改變文件複印後內容之混合網點數位浮水印技術

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(1)國立臺灣師範大學圖文傳播學系碩士論文. 改變文件複印後內容之混合網點數位浮水印技術 Using watermark of hybrid halftone dots to change the document’s original meaning after duplication. 研究生:張維烝指導老師:王希俊教授. 中華民國 100 年 6 月 i.

(2) 摘. 要. 隨者科技快速進步，印表機、影印機、掃描機等複製設備已逐漸的普及，透過這些儀器，便可快速及精準複製文件；然而，因複製科技的設備不斷的更新，偽造者亦可藉由這些設備製作出高品質的複製品，以致版權受到極大的威脅，以往版權宣告的浮水印技術大多是隱藏版權擁有者的圖案，但無法有效降低因非授權複印之損失；本研究目的在提出以不同網點所混合的數位浮水印技術，可以在複印後改變文件內容，使其複製後文件之內容與意義改變，達到版權保護的目的。本研究以混合調幅網點及調頻網點的方式來設計浮水印，藉由調幅網點與調頻網點在複印機或掃瞄機等不同的偵測設備上的取樣差異，浮水印經目視觀察時，此文件外觀及意義並無差異，但文件經由影印機或掃描器等設備複製後，原稿內容消失，而隱藏之浮水印即顯現，使非授權印製品無法有相同內容，甚至改變其意義，未來將此技術將可以應用於一般文化書籍或是漫畫書上，不僅可以宣告版權，更能嚇阻非授權複印。. 關鍵詞：混合網點、數位半色調、浮水印、網點擴張。. ii.

(3) Abstract The objective of this research is to design an anti-copy method by watermark with hybrid halftone dots of amplitude modulation (AM) and frequency modulation (FM). This research gives the digital watermark the other alternative to declare copyright. The watermark will appear by duplicating the original document, and the content of the document is altered. It will have many potential applications such as secured document, comic books and etc. Keywords: hybrid halftone dots, digital halftoning, watermark, dot gain.. iii.

(4) 目錄摘要............................................................................................................................... ii Abstract ...................................................................................................................... iii 目錄.............................................................................................................................. iv 圖目錄 ........................................................................................................................... v 表目錄 ......................................................................................................................... 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 ................................................................................................ 3 第三節研究問題 ................................................................................................ 3 第四節研究範回與限制…………………………………………………………..4 第二章. 文獻探討 ....................................................................................................... 5. 第一節數位浮水印 ............................................................................................ 5 第二節半色調過網技術 ...................................................................................... 7 第三節實體影像浮水印相關研究.. ..................................... …………………20 第三章研究方法………………………………………………………………………33 第一節研究流程 .............................................................................................. 34 第二節研究工具 .............................................................................................. 36 第三節文件與浮水印設計………………………………………………………37 第四章實驗結果與討論………………………………………………………………48 第伍章結論與建議……………………………………………………………………61 參考文獻 ..................................................................................................................... 65. iv.

(5) 圖目錄圖 1-1、我國鈔票防偽設計使用之浮水印…………………………………………………….2 圖 2-1、LSB 資訊隱藏示意圖…………….…………………………………………………...6 圖 2-2、半色調過網示意圖…………….……………………………………………………..7 圖 2-3、模擬不同網點結構的半色調影像…………………………………………………...8 圖 2-4、定階量化法…………………………………………………………………………..10 圖 2-5、點陣調色法……...……………………………………………………………………11 圖 2-6、8x8 之臨界值矩陣示意圖……………………………………………………………12 圖 2-7、點陣調色法之臨界值矩陣…………………………………………………………..13 圖 2-8、原連續調影像………………………………………………………………………..14 圖 2-9、水平式臨界值矩陣示意圖…………………………………………………………..14 圖 2-10、垂直式臨界值矩陣示意圖……………………..…………………………………..15 圖 2-11、右斜向臨界值矩陣示意圖………………………………………………………….15 圖 2-12、左斜向臨界值矩陣示意圖………………………………………………………….16 圖 2-13、0 度之臨界值矩陣示意圖…………………………………………………………..16 圖 2-14、網屏角度 45 度之臨界值矩陣示意圖……………………...………………………17 圖 2-15、分散式臨界值矩陣示意圖………………………………………………………….17 圖 2-16、誤差擴散法演算流程…………………………………………………………..…...18 圖 2-17、誤差擴散法進行兩階化之處理方向……………………………………………….19 圖 2-18、誤差擴散法………………………………………………………………………….19 圖 2-19、Glyph Code 網點微結構示意圖…………………………………………………….20 圖 2-20、微結構防偽示意圖…………………………………………………………..………21 圖 2-21、使用微小圖案置換原始網點示意圖……………………………………………….22 圖 2-22、透過改變過網區塊的網點數之實體浮水印……………………………………….22 圖 2-23、學業證書防偽示意圖……………………………………………………………….23 圖 2-24、語言證書防偽示意圖……………………………………………………………….24 圖 2-25、日本入境許可之防偽機制………………………………………………………….25 v.

(6) 圖 2-26、將一般線條之微結構改變示意圖.......................................25 圖 2-27、文件經複印後影像改變示意圖.......................,.................26 圖 2-28、網點位移加密圖.....................................................27 圖 2-29、文件透光觀察後，浮水印顯現示意圖 ..................................28 圖 2-30、混合網點示意圖.....................................................29 圖 2-31、半色調影像資訊加密效果.............................................30 圖 2-32、半色調影像資訊加密效果.............................................31 圖 2-33、patchwork 的隨機配對示意圖. .......................................32. 圖 3-1、本研究實驗流程......................................................35 圖 3-2、網點匹配導表輸出圖..................................................38 圖 3-3、本實驗浮水印 AM 過網之臨界值矩陣.....................................38 圖 3-4、導表微結構示意 .....................................................39 圖 3-5、網點面積濃度示意圖(階調 24)..........................................39 圖 3-6、本研究所設計之武學書籍..............................................41 圖 3-7、混合網點數位浮水印的製作概念........................................42 圖 3-8、本研究文件內容與浮水印示意圖........................................43 圖 3-9、本研究應用於身份證件................................................44 圖 3-1、本研究數位浮水印效果示意圖................................,........45 圖 3-11、本研究之混合網點數位浮水印的製作概念...............................45 圖 3-12、本研究混合網點之概念局部放大示意圖.................................46 圖 3-13、本研究之混合網點數位浮水印的製作示意圖.............................47 圖 3-14、匹配導表分析之位置.................................................49. vi.

(7) 圖 3-15、AM2/64 匹配導表灰階值分析圖........................................49 圖 3-16、AM2/64 匹配導表平均灰階值分布圖....................................51 圖 3-17、AM3/64 匹配導表灰階值分析圖........................................52 圖 3-18、AM3/64 匹配導表灰階值分析圖........................................52 圖 3-19、AM3/64 匹配導表匹配導表平均灰階值分布圖............................53 圖 3-20、AM4/64 匹配導表....................................................55 圖 3-21、AM4/64 匹配導表灰階值分析圖........................................55 圖 3-22、AM4/64 匹配導表平均灰階值分布圖....................................56 圖 3-23、浮水印顯現改變原始意義示意圖.......................................58 圖 3-24、原稿消失浮水印顯現成果圖...........................................59 圖 3-25、本研究之網點微結構放大.............................................60. 表目錄表 3-1、研究工具............................................................36 表 3-2、各 AM 濃度值之較佳匹配組合表.........................................57. vii.

(8) 第一章緒論第一節. 研究背景與動機. 隨著科技快速進步，印表機、掃描機等複製設備已逐漸的普及，透過這些精密設備，便可快速及精準複製文件；然而，也因複製科技的設備不斷創新，偽造者利用這些設備可以容易地製作出更高品質的複製品，這些複製品讓人無法在第一時間分辨其真偽造成混淆，使智慧財產權遭受到嚴重打擊，有些甚至嚴重影響社會秩序，例如偽造或變造身分證件、護照、有價證券、畢業證書等等，因此，為了抵抗或防止無授權的偽造及變造行為，而有許多的新防偽機制被發展出來，早期如Burrough公司所發展的防複印圖型，其目的是為防止類比圖像的複製(Philips, 2002)，而現今更有許多防偽技術不斷地創新，其中數位浮水印技術在近年來有著非常顯著的成果。. 近年來，複製設備越來越普及，但大部分的重要文件、安全文件仍以實體文件為多，例如市面流通之鈔券、土地權狀等等，故建立實體文件防偽機制是十分迫切的，在實體文件的第一道驗證，還是以人眼檢驗或是透過特殊的輔助工具來驗證，因此安全文件的防偽設計必須要考慮到檢驗的方便性與直接性。. 現今使用的浮水印可分為實體浮水印以及數位浮水印，眾多的浮水印設計技術應用於版權宣告的能力，但事實上少有實體浮水印應用於改變文件內容或意義之功能；而實體的浮水印技術已廣泛應用於印刷品的紙張上，如鈔票、有價證券、郵票等，此類的實體浮水印大部分是在被印媒材(紙張)中藏入浮水印，為了能有效及快速地達到人眼直接辨識與檢驗，隱藏圖文大多使用直接觀察做判斷的圖案，例如新台幣紙鈔中使用梅花型浮水印(如圖1-1)。. -1-.

(9) (a). (b). 圖 1-1、我國鈔票防偽設計使用之浮水印(a)正常光源觀看下(b)透光則可觀察到浮水印. 有別於實體浮水印，數位浮水印通常將資訊隱藏在數位內容裡且不需要使用特殊材料或是特殊技術來製作，成本較實體浮水印低廉，隨著數位浮水印的研究不斷的進步，以數位浮水印應用於印刷防偽已經是此領域重要的課題之一，然而先前的研究中，浮水印與影像文件內容並無直接的相對應關係，大多為宣告版權，若能將浮水印與內容一同設計，將在此研究領域中作出創新應用性，此外讓浮水印可以在複印前後有著不同內容，不僅可以宣告版權，更能嚇阻非授權複製或偽造。. 假使有一防偽機制能將浮水印與圖文設計做整合，並給予特殊意義之圖文隱藏於原始圖文設計中，在經複印過後原稿消失且浮水印顯現而影響文件本身內容，如此不但可以直接改變文件本身之內容及意義，使其浮水印具有防偽的功能，亦可成為具有互動意義的安全文件，而目前浮水印加密應用都還沒有與圖文意義整合的機制，因此本研究將使用混合網點來設計製作有防止影印功能之浮水印，讓文件在經影印機輸出或是掃描機掃描輸出後，原稿的內容消失或改變並出現所隱藏之浮水印，進而改變印刷品或是文件之原始內容及意義，達到嚇阻文件被偽造或非授權複印。. -2-.

(10) 第二節研究目的. 在眾多防偽機制中，數位浮水印可將資訊隱藏在圖文的底紋之中，透過偵測便可判別其文件的真偽，而使數位浮水印應用於實體文件上，大多是在網點、網線、特殊圖案上進行資訊加密，利用人眼的視覺極限而將資訊隱藏在微結構中，使用此技術進行之文件、印刷品，因人眼在一般視覺距離下並不會察覺其中的差異，然而在文件經由複印機或是掃瞄機之影像取樣時，因各設備之取樣頻率對文件的底紋網點結構不同而造成取樣上的差異，隱藏的資訊、圖樣、浮水印等即出現，以此作為判別文件是否經由授權複製。. 以往的防複印底紋大多為「COPY」或是「VOID」的圖文字樣，但有時無法阻止文件、印刷品繼續被複製，本研究目的在於建立一個可以直接改變文件內容之浮水印機制，利用混合網點技術來實驗此機制之可行性。因此研究目的可歸納為以下四點： (一) 設計可以改變文件內容之浮水印。 (二) 利用混合網點數位浮水印進行資訊加密。 (三) 加密圖像的複印輸出實作。 (四) 評估複印後對於改變文件內容之效果。. 第三節研究問題. 而根據以上的研究目的而衍伸的研究問題為下列幾點: (一). 如何設計具有改變圖文意義的浮水印. (二). 如何利用調幅網點、調頻網點及部分不著墨的空白區域來混合製作數位浮水印?. (三). 浮水印輸出至文件時其隱藏效果為何?. (四). 具有浮水印之文件在經由影印機複印後，原稿內容是否消失以及隱藏的浮水印是否顯現?. -3-.

(11) 第四節研究範圍與限制. 本研究是依據文件之原始意義來做浮水印的設計，而後再以混合不同類型的網點來製作數位浮水印，並以資訊隱藏的方式加密到實體文件上，此文件在經由影印機複製後，原稿內容消失且浮水印立即出現達到改變原始圖文之意義。. 因此，本研究是針對數位浮水印應用於實體文件上，並在浮水印的功能上加以探討，色彩、紙張、數位檔案之浮水印與印表機、複印機與掃描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) 本研究之數位浮水印的技術是輸出在實體紙張上。 (二) 混合網點的形式為調幅網點、調頻網點以及不著墨區塊。 (三) 本研究僅測試於黑白複印。. -4-.

(12) 第貳章文獻探討近年來，由於科技不斷進步，許多的檔案都由傳統轉為數位化，為了防止數位檔案遭到不法人士私自複製及修改，數位浮水印的研究越來越受到重視，然而，現今有許多文件仍以實體方式呈現，數位浮水印亦可用於實體文件上，而實體文件的防偽機制有許多種，例如:變色油墨、紅外線油墨、磁性油墨與凹版印刷等，但此類的防偽機制大多成本高，有些甚至還被管制而不易取得，為了符合低成本及便利性的需求，以半色調為主的數位浮水印防偽機制便是良好的選擇，因此本章節將介紹與本研究相關的知識文獻。. 第一節數位浮水印技術. 現今的浮水印研究，其大致可區分為數位影像浮水印及實體影像浮水印。數位浮水印是將資訊隱藏到不同的媒體當中，此媒體範圍包括數位檔案的影片、音訊、圖像等等，再透過解密來還原文件的版權，近年亦有研究者將數位浮水印隱藏在音訊的迴音中，利用兩段延遲的迴音將資訊隱藏在內，作為版權宣告的方法之一(Wei & Qi, 2009)。. 數位浮水印的功能不單具防偽功能，更可擷取其中隱藏的資訊，進而追溯回原出處，達到版權保護的目的，但缺點為浮水印會因影像處理或是在傳輸的過程中所造成的影像品質流失，像是裁切、模糊、旋轉、銳利化等等(Song et al., 2010)，而影響浮水印的功能。. 數位浮水印是藉由數位的方法隱藏資訊，在取出資訊時必須經由電腦來還原隱藏的資訊，然而，考慮到驗證及辨識真偽的直接性與方便性，實體浮水印是可以直接用人眼觀測作驗證，達到立即真偽判別，最好的例子就是市面流通的鈔票，必須在交易過程中快速的達到驗證，為方便及迅速的辨識，因此在驗證真偽時實體浮水印的使用是必要的。. -5-.

(13) 數位浮水印在製作方法上分為兩類:空間域(spatial domain)與頻率域(frequency domain) ，以空間域的不可見浮水印是將資訊隱藏在影像的最低位元區域 LSB(least Significant bit)(如圖2-1)，在讀取資訊時只需要找出所藏入的位元即可還原其隱藏的資訊內容，然而，LSB的缺點是資訊在經由轉換、壓縮或是切割後，所藏入的資訊就可能被破壞掉，而頻率域是利用轉換技術將資訊藏入檔案，如傅立葉轉換 (fourier transformation) 、離散餘弦轉換 (discrete cosine transformation) 、小波轉換 (wavelet transformation)等，其方式是利用將資訊加到頻率域係數中，經由轉換公式讓浮水印分散在影像之中，讀取時只需要將檔案轉為空間域即可還原所藏入的資訊，然而數位浮水印無法使用在實體文件上，在實體文件上有許多的防偽機制可完全結合印刷輸出流程，以半色調為主的防偽機制便是最好的選擇，故下一節介紹半色調技術，說明半色調的原理。. Original. the 1st bit. the 2nd bit. the 3rd bit. the 4th bit. the 5th bit. the 6th bit. the 7th bit. the 8th bit. 圖 2-1、LSB 資訊隱藏示意圖. -6-.

(14) 第二節半色調過網技術一、半色調技術. 在印刷及列印輸出的製程中，由於印刷機及列印裝置無法直接的印出連續調影像，只能夠藉由微小的網點來模擬出連續調的影像，以不同面積或不同大小網點模擬出連續調影像的層次，如此才能讓觀看者透過半色調的網點彷彿看到了連續調影像，為了能忠實呈現階調豐富的連續調影像，連續調影像必須經由網屏照相的方式進行半色調過網，過網後的影像是由不同大小、不同型式的網點所構成，藉由網點大小或是網點疏密程度來表現連續調影像的豐富階調，此一方法稱為半色調技術(Halftoning)，半色調技術是由美國康乃爾大學的 Ferderic E. Ives 於 19 世紀所發明。. 在圖像複製的過程中透過一個網屏將影像由連續調轉換到半色調影像(如圖 2-2)，而半色調影像的成像原理在於人眼有如一個低頻通過濾波器(low-pass filter) (Ulichney, 1987)，在一定距離觀看由微小網點所組成的影像時，視覺會將鄰近的網點積分，簡單來說，兩階的半色調影像在經由人眼及大腦處理資訊後變成連續調影像的效果，然而，隨著數位化時代的到來，數位印刷製程也利用半色調技術模擬連續調影像，達到圖文複製的目的。. 圖 2-2、半色調過網示意圖 -7-.

(15) 二、數位半色調. 數位半色調的演算法種類有許多種，而現今數位過網的技術主要分為兩大類：點陣調色法(order dithering)與誤差擴散法(error diffusion)，點陣調色法所形成的網點，稱為調幅網點或AM(Amplitude Modulation)網點，主要是將影像由不同大小的網點所組成，而點陣調色法是以臨界值矩陣對影像區塊進行半色調處理(如圖2-3(b))為所得到的調幅影像，點陣調色法的優點為演算的速度快、較無網點擴張的問題，但容易因為多色印刷，網屏角度產生錯網(moiré)，錯網是一種干擾紋，會使圖文難以閱讀(Li, Wan & Jian, 2008)。. 而誤差擴散法所形成的網點稱調頻網點或FM (Frequency Modulation) 網點，其主要是由大小相同的網點，但網點間距離不同所組成連續調影像(如圖2-3(c))，由於調頻網點是利用單一像素來演算，其影像品質較佳，但因階調是由網點出現的頻率所組成，較有網點擴張的情形。. (a). (b). (c). 圖 2-3、模擬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. -8-.

(16) 一般來說，AM 網點為大小不同，點與點之間的距離相同的網點所組成，換言之，就是網點出現的頻率相同，但振幅不同，形成之半色調影像由網點大小來表現階調，而 AM 網點常因網屏角度的問題，而產生干擾花紋的情況產生，造成視覺上強烈的對比，稱為錯網(moiré)，但相對於 FM 網點，AM 網點比較不會有網點擴張(dot gain)的問題，FM 網點為網點大小一樣，但點與點之間的距離不同，也就是網點出現頻率改變，但振幅固定，所形成的半色調影像是利用網點疏密來表現階調，所以對於影像中亮部表現佳，暗部則易因網點擴張，造成暗部階調比設定值還要深使暗部品質較不佳，整體而言在影像表現上較 AM 為佳，並且不會有錯網(moiré)的產生。. 此外，還有結合上述調幅與調頻網點所形成的混合式半色調(Hybrid Halftoning)，他同時擁有兩個技術的優勢，同時也避免了一些缺點，像是錯網(moiré)等等，混合網點可以自行設定其網點的大小，其影像效果表現也是最好的。. 由於本研究設計之浮水印目的是要利用調幅及調頻網點的網點結構達到隱藏效果，在兩種網點的位置與角度上都需要精準的設計，本研究需針對網點的位置作較為精確的調整與控制，必須探討半色調演算法，方能找出適合隱藏資訊的半色調網點之方法。. 1.定階定量法. 定階定量法(Fixed level quantization)是最快速且簡單的半色調技術(如圖 2-4)，其方法為設定一個門檻值(threshold)與原本的影像的每一個像素(pixel)來做比較，只要大於門檻值(threshold)，其像素值為 1，反之為 0，換言之，大於門檻值就著墨，小於門檻值就不著墨。其演算法可以透過方程式(2-1)來表示，其中，O 為原始像素的灰階值，P 為像素點最後是否著墨(0 或 1)，. 1, O( x, y)  threshold P ( x, y )   otherwise 0,. -9-. (2-1).

(17) (a). (b). 圖 2-4、定階量化法 (a)原始連續調影像；(b)半色調影像定階量化法雖然可以快速將影像轉換成半色調，但在影像中平滑階調部份會因為量化而造成高反差，中間的細節都喪失掉，因此影像的細緻度並不好。. 2.點陣調色法. 點陣調色法 (ordered dithering) (如圖2-5)，其演算方法是比對連續調原稿與臨界值矩陣，經由臨界值比對來判別每個像素點成為0或1的訊號值，先把影像分割成不同的區塊，再利用所設計之臨界值矩陣，因設計之臨界矩陣值之不同，可以產生不同的網點排列方式與結果，以8x8的區域做為基本單位來看，此一區域將可以模擬出65種不同的階調表現，藉由臨界矩陣排列方式的不同，藉由輸出設備輸出後可以得到不同階調(Ulichney, 1987)。. - 10 -.

(18) 此臨界值的產生為先將原灰階 g (i, j ) ，透過方程式(2-2)將原灰階值量化成臨界值矩陣的階調數值 g ' (m, n) ，其中N 1與N 2代表臨界值矩陣的長和寬。.  g (i , j )  g ' (m, n)  N1  N 2  1   255  . （2-2）. 得到臨界值矩陣的階調數 g ' (m,n)後，再透過方程式(2-3)與臨界值矩陣t(m,n)作比較：. 1 b(i, j )   0. when. g ' (i , j )  t (m, n) g ' (i , j )  t (m, n). (2-3). b(i, j ) 為二階影像個別像素的位置，以1表示不著黑墨點，0表示著黑墨點。 g. (i , j) = 影像灰階. g’(i, j) = 調整後影像階調數值. (a). (b). 圖 2-5、點陣調色法(a)原始連續調影像；(b)AM 半色調影像. - 11 -.

(19) 以8x8網屏角度0度角的臨界值矩陣為例，共有64格區域，當影像要進行半色調過網時，先將影像劃分成以8x8為單位的子區塊，每個子區塊都有64個像素點，假使算出的階調值為22，就依照矩陣內的數值順序來著墨，最後總共有22個位置為需要著墨的區域。. 圖 2-6、8x8 之臨界值矩陣示意圖. 點矩陣調色法在數位印刷上，提供電腦一個去運算著墨的演算法，藉由不同的臨界值矩陣可以控制網點形成的形狀以及形成方式，因此臨界值矩陣對於網點的形成十分的重要，依臨界值矩陣所設計的方式不同可分為兩種，分別為叢聚式(clustered dithering) 及分散式(dispersed dithering)兩種，叢聚式的臨界值排列大多為有規律的順序，而分散式的臨界值矩陣為隨機式的分散排列。. - 12 -.

(20) 叢聚式的點陣調色法中，臨界值矩陣階權重的設計是由中間向外擴展，其優點為較低的運算讀取、較穩定的網點形式以及在網點擴張及條痕上有較好的控制，對於固定階調的影像表現效果較佳，但缺點是可能會出現干擾的錯網(moiré)出現，且所產生的半色調影像細部資訊耗損較大，造成部分空間解析度的喪失，而分散式的像素點是獨立產生，並無特別之規律，可產生出較好的影像品質，但當印表機輸出時，無法輸出最完美的方正墨點，而造成不規則默點使網點擴大(Dot Gain)的情形發生(如圖2-15)(Li, Wan & Jian, 2008)，兩種臨界值矩陣例子如圖2-7。. (a). (b). 圖 2-7、點陣調色法之臨界值矩陣 (a)叢聚式；(b)分散式. 叢聚式臨界值矩陣有許多不同的網點排列方式，水平形式的矩陣值是將網點以水平的方式來排列網點(如圖2- 9)，而垂直式的矩陣值是將網點以垂直的方式排列網點(如圖210)，斜向式的矩陣值是以左斜或是右斜的方式來排列網點(如圖2-11、圖2-12)，網屏角度的不同對人眼也有不同的情形，以網屏角度0度與網屏角度45度所產生的影像來說，人眼對於網屏角度0度角較敏銳，但對於網屏角度45度角的網點較不敏銳，因此當人眼觀看網屏角度45度角的圖片時，會覺得影像品質比網屏角度0度角的還要好，因此在印刷業界大多使用網屏角度45度的臨界值來產生半色調技術(如圖2-13、圖2-14)。. - 13 -.

(21) 圖 2-8 原連續調影像. (a). (b). 圖 2- 9、水平式臨界值矩陣示意圖（a）水平式臨界值矩陣；（b）處理後所得之半色調影像. - 14 -.

(22) (a). (b). 圖 2-10、垂直式臨界值矩陣示意圖（a）垂直式臨界值矩陣；（b）處理後所得之半色調影像. (a). (b). 圖 2-11、右斜向臨界值矩陣示意圖（a）右斜向臨界值矩陣；（b）處理後所得之半色調影像. - 15 -.

(23) (a). (b). 圖 2-12、左斜向臨界值矩陣示意圖網屏角度示意圖（a）左斜向臨界值矩陣；（b）處理後所得之半色調影像. (a). (b). 圖 2-13、0 度之臨界值矩陣示意圖（a）網屏角度 0 度之臨界值矩陣；（b）處理後所得之半色調影像. - 16 -.

(24) (a). (b). 圖 2-14、網屏角度 45 度之臨界值矩陣示意圖（a）網屏角度 45 度之臨界值矩陣；（b）處理後所得之半色調影像. (a). (b). 圖 2-15、分散式臨界值矩陣示意圖（a）分散式臨界值矩陣；（b）處理後所得之半色調影像. 由於點陣調色法能快速將連續調影像轉為半色調影像，但由於此法是透過不同大小的網點來表現影像的深淺階調，容易造成空間解析的些許不足，假使追求影像的高品質時，誤差擴散法較能表現較佳品質的影像。 - 17 -.

(25) 3.誤差擴散法. 與點陣式調色法不同的是誤差擴散法，誤差擴散法是利用相同大小的網點，但其網點之間的距離不同來表現影像的階調，誤差擴散法(Error Diffusion)是由Robert Floyd 和Louis Steinberg提出，誤差擴散法又稱為Floyd-Steinberg Error Diffusion(FSED)(Floyd & Steinberg, 1976)，大部分的調頻式網點都是藉由此法所演算而來，影像在兩階化的過程中所造成的誤差，由最左上角的像素之誤差開始擴散至鄰近但尚未二階化的像素點上，其他吸收誤差且尚未二階化的像素點再繼續執行誤差擴散值至最後一個像素點為止，由於誤差擴散法是利用單一像素作一單位來演算，其影像品質表現的較細膩。其演算法可以透過方程式(2-4)來表示，其中X為原始像素點的灰階值，在與臨界值矩陣T比較後，產生最後的兩階值b. 1 b(i, j )   0. when. X (i , j )  T X (i , j )  T. (2-4). 誤差擴散之演算流程(如圖 2-16)，演算的次序方式在處理最左上方之像素後，往右邊之方向依序處理，重複的進行誤差演算，並將其誤差擴散到鄰近且尚未執行演算的像素上 (如圖 2-17)，其中 G 為原始影像像素，B 為新產生之半色調網點，E 為灰階誤差值，透過 Error filter 來指定擴散至鄰近的像素點。. 圖 2-16、誤差擴散法演算流程在擴散誤差的過程中，其誤差值必須遵照方程式(2-5)的權重值來進行誤差擴散。. - 18 -.

(26) (2-5). 圖 2-17、誤差擴散法進行兩階化之處理方向(Floyd & Steinberg, 1976). (a). (b). 圖 2-18、誤差擴散法(a)原始連續調影像；(b)FM 半色調影像. - 19 -.

(27) 第三節實體影像浮水印相關研究. 圖像防偽的應用相當地廣泛，在我們日常生活中處處可見，像是鈔票、有價證券等等，其目的都是在進行版權及有效性的認證(van Renese,1997)。在實體浮水印應用中，利用半色調影像來隱藏資訊的研究有許多種，其原理是在半色調演算法過程中藏入欲隱藏的資訊。. 在眾多的數位浮水印技術的研究當中，其中包括網點變形的技術，此技術是可依需要而去設計及調整點矩陣(threshold matrix)，此技術是屬於調幅式網點，以網點排列形成的方向、位置、形式等方式作為隱藏資訊的方法，常見的實體影像浮水印相關研究如下:. 一、Glyph Code. 1994 年 Xerox Palo Alto Research Center 的 David L. Hecht 所提出 Glyph Code 技術，利用點陣調色法將連續調的影像轉換成以斜向所組成的半色調影像，由於兩階影像轉換左斜及右斜的變形網點，影像在人眼一般距離觀看下，並無特別之處，而變行網點仍然可以可以表現影像的階調(如圖 2-19) (Hecht, 2001)。. 圖 2-19、Glyph Code 網點微結構示意圖(Hecht, 2001). - 20 -.

(28) 二、微結構網點藏密. 2002 年 George K. Phillips 提出以微結構來取代網點，像是微小圖案、LOGO、文字等等，這些微結構在一般距離下人眼並沒有辦法察覺到其中差異，只有使用輔助儀器才能看到其極細小的微結構，然而，當這些微結構在經過複印過後，因複製設備無法真實還原其微結構，進而產生干擾紋使影像具有宣告有效性的功能，或加密防偽的效果(如圖 220)(Philips, 2002)。. (b). (a). (c). (d). 圖 2-20、微結構防偽示意圖(a)原始加密圖像 (b)複印後之圖像變化(c)原始加密圖像微結構放大圖(d)複印後圖像微結構放大圖(Philips, 2002). - 21 -.

(29) 此外，微結構的部分可以包含任何一種圖案來置換圖樣原本的網點(如圖2-21)，利用微小的人像來表現真實影像，經過微結構置換的影像，在人眼一般距離觀看下，並無發現資訊隱藏的內容，然而當以輔助儀器觀看時，立即可以發現微結構之不同。. 圖 2-21、使用微小圖案置換原始網點示意圖(Philips, 2002) 2002年Kiuchi 與Saito透過改變過網區塊的網點數，進行資訊隱藏，在一般的線段中，將線段的微結構以兩種不同細微的線段組成，此三種線在人眼一般距離觀看下，無法察覺浮水印的存再，然而因線段在使用不同濾鏡觀察下，造成取樣頻率不同而顯現出相異之隱藏浮水印影像(如圖2-22)。. (a). (b). 圖 2-22、透過改變過網區塊的網點數之實體浮水印(a)為區塊網點放大圖；(b)藉由不同濾鏡觀察之效果(Kiuchi & Saito 2002). - 22 -.

(30) 另應用於學業證書中的不同網線數防偽機制(如圖2-23)，在證書的背景藏入COPY字樣的調幅網點，因為調幅網點及背景區域所表現的濃度相近，讓人眼無法察覺其浮水印的存在，此外，利用反白的英文字樣干擾觀察者的注意，使文件背景在人眼一般距離觀看下並沒有差異，而證書在經由影印過後便出現「COPY」的字樣，讓人眼可以察覺「COPY」的字樣，馬上察覺是否為複印的版本。. (a). (b). (c) 圖 2-23、學業證書防偽示意圖(a)證書原稿，(b) 複印後之影像，「COPY 字樣」顯現 (c) 浮水印微結構。. - 23 -.

(31) 應用於語言檢定證書中的不同網線數防偽機制(如圖 2-24)，證書的背景藏入複寫字樣的調幅網點，因為使用不同網線數的方法，讓浮水印及背景區域的濃度相近，此外，使用干擾視覺的底紋，讓文件背景在人眼一般距離觀看下無法察覺濃度差異，而證書在經由影印過後便出現「複寫」的字樣，讓人眼可以察覺「複寫」的字樣，馬上察覺是否為複印的版本。. (a). (b). (c) 圖 2-24、語言證書防偽示意圖(a)證書原稿， (b) 複印後之影像，「複寫」顯現。(c) 浮水印微結構。. - 24 -.

(32) 2004年日本國立印刷局提出防複印線條，將一般的線條的微結構改變(如圖2-25)，這種微結構在人眼一般距離觀察下無法察覺其中的差異，第一種為網點較大的分支線段，第二種為網點較小的分段線段，分支線段在複印後因網點較大，複印後其濃度會與背景相同，分段線段因網點較小，複印機無法複印其微結構造成反白(Shimada, 2004)，此兩種技術:分支線段(Branched Lines)與分段線段( Divided Lines)技術已經被廣泛的運用在日本的機密文件中，像是護照上的入境許可(如圖2-25)，其微結構表線如圖2-26。. (a). (b). (c). 圖2-25、日本入境許可之防偽機制(a)簽證原稿 (b) 複印後之影像 (c) 浮水印微結構. (a). (b). (c). 圖 2-26、將一般線條之微結構改變示意圖(a)分支微結構(b)分段微結構(c)結合分支微結構與分段為結構(Shimada, 2004). - 25 -.

(33) 結合分支微結構與分段微結構可以讓圖像在複印後之檔案改變其內容，文件原始的影像是由網點較大的分支線段之微結構組成，其隱藏的影像是由網點較小的線段微結構所組成，在複印時因為大網點的分支線段的濃度跟普通線段的濃度相同，然而，網點較細的分段線段因為複印機無法還原其微結構的部分，造成影像反白，而顯現出來(如圖2-27 )，在人眼一般距離觀看下，只能看到班馬的圖型，並且無法察覺所隱藏的浮水印的存在，然而在複印後，原始內容的班馬圖消失，出現的是白色老虎。. (a). (b). 圖 2-27、文件經複印後影像改變示意圖(a)原始加密圖像 (b)複印後之圖像變化(Shimada, 2004). - 26 -.

(34) 三、網點偏移技術網點偏移是 1976 年由 Alfred V. Alasia 所提出的“Scrambled Indicia”技術，是將資訊隱藏在影像中，利用光學解碼器來解讀隱藏的資訊，原理為將光線透過柱狀凸透鏡組於聚焦在網線之上，使人眼進而察覺到隱藏的資訊，由於人眼無法見到光線未聚焦的影像部分，只能察覺到聚焦之部分，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，利用光線偏折即顯現出防偽圖樣，網點位置差異使浮水印內容因而顯現出來(如圖 2-28)。. (a). (b). 圖 2-28、網點位移加密圖（a）為肉眼觀測（b）為光柵解密 (王希俊拍攝). - 27 -.

(35) 2004年由Sharma與Wang所提出的正反套印之網點位移，利用正面與反面的網點位置來隱藏資訊，當文件在一般光源下觀看時，並無法察覺浮水印的存在，但透光觀看時，浮水印立即浮現，其原理是利用正面與反面的網點位置，讓透光觀察時，正面與反面的網點位置重疊造成階調亮部的部分顯現，而當正面與反面的網點位置錯開時，形成暗部的位置顯現，而達到浮水印偵測之目的(如圖2-29)。. (a). (b). 圖2-29、文件透光觀察後，浮水印顯現示意圖印顯現. - 28 -. ( a ) 原始加密影像 (b) 透光觀察浮水.

(36) 四、混合網點數位浮水印. 2004年由王希俊等人所提出混合網點數位浮水印，結合調幅網點與調頻網點之浮水印研究(如圖2-30)，複印時，由於兩種尺寸的網點所需的取樣頻率不同，複印機因無法完全複製其中一類型的網點，即能顯示隱藏之浮水印，可防止以複印機或掃描印列影像的偽造。. 透過混合網點底紋設計的文件，經過機器複印後底紋浮水印立即顯現，達到版權保護的效果。設計原理為使用設定好的調幅網點及調頻網點，利用複印機對於調幅網點及調頻網點的複製能力差異，透過大小不一或粗細不一網點、網線、圖案或微小字來設計浮水印。當複製時，兩種網點所需的取樣頻率不同，複製設備無法滿足其中一種的取樣需求時，即能顯現隱藏之浮水印以防止遭到複印或是掃描列印。(蕭佩琪、王希俊、連啟明, 2004). (a). (b). (c). 圖 2-30、混合網點示意圖(a)為一般距離人眼觀看之效果；(b)浮水印微結構圖；(c)為經複印後之效果示意圖。(蕭佩琪、王希俊、連啟明, 2004）. - 29 -.

(37) 五、Oscar C. Au與Ming Sun Fu的浮水印研究. 2002 年， Fu 與 Au 提出 DHST(Data Hiding By Self-Toggling)與 DHPT(Data Hiding By pair-Toggling)以及 DHSPT(Data Hiding By Smart Pair Toggling)三種半色調的影像資料隱藏(如圖 2-31)，DHST 是將浮水印以隨機的方式藏入欲隱藏的位置，在浮水印置換原始圖像的過程中，並無其他相關的資訊輔助，採取直接置換的方式，但因為直接置換的方式會造成原始圖像的濃度有所改變，甚至出現雜點造成影像品質不佳，而 DHPT 所使用的方式為在置換的過程中會選取鄰近的像素點中濃度差距最小的來做置換，以 3x3 的區塊來說，欲藏入的像素中心點向鄰近的八個像素點做比較然後進行置換，DHPT 雖然比 DHST 在影像品質的表現還要好，但仍然無法解決影像雜點的產生，DHSPT 是結合 DHST 與 DHPT 這兩種方法來隱藏資訊，但影像仍然有雜點的產生。. (a). (b). (c). (d). 圖 2-31、半色調影像資訊加密效果(a)原始影像(b)DHST 加密(c)DHPT 加密 (d)DHSPT 加密 - 30 -.

(38) DHED(Data Hiding Error Diffusion)與 MDHED(Modified Data Hiding Error Diffusion(如圖 2-32)，是讓影像在進行誤差擴散法的時候，同時也判斷正在處理的像素是否為資訊隱藏的位置，當該像素該隱藏 1 時，該像素即被指定為 1，反之，該像素該隱藏 0 時，該像素即被指定為 0，之後將因資訊隱藏的誤差加上過網的誤差由後方像素來承擔，此一方法不需要先將影像先轉為二階化再進行資訊加密，在影像過網的同時也將資訊一併隱藏在內，由於 DHED 的方法讓誤差都集中在後方像素，無法平均的擴散誤差值， MDHED 改良 DHEM 的方法，影像在過網時，預先將資訊先藏入指定的位置，而後過網時，對資訊隱藏的位置不進行半色調處理，非資訊隱藏區的誤差值擴散至其他鄰近且尚未過網的像素，如此可讓資訊隱藏的階調不會受到整體過網的影響，此一方法大幅了改善區塊雜點(Fu & Au, 2002)。. (a). (b). 圖 2-32、半色調影像資訊加密效果( a )DHED 加密. - 31 -. ( b )MDHED 加密.

(39) 六、PATCHWORK 技術. 1998 年，由 Bender 等人所提出的 PATCHWORK 技術，patchwork 是一張影像中某一區堿以亂數隨機取出多個像素，令這些像素兩個兩個一組可得到(Pi,Qi)(i=1,2,3,… ) 一組數列，其中計算每一組像素值的差值，以統計的方式來瞭解每個像素配對之差異分布，簡單來說就是將隨機選擇的大量 pixel pairs(如圖 2-33)，分別加減同一個灰階值，利用統計的特性以隱藏一個 bit 的資料，但 Patchwork 所能隱藏的資料量太少，截取者收集到多張相同大小，以相同 key 值加密的圖形，就很容易偵測到是否有加密，但 Patchwork 加密之方法對於裁切較無抵抗的能力。. 圖 2-33、PATCHWORK 的隨機配對示意圖(紅點為 Pi，綠點為 Qi). 由上述相關研究可知目前以半色調為基礎的浮水印，所產生的浮水印的目的都是在宣告其版權及作用性，較少有研究在浮水印產生後直接改變原始文件之內容與意義，本研究希望提出一個機制，讓文件在經由複印後原稿的內容會消失，取而代之的內容是隱藏的浮水印，如此便可嚇阻文件的非授權複製。. - 32 -.

(40) 第三章研究方法. 本研究以半色調製作浮水印，利用調幅網點與調頻網點的網點特性以及複印機的影像取樣能力的差異來設計一個可在複印後改變文件原始內容及意義的浮水印，經由噴墨印表機輸出文件內容及浮水印後，將資訊隱藏於文件內容之中；在文件經由複印機等設備影像複製後，原稿內容消失而隱藏的浮水印立即浮現，改變原始文件的內容及意義。. AM 網點為網點的大小不同，點與點之間的距離相同的網點所組成，也就是網點出現的頻率相同，但振幅不同，形成之半色調由網點大小來表現階調，網點與網點之間的距離相同，濃度越高，網點的大小越大，濃度越低，網點的大小越小，以網點的大小來表現影像深淺的階調；FM 網點為網點大小一樣，但點與點之間的距離不同，也就是網點出現頻率改變，但振幅固定，所形成的半色調影像利用網點疏密來表現階調，但網點大小相同，濃度越高，網點與網點之間的距離越小，濃度越低，網點與網點之間的距離越大，以網點之間的距離來表現影像深淺的階調。. 使用調幅網點、調頻網點及部分不著墨的空白區塊混合來製作浮水印，兩種網點的混合區塊在經過複製時因為影印機無法完全還原部分的網點，造成原稿內容流失而浮水印立即浮現，然而網點在輸出於紙張時，會因為網點結構、設備條件、被印媒材之不同，而產生不同的網點擴張，故在輸出之前，預先輸出網點匹配導表來瞭解網點擴張的情形，此導表由調幅網點與調頻網點所組成，藉由此匹配導表可以了解兩種網點在輸出之後的較佳隱藏濃度，本研究針對文件本身之圖文意義，設計出具有改變圖文意義之浮水印，藉由不同網點的特性，在複印過後原稿的內容消失而出現本研究所設計的浮水印來改變原始圖文內容及意義。. - 33 -.

(41) 第一節研究流程本研究以半色調技術製作實體影像浮水印，主要概念是透過調幅網點、調頻網點來設計原稿與浮水印的結構，當原稿在一般光源下觀察時，人眼無法察覺隱藏在文件內容的浮水印，在複印過後，因不同的網點造成取樣頻率不一致，促使原稿內容消失，而隱藏之浮水印顯現造成原始文件的內容或意義改變。. 在本研究當中，會先進行浮水印與文件之影像處理，使用點陣調色法以網屏角度45度的臨界值矩陣建立網點，因考慮到數位影像在輸出設備列印時，會受到網點結構、被印媒材、設備條件等不同條件的影響，亦有可能產生不同的網點擴張(dot gain)，故在輸出浮水印之前會針對輸出設備作一濃度匹配表，找出較好的濃度組合。. 在測試和調整網點後所得到較佳組合後，針對文件而設計其特殊浮水印，目的在於文件複印後，是否能有效改變其原始意義，實際輸出後，觀察圖像文件中，浮水印的隱藏效果是否良好，驗證影印後是否能順利改變文件本身之內容意義，研究流程如圖3-1。. - 34 -.

(42) 研究動機與目的. 相關文獻蒐集. 匹配導表製作. 混合網點濃度匹配. 數位浮水印設計. 文件與浮水印整合. 進行複印機複印文件. 驗證浮水印效果. 實驗結果與討論. 結論與結果建議圖 3-1、本研究實驗流程. - 35 -.

(43) 第二節研究工具本研究使用 MATLAB 程式語言進行混合不同類型的網點製作數位浮水印的製作，再以噴墨印表機模擬輸出，並使用複印機進行複印來驗證浮水印的效果，本研究所使用的軟體工具及硬體設備如表 3-1:. 表 3-1、研究工具軟體. 硬體. Matlab 程式語言軟體 Adobe Photoshop 影像軟體 Adobe Illustrator 繪圖軟體桌上型電腦 HP DeskJet 1280 Inkjet 印表機 HP ScanJet G3010 掃描機. - 36 -.

(44) 第三節文件與浮水印設計. 一、製作網點匹配導表. 在浮水印設計之前必須先瞭解浮水印在濃度值多少時其隱藏效果較佳，其隱藏的內容較不易被察覺，由於圖像複製過程中，網點會因為物理現象或是光學現象產生網點擴張的情形，此情形將會影響浮水印的隱藏效果，然而網點擴張的現象是無法避免，但如果能先知道網點擴張的狀況，便可找出較好的濃度組合參數，本研究透過網點匹配導表來了解網點擴張後的情形，進而找出兩種網點較佳的混合濃度組合。. 由先前的研究得知在理想的情況下，浮水印在濃度較低時，隱藏效果較好，但如果濃度太低，浮水印顯現的情況較差，假使使用網線數過高的方式過網，將導致浮水印濃度過深的問題 (張家龍，民 97)，因此本研究調幅網點部分使用 8X8 臨界值矩陣如圖 3-3，並以 HP Deskjet 1280 噴墨印表機以解析度 600dpi 輸出匹配導表，導表的設計為方格的形狀，背景方格為調頻網點，調幅網點的數值由 0~255，0 為最黑，255 表示最白，中心的方格為調幅網點，調幅網點的數值由 2/64 到 4/64，此數值為由臨界值所生產的調幅網點濃度，導表輸出如圖 3-2，以不同濃度調幅網點及調頻網點所組成的導表來提供較佳的濃度匹配參數。. - 37 -.

(45) 圖 3-2、實際網點匹配導輸出圖. 35 49 41 33 30 16 24 32 43 59 57 54 22 06 08 11 51 63 62 46 14 02 03 19 39 47 55 38 26 18 10 27 29 15 23 31 36 50 42 34 21 05 07 12 44 60 58 53 13 01 04 20 52 64 61 45 25 17 09 28 40 48 56 37. 圖 3-3、本實驗浮水印 AM 過網之臨界值矩陣. 網點匹配導表的微結構如圖 3-4，導表的中心正方型區域是由網點較大的調幅網點所構成，而周圍的部分則是由網點較小調頻網點所構成。. - 38 -.

(46) 圖 3-4、導表微結構示意圖. 本研究以8x8的臨界值矩陣來過網，網屏角度為45度，以8x8的臨界值為例，此區域共有64格區域，可以模擬出65種不同的階調表現，1/64的濃度表示就是64個格子中依照順序在第一個位置上墨、2/64的濃度表示就是64個格子中依照順序上兩格墨，以此類推直到64 格全部填滿，圖3-5是以階調24為例，在64格區域中，依序填滿24個格子。. (a). (b). 圖 3-5、網點面積濃度示意圖(a)調幅網點階調 0，(b)調幅網點為階調 24. - 39 -.

(47) 二、數位浮水印設計本研究將浮水印設計的方式分為兩類，分別為以浮水印改變原始圖文意義與以浮水印改變原始內容等方式，藉由混合網點的方式來實驗其可行性，並在第二個實驗中以不同的混合網點數位浮水印網點結構來製作浮水印。. (一)改變圖文意義: 本研究以武學書籍為例子，參考一般氣功與武學書籍，依照其書籍內容，製作出類似武學書籍之文件(如圖 3- 6)，此模擬文件原始的意義為一僧人在練功，希望在複印後出現一棵樹木，誤導人並讓人有是否要撞樹才是練成武功的想法，而從原本單純的練功圖變成要用頭去撞樹的訓練提示，為了能有效改變原始文件的意義，本研究設計一具有特殊意義之浮水印企圖干擾武學書籍的原意，此浮水印的圖型為樹，將欲藏入的樹使用調幅式網點藏入於紅色方框區域內，樹以外的背景使用調頻式網點，文件在經由複印機複印後由於背景的調頻式網點在複印機取樣時，無法還原其區塊造成調頻式網點的區域網點流失，故調幅式網點的樹木區塊立即顯現，進而改變圖文原始意義，其浮水印設計概念如圖 37，由於背景為顏色較淺的區域，此時需使用濃度組合較低的組合，本浮水印選擇使用調幅網點 2/64,調頻網點 227。. - 40 -.

(48) (a). (b). 圖 3- 6、(a)樹型浮水印(b)本研究所設計之武學書籍. - 41 -.

(49) 浮水印的製作流程如圖 3- 7，G 為調幅式網點的半色調影像，G’為調頻式網點的半色調影像，兩者的濃度都夠過網點濃度匹配導表選出較佳的濃度組合，再利用一兩階浮水印遮罩 W，將 G 與 G’合併即可得加密影像 M。如方程式 3-1 所示. M  (G  W )  (G' ~ W ) (3-1). 圖 3- 7、混合網點數位浮水印的製作概念. - 42 -.

(50) (二)改變原始圖文內容:. 本研究在第二個浮水印實驗內容中，文件以國立台灣師範大學學生證為例子，並將下方不美觀的條碼移除，希望將浮水印隱藏在裡面，浮水印使用國立台灣師範大學之校徽為原始文件內容，浮水印的設計為學生證上的身份圖案，而原始文件在經由影印後，師大校徽會完全消失，而浮水印之臉的圖案會顯現出來。. 依照輸出的網點匹配導表，本研究的浮水印應用於身份證件上，為配合版面的設計，浮水印太深或太淺都不太適合，故混合網點的濃度選擇調幅網點3/64,調頻網點220。. (a). (b). 圖 3-8、本研究文件內容與浮水印示意圖(a)原始文件內容(b)浮水印圖案. 本研究以學生證作為例子，將浮水印隱藏至學生證的右方區域，浮水印本身的師大校徽在原始證件上為師大校徽，浮水印在經由影印後之圖像為證件擁有者的臉型，其證件設計如圖 3-9，紅色方框為浮水印隱藏之區域。. - 43 -.

(51) 圖 3-9、本研究應用於身分證件上浮水印的製作概念如圖 3-10 與圖 3-11，此兩圖皆以英文字母 A 與 B 作為概念之例子，A 為原稿內容，B 為浮水印內容，其製作原理主要是利用混合網點來做數位浮水印，其技術融合不同區塊之調幅網點、調頻網點及不著墨區塊後，文件在影印過後將會造成原稿內容消失而浮水印出現，在浮水印利用 MATLAB 進行過網的同時，也將原稿的內容一起過網，最後原稿與浮水印將會一起輸出，故整份文件分為四塊區域，分別是背景，原稿區域、浮水印區域以及原稿與浮水印重疊之區域如圖 3-11，四塊區域分別以不同類型的網點比重做濃度搭配，背景區欲使用 2/4 比例的調頻網點及 2/4 比例的不著墨區塊來做為該單位之網點組合，原稿區域使用調頻網點來表示其濃度，浮水印的部分使用 2/4 比例調幅網點、不著墨區塊各為 2/4 比例，原稿與浮水印重疊的部分使用調幅及調頻之混合網點來做搭配(如圖 3-12)，文件在經由影印機後，不著墨區塊仍然為不著墨區塊，由於調頻網點因取樣而無法呈現其原本之網點，造成濃度差異而造成原稿內容消失，隱藏的浮水印顯現，製作流程如圖 3-13。. - 44 -.

(52) 圖 3-10、本研究數位浮水印效果示意圖. 圖 3-11、本研究混合網點數位浮水印的製作概念. - 45 -.

(53) 網點結構放大示意圖如圖 3-12。. 圖 3-12、本研究混合網點之概念局部放大示意圖 G 為調幅式網點的半色調影像，X 與 G’為調頻式網點的半色調影像，X’為全白的圖層，兩者的濃度都夠過網點濃度匹配導表選出較佳的濃度組合，再利用兩個兩階浮水印遮罩 W 與 M，將 G 與 G’以及 X’與 X 合併即可得加密影像 H。如方程式 3-2 所示:. H  (G  W )  (G' ~ W )  ( X  M )  ( X ' ~ M ) (3-2). - 46 -.

(54) 圖 3-13、本研究之混合網點數位浮水印的製作示意圖. - 47 -.

(55) 第四章實驗結果與討論一、匹配導表輸出結果. 導表輸出後，使用HP Scanjet G3010以1200DPI掃描成數位檔案，使用MATLAB讀取檔案，為了能找出較佳的網點濃度組合，首先以MATLAB將檔案以模擬人眼low pass filter 的方式模糊影像，並擷取出導表中，每個組合中線橫軸的像素點位置作為濃度的參考依據 (如圖3-14)。 AM2/64的導表分析如圖3-15，縱軸代表灰階值的變化，由190到240，而0代表最黑， 255則是最白，橫軸表示掃描的像素位置，分析的組合從(AM2/64 , FM 238)到(AM3/64 , FM 215)，導表中可以看到每個調頻網點與調幅網點組合的灰階值差異，從調頻網點238的組合到調頻網點230的組合、調頻網點226的組合到調頻網點215的組合之間的濃度組合，調頻網點的灰階值與調幅網點的灰階值的差異較大，灰階值曲線的震盪也較大，而調頻網點227、調頻網點228與調頻網點229在導表分析中，背景的調頻網點灰階值與中間的調幅網點灰階值在分析圖的曲線中較為平緩，故此三者濃度的差異與其他組合相比差異較小，灰階值曲線也較平穩，此三組為較好的濃度匹配組合。. - 48 -.

(56) 圖 3-14、匹配導表分析之位置. 圖 3-15 AM2/64 匹配導表分析圖. - 49 -.

(57) 由上述的分析可大約知道較佳的濃度組合，但為求一個較佳選擇，本研究將各組合的灰階值繪出，並將兩種網點類型的灰階值以一條趨勢線段表示，其差異使用 MATLAB 來計算取樣每個組合中調頻網點區域的灰階值與調幅網點區域的灰階值作比較，取樣的位置為調幅網點的中心點以及此中心點上下離邊界 100pixel 的調頻網點，找出差異最小的組合。調幅網點 2/64 與各調頻網點的組合灰階值分布圖如圖 3-16，橫軸表示調幅網點 2/64 與各調頻網點的組合，縱軸表示灰階值，紅色圓圈表示調幅網點的灰階值，紅線表示調幅網點的趨勢圖，藍色圓圈表是調頻網點的灰階值，藍線表示調頻網點的趨勢圖，兩線相交之區域表示灰階值差異最小的地方，亦為人眼在一般距離觀看下，較無法分辨兩種網點的組合。. 假使調幅網點的灰階值較大，代表此一區域濃度組合為調幅網點的區域較調頻網點的灰階值深，背景的調頻網點區域的階調較調幅網點區域的淺，反之，假使調幅網點的灰階值較低，代表背景調頻網點區域的階調較調幅網點區域的深，在此趨勢曲線中，調幅網點與調頻網點相交的部分可以說是灰階值最接近的濃度組合，此交叉之位置以紅色虛線表示，與此位置最近組合為調頻網點 227，因此在本實驗的輸出條件下，調頻網點 227 與調幅網點 2/62 為較佳的組合。. - 50 -.

(58) 圖 3-16、本研究 AM2/64 平均灰階值分布圖. 調幅網點3/64導表如圖3-17，AM3/64的導表分析如圖3-18，縱軸代表灰階值的變化，由180到235，而0代表最黑，255則是最白，分析的像素點為導表正中間的橫軸作為濃度的參考依據，分析的組合從(AM3/64 , FM 233)到(AM3/64 , FM 210) ，導表中可以看到每個調頻網點與調幅網點組合的灰階值差異，導表中從調頻網點233的組合到調頻網點223的組合、調頻網點219的組合到調頻網點210之間的組合的濃度組合，這之中調頻網點的灰階值與調幅網點的灰階值的差異較大，灰階值曲線的震盪也較大，而調頻網點222、調頻網點221與調頻網點220在導表分析中，背景的調頻網點灰階值與中間的調幅網點灰階值的差異較小，灰階值曲線也較平穩。. - 51 -.

(59) 圖 3-17、AM3/64 匹配導表. 圖 3-18、AM3/64 匹配導表分析. - 52 -.

(60) 調幅網點 3/64 與各調頻網點的組合灰階值分布如圖 3-19，橫軸表示調幅網點 3/64 與各調頻網點的組合，縱軸表示灰階值，紅色圓圈表示調幅網點的灰階值，紅線表示調幅網點的趨勢圖，藍色圓圈表是調頻網點的灰階值，藍線表示調頻網點的趨勢圖，兩線相交之區域表示灰階值差異最小的地方，亦為人眼在一般距離觀看下，較無法分辨兩種網點的組合。. 假使調幅網點的灰階值較大，代表此一區域濃度組合為調幅網點的區域較調頻網點的灰階值深，背景的調頻網點區域的階調較調幅網點區域的淺，反之，假使調幅網點的灰階值較低，代表背景調頻網點區域的階調較調幅網點區域的深，在此趨勢曲線中，調幅網點與調頻網點相交的部分可以說是灰階值最接近的濃度組合，此交叉之位置以紅色虛線表示，與此位置最近組合為調頻網點 220，因此在本實驗的輸出條件下，調頻網點 220 與調幅網點 3/64 為較佳的組合。. 圖 3-19、本研究 AM3/64 平均灰階值分布圖 - 53 -.

(61) 調幅網點 4/64 導表如圖 3-20，分析的像素點為導表正中間的橫軸作為濃度的參考依據，導表分析如圖 3-21，縱軸代表灰階值的變化，由 180 到 220，而 0 代表最黑，255 則是最白，分析的組合從(AM4/64 , FM 227)到(AM4/64 , FM 204) ，導表中可以看到每個調頻網點與調幅網點組合的灰階值差異，從調頻網點 227 的組合到調頻網點 216 的組合、調頻網點 214 的組合到調頻網點 204 的組合之間的濃度組合，其調頻網點的灰階值與調幅網點的灰階值的差異較大、而調頻網點 213、調頻網點 214 與調頻網點 215 在導表分析中，背景的調頻網點灰階值與中間的調幅網點灰階值的差異較小。. - 54 -.

(62) 圖 3-20、AM4/64 匹配導表. 圖 3-21、AM4/64 匹配導表分析. - 55 -.

(63) 調幅網點 4/64 與各調頻網點的組合灰階值分布如圖 3-22，橫軸表示調幅網點 4/64 與各調頻網點的組合，縱軸表示灰階值，紅色圓圈表示調幅網點的灰階值，紅線表示調幅網點的趨勢圖，藍色圓圈表是調頻網點的灰階值，藍線表示調頻網點的趨勢圖，兩線相交之區域表示灰階值差異最小的組合，亦為人眼在一般距離觀看下，較無法分辨兩種網點的組合。. 假使調幅網點的灰階值較大，代表此一區域濃度組合為調幅網點的區域較調頻網點的灰階值深，背景的調頻網點區域的階調較調幅網點區域的淺，反之，假使調幅網點的灰階值較低，代表背景調頻網點區域的階調較調幅網點區域的深，在此趨勢曲線中，調幅網點與調頻網點相交的部分可以說是灰階值最接近的濃度組合，此交叉之位置以紅色虛線表示，與此位置最近組合為調頻網點 213，因此在本實驗的輸出條件下，調頻網點 213 與調幅網點 4/64 為較佳的組合。. 圖 3-22、本研究 AM4/64 平均灰階值分布圖. - 56 -.

(64) 經過網點匹配表比較後，在不同的調幅網點值下都有較佳的組合，再將較佳的組合拿去複印機進行影印複製後，便可知道調幅網點 2/64、調幅網點 3/64、調幅網點 4/64 與調頻網點的較佳濃度組合，依照不同的用途選擇不同的濃度組合，在需要第一線防偽時，因為人眼必須要能分辨出浮水印的位置，此時需要使用混合網點濃度較深的組合，讓觀看者可以立即作辨識，而有其他特殊的用途時或是不希望在第一時間被察覺時，則需要使用濃度值較低的濃度組合，如此便能讓人無法察覺。. AM 2/63. FM 227. AM 3/64. FM. 220. 原始文件. 文件複印後. 表 3-2、各 AM 濃度值之較佳匹配組合表. - 57 -. AM. 4/64. FM 213.

(65) 二、浮水印實驗結果. (一)改變圖文意義:. 浮水印顯現進而改變原始圖文意義的效果如圖 3-23，本研究將欲藏入的樹之圖案使用調幅式網點，樹以外的背景使用調頻式網點，文件在經由複印機複印後，由於背景的調頻式網點在複印機取樣時無法還原其區塊，故調幅式網點的樹木區塊立即顯現，進而改變圖文原始意義，原始圖文意義為一僧人在原地練功，當文件經由影印後，出現了一顆樹，讓人混淆，圖文意義轉變成要撞樹練功的意思，由實驗結果得知以浮水印改變原始圖文意義是可行的。. (a). (b). 圖 3-23、改變意義浮水印顯現實驗成果(a)原始武功祕笈之文件(b)文件影印後. - 58 -.

(66) (二)改變原始圖文內容:. 原稿內容消失，而浮水印浮現的效果如圖 3-24，文件在影印後因調頻網點會因取樣頻率的不足而流失其內容，不著墨區塊仍然為不著墨區塊(如圖 3-25)，而浮水印的調幅網點則會顯現出來，取代原始內容成為新內容，藉此改變原始文件的意義，原始的學生證件在人眼一般距離觀看下並無特別的地方，右方的浮水印區域是國立台灣師範大學的校徽，然而在經由影印後，浮水印由國立台灣師範大學的校徽變成證件擁有人的臉型，經由實驗結果得知，以調幅網點、調頻網點、不著墨區塊來設計原稿及浮水印，讓文件再經由影印後，原稿消失與浮水印浮現改變文件內容的方法是可行的。. (a). (b). (c). (d). 圖 3-24、原稿消失浮水印顯現成果，( a )原始文件，( 印區域局部放大圖，( d )浮水印區域複印後局部放大圖. - 59 -. b. ) 影印後文件，( c )浮水.

(67) (a). (b). 圖 3-25 、本研究之網點微結構放大圖(a) 改變圖文意義之網點微結構 (b) 改變原始圖文內容之網點微結構. 本研究之研究結果顯示，混合網點數位浮水印在經由設計後，確實可以作到改變文件複印後的意義，利用調幅網點、調頻網點及部份不著墨的區域來製作新型態的混合網點數位浮水印，而新型態的混合網點數位浮水印在輸出於文件時，人眼在一般距離下並無法察覺到浮水印的存在，然而，當文件經由影印後，原始的浮水印圖案確實的轉變成另一個圖案，本研究成功的利用混合網點數位浮水印研究來改變文件在複印前的原始意義與內容，並提出了一個新型的混合網點數位浮水印方法。. - 60 -.

(68) 第伍章結論與建議本文主旨在提出兩種方法，設計一浮水印的網點結構，此浮水印可以在複印後改變文件原始意義與內容。論文經由探討數位浮水印、半色調、數位半色調等相關文獻後，設計出可因應不同情況而使用的多功能數位浮水印。. 由研究結果可以得知，本研究利用半色調的原理，結合調幅網點、調頻網點與不著墨的區域，成功地製作出可以改變文件在複印前的意義與內容之浮水印，將此浮水印應用於圖書刊物或身份證件中，整合輸出後確實達到隱藏效果，並在複印後改變文件原始內容與意義。綜合以上研究結果，可以歸納出以下研究結論與研究建議:. 第一節研究結論. 一、兩種網點的最佳匹配數值. 在不同的調幅網點值下都有較佳的組合，便可知道在本研究之實驗輸出條件下，調幅網點 2/64、調幅網點 3/64、調幅網點 4/64 與調頻網點的較佳濃度組合，其最佳組合分別為:調幅網點 2/64 與調頻網點 227、調幅網點 3/64 調頻網點 220、調幅網點 4/64 與調頻網點 213，依照不同的用途選擇不同的濃度組合，在需要第一線防偽時，因為人眼必須要能分辨出浮水印的位置，此時需要使用混合網點濃度較深的組合，讓觀看者可以立即作辨識，而有其他特殊的用途時或是不希望在第一時間被察覺時，則需要使用濃度值較低的濃度組合，如此便能讓人無法察覺。. - 61 -.

(69) 二、. 創新的混合網點浮水印應用方式. 本研究結果符合欲達成之研究目的，首先將浮水印設計成能改變文件原始意義之圖形，並將浮水印以混合網點數位浮水印的方式藏入文件之中，文件在複印後浮水印立即出現而改變文件的原始意義，以往的混合網點數位浮水印在宣告版權時，大多是浮水印的內容在複印後出現，宣告其版權，但有時無法阻止文件持續的被複印，透過本研究所提出的混合網點數位浮水印，可以讓閱讀人閱讀到為授權的複印版本時，因浮水印的出現，影響了文件本身的意義，不僅造成閱讀人對於內容混淆也能嚇阻非授權的複印。. 三、. 新型態混合網點數位浮水印的創新. 本研究提出了一個混合網點數位浮水印的應用創新，以往的混合網點數位浮水印只使用調幅網點及調頻網點來製作浮水印，本研究回到混合網點數位浮水印的原理去探討不同的網點排列方式，設計出一種除了結合調幅網點及調頻網點外，結合部份的不著墨區塊製作浮水印，而此浮水印的功能也較舊式的浮水印些許不同，本研究所提出之新混合網點數位浮水印方法可以讓浮水印在複印後，立即改變為其他的圖形，讓文件在影印過後，原始的內容消失，而出現其他的圖形，如此不僅可以改變文件原始的意義，更可以改變文件原始內容，當偽造者企圖去偽造浮水印時，第一時間會遇到的問題便是複雜的網點結構與網點擴張的問題，此外，四個區域的濃度的調配與整體效果之間，都有著密不可分的關係，極細微的差異都會造成浮水印的品質與效果，此一門檻將是偽造者或變造者將遇到的一個問題，如此建立文件安全性、達到版權宣告。. - 62 -.

(70) 四、. 新型態混合網點數位浮水印的應用. 新型態的混合網點數位浮水印，提供了更多元的應用，除了能改變文件的原始意義以外，還可以改變整體的文件內容，讓文件在複印後整體內容消失，以浮水印的內容取代原始文件之內容，以往的浮水印都應用於宣其版權方面，但無法有效的嚇阻無授權的複製，使用新型態的混合網點數位浮水印，可將文件複印後的內容改變，甚至可以引導觀看之人看到錯的內容，以此方式更能嚇阻無授權的複製行為，此外，近年來許多變造的犯罪行為發生，以本研究之身分證件應用的例子來說，當證件複印後，證件擁有者的圖形立即出現，如此，在驗證證件的人便可立即的作一個身分驗證。. 伍、. 符合現有科技製程. 本研究所提出之浮水印製作方法均可使用現有的科技製作，不需要額外添購新型機械或材料，以非常普遍的噴墨印表機即可完成輸出，每個人都可以以自家的噴墨印表機來製作浮水印，不需要額外的對噴墨印表機作設定，只需要列印輸出前，預先製作匹配導表，了解浮水印的隱藏效果即可，未來更可以往大量印刷的方向去進行，利用大量印刷的方式製作，便可在一般民眾常閱讀的文化書籍或是圖像書籍上應用，此外，更可以使用噴墨印表機作個性化輸出，如此便能快速且便利的依照個人需求至做出能改變複印後內容之浮水印。. - 63 -.

(71) 第二節研究建議. 一、未來的研究方向:應朝向平版印刷的方式來做研究，以平版的大量印刷便可以應用於一般的文化書籍或是圖像書籍，本研究使用噴墨印表機輸出浮水印遇到的網點擴張問題，在平版印刷亦會遇到，所以也需要印刷前先行輸出網點匹配導表找出較佳的調頻網點與調幅網點的組合，為了能實際呈現本技術之可行性，平版印刷機是最好的選擇。. 二、網點匹配的較佳組合:本研究使用數位的方式模擬人眼觀看導表的情況，將其觀看的情況以灰階值的比較方式選出較佳的網點組合，並將其數據以量化的曲線方式來表現兩種網點的差異，然而，在以機器以量化的方式來選擇出較佳的匹配組合時，我們也應當考慮到實際以人眼的方式來選擇，因此，未來假使有研究者對此一議題有興趣，應實際找人眼來觀看導表，以統計學的方式來比較哪一個濃度組合下，人眼較無法察覺出有浮水印的存在，最後，再搭配數位影像處理的方法，比對兩者的在較佳的組合上是否有所差異。. 三、本研究是針對灰階複印進行資訊隱藏加密，未來可以加以擴張，在彩色複印的情況下，評估是否也能達到效果。. - 64 -.