紅外線數位浮水印結合音訊位置碼點與擴增實境之研究

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(1)國立臺灣師範大學圖文傳播學系碩士論文. 紅外線數位浮水印結合音訊位置碼點與擴增實境之研究 A Study Based on Infrared Watermark to Combine Augmented Reality and an Audio Signal from Position Codes. 研究生：朱育陞指導教授：王希俊博士. 中. 華. 民. 國. 一. 0. 一. 年. 六. 月.

(2) 摘要本研究應用紅外線數位浮水印技術製作具隱藏性的雙重訊息圖案，該隱藏圖案在紅外線光源照射下，可因墨水光學特性分別偵測到含碳黑黑墨浮水印的擴增實境辨識圖案與音訊位置碼點。本研究以數位過網演算方式製作出黑墨的位移調幅網點(碼點)與青墨、洋紅墨、黃墨組成的調頻網點，並達到中性灰底紋來隱藏浮水印。本研究預期成果顯示可成功透過紅外線讀取隱藏的擴增實境辨識符號與位置碼點音訊資訊，擴充傳統數位浮水印僅提供單一隱藏資訊功能的限制。此外，本研究使紙張載體不僅具有視覺性的美觀，更可兼具讀取出音訊與呈現 3D 模型或動畫，擴充紙張載體的功能及互動性。本技術未來可應用於教學領域中，讓教科書不再僅是單方面的傳播，而是能跳脫傳統的閱讀學習框架，透過互動讓「教」與「學」更加有趣、多元化。關鍵詞：紅外線浮水印，位置碼點，雙重訊息隱藏，擴增實境。. I.

(3) Abstract The research proposes a technique of double data-hiding watermark with frequency modulation and position code. Due to the optical characteristics of inks, the AR marker and position code will be detected under infrared light. In order to hide the double data on plain paper, the watermark is coordinated with position code which is printed by carbon black ink and frequency modulation which is printed by CMY inks to maintain neutral gray. Through the infrared device, the AR marker and the position code information can be read to generate the 3D image of augmented reality and the audio signal. This study provides an infrared watermark technique to hide the double data-hiding watermark on plain paper which successfully brings out the 3D images and an audio signal. This approach not only makes the meaningless markers invisible but also enhances the function and interactive capability of paper. In the future, the technique can be applied to education which enables “teaching” and “learning” becomes more interesting.. Keywords: Infrared watermark, Position code, Double data-hiding, Augmented Reality. II.

(4) 目錄中文摘要. ………………………………………………………………………. I. 英文摘要. ………………………………………………………………………. II. 目錄. ………………………………………………………………………. III. 圖目錄. ………………………………………………………………………. IV. 表目錄. ………………………………………………………………………. VII. 第一章. 緒論…………………………………………………………………. 1. 第一節. 研究背景與動機……………………………………………………. 1. 第二節. 研究目的……………………………………………………………. 4. 笫三節. 研究問題……………………………………………………………. 5. 第四節. 名詞解釋……………………………………………………………. 7. 文獻探討…………………………………………………………. 9. 第一節. 數位半色調…………………………………………………………. 9. 第二節. 數位浮水印技術……………………………………………………. 19. 第三節. 紅外線浮水印與噴墨墨水的光學特性……………………………. 28. 第四節. 位置碼點技術………………………………………………………. 35. 第五節. 擴增實境……………………………………………………………. 42. 第六節. 文獻探討小結…………………………………………..…………... 54. 研究方法………………………………………………..…………. 56. 第一節. 系統架構……………………………………………………………. 56. 第二節. 研究流程……………………………………………………………. 57. 第三節. 研究設備與工具……………………………………………………. 59. 笫四節. 浮水印製作…………………………………………………………. 61. 研究結果與討論…………………………………………. 70. 笫一節. 擴展位置碼點顯示多階調功能……………………………………. 70. 第二節. 驗證碼點音訊與擴增實境效果……………………………………. 73. 第三節. 複印後紅外線浮水印效果…………………………………………. 77. 第五章. 研究結論與建議………………………………………….. 79. 參考文獻. ………………………………………………………………………. 82. 第二章. 第三章. 第四章. III.

(5) 圖目錄圖 1-1-1. 行政院 2015 年經濟發展願景四大新興產業……………………..... 1. 圖 1-1-2. PAPAGO! M8 擴增實境 AR 衛星導航地圖示意圖……………….. 2. 圖 1-1-3. Vogue & GQ 時尚雜誌擴增實境互動示意圖………………………. 3. 圖 2-1-1. 利用網點大小的不同模擬連續調影像之濃度變化示意圖……….. 9. 圖 2-1-2. 半色調過往照相示意圖…………………………………………….. 10. 圖 2-1-3. 玻璃網屏法示意圖………………………………………………….. 10. 圖 2-1-4. 接觸網屏法網點形成原理示意圖………………………………….. 11. 圖 2-1-5. 數位半色調系統處理流程圖……………………………………….. 11. 圖 2-1-6. 定階量化法半色調流程圖………………………………………….. 12. 圖 2-1-7. 原始連續調影像與定階量化法半色調影像……………………….. 12. 圖 2-1-8. 影像加入隨機雜訊之定階量化法流程圖………………………….. 13. 圖 2-1-9. 原始連續調影像與加入隨機雜訊量化後的半色調影像………….. 13. 圖 2-1-10. 半色調過網技術…………………………………………………….. 14. 圖 2-1-11. AM 調幅式網點原理示意圖……………………………………….. 14. 圖 2-1-12. 利用臨界值矩陣指引機器著墨…………………………………….. 16. 圖 2-1-13. FM 調頻式網點原理示意圖………………………………………... 16. 圖 2-1-14. 連續調影像與經誤差擴散法處理所得之半色調影像…………….. 17. 圖 2-1-15. 複合式過網半色調示意圖………………………………………….. 18. 圖 2-2-1. LSB 最低位元加密技術於不同位元所產生的影像……………….. 20. 圖 2-2-2. Texture Block Coding 加密技術…………………………………….. 21. 圖 2-2-3. 灰階影像中隨機取兩個點 M 點與 N 點…………………………... 22. 圖 2-2-4. NaNOcopy™實體浮水印原稿微結構…………………………….... 23. 圖 2-2-5. NaNOcopy™實體浮水印複印稿微結構………………………….... 24. 圖 2-2-6. 半色調影像資料隱藏效果………………………………………….. 24. 圖 2-2-7. 半色調影像資料經 DHED 演算法後之隱藏效果…………………. 25. 圖 2-2-8. 半色調影像資料經 MDHED 演算法後之隱藏效果………………. 26. 圖 2-2-9. AM 與 FM 組成之混合網點概念…………………………………... 26. 圖 2-2-10. 複印後可改變原始意義之浮水印製作概念示意圖……………….. 27. 圖 2-3-1. 電磁波譜示意圖…………………………………………………….. 28. 圖 2-3-2. 減色法原理…………………………………………………………. 30. 圖 2-3-3. CMYK 四色墨水在不同波譜下之反射率…………………………. 31. IV.

(6) 圖 2-3-4. ImageSwitch® 網點微結構示意圖………………………………….. 32. 圖 2-3-5. ImageSwitch® 網點範例…………………………………………….. 32. 圖 2-3-6. 中華民國千元鈔票防偽技術……………………………………….. 33. 圖 2-3-7. 正常光下的影像與紅外線光源下出現之二維條碼……………….. 33. 圖 2-3-8. CMOS 攝影機之光譜響應圖……………………………………….. 34. 圖 2-4-1. 位置碼點紀錄資訊示意圖………………………………………….. 35. 圖 2-4-2. 左圖位置碼點微結構示意圖，右圖位置碼點偏移方向示意圖…. 36. 圖 2-4-3. 使用數位筆與位置碼點技術之教學互動系統示意圖…………….. 37. 圖 2-4-4. 數位筆與位置碼點技術之座位控制系統示意圖…………………. 38. 圖 2-4-5. 運用位置碼點技術建構出控制家電用品之控制板示意圖……….. 38. 圖 2-4-6. 透過位置碼點技術來控制家電用品之資訊流示意圖…………….. 39. 圖 2-4-7. GKJ 法系統架構圖…………………………………………………. 41. 圖 2-4-8. GKJ 法最終之意見相互關係圖表………………………………….. 41. 圖 2-5-1. 1968 年 Ivan Sutherland 開發的機械式追蹤頭戴顯示系統……….. 42. 圖 2-5-2. 真實-虛擬之連續性示意圖…………………………………………. 43. 圖 2-5-3. 2D marker 的擴增實境系統示意圖……………………………….... 44. 圖 2-5-4. 2D marker 擴增實境應用案例……………………………………… 44. 圖 2-5-5. 紅外線隱藏型擴增實境辨識圖案裝置示意圖…………………….. 46. 圖 2-5-6. 系統實際運作之畫面……………………………………………….. 46. 圖 2-5-7. 頭戴式 IR 攝影機擴增實境系統示意圖…………………………… 47. 圖 2-5-8. 頭戴式 IR 攝影機擴增實境運作範例……………………………… 48. 圖 2-5-9. 紅外線下可看到隱藏之浮水印與帶出 3D 效果示意圖…………... 49. 圖 2-5-10. 即時運算方式之擴增實境運作流程說明示意圖………………….. 49. 圖 2-5-11. 系統運作畫面示意圖……………………………………………….. 50. 圖 2-5-12. 原始影像、特徵點擷取與不同角度像特徵點擷取狀況示意圖….. 51. 圖 2-5-13. 目標影像超出攝影範圍特徵點仍可維持擴增實境運作示意圖….. 51. 圖 2-5-14. 指尖特徵點偵測帶出擴增實境效果示意圖……………………….. 52. 圖 2-5-15. 結合無線網路與伺服器的無標誌擴增實境系統架構圖………….. 53. 圖 3-1-1. 本研究互動系統示意圖…………………………………………….. 56. 圖 3-2-1. 本研究流程………………………………………………………….. 58. 圖 3-3-1. HP DeskJet 1280 噴墨印表機……………………………………… 60. 圖 3-3-2. HP 45 號黑(K)墨水與 HP 78 號 CMY 墨水……………………….. 60. 圖 3-3-3. DORS 1100 紅外線偵測器…………………………………………. V. 60.

(7) 圖 3-3-4. X-Loupe G 系列可攜式顯微鏡相機………………………………... 60. 圖 3-3-5. S890 紅外線視訊攝影機……………………………………………. 60. 圖 3-3-6. Anoto Livescribe Pulse™ Smartpen 碼點擷取器…………………... 60. 圖 3-4-1. 重建後位置碼點示意圖…………………………………………….. 61. 圖 3-4-2. 位置碼點階調變化示意圖………………………………………….. 62. 圖 3-4-3. 位置碼點可讀取音訊之濃度範圍值測試導表…………………….. 63. 圖 3-4-4. 一般混合網點的方式示意圖……………………………………….. 64. 圖 3-4-5. 位置碼點混 FM 網點示意圖……………………………………….. 64. 圖 3-4-6. 紅外線浮水印製作程序示意圖…………………………………….. 65. 圖 3-4-7. 位置碼點濃度落差值補足方式示意圖…………………………….. 66. 圖 3-4-8. 1 階碼點與 5 階碼點分佈區域………………………….….……..... 67. 圖 3-4-9. FM 網點加入 1 階碼點區域與 5 階碼點分佈區域………..………. 67. 圖 3-4-10. 位置碼點與 FM 調頻網點之濃度匹配導表………………….….… 68. 圖 4-1-1. 兩階影像與 1 階位置碼點搭配 5 階位置碼點效果……..….…….. 71. 圖 4-1-2. 兩階調位置碼點微結構放大圖……………………..…….….…….. 71. 圖 4-1-3. Lena 灰階連續調影像與多階調位置碼點呈現半色調浮水印…... 72. 圖 4-1-4. 多階調位置碼點微結構放大圖…………………………………... 72. 圖 4-2-1. 浮水印在紅外線下效果…………………………………….….….. 73. 圖 4-2-2. 紅外線光源下擴增實境系統…………………………………….... 74. 圖 4-2-3. 盧彥勳 3D 模型置入至擴增實境系統………………….………….. 74. 圖 4-2-4. 紅外線浮水印帶出擴增實境的效果………………………………. 75. 圖 4-2-5. 紅外線光源下的位置碼點微結構放大圖…………………………. 76. 圖 4-2-6. 碼點擷取器經由讀取位置碼點播放出相對應之聲音訊息………. 76. 圖 4-3-1. 原稿與黑白複印稿的位置碼點微結構示意圖……………………. 77. 圖 4-3-2. 原稿與彩色複印稿的位置碼點微結構示意圖……………………. 78. 圖 4-3-3. 紅外線光源下的原稿與複印稿差異………………………………. 78. 圖 4-3-4. 紅外線浮水印複印後喪失音訊與擴增實境效果…………………. 78. VI.

(8) 表目錄表 1-4-1. 紅外線波長分類表………………………………………………….. 7. 表 2-3-1. 紅外線波長分類表………………………………………………….. 29. 表 2-4-1. 位置碼點 Bit pair 組合與相對應偏移方向………………………… 36. 表 2-6-1. 各種利用不同紅外線隱藏媒體訊息之研究差異表………………. 54. 表 3-3-1. 本研究所使用之硬體設備及軟體工具…………………………….. 59. VII.

(9) 第一章緒論. 第一節研究背景與動機. 隨著科技的發展與創新，數位化的腳步也持續地向前邁進，許多過往必須耗費大量人力與時間才可完成的工作，現今都可藉由電腦數位化科技來達成目的，由此可見數位化已逐漸成為我們日常生活中不可或缺的一部分，因此數位化科技如何與日常生活做結合則成為近期重要的研究課題。2006 年行政院將數位生活列為「2015 年經濟發展願景」計畫中的重要發展領域之一，如下圖 1-1-1 所示，並在該願景的第一階段 2007 年至 2009 年三年衝刺計畫產業發展套案中，將數位生活列為下波新興產業之一，並期待數位生活產業產值能在 2015 年達到 2 兆 6560 億元規模。. 數位生活. 無線寬頻與相關服務產業. 健康照護. 綠色產業. 新興產業. 圖 1-1-1 行政院 2015 年經濟發展願景四大新興產業 (2015年經濟發展願景-第一階段三年衝刺計畫產業發展套案政府報告書). 1.

(10) 瑞典 Anoto 公司所開發的位置碼點(position code)技術，即為把數位化科技與日常生活兩者加以結合的實例，它將傳統紙筆的書寫習慣與訊息數位化做整合，不需要特殊的紙張材紙與額外的大型影像擷取處理設備，就能讓人們以最直覺的方式達到訊息即時數位化之目的，消除紙張與數位化間傳播與溝通的界線。2011 年日本北陸尖端科學技術大學院大學(Japan Advanced Institute of Science and Technology, JAIST)學者即利用 Anoto 的位置碼點技術並結合數位筆的應用，成功地解決傳統 KJ 法在發想創意思考與收集意見資訊所造成執行效率低落的問題（Miura, Sugihara, & Kunifuji, 2011），讓數位化科技融入並改善我們的日常生活。. 此外，近年來在臺灣擴增實境（Augmented Reality, AR）技術也開始逐漸融入我們的日常生活中，不僅應用在智慧型手機內的衛星導航地圖，如圖 1-1-2 所示，更可以在平面報章雜誌上發現其蹤跡。例如 2010 年 GQ 時尚雜誌 Taiwan 區版即運用擴增實境 mark-less 技術(圖 1-1-3)，當閱讀者將封面影像瞄準攝影鏡頭時，電腦可即時運算並帶出相對應之影音訊息或 3D 動畫，讓閱讀者更能體現即時互動與數位生活的便利。. 圖 1-1-2 PAPAGO! M8 擴增實境 AR 衛星導航地圖示意圖（PAPAGO! M8 for mobile 官方網站，取自 http://www.papago.com.tw/M8_web/，2011） 2.

(11) 圖 1-1-3 Vogue & GQ 時尚雜誌擴增實境互動示意圖（Vogue GQ AR 時尚科技秀官方網站，取自 http://www.vogue.com.tw/2010event/ar04/，2011）. 然而擴增實境 mark-less 技術仍存在著許多限制，例如複雜的電腦運算等，因此紅外線具有人眼無法察覺的特性也開始被學界關注與探討。以往技術都將紅外線應用於軍事科技或是有價證卷上之防偽，但近年來紅外線具隱藏的特性也逐漸被應用於擴增實境辨識圖案上。2010 年 Hanhoon Park 與 Jong-Il Park 使用特殊的紅外線油墨將擴增實境的辨識圖案隱藏在不同載體上，藉由紅外線讀取出隱藏的圖案(Park H. & Park J.I., 2010)；此外，前述的碼點技術亦為透過紅外線擷取裝置來讀取出碼點位置資料，再將這些資料進行解碼並播放出內含的數位訊息。因此基於上述論點，本研究期待把紅外線的光學特性與噴墨印刷製程做整合，並將人眼視覺上不具任何意義的擴增實境辨識圖案與位置碼點音訊作結合，來製作出可隱藏雙重訊息的紅外線數位浮水印，使紙張載體不僅具有視覺性的美觀，更可兼具讀取出音訊與呈現 3D 模型或動畫，讓紙張不再只是一個二維印刷媒材，更是一個真實環境與數位多媒體間的互動橋樑，擴充紙張載體的功能及互動性。. 3.

(12) 第二節研究目的. 根據前述研究動機與研究目的，本研究主旨為應用紅外線在人眼視覺上無法被察覺之優勢，來隱藏干擾視覺閱讀的擴增實境辨識圖案，並結合位置碼點技術的特點使其不需要特殊的紙張材紙與額外的大型影像擷取處理設備，就能讓人們以不改變傳統書寫習慣方式達到最快速的數位訊息傳播。因此，為了製作出具隱藏性的雙重訊息浮水印來隱藏擴增實境辨識圖案與位置碼點，故本研究目的為：. 一、設計可用之擴增實境辨識圖案與遮罩。二、建構音訊位置碼點微結構並探討音訊位置碼點加密解密與其印刷輸出條件。三、將擴增實境辨識圖案與音訊位置碼點進行合成，並運用油墨對紅外線光學特性來製作成紅外線浮水印，並透過此做為辨識媒介。四、透過紅外線攝影機擷取已加密之影像並進行影像辨識，經電腦處理後播放出相對之位置碼點音訊與啟動擴增實境之 3D 模型，來驗證雙重訊息加密效果。. 4.

(13) 第三節研究問題. 本研究有別於傳統紅外線數位浮水印的功能與製程，需克服下面三大技術關鍵點：. 一、紅外線浮水印從傳統單一資訊識別功能轉為雙重資訊識別功能本研究與過往研究的差別在於，使用碼點作為製作隱藏音訊的浮水印，讓傳統僅具單一識別功能的紅外線浮水印賦予雙重訊息功能。即為微結構下肉眼無法察覺可帶出音訊的碼點，與紅外線肉眼可辨識並帶出擴增實境等辨識符號的浮水印加以整合。. 二、更注重浮水印的微結構本研究更注重浮水印的微結構，過往的紅外線浮水印使用含碳黑成分的 AM 調幅網點作辨識依據，即使 AM 細小的網點被破壞或拆散也不影響整體紅外線浮水印的辨識與讀取，但本研究位置碼點的微結構如果被破壞，或是位置碼點被拆散等其它因素皆會導致隱藏的位置碼點音訊無法被正常偵測。. 三、印前設定必須能讓 K 墨完全分離 CMY 墨位置碼點每顆點皆需使用 K 墨輸出，而點的周圍必須控制由 CMY 構成才可不影響位置碼點被辨識，如果位置碼點周圍的 FM 網點含有 K 墨存在，則位置碼點就無法正常被偵測讀取。. 因此，本研究條列出四點研究問題如下： 1、瞭解噴墨印刷四色墨水的成分在紅外線下的光學特性為何？. 5.

(14) 2、瞭解紅外線浮水印應用於碼點與 AR 之輸出設定變數與操作環境之特性為何？ 3、如何重建具穩定性低錯誤率的位置碼點微結構來進行加密與解密技術？ 4、如何將雙重訊息透過混合網點模式進行資訊藏密，但又不影響人眼視覺觀看與紅外線下之變圖？. 6.

(15) 第四節名詞解釋. ㄧ、紅外線（infrared rays）：紅外線是一種人眼無法察看到的電磁波，其波譜位於可見光紅色光附近與波常較紅光長的區塊。而紅外線的波長比可見光的波長要長，其波長大約介於在0.7 μm ~ 14 μm 之間。目前國際上因對紅外線不同使用方式而有不同的分類法，一般可依照其波長細分為三個區段（線上大英百科，2011年10月10日），分別為鄰近可見光的近紅外線區到波長較長的遠紅外線區，如下表1-4-1所示：表1-4-1 紅外線波長分類表紅外線分類. 波長. 近紅外線區（near-infrared region）. 0.78～2.5 μm. 中紅外線區（middle-infrared region）. 2.5～50 μm. 遠紅外線區（far-infrared region）. 50～1000 μm. 二、浮水印（watermarking）：浮水印（watermarking）是將資訊嵌入影像中的一種技術，其藏入的資訊可包含數字、文字、圖案等等。原始影像在一般正常下是無法被觀察其內藏的資訊，必須透過電腦演算或非法變造才可得知，主要目的在進行版權宣告，防止影像在未經授權下複製使用與變造（Bender, Gruhl, Morimoto & Lu, 1996）。而浮水印在平面印刷品上的目的，亦為從宣示版權（copyright）、保護原稿與認證（identification）等防偽角度出發。. 7.

(16) 三、位置碼點（Position code）：位置碼點技術是由瑞典 Anoto 公司所研發出一種點（dot）由虛擬中心點朝上下左右四個不同方向移動的技術（Bjorklund, 2011），概念類似被位移後的調幅網點（amplitude modulation, AM），該技術是藉由將眾多細小的碼點輸出於一般紙張載體上，再透過碼點擷取器內的紅外線攝影機偵測碼點位置來讀取相對應之聲音訊息。. 四、擴增實境（Augmented Reality, AR）：「擴增實境」（Augmented Reality）的定義最早在 1997 年由 Azuma 提出，其定義為擴增實境是一種介於虛擬與實境兩者間的一種技術，且必須含有三項必要特性： 1.必須結合虛擬與真實實境的兩個元素。 2.內容必須具備即時性的互動。 3.必須具有空間性，讓使用者在三度空間內進行互動。. 8.

(17) 第二章文獻探討本實驗運用數位半色調技術與噴墨墨水在紅外線下的光學特性來隱藏擴增實境之辨識圖案與碼點於印刷品，並透過混合網點的概念將 FM 調頻網點與碼點進行混合達到中性灰底紋，最後利用紅外線儀器偵測與驗證其隱藏之辨識圖案與碼點，並啟動擴增實境帶出 3D 訊息與音訊。因此，本章節將細分五大節進行分析與探討，分別為半色調技術、數位浮水印藏密技術、紅外線與噴墨墨水的光學特性、位置碼點技術與擴增實境。. 第一節半色調技術一、傳統過網半色調技術半色調（halftoneing）技術為十九世紀末美國科學家弗德芮克‧艾伍茲 (Frederic E. Ives)於康乃爾大學攝影實驗室所研發而成，該技術解決當年照片圖案送印時須經耗時且昂貴的手工木雕製程，開啟報章雜誌大量使用照片的契機。而半色調技術是一種在印刷領域中常用來模擬連續調（continuous tone）影像的技術，其主因是大多數印刷輸出機無法模擬出連續調影像，只能透過網點的著墨與否來加以控制。此種方法是將連續調影像透過過網技術後所產生的諸多細小網點，而這些細小的網點會因並置混合效果而使人眼無法察覺出，進而達到模擬連續調影像的目的，如圖 2-1-1 所示。. 圖 2-1-1 利用網點大小的不同模擬連續調影像之濃度變化示意圖（林行健，2005）. 傳統的半色調過網方式一開始為手工雕刻方式來製版，但自西元 1886 年後則以照相製版原理來製作出半色調影像，其技術稱之為半色調照相（halftone 9.

(18) photography）或稱網點照相（羅福林、李興才，1992）。半色調照相原理為在感光片前方放置一網目屏(screen)，該網目屏為諸多互相水平或垂直之細線組成，當原稿影像反射出的光源達到網目屏時，會因網目屏上的細線干擾而形成許多細小網點或線條，而這些網點與線條會因為原稿不同區域反射之光源強度不同而有不同大小之變化，如圖 2-1-2 所示。網目屏依發展有玻璃網屏法(glass screen method) 如圖 2-1-3 所示與接觸網屏法(contact screen method)如圖 2-1-4 所示。但傳統的照相過網方法不僅耗時且須控制許多影響網點產生的因素，例如：光學網點放大、感光片品質、光源強度等。因此，近年來隨著電腦數位化科技導入印前系統後，傳統的照相過網方式則逐漸被取代。. 圖 2-1-2 半色調過往照相示意圖（羅福林、李興才，1992）. 圖 2-1-3 玻璃網屏法示意圖（羅福林、李興才，1992）. 10.

(19) 圖 2-1-4 接觸網屏法網點形成原理示意圖（林行健，2005）. 二、數位過網半色調技術近年來由於電腦數位化的興起與普及，印刷過網技術也開始與電腦科技結合應用，數位過網半色調技術是運用電腦運算來將連續調影像轉為半色調影像，透過此方法可以省去傳統過網時所需耗費的時間與設備。圖 2-1-5 為數位半色調系統處理的流程圖，數位輸入裝置為將影像數位化的裝置如掃描器、數位相機等，而這些影像通常為 RGB 或灰階的連續調影像，經由處理後則可轉為二階半色調影像或 CMYK 半色調影像，以灰階影像來說即將原先每個像素有 0 到 255 的 256 個階調變化轉為每個像素只有二個階調變化(0 為最黑，1 為最白)，如此一來即可符合數位輸出裝置如印表機、印刷機等只能決定著墨(黑點)與不著墨(白點)的輸出條件。. 圖 2-1-5 數位半色調系統處理流程圖. 11.

(20) 定階量化法（fixed-level quantization）是最簡易的半色調技術，其原理為將原始連續調影像 Ct 中的每一個像素（pixel）做經門檻值 T（threshold）處理，如該像素值大於門檻值則為 1，如小於門檻值則為 0，透過此方法則可將原始影像轉為 0 與 1 的半色調影像 Ht，如圖 2-1-6 所示。. 連續調影像Ct (Continue tone). 門檻值T. 半色調影像Ht. (threshold). (Halftone). 圖 2-1-6 定階量化法半色調流程圖. 定階量化法的演算方法可由下列方程式(1)所示，圖 2-1-7 為原稿連續調影像透過此方法演算得到的半色調影像，門檻值（threshold）為灰階 100。. 1, C (i, j )  threshold H( x, y )   0, otherwise. （a）. （1）. （b）. 圖 2-1-7（a）原始連續調影像；（b）定階量化法半色調影像 12.

(21) 定階量化法最大的優點為能將連續調影像快速轉為半色調影像，但就如同圖 2-1-7 所示該法會讓半色調後的影像呈現高反差的效果，影像中間階調部分幾乎因誤差的累積而導致諸多細微層次喪失；因此，有學者為了改善此問題而提出以增加隨機雜訊（random noise）方法來呈現中間調的層次，藉此減緩原始定階量化法後影像的高反差效果，此修正後的方法流程圖如下圖 2-1-8 所示。圖 2-1-9 為原稿經由此修正過的演算方法後得到的半色調影像。. 連續調影像 Ct (Continue tone). 臨界值T. 添加隨機雜訊. (threshold). 半色調影像 Ht (Halftone). 圖 2-1-8 影像加入隨機雜訊之定階量化法流程圖. （a）. （b）. 圖 2-1-9（a）原始連續調影像；（b）加入隨機雜訊量化後的半色調影像(張家龍， 2007). 然而即使定階量化法加入隨機雜訊後，其所產生的半色調影像仍然過於粗糙且喪失諸多細部層次；因此，許多學者便開始提出不同的半色調演算法，期望能模擬出更精緻的半色調影像。而在諸多的數位半色調演算法中，最廣為常見的演 13.

(22) 算法主要有三種，分別為點陣調色法(ordered dithering)、誤差擴散法(error diffusion)以及複合式過網半色調法(hybrid screen)。. 1、點陣調色法(ordered dithering)：點陣調色法又可稱之為調幅式網點(amplitude modulation, AM)，其網點特徵為網點位置固定且網點與網點間的中心距離固定，但透過網點大小的變化來模擬影像的階調變化，如圖 2-1-10 所示；也就是網點的出現頻率相同但網點的振幅有所不同，如圖 2-1-11 所示。. (a). (b). 圖 2-1-10 半色調過網技術，(a)為連續調影像，(b)為 AM 半色調影像. 圖 2-1-11 AM 調幅式網點原理示意圖（林行健，2005）. 14.

(23) 調幅網點演算法原理為將每一像素由 1 與 0 訊號來呈現，對於印刷輸出機而言即著墨與不著墨。點陣調色法是將影像分隔為數個相鄰但彼此不重疊的區塊，而每一區塊皆為一臨界值矩陣所構成，而該臨界值矩陣會因不同影像所需的灰階權重係數不同而有所改變；此外，臨界值矩陣內的數值會因排列方式的不同而影響網點的形成，如網點形狀、網點角度等。. 其演算方法為先設定一臨界值矩陣大小 X×Y 來處理一區塊原始灰階影像 Q(i,j)的階調數，然後再透過方程式(2)把原始連續調影像轉為臨界值矩陣 X×Y 所需之 f(i,j)階調數；方程式(2)中的 Q(i,j)代表原始灰階影像階調數，X 與 Y 代表著臨界值矩陣的長與寬，f (i,j)則代表著原稿 Q(i,j)的灰階值轉化為矩陣所需的階調數。（2）. 方程式(2)所得到的 f (i,j)階調數值需通過方程式(3)一臨界值 T(m,n)，如 f (i,j) 階調數值大於或等於臨界值 T(m,n)，則 H(i,j)的結果為 1；反之 H(i,j)則為 0。其中臨界值 T(m,n) = T(i＋Z1 × M, i＋Z2 × N)，Z1 和 Z2 為一整數值。. when. （3）. 方程式(2)與方程式(3)可用下圖 2-1-12 實例說明，左圖(a)矩陣 8×8 為 64 個子區塊所構成，每一個子區塊個別代表一不重複的編號，且由矩陣內部的編號分布得知該矩陣的網點角度為 0 度，如今透過方程式(2)與方程式(3)得到一 H(i,j)數值為 24，則代表著此矩陣內部 64 個子區塊中編號 1 至 24 為著墨，即訊號為 1 其餘 25 至 64 則為 0 不著墨，如下圖 2-1-12(b)所示。. 15.

(24) 61 53 41 33 37 52 60 64 57 45 25 13 17 32 48 56 49 29 21 5. 9. 24 28 44. 39 19 11 1. 3. 8. 35 15 7. 2. 12 20 40. 43 27 23 10 6. 22 30 50. 4. 16 36. 55 47 31 18 14 26 46 58 63 59 51 38 34 42 54 62 (a). (b). 圖 2-1-12 利用臨界值矩陣指引機器著墨（階調數 24）. 2、誤差擴散法(error diffusion)：誤差擴散法又可稱之為調頻式網點(frequency modulation, FM)，此網點的特色為網點的大小固定但網點位置為隨機出現，藉由網點的疏密程度來模擬連續調影像的階調變化，如圖 2-1-13 所示。. 圖 2-1-13 FM 調頻式網點原理示意圖（林行健，2005）. 誤差擴散法大多以 Floyd 與 Steinberg 所提出的 Floyd-Steinberg Error Diffusion(FSED)演算法為大宗，該演算法是將原始影像 g(i,j)的像素經由臨界值 T 來進行二階化，我們可從方程式(4)看出當原始 g(i,j)的像素大於或等於臨界值時， 16.

(25) 二階化的結果為 1 反之則為 0 (在此 1 代表為黑點，0 為白點)；然後再將其產生之誤差值擴散至鄰近的像素點。. 1, g (i, j )  T (i, j ) h(i, j )   0, g (i, j )  T (i, j ). （4）. 而方程式(5)所呈現的矩陣即為將上述所產生的二階化誤差值擴散至相近的像素，使原始影像之整體灰階值與二階化後的整體灰階值相同。. （5）. 圖 2-1-14 為原稿連續調影像(a)經 FSED 處理後所得到的半色調影像(b)。FM 網點由於是以像素做為基本單位，因此半色調後的影像層次表現上會較點陣調色法佳。. (a). (b). 圖 2-1-14 (a)為連續調影像，(b)經誤差擴散法處理所得之半色調影像. 17.

(26) 三、複合式過網半色調技術 (hybrid screen) 在印刷數位過網上有一種結合兩種網點概念的半色調技術稱之為複合式過網技術(hybrid screen)。其方法是將點陣調色法與誤差擴散法兩種所產生的網點加以混合使用，再透過電腦運算依照影像不同區域的濃度分佈做適當的過網改變，如此一來使複合式網屏兼具 AM 與 FM 兩種網點之特性，來補足 AM 網點在印刷中可能產生的錯網(moiré)與在暗部和亮部表現力較 FM 網點差，以及彌補 FM 網點在中間調時會因網點擴張(Dot gain)或稱之為階調值擴增(Tone value increase, TVI)因素而造成影像階調喪失(Boonprasit, 2006)，如圖 2-1-15 所示，所以複合式過網技術是用來針對影像印刷品質上的需求來做搭配。. 圖 2-1-15 複合式過網半色調示意圖(Boonprasit, 2006). 18.

(27) 第二節數位浮水印技術數位浮水印可分為兩大類，一為存在於數位環境中所使用的數位浮水印，而另一則是實體的數位浮水印，其運用在真實環境中的紙張載體等。而數位環境中的數位浮水印絕大多數僅能作用於數位檔案中，如將其輸出列印的話浮水印的效果便立刻喪失；相對而言，實體數位浮水印因為在真實環境下進行加密隱藏，所以需考量諸多複雜因素，例如：人眼的察覺、機器的判別與印刷的輸出條件等，故其技術與困難點也較高(Bulan, Monga, Sharma, & Oztan, 2008)。本節將細分兩大部分探討，分別為數位環境中的數位浮水印加密技術與實體數位浮水印加密技術。. 一、數位環境中的數位浮水印加密技術 1、最低位元法 Least Significant Bit (LSB) 1990 年 E.H. Adelson 提出一種數位影像浮水印加密技術，該技術稱之為 LSB （Least Significant Bit）最低位元法(Adelson, 1990)，其利用灰階影像中位元深度的最後一個位元作為置換目標，然後將欲隱藏的浮水印數據資料藏入該灰階影像中最後一個位元，然而人眼無法判別最後一位元中的灰階差距，因而將數位浮水印藏入其中。解密時，僅需要透過電腦運算並針對該灰階影像中之每個灰階像素最後一位元，便可解出隱藏的數位浮水印；此外，如果改變數位浮水印置換的位元時，則可發現隱藏資訊的目標位元數愈往高位元置換時，其浮水印的數據資料便會開始影響影像的呈現，藏入位元數位置越高浮水印也愈容易被發現，如圖 2-2-1 所示。. 19.

(28) 圖 2-2-1 LSB 最低位元加密技術於不同位元所產生的影像。（a）原始影像；（b）第 1 個位元；（c）第 2 個位元；（d）第 3 個位元；（e）第 4 個位元；（f）第 5 個位元；（g）第 6 個位元；（h）第 7 個位元；（i）第 8 個位元. 2、Texture Block Coding 加密技術 1996 年美國麻省理工學院媒體實驗室（MIT media lab）的 W. Bender 等學者提出 Texture Block Coding 的加密技術（Bender, Gruhl, Morimoto, & Lu, 1996）。其原理是將灰階影像中較複雜的區域，通常亦為高頻區域，藏入兩個相同的文字或圖案訊息，且因為藏入的區塊為複雜的高頻區域，所以人眼是無法察覺其不同之處；進行解密時，再將整張灰階影像透過電腦互相比對與找出兩個差異最小的區塊，即可解出隱藏在高頻區域的文字或圖案訊息，如圖 2-2-2 所示。. 20.

(29) 圖 2-2-2 Texture Block Coding 加密技術（Bender, Gruhl, Morimoto, & Lu, 1996）. 3、Patchwork 區塊加密法（Hwang, 1999） Patchwork 區塊加密法是由美國麻省理工學院所提出，其影像加密的原理是利用統計學的方式進行。以下圖 2-2-3 為例，首先假設該灰階影像圖檔為一張 8bit 且其影像階調介於 0 至 255 間，在加密開始前必須先隨機選定兩個點，該兩個點可視為一個組合，如下圖 2-2-3 所顯示的兩個點分別為 M 點與 N 點；而此兩點的灰階值分別以 Gm 與 Gn 表示，Z 為 M 點與 N 點兩點的灰階值差，即 Z = Gm – Gn，所以 Z 的數值範圍將會落在-255 至 255 間；另外期望值以 E(Z)代表，其值應為 0。. 圖 2-2-3 灰階影像中隨機取兩個點 M 點與 N 點 21.

(30) 假設現今從圖 2-2-3 選取 x 個組合點即共有 2x 點，就會有 x 個 Z 值，因此我們可以把 x 組合點全部加起來的 Z 值總和設為 Zx，如公式(6)所示。Zx 的期望值會為 0 是因為 E(Z)=0，而 E(Zx)又等於 x 乘於 E(Z)之故。. （6）. 公式(7)可以表示此加密法的方程式。其方程式運算步驟如下：首先 x 個組合點的加密位置是運用擬隨機亂數(pseudo-random number)來決定，然後每個組合中的第一個點若增加了個灰階值，而組合中的另一個點即需減少個灰階值，而其灰階值差數總和以 Zx’表示。. (7). 從公式(6)與公式(7)中，我們可以發現加密後的期望值比加密前的 Zx 期望值多了. ，因為. ，故可做為判斷是否加密的依據。. 此外，Patchwork 區塊加密法僅需一個 key 值即可，故具有其便利性。. 近年來數位環境中的數位浮水印技術也持續地推陳出新，透過許多不同的演算法來隱藏數位浮水印。例如：2012 年印度學者 Maheswari 與 Rameshwaran 兩位學者即提出運用 Double Haar Wavelet Transform (DHWT)技術所產生的數位浮水印來保護數位影像的版權；此外，數位浮水印的技術也不再只僅限於單張的數位影像，而是能將數位浮水印嵌入動態影像中，來保護與宣告動態影像之版權目的，擴大了數位浮水印的應用層面。. 22.

(31) 二、實體數位浮水印加密技術 1、網點位移加密網點位移加密的概念最早在1976年由A.V. Alasia所提出，其後隨著電腦科技的發展與進步，網點位移加密的技術開始結合電腦以數位化的方式執行，因此九十年代時發展出以數位方式進行網點位移的Scrambled Indicia R技術，該技術使將各網點透過特定的演算法後將網點進行錯位，然後透過光學解碼器使光線偏折而解出隱藏的資訊。. 2、NaNOcopy™藏密技術 2002 年 George K. Phillips 學者提出 NaNOcopy™實體浮水印，其原理是透過改變原稿部分區域的網點形狀、網點尺寸，並將要隱藏的浮水印改用微小字型取代而非傳統的網點，然後達到資訊隱藏的效果，如圖 2-2-4 所示。當原稿經影印機複印時，會因為影印機的光學掃描上取樣不足（under sampling），而造成原先隱藏資訊的浮水印微小字經複印呈現模糊直線的效果，如圖 2-2-5 所示，而這些浮水印會變成干擾紋進而達到防偽效果。. 圖 2-2-4 NaNOcopy™實體浮水印原稿微結構（Philips, 2002）. 23.

(32) 圖 2-2-5 NaNOcopy™實體浮水印複印稿微結構（Philips, 2002）. 3、M.S. Fu 和 O.C. Au 的半色調影像加密技術 M.S. Fu 和 O.C. Au 提出一系列的數位浮水印嵌入半色調影像的隱藏技術，從 DHST (data hiding self toggling)、DHPT(data hiding pair toggling)到 DHSPT (data hiding smart pair toggling)，上述三種加密技術皆是將一數位浮水印嵌入到經過半色調處理過後的影像中，且加密的位置是以隨機擬似（pseudo random）的方式進行，如圖 2-2-6 所示（Fu & Au, 2000）。DHPT 為改善 DHST 影像品質而所提出的隱藏方法，但仍然無法有效地降低雜點的產生，故後續提出結合 DHPT 和 DHST 的 DHSPT 方法，但此三種技術皆因影像受到兩次的破壞，即影像半色調化過程與嵌入浮水印過程，因此藏入浮水印後的最終影像都會出現 salt-andpepper noise 雜點的狀況，所以 M.S. Fu 和 O.C. Au 在 2002 年提出了 DHED 演算法與 MDHED 演算法（Fu & Au, 2002）。. (a) DHST 加密. (b) DHPT 加密. (c) DHSPT 加密. 圖 2-2-6 半色調影像資料隱藏效果（Fu & Au, 2000） 24.

(33) DHED 演算法(Data Hiding Error Diffusion)，其步驟與傳統誤差擴散的方法類似，執行誤差擴散的過網演算並判斷是否執行到資料隱藏的的位置，當欲嵌入的資料為 1，則指定該位置的半色調影像像素值為 1；相反的當欲嵌入的資料為 0，則指定該位置的半色調影像像素值為 0，之後將資料隱藏後產生的誤差值加上原來過網之誤差值由後方的像素來承擔，使資料隱藏與過網一併完成。簡單來說就是運用擴散誤差的概念將浮水印的誤差擴散到鄰近的像素點上，並讓濃度能平均使影像品質較好（Fu & Au, 2002），如圖 2-2-7 所示。. 圖 2-2-7 半色調影像資料經 DHED 演算法後之隱藏效果（Fu & Au, 2002）. MDHED 演算法(modified data hiding error diffusion)，MDHED 同樣和 DHED 也應用了 DHST 的概念，DHED 雖然在大部分情況下會有較良好的視覺品質，但由於 DHED 演算法誤差皆由後方的像素承擔，以致於誤差皆集中在後方，無法平均地擴散，使其藏密後的影像仍會有 salt-and-pepper 的雜點出現。因此再提出 MDHED(Modified Data Hiding Error Diffusion)演算法來改良 DHED 所造成的影像問題。MDHED 的資料隱藏方法也是先指定欲加密的地方，然後此區塊不會進行半色調處理，非加密區則進行半色調處理，而其產生的誤差值在擴散至相鄰尚未半色調處理的像素上，透過此方法可以改善 DHED 加密後所產生的區域雜點(salt-and-pepper)現象（Fu & Au, 2002），如下圖 2-2-8 所示。. 25.

(34) 圖2-2-8 半色調影像資料經MDHED演算法後之隱藏效果（Fu & Au, 2002）. 4、混合網點加密混合網點概念是結合 AM 與 FM 兩種網點，其主要目的為資訊隱藏；然而，混合網點的概念不同於複合式過網技術並不是為了解決印刷品質上的問題，而是藉由兩種網點的混合來達到資訊隱藏的目的，2004 年王希俊、蕭佩琪、連啟明提出以混合網點技術將校正過的 AM 及 FM 網點進行混合，透過匹配背景區塊與欲隱藏資訊區塊之灰色平衡來達到加密效果，如圖 2-2-9 所示，S1 為 AM 調幅網點，S2 為 FM 調頻網點，M 與~M 分別為遮罩，最後 SA 為最終兩種網點混合之示意圖。. 圖 2-2-9 AM 與 FM 組成之混合網點概念（王希俊、蕭佩琪、連啟明，2002）. 26.

(35) 2011 年張維烝再利用此混合網點的概念製作出複印過後可改變原始內容意義的實體浮水印技術，其利用四種不同的網點類型組合：AM 與 FM、FM 與 FM、 FM 與空白網點以及 AM 與空白網點，如下圖 2-2-10 所示，並依照原稿與浮水印分佈於不同的區塊內，使原始影像為 A 經複印過後則呈現 B 之效果。. 圖 2-2-10 複印後可改變原始意義之浮水印製作概念示意圖（張維烝，2011）. 因此，本研究將以混合網點概念為基礎並運用在碼點與誤差擴散演算法所產生的 FM 調頻網點，讓浮水印隱藏於影像中。. 27.

(36) 第三節紅外線浮水印與噴墨墨水的光學特性本節將針對紅外線浮水印的應用案例以及噴墨墨水在紅外線光下的光學特性作文獻回顧，因此本節將細分為四部分，分別為紅外線、噴墨墨水的光學特性、實體紅外線數位浮水印加密技術應用案例與紅外線偵測取像。. 一、紅外線（Infrared）光是一種電磁波，其波長範圍從300 nm的紫外線到1,000,000 nm的遠紅外線，但人眼神經能感應的波長範圍大約只有在400 nm(紫光)到700 nm(紅光)左右，這個範圍內又可稱之為可見光；但隨著科技的發展，這個範圍限制也逐漸地被打破，現今人類已可以透過不同的機器與介質來觀察這些人眼不可見的電磁波譜範圍，讓可觀察的範圍從可見光的兩端逐漸擴充，而紅外線即為一典型例子，如圖2-3-1 所示。. 圖 2-3-1 電磁波譜示意圖（中華民國頻率分配圖，2008）. 紅外線是西元1800年由英國皇家學會威廉．赫歇爾（Sir William Herschel）爵士所提出，當時他所做的實驗是探討光譜的熱效應，將可見光透過三稜鏡進行分光後，利用溫度計對分光後所出現的各光進行量測，並發現溫度會隨著紫光到 28.

(37) 紅光逐漸提高，且在紅光以外區域溫度仍持續上升，但在紫光以外區域溫度卻無上升（陳守一，1996）；因此，提出紅光以外仍有光線存在的論點，而往後的學者也將這個光線命名為紅外線（Infrared）。. 紅外線的波長大約介於其波譜位於可見光紅色光附近與波常較紅光長的區塊。而紅外線的波長比可見光的波長要長，其波長大約介於700 nm的近紅外線到 1,000,000 nm左右的遠紅外線之間。目前國際上因對紅外線不同使用方式而有不同的分類法，一般可依照其波長細分為三個區段（線上大英百科，2011年10月10 日），分別為鄰近可見光的近紅外線區到波長較長的遠紅外線區，如下表2-3-1 所示：. 表2-3-1 紅外線波長分類表紅外線分類. 波長. 近紅外線區. 0.78～2.5 μm. （near-infrared region）中紅外線區（middle-infrared region）. 2.5～50 μm. 遠紅外線區（far-infrared region）. 50～1000 μm. 因此透過特殊紅外線視訊裝置，人類可觀察到在紅外線照射下的物體所呈現的影像情況，其影像的特色是當紅外線的能量波段穿透某物體時，如果該物體僅吸收極為少量的紅外線能量而其餘皆反射時，該物體在紅外線視訊裝置下的影像則呈現透明的狀態；但如果當紅外線能量波段被物體大量吸收時，該物體在紅外線視訊裝置下影像則會呈現不透明情況。. 29.

(38) 二、噴墨墨水的光學特性噴墨墨水通常由青色（cyan，簡稱 C）、洋紅色（magenta，簡稱 M）、黃色（yellow，簡稱 Y）與黑色（black，簡稱 K）四色所組成。在色彩學的減色法理論中，CMY 三色疊印後理想上應該會呈現黑色，如下圖 2-3-2 所示；但因 CMY 三色的墨水本身純度不足且有雜質，使三色疊印後僅能成現深灰色，故需 K 墨來補足不夠黑的問題。黑墨之所以為黑色，乃因其能吸收白光中的各色的光波，而幾乎少有光源可反射，故呈現黑色。因此，物質所呈現的顏色表現乃由其所能反射何種光波所決定。. 圖 2-3-2 減色法原理. 2000 年美國 carbon black 專利中，說明碳黑物質（carbon black）在紅外線光源下的吸收反應（Kohei & Mitsuo, 2000），對於波長介於 900~1,400 nm 的紅外線區段有較佳的吸收率為基礎；而在噴墨印刷中，常會在黑色墨水裡添加碳黑物質來提高黑色墨水的印刷色彩表現能力，即黑度值（blackness）；因此，本研究將利用噴墨印刷中 K 墨墨水含碳黑物質的特性來製作紅外線數位浮水印。圖 2-3-3 中，我們可以發現喷墨墨水中的青色墨（cyan）、洋紅色墨（magenta）與黃色墨（yellow）在紅外線照射下均有穿透情況，故呈現透明的狀態；然而含碳黑物質的黑色墨（black）卻吸收了紅外線，故在紅外線影像下呈現不透明狀態。. 30.

(39) 圖 2-3-3. CMYK 四色墨水在不同波譜下之穿透率. (由國立臺灣師範大學物理學系協助測量). 三、實體紅外線數位浮水印加密技術 1、日本國立印刷局 2004 年日本國立印刷局提出 Image Switch® 的半色調網點技術（Nagashima & Saito, 2004），如圖 2-3-4 所示，將含碳黑成分的網點藏入紙鈔內的圖像中，因此在紅外線光源下觀察圖像會有變圖的效果，如圖 2-3-5 所示，但由於含碳黑成分的網點會影響原先圖像的色彩階調表現，故 ImageSwitch® 的半色調網點技術大都應用於較小的區塊範圍。. 31.

(40) 圖 2-3-4 ImageSwitch® 網點微結構示意圖；(1)正常光下的可見影像區域，使用 CMY 三色印刷；(2) CMY 三色印刷區塊；(3)含碳黑成分的 K 墨網點（Nagashima & Saito, 2004）. (a). (b). 圖 2-3-5 ImageSwitch® 網點範例；(a)為正常光下；(b)紅外線光源下（Nagashima & Saito, 2004）. 2.中華民國鈔券應用紅外線的光學特性也應用於中華民國鈔票的防偽科技上，在鈔票印製的過程中，部分印刷圖紋之紅外線吸收型油墨中添加含碳黑物質，因此在紅外線光照射下鈔票該部分會因吸收紅外線光線而產生圖案，而油墨未含有碳黑成分的區塊則會呈現半透明狀態，及反射了大部分的紅外線光源，如下圖 2-3-6 所示。. 32.

(41) (a). (b). 圖 2-3-6 中華民國千元鈔票防偽技術；(a)為正常光下；(b)為紅外線光源下. 3.混合網點數位浮水印 2010 年梁鳳儒利用 AM 與 FM 的混合網點將可帶出音訊的二維條碼（QR code）隱藏在影像內，因 AM 分佈區域含有可吸收紅外線之碳黑成份的黑墨，而 FM 分佈區域則是由不含碳黑成分的 CMY 所構成，故在紅外線光源照射下即可產生出隱藏之二維條碼，然後再透過電腦影像處理即可撥放出音訊，如圖 2-3-7 所示。. (a) (b) 圖2-3-7 (a)正常光下的影像；(b)紅外線光源下出現之二維條碼。(梁鳳儒，2010). 33.

(42) 四、紅外線偵測取像隨著時代的演進，傳統的底片攝影機也逐漸地被數位攝影機取代，而數位攝影機與傳統攝影機最大的不同就是感光元件，現行的數位攝影機感光元件可分為 CCD 與 CMOS 兩種。而 CCD 與 CMOS 在擷取影像時，不僅可擷取到可見光波段亦也會擷取到波長 700 nm 至 1000 nm 範圍的紅外線波段（Fernando, Bart, & Danny, 1998），如下圖 2-2-8 所示。但因紅外線會影響 CCD 與 CMOS 的成像色彩與品質，故現有的數位相機會裝設紅外截止濾鏡（infrared cut filter, ICF）來防止紅外線進入 CCD 與 CMOS 感光元件區，維持影像成像的色彩與品質。. 圖 2-2-8 CMOS 攝影機之光譜響應圖（Fernando, Bart, & Danny, 1998）. 34.

(43) 第四節位置碼點技術（Position code）位置碼點技術（Position code）是由瑞典 Anoto 公司所研發出一種點(Dot)由虛擬中心點朝上下左右四個不同方向移動的技術，概念類似被位移後的 AM 調幅網點，該技術是藉由將眾多細小的碼點輸出於一般紙張載體上，再透過 Anoto 碼點擷取器內的紅外線攝影機偵測碼點位置並讀取出相對應之聲音訊息。Anoto 碼點擷取器內設有一高速紅外線攝影機，此攝影機以每秒 50 張以上的速度來擷取碼點影像，每次取像以 6x6 矩陣為一單位即 36 顆碼點，透過這 36 顆碼點來記錄一訊息或是功能，因此可以隨著位置的移動而同步記錄不同的資訊（Bjorklund, 2011），如圖 2-4-1 所示。圖 2-4-1 中每個區塊中的 1 到 12 分別作為儲存資訊的編碼以及辨識不同碼點組合，而移動軌跡上的許多區塊則是從紅外線攝影機擷取到的每秒 50 張影像中，挑選具代表性與可辨識不同碼點位置組合的影像來供系統運算。. 圖 2-4-1 碼點紀錄資訊示意圖（Ericson & Bryborn, 2009）. 這些碼點的微結構是以上下左右相互間隔 0.3mm 的兩條虛擬 XY 軸光柵線（raster lines）為基礎，其兩光柵線 XY 交叉之處成為一虛擬點位置（nominal position）或稱之為光柵點（raster points），再由這些虛擬點位置以 Bit pair 的方式朝上下左右四個方向偏移，如表 2-4-1 所示。而每一顆碼點的偏移量大約介於 35.

(44) 網格長度的 1/8 至 1/4 間，其中最佳偏移量為 1/6；此外，偏移的方向與位置取決於位置碼點內部的亂數編碼，但位置碼點分布位置組合必須皆不相同，以利每一訊息對應一組特定的位置碼點分佈組合（Pettersson & Bjorklund, 2003），下圖 2-4-2 為一位置碼點微結構示意圖。. 表 2-4-1 位置碼點 Bit pair 組合與相對應偏移方向 Displacement. Bit pair (x,y). Right. (0,1). Up. (0,0). Left. (1,0). Down. (1,1). 圖 2-4-2 左圖為位置碼點微結構示意圖，右圖為位置碼點偏移方向示意圖. 透過位置碼點技術人們可以在不改變使用紙筆書寫習慣下將許多傳統資料，例如紙張上書寫文字、繪圖、聲音等等資訊同步快速轉為數位化資料，提高數位化效率；此外，亦可預先設定好相對應位置碼點位置的數位資訊內容，然後再透過碼點擷取器進行數位傳播與人機互動。因此，近年來位置碼點技術開始與多個領域整合應用，故本節將分三個部分來探討，分別為位置碼點與數位教學、位置碼點與數位生活以及位置碼點與社會科學方法。 36.

(45) 一、位置碼點與數位教學位置碼點技術最典型的應用即是與教學做結合，2010 年有日本學者開發一種以 anoto 碼點紙與數位筆為基礎的教學互動系統，並實際應用於國小低年級的教學課程上（Sugihara, Miura, Miura, & Kunifuji, 2010）。該系統可以讓授課老師即時掌握學生於課堂上的表現與學習情況，例如回答問題、行為等；此系統架構為每位學生皆有專屬自己的碼點紙，且彼此間的碼點紙的位置碼點組合皆不同，然後學生們透過數位筆書寫答案在碼點紙上，其答案會立刻經由數位筆轉為數位資料並透過藍芽傳送至老師的主電腦裡，最後連接至投影機呈現至投影幕上，如圖 2-4-3 與圖 2-4-4 所示。研究結果顯示此互動系統有效地增加學生對於學習的動機與表現水平。. 圖 2-4-3 使用數位筆與位置碼點技術之教學互動系統（Sugihara, Miura, Miura, & Kunifuji, 2010）. 37.

(46) 圖 2-4-4 數位筆與位置碼點技術之座位控制系統（Miura, Sugihara, & Kunifuji, 2010）二、位置碼點與數位生活 2004 年英國 University of Stirling 學者開始以位置碼點技術為基礎，將 Anoto 公司的數位筆（digital pen）與數位生活做結合並建立一互動系統（Kolberg & Magill, 2006），該系統運作方式為：首先用位置碼點製作一個可用來控制家電用品的控制板（home control pad），如圖 2-4-5 所示。而該控制板上的每個家具圖案、開關圖案或是時間控制圖案都個別賦予一獨一無二的位置碼點組合，再透過程式系統先行設定哪一組特定位置碼點對應哪一家具圖案或是功能，最後使用者便可透過數位筆來控制家電用品的開關與時間設定等功能。. 圖 2-4-5 運用碼點技術建構出控制家電用品之控制板示意圖（Kolberg & Magill, 2006） 38.

(47) 該系統整體資訊處理流程可由圖 2-4-6 所示。一特定的位置碼點組合對應一特定功能，然後透過數位筆來讀取位置碼點影像並進行影像處理，再以藍芽無線傳輸將影像處理過後得到的訊號傳送至手機。手機會把訊號透過無線網路傳輸至服務提供者（service provider），其中 pen service 與 device location service 會再次處理訊號內容並確認該訊號為哪一相對應家具，最終啟動驅動程式來執行使用者的命令（Kolberg, Magill, Wilson, Burtwistle, & Ohlstenius, 2005）。此方法最大的優點即為使用者僅需透過數位筆與位置碼點構成的控制板（home control pad）就可準確地控制一般家庭內部的各式家電用品，且不受地點空間的限制，甚至可控制汽車內部的音響、空調等設備，使位置碼點技術應用不再僅僅於教育用途上，而更能充分地與日常生活緊密結合。. 圖 2-4-6 透過位置碼點技術來控制家電用品之資訊流示意圖（Kolberg, Magill, Wilson, Burtwistle, & Ohlstenius, 2005） 39.

(48) 三、位置碼點與社會科學方法 2011 年日本北陸尖端科學技術大學院大學（Japan Advanced Institute of Science and Technology, JAIST）學者提出透過 anoto 的數位筆來建構新的 GKJ （Group KJ method）法系統，改善傳統 KJ（Jiro Kawakita,KJ）法因需利用太多的圖表與資訊，以及訊息無法即時數位化分享而造成執行效率較低的問題（Miura, Sugihara, & Kunifuji, 2011）。KJ 法是一種可以將參與者間不同的看法、意見與論點等加以統整起來，再從這些訊息中找到其相互關係並予以歸類與重組，最後以圖表的方式清楚地呈現出原先複雜且不同的意見，進而找出一最佳的解決方法。. 傳統的 KJ 法存在一些問題：1、在意見發想時往往需要大量的卡片來記錄，而這些卡片可能會造成在執行 KJ 法時產生混亂與耗時。2、傳統 KJ 法透過數位相機拍攝來將資料數位化，但拍攝的照片卻無法即時地作修改，因此不太適用像 KJ 法需要即時不斷地更新資料的方法。3、利用鍵盤與滑鼠將傳統 KJ 法資料數位化亦是過往常用的方法之一，但是這種方法在將資料圖表化時又需要耗費一段時間。因此，該研究認為將數位筆與 KJ 法結合則可即時將 KJ 法進行中時所產生的大量資料自動數位化的方法。. GKJ（Group KJ method）法系統架構圖可由圖 2-4-7 所示，首先參與者先將訊息書寫再位置碼點構成的紙張與卡片，然後數位筆會將記錄到的內容（筆跡與碼點資訊）透過藍芽無線傳輸到 L-Box Digital Pen Gateway System，處理過後的資訊會傳送到電腦裡的 GKJ editor 軟體做彙整，並同步顯示參與者書寫的訊息與匯整後的圖表，如圖 2-4-8 所示即為 GKJ 法最終所產生的意見圖表。經由 GKJ 法可精確地、及時地將資料內容與順序排列位置數位化，並可讓多人或數個團體同時參與討論，提高整體 KJ 法的執行效率。. 40.

(49) 圖 2-4-7 GKJ 法系統架構圖（Miura, Sugihara, & Kunifuji, 2011）. 圖 2-4-8 GKJ 法最終之意見相互關係圖表（Miura, Sugihara, & Kunifuji, 2011）. 41.

(50) 第五節擴增實境（Augmented Reality）擴增實境（Augmented Reality）的概念最早在 1968 年由 Ivan Sutherland 所提出，並與其他研究學者共同開發出一套機械式追蹤頭戴顯示系統，如圖 2-5-1 所示，該系統是藉由一套可穿戴在頭上的機械設備，透過電腦運算處理後使用者可在顯示裝置上同時觀看到雙重資訊，分別為電腦運算出的資訊與真實環境（Sutherland, 1968）。雖然該系統具有設備龐大且需懸掛於空中的缺點，但也奠定了擴增實境的基本概念，這個概念即為在真實的環境中加入電腦即時運算的虛擬資訊。而擴增實境與虛擬實境最大不同處，乃是前者建構於真實環境中，並強調真實與虛擬兩者間的互動；而非後者僅建構於虛擬環境中。. 圖 2-5-1 1968 年 Ivan Sutherland 開發的機械式追蹤頭戴顯示系統（Carmigniani, Furht, Anisetti, Ceravolo, Damiani, & Ivkovic, 2011）. 1994 年 Paul Milgram 和 Fumio Kishino 對於這種介於真實與虛擬之間的概念，提出了「真實－虛擬連續性」（Reality-Virtuality Continuum）的理論，主要探究介於真實環境與虛擬環境間的混合實境（Mixed Reality），如圖 2-5-2 所示。在示意圖中，左右兩邊分別各代表著真實環境和虛擬環境，而介於這兩者間的「連續範圍」部分就是所謂的混合實境，所以擴增實境即為混合實境的一種。. 42.

(51) 圖 2-5-2 真實-虛擬之連續性示意圖（Milgram & Kishino, 1994）. 在混合實境之中還可細分為兩種類型，一種為擴增實境（Augmented Reality）另一種則稱之為擴增虛境（Augmented Virtuality)，區別方式為視該混合實境中真實與虛擬兩種間哪項比例較高，若混合實境中真實環境的成份高於虛擬環境者，則稱之擴增實境；相對而言，如果是虛擬環境高於真實環境時，則稱之為擴增虛境。而所謂的擴增虛境是相對於擴增實境而言，大部分場景與物件均是虛擬的，然後在這虛擬場景中添加真實環境中的影像或物件（Milgram & Kishino, 1994）。西元 1997 年 Azuma 在《A Survey of AR》一文中更清楚地規範擴增實境的定義，其定義為擴增實境是一種介於虛擬與實境兩者間的一種技術，且必須含有三項必要特性：1.必須結合虛擬與真實實境的兩個元素。2.內容必須具備即時性的互動。 3.必須具有空間性，讓使用者在三度空間內進行互動（Azuma, 1997）。擴增實境在 Paul Milgram、 Fumio Kishino 和 Azuma 等的學者所提出的理論規範與定義下，讓擴增實境有了更明確的發展方向與更嚴謹的理論基礎。. 1998 年日本 Sony 公司 Jun Rekimoto 提出了使用 2D marker 作為擴增實境追蹤的方法，如圖 2-5-3 所示。使用攝影機來擷取真實環境中的 2D marker 影像，然後電腦進行影像處理並產生相對應的資訊，最後透過影像合成形成擴增實境。此種 2D marker 具有可印刷性與便利性能隨時隨地放置在真實環境中的任何物體上；此外，不需要 3D 感應器來偵測僅需使用一般的攝影機即可帶出擴增實境。. 43.

(52) 圖 2-5-3 2D marker 的擴增實境系統示意圖（Rekimoto, 1998）此種運用 2D 辨識圖案的擴增實境系統現今仍然廣泛地被使用，例如華盛頓大學（Washington University）人機互動實驗室（HIT Lab）所製作的蛋白質結構魔法書，如圖 2-5-4 使用者可透過攝影機照射書上的辨識圖案，然後在電腦螢幕上顯示出 3D 的蛋白質結構模型，讓抽象的概念具體化。2011 年葡萄牙也有學者透過擴增實境來開發皮革教學互動系統（Macaes, Pimenta, & Carvalho, 2011），讓傳統的皮革工藝技術能結合現今的科技重新呈現，並藉由互動的方式達到提高使用者的學習成效。. (a). (b). 圖 2-5-4 2D marker 擴增實境應用案例：(a)華盛頓大學人機互動實驗室的蛋白質結構魔法書（HIT Lab）；(b)葡萄牙傳統皮革教學互動系統（Macaes, Pimenta, & Carvalho, 2011） 44.

(53) 然而，目前擴增實境在使用上仍具有一些限制，例如：設計給機器辨識的 2D 辨識圖案（marker）。這些辨識圖案並非提供給人眼閱讀與瞭解，但卻造成人眼視覺閱讀上的衝突與障礙以及設計美觀。因此，如何不透過辨識圖案即可帶出擴增實境則成為未來的發展趨勢之一。目前的研究已可透過一些方法來隱藏辨識圖案，主要可分為兩類型：第一種為隱藏式辨識圖案（invisible marker），透過特殊方式將辨識圖案隱藏於視覺環境中；第二種則為無標誌型（marker-less）擴增實境，透過影像特徵點擷取來做為辨識方式。. 一、隱藏式辨識圖案（invisible marker） 1、紅外線取像 2010 年 Hanhoon Park 與 Jong-Il Park 採用特殊紅外線油墨將擴增實境的辨識圖案隱藏在不同載體上，並藉由紅外線讀取出隱藏的圖案，系統示意圖如圖 2-5-5 所示。此系統使用兩台攝影機來取像，一台為普通攝影機用來擷取真實環境的色彩與畫面作為擴增實境的背景，另一台則是紅外線攝影機用來擷取紅外線油墨所製作的辨識圖像，兩台攝影機分別置於一種紅外線高穿透鏡（cold mirror）的兩側，該特殊透鏡可讓 80%的紅外線穿透而反射 90%正常光，最後兩台攝影機同時運作並將二者畫面合成，即成為隱藏式辨識圖案（invisible marker）之擴增實境效果。圖 2-5-6 為該系統實際運作之畫面，2-5-6(a)為普通攝影機所拍攝到正常光下的畫面情景；2-5-6(b)為紅外線攝影機所擷取之紅外光下的畫面；2-5-6(c) 則為將兩台攝影機的畫面經電腦運算合成後所得的擴增實境畫面。Hanhoon 所提出的此種方法雖然可以成功地隱藏擴增實境辨識圖案（marker），但其系統設備卻需比現有的擴增實境設備複雜，如增加額外的攝影機、特殊冷鏡玻璃；且擴增實境的辨識圖案必須使用特殊的紅外線油墨製作，而造成額外的成本負擔。. 45.

(54) 圖 2-5-5 紅外線隱藏型擴增實境辨識圖案裝置示意圖（Park H. & Park J.I., 2010）. 圖 2-5-6 系統實際運作之畫面；(a)普通攝影機的畫面；(b)紅外線攝影機的畫面； (c)為(a)(b)兩畫面合成後的擴增實境畫面（Park H. & Park J.I., 2010）. 46.

(55) 2005 年有日本學者提出利用半透明的紅外線反射裝置來隱藏擴增實境的辨識圖案，來達到隱藏式辨識圖案（invisible marker）的效果（Nakazato, Kanbara, & Yokoya, 2005）。系統整體架構如圖 2-5-7 所示，首先使用者必須穿戴上頭戴式顯示器，該顯示器上裝配有紅外線 LED 的紅外線攝影機，使用者另需配備可攜式電腦來處理擷取到的影像訊號；此外，在真實環境場景中還需預先設置可反射紅外線的半透明辨識圖案。當紅外線攝影機擷取到反射回來的辨識圖案訊號後，經電腦處理即可呈現擴增實境的效果，如圖 2-5-8 所示。圖 2-5-8(a)為一般正常光下的真實環境中，肉眼觀察下和一般環境空間無異；圖 2-5-8(b)為此系統的半透明紅外線反射式擴增實境辨識圖案；圖 2-5-8(c)則為經頭戴式顯示器後可得到的擴增實境畫面。此種方法確實能隱藏辨識圖案於真實環境中，但卻需有諸多的前置作業進行方可得到其效果。. 圖 2-5-7 頭戴式 IR 攝影機擴增實境系統示意圖（Nakazato, Kanbara, & Yokoya, 2005）. 47.

(56) (a). (b). (c) 圖 2-5-8 頭戴式 IR 攝影機擴增實境運作範例(a)真實環境；(b)半透明紅外線反射式 AR 辨識圖案；(c)擴增實境場景（Nakazato, Kanbara, & Yokoya, 2005）. 2010 年劉文心利用 AM 與 FM 的混合網點將擴增實境的辨識圖案隱藏在影像內，因 AM 分佈區域含有可吸收紅外線之碳黑成份的黑墨，而 FM 分佈區域則是由不含碳黑成分的 CMY 所構成，故在紅外線光源照射下即可產生出 AR 辨識圖案並帶出擴增實境 3D 效果，如圖 2-5-9 所示。. 48.