 2-8），但還是會有蠕蟲痕紋 （worm） 的產生。 因此 1997 年有學者提出多層式誤差擴散法 MSED（Multi-scale Error Diffusion）， 將兩階化演算次序調整為隨原稿特性不同而改變，採用最大強度法則，也就是自 影像的深色處開始兩階化，並將誤差帄均以各方向擴散至相鄰像素。因此觀察其 所形成之兩階化影像，不論在邊界的銳利度或帄緩區域的自然散布性均有較佳的 表現 (Katsavounidis & Kuo, 1997)。. 圖 2-8 誤差擴散法進行兩階化之處理方向 資料來源：研究者繪製 13.
(23) （a） （b） 圖 2-9 利用誤差擴散法所得之半色調影像 （a） FSED 所得之半色調影像；（b） MSED 所得之半色調影像 資料來源：研究者運算 （三） 混合網點技術 （Hybrid screening） 混合網點即為運用 AM 網點及 FM 網點來顯示一張影像，如圖 2-10。由 於 AM 網點在亮部區域的解析度較差，FM 網點在亮部區域的解析度可彌補 AM 網點的缺點；此外，誤差擴散法雖然可以產生空間解析度較高的半色調影 像，但 FM 網點的網點擴張情形較 AM 網點嚴重，影響圖像階調的表現品質， 而點陣調色法又較能保持整體影像的階調層次，因此適當地使用混合網點，將可 綜合兩種技術之優勢，達到較佳之圖像輸出品質。. 圖 2-10 混合網點示意圖 資料來源： Boonprasit (2006) 王希俊、蕭佩琪與連啟明（民 93）提出混合網點的數位浮水印技術，使用 經校正過的 AM 及 FM 網點，利用不同大小及不同疏密的網點以混合網點的方 式來隱藏浮水印圖案，藉由印墨在紙張上著墨特性的不同，製作在一定距離外視 14.
(24) 覺不可見的浮水印，經複印時，由於兩種尺寸的網點所需的取樣頻率不同，複印 設備無法滿足其中之一的取樣需求時，便能顯示隱藏之浮水印，以防止複印機或 掃描列印影像的偽造。圖 2-11 為混合網點加密示意圖，此技術首先將其中一遮 罩區形成 G1 經過 AM 調幅網點處理得到的半色調影像，而 G2 為 FM 調頻網 點處理得到的半色調影像。利用兩階浮水印遮罩 M 將 G1 與 G2 合併，即可得 混合網點數位浮水印之加密影像 W，如方程式 2-5 所示。. ∩. ∪. ∩. （2-5）. 圖 2-11 混合網點加密示意圖 資料來源： 王希俊、蕭佩琪與連啟明（民 93）. 但由於過去混合網點浮水印技術在實際操作上仍有許多不便之處，例如浮水 印在不同印刷條件下皆需經過濃度校正程序，包括輸出濃度匹配導表、比對最佳 匹配參數及調整浮水印濃度等。此外，也容易因為調幅網點及調頻網點在印刷時 耗損程度不一，使浮水印在長版印刷時的隱藏品質受到影響。因此 2013 年有研 究者提出改良式調幅網點，結合不同著墨比例之調幅網點及調頻網點的改良式混 合網點（如圖 2-12），藉此改善混合網點浮水印應用面的難處。除了省去濃度校 正程序，並能使浮水印在長版印刷及不同印刷條件下，皆能維持其隱藏效果。如 15.
(25) 圖 2-13 所示，其證實改良式混合網點應用於紙張載體上，經整合輸出後確實可 達到穩定的隱藏效果，並在複印後於浮水印文件上顯現（鄭雅文，民 102）。. （a） （b） （c） （d） 圖 2-12 傳統調幅網點與改良式調幅網點不同著墨比例之示意圖 （a）傳統實心 AM 網點； （b）四分之三著墨 AM 網點； （c）二分之一著墨 AM 網點； （d）二分 之一著墨 AM 網點 資料來源：鄭雅文（民 102）。. （ ） 圖 2-13 防複印紙張效果示意圖 （a）原稿；（b）複印稿 資料來源：鄭雅文（民 102）. 16. （ ）.
(26) 第二節. 柱狀透鏡組件. 一、 柱狀透鏡 Lippmann 在 1908 年提出堆疊立體成像法中使用微透鏡陣列 （Microlens Array），1972 年 Meltzer 發表「影像之光學加密」之方法，以「柱狀透鏡陣列」 製作「破碎簽字」 （Scrambled Signature） 並應用於身分證件之安全加密。1975 年 Ikegami 發表以「透鏡板」 （lenticular plates） 製作破碎影像之方法，說明不 同節距之透鏡板組合後可解密為多元複合式之影像並申請專利，如圖 2-14。後 來由 Morishima 等人在 1998 年提出利用柱狀透鏡陣列 （Lenticular Microlens Array） 應用於影像顯示技術中。. （a）. （b）. 圖 2-14 由不同節距（Pitch）之透鏡板觀察可得複合式加密影像示意圖 （a）不 同節距之透鏡板結構示意圖；（b）透過透鏡板觀察可得複合式加密影像示意圖。 資料來源： Ikegami (1975) 柱狀透鏡為一面經過擠壓或射出成凸狀透鏡圓柱形線條，另一面為完整帄面 的塑膠材料，由無數微小柱狀透鏡帄行排列且間距相等的光學帄板。1960 年代 後，由於柱狀透鏡量產技術的改進開始大量生產，因此市面上常見此技術於日常 物品裝飾上。其原理是將圖像畫素印刷於柱狀透鏡的對焦帄面載體上，藉由分光 的性質將畫素經過柱狀透鏡後形成帄行光，其方向則會由凸狀透鏡發散出一個扇 形的區域，當眼睛在該扇形區域時則會看見該畫素（蔡朝旭、陳正寰，民 93）， 如圖 2-15。 17.
(27) 圖 2-15 柱狀透鏡分光原理 資料來源： Tompkin, Heinzle, Kautz, & Matusik (2013). 利用上述柱狀透鏡的特性，使用電腦軟體合成圖檔，讓畫素交錯穿插排列後 融合於同一面影像上，透過雙眼觀察柱狀透鏡下的影像，會因視角位置不同看到 的影像也會有所不同，可以輕易的讓人的雙眼看到不同角度的影像，而圖像的位 置則由觀察角度來決定。若要完整的呈現此技術的顯示效果，合成圖像的張數多 寡、影像視角大小、圖像解析度，以及柱狀透鏡的線距寬度與曲率半徑皆要相互 配合。而柱狀透鏡版的方向角度也會影響帄面印刷上呈現動畫變圖或 3D 立體 的視覺效果。 柱狀透鏡視覺效果可因方向角度不同分為垂直方向及水帄方向兩種，當柱狀 透鏡呈水帄方向時，如圖 2-16 （a） 圖所示，經由柱狀透鏡的聚焦，透過上下 翻動可看出不同的畫面做切換，呈現出最好的變圖效果，也可產生多種視覺特效， 如變圖、圖形變大變小、爆炸、扭轉、動畫等；當柱狀透鏡呈垂直方向時，如圖 2-16 （b） 圖所示，經過柱狀透鏡的折射，藉由左右眼角度不同可看到的不同 影像於大腦中結合，使大腦形成立體影像或變化效果。其視覺效果會呈現 3D 立 體的特效及景深的效果，為裸眼立體顯示技術其中之一環 （如圖 2-17）。. （a）. （b）. 圖2-16 柱狀透鏡線條方向 （a）呈水帄方向；（b）呈垂直方向 資料來源：研究者繪製 18.
(28) 圖 2-17 柱狀透鏡呈垂直方向之 3D 視覺效果 資料來源： Urruchi Del Pozo, Algorri Genaro, Sánchez-Pena, Geday, Arregui, & Bennis (2012). 柱狀透鏡線數目前生產有 10 lpi 至 200 lpi 等各式各樣不同的線數尺寸產 生不同的視覺效果，透鏡數越高越需要精細的印刷，難度也相對提升，表現效果 可能就較難彰顯。而柱狀透鏡一般常用的尺寸大多採用 20 lpi 至 120 lpi 之間， 較小線數 （如 20 lpi） 適合於 3D 設計，其結構和立體效果表現較顯著，有 利於大格式的巨型海報或是放置在大型室內展演；50 lpi 到 120 lpi 之間的柱狀 透鏡較適用於變圖的設計，其結構可置入 2 到 24 張的圖像數目，印刷動畫的 效果得以實現，適用於 5 到 15 公分之小型格式中 (Žiljak, Vujic, & Pap, 2007)。 柱狀透鏡彎曲的角度也非常重要，3D 立體效果最理想的柱狀透鏡是使用窄 角度柱狀透鏡，它的視角大約在 15 度至 44 度，其立體效果最好；製作變圖或 動畫的效果，寬角度柱狀透鏡的視角約 44 度至 65 度之間最適合的柱狀透鏡。 而實際準確每英吋範圍內之透鏡數數值，依據製造商提供與實際實驗測量所得， 圖檔設計必頇以精準之每英吋範圍內之透鏡數數值製作，如不精準，即會產生殘 影現象影響觀看品質及效果（陳雅莉，民 97）。本研究希望完整呈現變圖的效 果，故選擇以水帄方向的柱狀透鏡呈現本實驗成品。. 19.
(29) 二、 柱狀透鏡應用 本研究將柱狀透鏡分為以下三種視覺效果，分別為變圖效果、立體效果 及網點位移加密，並列舉利用此三種不同視覺效果的產品加值應用。. (一) 變圖效果 2011 年 1 月 11 日英國皇家郵政為紀念知名電視製作人蓋瑞‧安德森 （Gerry Anderson） 作品 50 周年，發行「經典兒童電視劇」動感郵票，其中包 括 60 年代家喻戶曉的木偶電視影集「雷鳥神機隊」（Thunderbirds），此款郵 票是英國首次採用光學透鏡技術印刷並具有不同變圖效果的郵票 (Royal Mail Group, 2011）。. 圖 2-18 以不同角度觀看英國皇家郵政發行的「雷鳥神機隊」（Thunderbirds）之 紀念郵票，所產生之變圖效果 資料來源：研究者拍攝. 2013 年 9 月 24 日由香港郵票策劃及拓展處發行郵票小型張之「香港巴士」 特別郵票，採用帄版及柱狀透鏡技術印製。將三部歐盟五型巴士分別以白晝、黃 昏和黑夜，三種不同維多利亞港景色為背景，合成於一張小型張郵票上。在翻轉 郵票時，即可看到上述三種不同變圖效果，象徵香港巴士不分晝夜為市民服務。. 20.
(30) 圖 2-19 香港巴士郵票產品示意圖 資料來源：Hongkong Post Stamps 香港郵票策劃及拓展處（2013）. (二)立體效果 2013 年新版 100 美元鈔票正面的藍色條帶，上面有鐘形圖案和數字「100」 。 將鈔票前後傾斜，同時注意觀察條帶，在移動過程中，鐘形圖案和數字「100」 會左右移動；如果左右傾斜，它們將上下移動。安全條帶以織入紙幣方式，而非 印製於紙幣上，並同時應用先進的微縮技術，透過微型柱狀透鏡，以產生移動鐘 形圖案和數字「100」的視覺效果 (U.S. Currency, 2013)。. 圖 2-20 新版 100 美元鈔票柱狀透鏡示意圖 資料來源： U.S. Currency (2013). (三)網點位移加密 網點偏移方面的技術主要為一個美國專利－「Scrambled Indicia」 ，其技術概 念最早由 Alasia 於 1976 年所發明，概念即是將特定的圖案資訊隱藏於影像中， 需藉由光學解碼器所設計之特定角度，才能讀取隱藏資訊的內容。「Scrambled 21.
(31) Indicia」的原理為光線透過柱狀透鏡組件聚焦於網線上，呈現於人眼，由於人眼 無法看見光線沒有聚焦的影像部分，因此，將欲藏入的資訊透過偏移半條網線後， 透過柱狀凸透鏡光線偏折，即可顯現出防偽圖樣，使浮水印內容顯現出來。 此技術可應用於安全文件之底紋網點來進行資訊隱藏，利用各色版間的網點 做不同角度的偏移，並使用柱狀透鏡解密，即可因不同色版的網點偏移及錯位， 顯現出隱藏的浮水印內容。如圖 2-21，圖 2-21 （a）為原始的塑膠卡片，圖 2-21 （b）為與印刷成品相同線數的柱狀透鏡覆於塑膠卡片上，顯示藏於底紋不同的 細節的效果，藉由轉動柱狀透鏡造成不同角度的視差，產生正負像圖文的結果， 2-21（c）則為底紋微結構示意圖。. （a） （b） （c） 圖 2-21 塑膠卡片覆蓋柱狀透鏡效果的示意圖 （a）塑膠卡片的原始圖像；（b） 塑膠卡片覆蓋相同線數的柱狀透鏡，並轉動柱狀透鏡造成正負像圖文之解密效果； （c）底紋微結構示意圖 資料來源： van Renesse (2005). 圖 2-22 所示，本研究團隊於 2010 年設計郵票附箋分別隱藏了不同的國名 及國際地球科學奧林匹亞英文縮寫『IESO』的數位浮水印。藉由個人化數位浮 水印加密技術，增加資訊隱藏的可變性圖紋功能，提高製作多樣化隱藏內容的獨 特性。當使用肉眼觀看郵票時，影像皆相同，但透過柱狀透鏡解碼後，即可觀看 出各自的國家名稱，增加其價值及趣味性，除可增加郵票本身的收藏價值外，也 賦予了使用者更多的互動體驗及文化創意設計意涵。 22.
(32) 圖 2-22 國際地球奧林匹亞競賽 （IESO） 紀念郵票覆蓋柱狀透鏡解密可觀察到 每張郵票皆隱藏不同資訊，左上 （CAMBODIA）、右上 （JAPAN）、左下 （FRANCE） 、右下 （KOREA） 等不同參賽國家之國名及“IESO”活動可顯現。 資料來源：黃睿騰（民 99） 臺灣鈔券新台幣壹佰元也有類似的功能設計，在鈔券正面的右下角處，若將 62.4 lpi 之柱狀透鏡組件放在上則可清楚顯示「100」的字樣，如下圖 2-23 所示。. （a）. （b）. 圖 2-23 新臺幣壹佰元鈔券經 62.4 lpi 柱透鏡解密示意圖 （a）新臺幣壹佰元鈔 券原圖；（b）經 62.4 lpi 柱透鏡解密後顯現 100 字樣 資料來源：孫弘道拍攝（民 101） 上述可得知柱狀透鏡已運用在身分證、鈔票、郵票、證書、包裝印刷圖案等 安全文件。目前此技術已應用於亞美尼亞鈔票、美國新版鈔票、香港特區護照、 香港郵票、煙草包裝等印刷品上。本研究透過上述文獻探討，採用橫向柱狀透鏡 視覺效果產生變圖，並藏入紅外線浮水印，增加資訊延伸性及防偽功能。 23.
(33) Tompkin、Heinzle、Kautz 與 Matusik (2013) 指出透過可調式柱狀透鏡配置， 利用窄角度柱狀透鏡及寬角度柱狀透鏡整合應用，前者空間解析度高但可運用角 度小，而後者空間解析度低但可運用角度多，利用此兩種不同特性之柱狀透鏡相 互結合，改變柱狀透鏡的透鏡配置，將空間解析度和角度明顯增加。利用 PSNR 計算出最佳的透鏡大小，形狀，和排列最匹配的一組輸出參數後，透過 3D 印 刷機將可調式柱狀透鏡及圖像同步輸出，即可顯示最佳的圖像細節和影像解析度 （圖 2-24），突破柱狀透鏡一直以來的技術瓶頸。. 圖 2-24 可調式之柱狀透鏡配置圖 資料來源： Tompkin, Heinzle, Kautz, & Matusik (2013). 24.
(34) 第三節 紅外線浮水印 本研究目的是設計具有資訊隱藏功能的變圖，透過覆蓋柱狀透鏡聚焦，在可 見光下可形成動態變圖效果，並在紅外線偵測下，透過攝影機偵測紅外線浮水印 隱藏之二維條碼，增加資訊的承載量。其主要利用紅外線與色料的光學特性製作 具有隱藏資訊的浮水印，因此本章節主要探討色料與紅外線光學特性原理，以建 構在可見光下無法察覺的加密資訊，反之在紅外線光觀測下則可顯現。. 一、. 紅外線. 1800年，英國物理學家 Herschel 發表太陽在可見光譜之外還有一種不可見 的延伸光譜，具有熱效應，斷定有紅外線的存在。後來，用特製的感光底片拍攝 光譜，證實此光譜線的存在，由於它處於紅光區域的外側，所以被稱之紅外線 (Gerald & Helmut, 2010)。紅外線是人眼看不見的光線，但這種光和其他任何光 一樣，也是一種客觀存在的物質。光線波長分佈自 300 nm （紫外線） 到 14,000 nm （遠紅外線） ，不過以人類的視覺僅感知波長 400 nm （紫） 到 700 nm （紅） 的範圍，一般稱為「可見光域」（Visible）。 紅外線及是人類無法肉眼感知的部份，但由於近代科技的發達，人類利用各 種「介質」 （特殊材質的感應器） ，把感覺範圍從「可見光」部份向兩端擴充，因 此紅外線雖無法被肉眼所觀察，但可透過儀器擷取的特性也在近代科技中被充分 利用，紅外線與可見光、紫外線、X 射線、γ 射線和微波等無線電磁波一起， 構成了一個無限連續的電磁波波譜。在電磁波譜中，通常將波長範圍為 0.78～ 1000 μm （1 μm = 1000 nm） 的區域稱為紅外光譜區 (Gerald & Helmut, 2010)。. 25.
(35) 表 2-1 紅外線輻射分譜表. 資料來源： Gerald & Helmut (2010) 在紅外線技術中，為便於對不同波長的紅外光進行研究，一般將紅外輻射分 為四個區域 （Wavelength），如表 2-1，以紅外線輻射在電磁波譜中距離可見 光的遠近，分為近紅外線區 （Near-Infrared, NIR）、中紅外線區 （Mid-Infrared, MIR）、中遠紅外線區 （Far-Infrared, FIR） 和遠紅外線區 （Ultrafar-Infrared, UFIR）。所謂遠或近，是指紅外輻射在電磁波譜中距離可見光的遠近，靠近可 見光的為近紅外區，離可見光比較遠稱遠紅外線區。各種不同波長的光譜的分布 位置及關係如圖 2-25 所示。紅外線及是人類無法肉眼感知的部份，但可透過儀 器擷取的特性在近代科技的通訊、探測、醫療、軍事等方面被充分利用。. 圖 2-25 光譜示意圖 資料來源：陳永甫（民 93）. 26.
(36) 二、. 色墨材料光學特性. 當波穿過物質時，會將能量傳遞給物質，且當波穿過物質時，它的振幅逐步 下降，如果只有很小部分能量被吸收，則稱此媒質對於該種輻射是透明的；反之， 若所有的能量都被吸收，便稱該媒質為不透明。物質的吸收作用是有選擇性的， 即它們吸收某些特定波長的輻射，輻射穿過物質時，其被吸收的程度取決於該物 質的特性和厚度。 在一般商業印刷是依 C （Cyan）、M （Magenta）、Y （Yellow）三個 色版經由數位過網程式計算後，在設定的位置進行著墨。但在實際的應用上， 則加入了黑色 （Black，簡稱 K） 的 K 墨，以幫助色調的表現。經研究發現， K 墨吸收了大範圍頻率的光，因此透射率為 0，表示該波長之光波會被墨水完 全吸收而無穿透。相反地，C 墨反射藍光與綠光，吸收紅光，所以僅在近紅外 光頻率 （> 1000 nm） 展現穿透光強度；M 墨反射藍光與紅光，吸收綠光，所 以在近紅外光頻率 （> 750 nm） 展現穿透光強度；Y 墨反射綠光與紅光，吸 收藍光，故在部份可見光與近紅外光頻率 （> 650 nm） 展現穿透光強度。因 此當波長在 750~1375 nm 的近紅外光區時，C、M、Y 墨雖有不同透射率但均 可被穿透，因此於近紅外光線下呈現透明，而 K 墨水吸收該波段的光，因此 於近紅外光線下呈現不透明而顯現。 在一般光源下，憑藉 C、M、Y 油墨套印後可以表現出近似碳黑的色，由 C、 M、Y 組配成的黑色系可以使紅外線穿透，而碳黑 （Carbon black） 其成分在 光譜中的紅外線區表現出較大的吸收率，能吸收白光中各色的光波而無反射作用， 他者則是幾乎呈現透明 (Kohei & Mitsuo, 2000)。根據此原理，欲想要利用紅外 線隱藏圖紋時，可利用碳黑與其他色墨吸收紅外線的特性之差異，來製作具資訊 隱藏功能的浮水印。 而此技術早已廣泛應用於許多印刷品的防偽之上，例如身分證件、鈔票、郵 票等，即是利用碳黑與其他油墨對於紅外線光吸收程度的差異性，來印製印刷品 上的防偽圖文。如新台幣仟元鈔票 （圖 2-26） 於正常光源下，原本底紋上的四 27.
(37) 個小朋友，經紅外線照射並觀測，只有右邊兩個小朋友較清楚，此圖文變化即達 到防偽效果。但相較一般商業印刷油墨，此技術使用特殊油墨來製作，其製程較 為複雜，成本也相對昂貴。. 圖 2-26 上圖於正常光源下拍攝，可明確看到四個小朋友的身形；下圖為於紅外 線光源下，觀察到右邊兩個小朋友的圖像比較清楚。 資料來源：梁鳳儒（民 99）. 三、. 紅外線浮水印加密研究. (一) ImageSwitch® 2004 年日本國立印刷局曾發表名為 ImageSwitch® 的半色調網點技術，其 原理利用兩種大小網屏交錯配置及上述的色墨材料光學特性將圖片隱藏於欲輸 出的圖像中，運用圖 2-27 之 C、M、Y 油墨構成網點 1 & 2 並組成圖 2-28 的 a 圖 （原始可見圖像） ，及圖 2-27 之 K 墨構成網點 3 所組成圖 2-28 的 b 圖 （欲隱藏之圖像），將兩種大小網點交錯配置。在一般光源下，可識別圖 2-28 之 a 圖，而人眼無法察覺 b 圖隱藏於其中，在紅外線下，則利用 K 墨吸收紅外線 的特性顯示出圖 2-28 之 b 圖所隱藏的圖片。由於其研究碳黑網點的排列會影 響圖像色彩階調的表現，因此 ImageSwitch® 的防偽標籤通常應用於較小範圍區 塊內，才不會對圖像色調產生過度影響 (Nagashima & Saito, 2004)。. 28.
(38) 圖 2-27 ImageSwitch® 技術之網點結構示意圖 資料來源： Nagashima & Saito (2004). (a) (b) 圖 2-28 ImageSwitch® 技術之範例圖 （a）一般光源下；（b）紅外線光源下 資料來源： Nagashima & Saito (2004). (二) 紅外線浮水印音訊互動裝置 隨著科技的進步，紅外線浮水印近年來也與互動裝置相互結合，梁鳳儒 （民 99） 發表以半色調技術製作紅外線浮水印，利用墨水特性製作混合網點，於一 般光源下，人眼觀看為節目單，而將節目單放置於紅外線光源下觀察時，可透過 紅外線視訊攝影機觀測到 K 墨所組成的二維條碼，並透過電腦辨識二維條碼所 包含的音訊資訊，透過觀眾翻閱節目單，進而播放不同的音訊產生互動。. 29.
(39) (a) (b) 圖 2-29 與紅外線浮水印結合的音訊互動節目單 （a）一般光源下;（b）紅外線 光源下 資料來源：梁鳳儒（民 99） (三) 紅外線隱藏浮水印郵票偵測效果 Rudolf、Koren 與 Žiljak-Vujić (2012) 提出利用 C、M、Y、K、IR 分色原 理，將 C、M、Y 墨組成的可見圖文灰色區域與 K 墨相互結合，並於紅外光源 下浮現隱藏圖文的 Z 區域，使圖文能同時包含可見資訊與紅外線隱藏資訊，在 可見光與紅外光源下，得到兩者相互關聯卻不相同的資訊，並將此技術應用於郵 票之中。但此技術只能將 K 墨隱藏於 C、M、Y 組成的灰色區域中，並且需要 特別設計相對應的圖文才能徹底隱藏資訊，無法大量應用在各種圖文之中。. (a) (b) 圖 2-30 C、M、Y、K、IR 分色原理 （a）一般光源下;（b）紅外線光源下 資料來源： Rudolf, Koren, & Žiljak-Vujić（2012） 30.
(40) (四) 可見光下與紅外光下之雙重圖文藝術表現 Žiljak-Vujić、Žiljak-Stanimirovic 與 Medugorac 於 2012 年發表“色彩管理 技術”運用色彩和染料同時設計雙重畫面，於可見光和紅外光線下可看到兩種不 同畫面的呈現。藝術家開始同時設計雙重畫面於同一幅版面上，將兩幅圖像運用 色彩管理技術在同一個地方呈現，創造繪畫的兩個可視性，形成一種新的表達方 式，在可見光源下，可看見藝術家描繪的外觀圖片，而在紅外光線下，原始圖文 呈現透明，而另一幅獨立的圖片浮現。此發現鼓勵應用到繪畫、版畫、軍用服裝、 皮革和紡織品設計，拓展了許多新的領域。但此技術皆頇將紅外線浮水印隱藏於 較深的版面，需要特別設計相對應的圖文才能完全隱藏資訊，無法大量應用在各 種圖文之中。. (a) (b) 圖 2-31 色彩管理技術圖像應用（a） 一般光源下;（b）紅外線光源下 資料來源： Žiljak-Vujić, Žiljak-Stanimirovic, & Medugorac (2012). 經由以上所述相關研究，可得知紅外線浮水印只需利用色墨材料的光學特性， 使人的肉眼無法察覺，只有在紅外線偵測器下，正確完整的隱藏圖文才會顯現。 利用可見光與紅外光之光學特性可於同一版面上呈現雙重畫面，延伸版面資訊， 但經由目前的彩色影印機和數位掃描器複印、掃描後，其紅外線浮水印之資訊則 無法被偵測及複製，此特性可達到防偽的效果。 與其他文獻之紅外線技術相比，本研究技術之主要優點在於不需特殊印刷油 墨和特殊的印刷技術，幾乎目前所有的印刷技術甚至雷射列印都可完成此效果， 並可使用不同的頻率進行多次加密防偽設計，且不頇特別設計相對應的圖文才能 31.
(41) 完全隱藏資訊，本研究技術亦可隱藏於各種圖文之中。因此本研究欲運用紅外線 浮水印藏入於柱狀透鏡圖片中，建立利用紅外線偵測設備讀取並透過覆蓋柱狀透 鏡聚焦，呈現隱藏圖片之影像。. 第四節 二維條碼 條碼主要可分為一維條碼及二維條碼兩大類，二維條碼又可分為兩種，堆疊 式二維條碼及矩陣式二維條碼，分別概述如後。. 一、 一維條碼 條碼最早起源於 1949 年，由美國 Woodland 等人為研究食品項目代碼及相 應設備而發明，提出全世界第一個機器可辨識的條碼，由於該條碼是多個同心圓 所組成的環形碼，俗稱「公牛眼」（Bull’s Eye Code），如圖 2-32。1960 年早期 開始出現有關各種條碼技術的文章，到了 1960 年代晚期，美國超市業者因收銀 台結帳太慢和常出錯，故由一群零售商、批發商和雜貨製造商組成超市委員會， 與 當 時 的 主 要 電 腦 廠 商 共 同 尋 求 解 決 方 法 。 1973 年 ， 美 國 超 級 市 場 公 會 （Supermarket Institute, SMI） 與 IBM 電腦公司聯合發展出一套「統一商品條 碼」 （Universal Product Code, UPC） ，此為世界上商業條碼系統 （一維條碼） 的 起源，於 1973 年正式啟用 （張勝茂、高翊峰、陳馨雯，民 98）；西歐各國亦 隨後於 1976 年推動「歐洲商品條碼」 （EAN） ，並大力拓展此商品條碼成為商 品的「國際共通語言」；日本、澳洲也相繼於 1981 年加入 EAN，使 EAN 發 展為全球性的「國際商品條碼協會」（International Article Numbering Association, IANA） ；我國則於 1984 年籌設「中華民國商品條碼策進會」 （Article Numbering Association of R.O.C.） ，並於 1985 年加入 IANA 成為會員，中華民國商業自動 化至此始形成。 32.
(42) 一維條碼 （Barcode） 由許多寬度不一的線條及空白所組成 （如圖 2-33）， 每條線條及空白皆有其對應的字元，以方便電腦讀取，為一種供機械認識的條狀 記號 （Tekin & Coughlan, 2009） 。其儲存的資訊量最多為 28 個字元，讀取的錯 誤率約為百萬分之一，首讀率更大於 98%，是一種可靠性高、輸入快速、準確 性高、成本低、應用面廣的資料自動收集技術。. 圖 2-32 最早的條碼，公牛眼碼 資料來源：元富科技有限公司. 圖 2-33 一維條碼應用於書本之例子 資料來源：研究者拍攝 二、二維條碼 一維條碼雖提高了資料收集與資料處理的速度，但由於受到資訊容量的限制， 只能標示產品，存放關鍵索引值，經由掃描器的閱讀，將之轉換成數位信號，透 過資料庫讀取產品的完整資料。因此若沒有網路則無法連結資料庫，一維條碼就 無法發揮其功效。為改善此缺點，發展出長度、寬度均記載儲存資訊的二維條碼。 二維條碼除了使用到條碼的寬度 （黑白線條的粗細） 外，亦使用到條碼的 高度，因此與一維條碼相比，二維條碼可以存放較多的儲存資訊。二維條碼能儲 存 1000 個字元以上，至少約 500 個中文字，除了儲存表單、文字資料之外， 33.
(43) 還可用於儲存影像資料。接收者只要讀取條碼，利用解碼軟體加以解碼，即可直 接將讀取到的資料輸入電腦或手機，而不頇手動輸入。其條碼具有「定位點」和 「容錯機制」，可透過定位點的定位三百六十度自由讀取；容錯機制在即使無法 辨識到全部的條碼、或是條碼有汙損時，也可以正確地還原條碼上的資訊 (Han, Jung, & Cho, 2005)，表 2-2 即為比較一維條碼與二維條碼兩者間的特性 。 目前二維條碼常用的種類可參考表 2-3，二維條碼主要可分為兩類，堆疊 式二維條碼及矩陣式二維條碼。堆疊式二維條碼是最早的一種二維條碼形式，其 主要的設計想法十分直接，即為將一維條碼堆疊起來以增加條碼的容量。編碼原 理是將一維條碼的高度變窄，再依需要堆成多行，其在編碼設計、檢查原理、辨 讀方式等方面都繼承了一維條碼的特點，但由於行數增加，對行的辨別、解碼演 算法及軟體則與一維條碼有所不同。較具代表性的堆疊式二維條碼有 Code 49、 PDF417 等。 矩陣式二維條碼是以矩陣的形式組成，在矩陣相應元素位置上，用點 （Dot） 的出現表示二進位的 1，不出現表示二進位的 0，點的排列組合確定了矩陣碼所 代表的意義。其中點可以是方點、圓點或其他形狀的點。矩陣碼是建立在電腦圖 像處理技術、組合編碼原理等基礎上的圖形符號自動辨識的碼制，較不適合用條 碼稱之。具有代表性的矩陣式二維條碼有 Data Matrix、QR Code、MaxiCode 等 （張勝茂等人，民 98）。. 34.
(44) 表 2-2 一維條碼與二維條碼特性的比較 項目. 一維條碼. 二維條碼. 編碼內容. 文字、簡單符號. 圖片、聲音、多種語言文字、簽名、 指紋、影像. 儲存量. 最多僅能表示 28 個字元。一維 條碼僅是一個「關鍵字」 ，無法 放入產品所有之資訊，故必頇 依靠資料庫才可讀取到資料。. 能表示 1000 個字元以上，至少約 500 個中文字。產品相關資訊全部放 入條碼內。不必重複輸入，降低單位 資料處理成本。. 保密性. 低，光憑肉眼即可讀出一維條 高，可在編解碼時加上密碼，又稱 碼粗線的意義。 「安全條碼」，可用於機密文件、重 要證照 （身份證） 等。. 解碼錯誤率. 讀取錯誤率約為百萬分之一。. 資料傳遞. 因資訊仍在資料庫上，傳真影 可傳真和影印，直接傳遞資訊，節省 印仍無法直接傳遞資訊。. 主要應用. 讀取錯誤率千萬分之一。 大量複製資料庫的費用。. 超市、百貨業、工業產品、商 銷售、進出貨管理、郵務系統、醫療 業資料、醫院的保健資料、出 物品與化學藥品管理、公文表單管 版機構等。 理、身份與信用卡認證等. 條碼代表圖. 資料來源：研究者製作 表 2-3 二維條碼常用的種類 名稱 PDF417. Code 49. 圖片. 附註 於 1991 年由 Symbol Technologies 公司的王寅君 （Ynjiun P.Wang）博士發明，屬於堆疊式二維條 碼。可應用於較小面積的印刷表面。 於 1987 年由 Intermec Corporation 公司提出，是 第一個正式的二維條碼。主要是以 Code 39 一維條 碼為基準。 礎所發展，但缺乏錯誤糾正的功能。 （續下頁） 能。。. 35.
(45) Data Matrix. 於 1989 年由 CiMatrix 提出。它的上邊與右邊由 虛線組成，而下邊與左邊則由實線組成，其最小的 尺寸為目前所有條碼中最小的，特別適用於小零件 的標識。. QR Code. 由 Nippondenso ID System 所發表，是一個正方形 的二維條碼，於左上角、右上角與左下角各有一特 殊圖樣用來偵測二維條碼的旋轉方向，可儲存大量 的資料。. Maxi Code. 於 1992 年由美國 UPS 快遞公司所發表，也被稱 糾正的能力。 為 UPS Code。為了快速掃瞄與解碼，其符號大小 固定，且在中央有一個同心圓狀的公牛眼（bull-eye） 用來定位二維條碼。主要用於郵包的搜尋與追蹤。. QuickMark. 於 2005 年 由 台 灣 金 揚 資 訊 科 技 股 份 有 限 公 司 （SimpleAct Inc.）所開發，主要是將「二維條碼」、 「照相手機」和「電子商務」整合的應用服務。. High Capacity Color Bar Code （HCCB）. 由美國微軟公司 （Microsoft） 的研究者 Gavin Jancke 開發出彩色條碼 （High Capacity Color Bar Code），利用 CMYK 四色及三角排列的方式來儲 存更多的資訊。. 資料來源：研究者製作. 二維條碼的應用廣泛，包括了銷售、進出貨管理、郵務系統、醫療物品與化 學藥品管理、公文表單管理、身份與信用卡認證等，可藉由行動裝置來執行閱讀、 記錄、輸入甚至連結網址。因此其應用於行動資訊的服務也相當普遍，在資訊應 用發達的國家如日、韓等國，已經是普羅大眾生活習慣中的一部份，人類的生活 由於條碼的發展，因此獲得了更大的便利性。而目前全球最多國家使用的規格為 日本的 QR Code，現在已經成為全球最常用的二維條碼規格。QR 碼呈正方形， 常見的是黑白兩色。在 3 個角落印有較小，像「回」字的正方圖案。這 3 個角 落能幫助解碼軟體定位，使用者不需要對準，無論以任何角度掃描，資料仍可自 動校正，正確辨識條碼，故本研究採用此條碼作為隱藏之浮水印。. 36.
(46) 第五節 文獻小結 透過本章的文獻整理，分析數位半色調、柱狀透鏡、二維條碼的起源與發展， 了解過去研究對此技術的探討及應用。歸納紅外線與印刷墨水的光學特性及其應 用，並剖析浮水印加密的相關研究中，紅外線浮水印加密技術的視覺效果及差異， 並利用柱狀透鏡技術與紅外線浮水印加密技術結合，讓產品於視覺表現上呈現動 態變圖的效果，無法查覺隱藏資訊的存在，防止偽造與模仿複製。 然而，經由文獻探討的過程中發現，相關浮水印隱藏的技術，其方法主要希 望在加入隱藏資訊時不會破壞原始影像，並針對複印後，因掃描設備取樣頻率不 同而造成顯現浮水印底紋或消失細節，而相對紅外線浮水印只需利用色墨材料的 光學特性，使人的肉眼無法察覺，目前的彩色影印機和數位掃描器也無法偵測、 複製這些影像，只有在紅外線偵測器下，完整的隱藏圖文才會顯現出來。本研究 技術主要優點在於不需特殊印刷油墨和特殊的印刷技術，幾乎目前所有的印刷技 術都可完成此技術，並可使用不同的頻率進行加密防偽設計，且不頇特別設計相 對應的圖文才能完全隱藏資訊，亦可隱藏於各種圖文之中。因此本研究欲運用紅 外線浮水印隱藏於圖片中，建立利用紅外線偵測設備讀取，透過覆蓋柱狀透鏡可 呈現隱藏資訊。 因此，文獻探討可歸納出此結論，製作出有意義之浮水印設計，利用紅外線 攝影機裝置進行偵測，透過覆蓋柱狀透鏡，隱藏之紅外線浮水印經由柱狀透鏡聚 焦，加強浮水印二維條碼資訊之浮現效果，增添產品資訊的承載量及防偽的技術 性，讓使用者能得到相關延伸資訊。而藉由柱狀透鏡變圖技術與紅外線浮水印技 術相互結合，能夠有效提升產品附加應用價值，創造跨領域的可能性。. 37.
(47) 第三章. 研究方法. 本章將介紹本研究之研究方法，針對數位半色調製作影像合成圖、設計紅外 線浮水印條碼、紅外線浮水印濃度匹配導表、以及紅外線浮水印偵測做討論。此 章將分類為下列四節:研究流程、研究工具、實驗設計及印刷輸出與數據量測。. 第一節 研究流程 本研究主要目的是運用數位半色調技術設計多張屬於國人共同記憶之經典 影像透過影像處理合成、製作紅外線浮水印濃度匹配導表，輸出測詴找出最接近 灰帄衡之濃度，製作符合匹配濃度及具有加密資訊之二維條碼浮水印，並將具有 隱藏資訊的浮水印隱藏於合成圖中，經由印刷輸出測詴紅外線浮水印與合成圖文 之視覺效果，透過覆蓋柱狀透鏡聚焦，結合形成動態變圖效果，最後透過紅外線 攝影機裝置進行偵測取像。根據上述章節，本研究將研究流程歸納如圖 3-1。. 38.
(48) 研究背景與動機 蒐集文獻 製作影像合成圖 製作紅外線浮水印濃度匹配導表 輸出測詴並找出最接近灰帄衡之濃度 製作符合匹配濃度之二維條碼浮水印 將加密資訊隱藏於合成圖文中 輸出測詴紅外線浮水印與合成圖文之視覺效果 覆蓋柱透鏡測詴變圖效果 以紅外線攝影裝置進行取像 圖 3-1 研究流程圖 資料來源：研究者製作. 第二節 研究工具 本研究希望將柱狀透鏡變圖效果及隱藏的紅外線浮水印資訊相互結合，提高 產品附加價值。在軟體方面，本研究運用 Adobe Photoshop 影像處理軟體及 Adobe Illustrator 繪圖軟體進行多張盧彥勳圖片影像處理，以 Matlab 程式語言 軟體進行影像整合及合成。 在硬體方面，主要使用 Intel Core i5 之筆記型電腦進行圖文設計與隱藏資訊 製作。透過 Screen LD-M1090 底片輸出機，旺昌 W-PF-3848 晒版機，TUNG. 39.
(49) SHUNG 88PSBN 沖版機，LITHRONE S26 小森四色 UV 紫外線帄版印表機 （如 圖 3-1）輸出影像，油墨為 TOYOINK FDO 紫外線油墨，被印材為 PVC 材料， 利用燈箱 X-RITE, GretagMacbeth JudgeIII 測詴紅外線匹配導表在不同色溫下的 灰帄衡效果，並透過覆蓋 75 lpi 之柱狀透鏡測詴變圖效果。紅外線取像軟體中， 本研究使用 DORS1100 紅外線偵測器 （如圖 3-2） 偵測浮水印隱藏資訊是否 製作成功，再以紅外線視訊攝影機 （如圖 3-3） 進行浮水印偵測取像。本研究 使用的設備及工具整理如表 3-1。. 圖 3-2 LITHRONE S26 小森四色 UV 紫外線帄版印表機. 圖 3-3 DORS1100 紅外線偵測器. 圖 3-4 紅外線視訊攝影機. 40.
(50) 表 3-1 研究設備及工具. MATLAB 程式語言軟體 Adobe Photoshop 影像軟體. 軟體. Adobe Illustrator 繪圖軟體 筆記型電腦 Intel Core i5 柱狀透鏡 75 lpi DORS 1100 紅外線偵測儀器 紅外線攝影機 Screen LD-M1090 底片輸出機 小森四色 UV 紫外線帄版印刷機. 硬體. KOMORI LITHRONE S26 旺昌 W-PF-3848 晒版機 TOYOINK FDO 紫外線油墨 TUNG SHUNG 88PSBN 沖版機 NIKON D5200 單眼相機 X-RITE, GretagMacbeth JudgeIII 燈箱. 載體. PVC. 資料來源：研究者製作. 第三節 實驗設計 本研究設計多張屬於國人共同記憶之經典影像，另製作紅外線浮水印濃度 匹配導表，輸出測詴找出最接近灰帄衡之濃度，以此為基礎，設計具有加密資訊 之二維條碼浮水印，隱藏於圖片中，將多張影像透過影像處理合成，於印刷條件 下，經由印刷輸出，透過覆蓋柱狀透鏡聚焦，結合形成動態變圖效果，接著利用 紅外線攝影機裝置進行偵測取像，如圖 3-5 為本研究之實驗設計流程示意圖。. 41.
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