以正交線網浮水印為基礎之個人化郵票設計之研究

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(1)國立臺灣師範大學圖文傳播學系碩士論文. 以正交線網浮水印為基礎之個人化郵票設計之研究 Using orthogonal halftone line structure for watermarks in personalized stamps. 研究生：呂亞鴻指導教授：王希俊博士. 中. 華. 民. 國. 一. 0 i. 一. 年. 七. 月.

(2) 摘要本研究主要目的是透過正交線網浮水印加密設計，應用於個人化郵票設計中。藉由正交線網加密技術，針對圖像的亮部及暗部進行調整與修正，並透過數位半色調技術，將連續調影像分別轉換為水平及垂直線網影像，另將隱藏的資訊透過邏輯運算合成新的影像，讓隱藏資訊的網線瑕疵更少且不影響人眼辨識，達到個人化郵票設計加密效果。使用者並可使用光學輔助儀器(光柵板)於模擬輸出之浮水印上進行解密以呈現隱藏訊息。本研究的個人化郵票設計能夠達到資訊隱藏的功能，並兼具美觀性及創新性，提昇個人化郵票等有價證券之附加價值。. 關鍵詞：數位半色調、浮水印、正交線網、資訊隱藏、個人化郵票. i.

(3) Abstract The main purpose of this research is to design the multiple angle encryption in halftone line structure. In this research, using digital halftoning technique by multiple angle encryption is carried out through the horizontal and vertical screen lines. The watermark with the design of hidden texts or figurative pattern can attain both aesthetic and innovative features. The method is successfully implemented on the personalized stamps. It would also provide many value-added applications for secured documents.. Keywords： digital halftoning； watermark；orthogonal screen line； data hiding；Personalized Stamps. ii.

(4) 目次. 中文摘要.....................................................................................................................................i 英文摘要................................................................................................................................... ii 目錄...........................................................................................................................................iii 圖目錄........................................................................................................................................v 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.......................................................................................................................2 第三節研究問題.......................................................................................................................3 第四節研究範圍與限制...........................................................................................................4 第五節研究流程.......................................................................................................................5 第六節名詞解釋.......................................................................................................................6 第二章文獻探討.......................................................................................................................7 第一節數位半色調...............................................................................................................7 第二節資訊隱藏.................................................................................................................12 第三節影像強化.................................................................................................................17 第四節個人化郵票............................................................................................................ 22 第五節小結.........................................................................................................................27 第三章研究方法.....................................................................................................................28 第一節研究架構.................................................................................................................28 第二節研究設備與工具.....................................................................................................29 第三節研究設計.................................................................................................................31 第四節影像階調及線網設計.............................................................................................32 iii.

(5) 第四章研究結果與討論.........................................................................................................35 第一節正交線網數位浮水印的製作.................................................................................35 第二節浮水印內容與個人化郵票整合設計.....................................................................38 第五章結論與建議.................................................................................................................45 第一節研究結論.................................................................................................................45 第二節研究建議.................................................................................................................46 參考文獻...................................................................................................................................47. iv.

(6) 圖次圖1-1 研究流程.........................................................................................................................5 圖2-1 連續調影像及半色調影像.............................................................................................7 圖2-2 點陣調色法之調幅網點.................................................................................................8 圖2-3 誤差擴散法之調頻網點.................................................................................................8 圖2-4 臨界值矩陣…………….................................................................................................9 圖2-5 垂直、水平、斜向臨界值矩陣影像示意圖.................................................................10 圖2-6 誤差擴散法之演算架構...............................................................................................11 圖2-7 Scrambled Indicia發明者－Alfred V. Alasia肖像照.....................................................13 圖2-8 網點位移加密圖...........................................................................................................13 圖2-9 網點偏移雙面浮水印內容...........................................................................................14 圖2-10 水平與垂直網線構成的隱藏浮水印.........................................................................15 圖2-11 多層浮水印實際應用圖.............................................................................................15 圖2-12 隱藏資訊浮水印內容.................................................................................................16 圖2-13 新台幣鈔票加密隱藏字.............................................................................................16 圖2-14 影像增強分類圖.........................................................................................................17 圖2-15 原始影像、低通、中值及高頻濾波處理示意圖.....................................................18 圖2-16 對比延伸法轉換示意圖.............................................................................................19 圖2-17 原始影像及轉換後影像的histogram 圖比對...........................................................19 圖2-18 原灰黑的影像受impulse noise 的影響，影像中有黑點與白點..............................20 圖2-19 灰階校正圖，用來置換原灰黑影像的灰階值..........................................................21 圖2-20 經過histogrsm equlization 後，原灰黑的影像變為色調分明的影像......................21 圖2-21 黑便士郵票.................................................................................................................22 圖2-22 黑便士郵票全版.........................................................................................................23 v.

(7) 圖2-23 黑便士郵票所使用之王冠浮水印.............................................................................23 圖2-24 美國當地各式個人化郵票.........................................................................................24 圖2-25 世界第一套個人化郵票.............................................................................................25 圖2-26 中華民國個人化郵票.................................................................................................26 圖3-1 研究架構圖...................................................................................................................28 圖3-2 柱狀凸透鏡的結構示意圖...........................................................................................30 圖3-3 研究設計圖…….......................................................................................................... 31 圖3-4 原始影像之網線表現情形…….................................................................................. 32 圖3-5 影像經Linear Scaling表現情形……........................................................................... 33 圖3-6 影像階調修正後表現情形…….................................................................................. 33 圖3-7 修正影像亮暗部層次表現情形…….......................................................................... 34 圖4-1 先前製作正交線網浮水印流程示意圖…….............................................................. 36 圖4-2 透過階調曲線修正製作正交線網浮水印流程示意圖……….................................. 37 圖4-3 正交線網浮水印應用於個人化郵票設計……………….......................................... 39 圖4-4 利用光柵版解密之情形……...................................................................................... 39 圖4-5 個人化郵票附箋設計及光柵板解密情形………….................................................. 40 圖4-6 個人化郵票上的「透明全像片」呈現特殊光影效果……...................................... 41 圖4-7 「國立臺灣師範大學科技學院圖文傳播學系專題講座」個人化郵票….............. 42 圖4-8 個人化郵票「序號」功能示意圖….......................................................................... 44. vi.

(8) 表次表3-1 硬體設備規格表...........................................................................................................29 表3-2 軟體工具表.................................................................................................................. 29. vii.

(9) 第一章緒論第一節研究背景與動機隨著資訊科技發展迅速，掃描器、桌上型印表機與影印機的出現，造成訊息大量被複製與變造，對於安全文件及有價證券帶來極大的威脅。因此，如何使其不被非法複製及盜用，圖像防偽逐漸受到重視，成為當前重要的課題。現今數位浮水印為常見版權保護的機制之一，浮水印已被廣泛應用在有價證券和安全文件上，作為其防偽特徵且加強其安全性。今日各國鈔券廣泛地加入數位浮水印的使用，原因在於這項防偽元件具備即時辨識性。近年來，在科技的協助下，複製設備技術已有長足的進步，並使用影像加密技術，將資訊或浮水印圖案藏入，以達到防偽的功能。目前較少看到以輸出實體的方式呈現，由於列印後可能會受到油墨或紙張等印刷適性影響，造成原影像隱藏資訊的流失。因此，印刷上的加密技術困難點在影像輸出後，出現影像失真，造成解密過程不易。對於印刷文件的辨別真偽可分成 3 種方式：1.可以清楚用肉眼辨別真偽。2.以輔助儀器辨別真偽。3.利用儀器設備閱讀或電腦視覺方式來辨別真偽(van Renesse，1997)。目前我國新版新台幣鈔券將數位浮水印作為其中一項防偽機制，利用線網概念來製作浮水印，藉由旋轉影像透過 0°及 90°不同方向即可用肉眼察覺浮水印，其即時辨識特徵實為防偽的一大利器。綜合以上所述，由於我國郵政尚未採用正交線網浮水印技術來印製郵票類有價證券，以及在其中加入「序號」以提高收藏價值，倘若能使用正交線網浮水印技術及藏入資訊，設計及輸出個人化郵票，將成為我國首枚具有多重防偽功能的郵票。因此，本研究將設計個人化郵票，應用浮水印技術的概念，以正交線網加密方式在郵票內藏入資訊，透過光學輔助儀器(光柵板)即可對郵票內隱藏訊息解密，得知郵票內隱藏的各式資訊。本研究所發展之改進浮水印技術，使個人化郵票隱藏圖文的功能更為多樣化。 1.

(10) 第二節研究目的本研究在於提高安全文件與有價證券的價值，加強設計內容版權保護，提高其趣味及獨特性。以數位印刷技術，結合電腦軟體技術相互輔助，設計多元化的內容，主要是將影像和隱藏字分別以水平臨界值矩陣及垂直臨界值矩陣處理，對於影像的亮部與暗部做修正，利用數位浮水印技術建立隱藏圖文，配合複印設備的特性，製作實體影像浮水印。本研究之目的如下所示：一、利用不同角度線網加密技術設計浮水印。二、在線網完整下，兼具亮暗細節之表現。三、進行影像亮部及暗部的調整並實際輸出成個人化郵票。. 2.

(11) 第三節研究問題根據研究目的，本研究延伸出三個要探討的問題如下：一、利用不同角度線網加密技術來設計浮水印是否達到防偽效果？二、找出影像亮暗部的最佳階調調整數據？三、在線網合成完整的情況下，輸出之個人化郵票是否兼具亮暗部細節之表現？. 3.

(12) 第四節研究範圍與限制本研究的研究限制如下：一、浮水印嵌入在水平線網，進行水平、垂直網線合成處理。二、影像輸出格式為600dpi的圖像，水平線網隱藏資訊目前設定以兩階影像或圖案為主。三、限定使用標準75 lpi規格之光柵解碼片為解密輔助工具。本研究採用數位印刷的方式，目前選取網片為實驗媒介，設計出不同線網加密方法，使數位浮水印能嵌入在輸出的實體文件中，目的希望在製作數位浮水印時能改善傳統浮水印加密瑕疵，又可提昇圖像防偽的新價值。在實驗工具中，本研究的數位浮水印是利用單色版製作水平、垂直網線，進行不同角度的線網合成，對於實驗需要的輸出設備選擇以HP Deskjet1280噴墨印表機為單色模擬輸出工具，根據其數位影像完成後至輸出為實體影像的相關設定，作為研究時硬體設備的限制說明。. 4.

(13) 第五節研究流程本研究之架構流程如圖1-1所示，自確定研究主題開始，研究過程中遇到的相關問題，研究結果的觀察分析。流程中的每一步驟都完成才會繼續進行下一步，如有錯誤產生則回到上一步修正。. 建立研究目的與主題. 蒐集文獻資料. 實驗設計. 修正改進. 實驗結果分析. 論文撰寫圖1-1 研究流程. 5.

(14) 第六節名詞解釋一、數位半色調(Digital Halftoning) 半色調技術是一項傳統的印刷技術，在輸出設備(如印刷機)欲呈現圖像時，只能透過控制著墨與不著墨來模擬連續調影像。隨著印刷科技的進步，數位過網技術取代了傳統過網技術，即產生了數位半色調技術。二、數位浮水印(Digital Watermark) 數位浮水印技術主要是將代表合法擁有者的圖騰（如註冊商標、營利事業統一編號、個人肖像等）加入被保護的媒體中，一旦此媒體被懷疑有被剽竊或盜用的嫌疑時，就可以透過一公開的演算法來取出數位浮水印，以做為此媒體的智慧財產權認證(張真誠，民90)。三、正交線網(orthogonal screen line) 正交線網亦指水平線條及垂直線條十字相交，將連續調影像利用數位半色調過網技術，透過以0°及90°方向排列的臨界值矩陣過網，即可產生以水平線網(—)及垂直線網(｜) 組成的半色調影像。四、資訊隱藏(Information Hiding) 資訊隱藏就是將祕密資訊藏入媒介中，藉以傳送給接收方，媒介的種類有影片、圖片、文字、聲音等。在嵌入的過程中，會導致影像品質的改變，而其研究的方向即是使影像的改變達到人眼不易察覺的目的，如此便能使惡意的使用者不易察覺，以便讓秘密訊息可以安全傳送到接收方手中(李遠坤、陳玲惠，1999)。五、個人化郵票(Personalized Stamps) 在郵票旁邊預留附籤空白，以少量多樣化的數位印刷方式加印個人肖像或其它自行設計之圖案(王希俊、謝維倫，2003）。 6.

(15) 第二章文獻探討由於資訊科技進展快速，在電腦化及數位化設備的協助下，影像加密技術不斷的在進步。本實驗利用正交線網加密技術達到加密設計，並實際輸出解密，在未來可運用於有價證券中。所以本章將分別以半色調、資訊隱藏、影像強化等文獻，作為本研究以正交線網結合兩階影像浮水印技術研究的架構基礎。. 第一節數位半色調一、半色調所謂半色調技術(Halftoning)是一項傳統的印刷技術，在輸出設備(如印刷機)欲呈現圖像時，只能透過控制著墨與不著墨來模擬連續調影像。隨著印刷科技的進步，數位過網技術取代了傳統過網技術。由於資訊科技的普及，影像大多以數位化方式呈現，使得數位半色調技術近30年來已廣泛被產業界使用。數位半色調技術透過輸入裝置，例如：掃瞄機、數位相機等機等來取得影像，再透過網點演算法的方式將影像二階化產生以黑與白組合的半色調影像。透過半色調技術來調整不同形式、不同大小的墨點，運用這些墨點的大小或疏密，來間接模擬出連續調層次，因為人類視覺系統如同低頻通過濾波器 (Low-Pass Filter)，在一定的距離觀察，會將兩階調墨點之大小或疏密之變化，視覺上感到模糊化而達到連續調效果。也因電腦科技的進步，印刷複製的過網技術原理結合數位技術而產生數位半色調技術，取代傳統過網程序，透過半色調演算法將連續調影像轉換成數位半色調影像(Ulichney,1987)，如圖2-1。. 圖2-1 (a)連續調影像(左)及半色調影像(右) 7.

(16) 二、數位半色調數位半色調過網技術主要分為兩大類：點陣調色法(Ordered Dithering) （G. Sharma & S.G. Wang，2004）（Ulichney, 1987）如圖2-2，及誤差擴散法(Error Diffusion) (Floyd & Steinberg, 1976)如圖2-3。點陣調色法是應用網點(halftone dot)隨著影像濃度的改變而有不同網點大小，但是每個網點中心之間的距離卻是維持相同的網點構造所組成，稱之為調幅網點(Amplitude Modulation, AM)；誤差擴散法產生的網點大小皆相同，但網點與網點的間距疏密不同來表示濃度變化，稱之為調頻網點(Frequency Modulation, FM)。. (a). (b). 圖2-2 點陣調色法之調幅網點(a)連續調影像 (b)AM 網點. (a). (b). 圖2-3 誤差擴散法之調頻網點(a)連續調影像 (b)FM 網點. 8.

(17) 1.. 點陣調色法(Ordered Dithering) 點陣調色法主要是先透過臨界值矩陣與連續調原稿的比對後，將個別像素轉為1或0. 的資訊，所生成的網點排列方式及形狀與矩陣內的數值相關，不同的臨界值矩陣可形成不同的網點排列角度，如圖2-4所示。點陣調色法之演算方式如下，臨界值矩陣N1×N2 ，若以原灰階影像g（i, j），透過下列方程式(1)將原灰階值量化成臨界值矩陣 t (i, j ) 的階調數值 x (i, j )。透過方程式(2)來完成過網動作， h(i , j)為過網轉換之二階影像，1代表黑點， 0代表白點，t(i , j)是臨界值矩陣數值(Fung, Y.H. & Chan, Y.H.，2010)。. 64 62 60 58 57 59 61 63. 64 48 32 16. 8. 24 40 56. 48 46 44 42 41 43 45 47. 62 46 30 14. 6. 22 38 54. 32 30 28 26 25 27 29 31. 60 44 28 12. 4. 20 36 52. 16 14 12 10. 9. 11 13 15. 58 42 26 10. 2. 18 34 50. 8. 1. 3. 57 41 25. 9. 1. 17 33 49. 24 22 20 18 17 19 21 23. 59 43 27 11. 3. 19 35 51. 40 38 36 34 33 35 37 39. 61 45 29 13. 5. 21 37 53. 56 54 52 50 49 51 53 55. 63 47 31 15. 7. 23 39 55. 6. 4. 2. 5. 7. (a) 圖2-4. (b). 8×8臨界值矩陣 (a)水平臨界值矩陣 (b)垂直臨界值矩陣. x(i, j ) . N N 1. 2. g (i, j )    1   2 5 5 .  1, x(i, j )  t (i, j ) h(i, j )    0, x(i, j )  t (i, j ). (1). (2). 而依臨界值矩陣的排列方式，線網可分垂直、水平、斜向三種形式，垂直式以鉛直線的方式排列，水平式以水平線的方式排列，而斜向又可分為左斜向及右斜向斜線方式排列，如圖2-5所示。. 9.

(18) (a). (b). (c). (d). 圖2-5 垂直、水平、斜向臨界值矩陣影像示意圖(呂亞鴻，2011) (a) 水平式 (b)垂直式 (c)左斜式 (d)右斜式. 2.. 誤差擴散法(Error Diffusion) 由Floyed 與Steinberg 所提出的誤差擴散法 (Floyd & Steinberg, 1976)，其概念就是. 將連續調影像轉為二階化後造成的誤差，而將此誤差擴散至相鄰未被二階化的像素點上，誤差擴散法一提出時，被認為是極為創新的數位網點演算法，為彰顯Floyd 與Steinberg 提出誤差擴散法的貢獻，此演算法亦被稱之為Floyd-Steinberg Error Diffusion（FSED）。由於誤差擴散法形成的網點是以像素為單位，因此解析度比點陣調色法以臨界值矩陣大小為基本單位會高出許多，能表現更細緻的影像結構，但是因為誤差是往下方及行進方向進行擴散，因此也容易產生干擾紋路，其中一項稱之為蟲型紋（worms），常發生在影像的暗部與亮部；另一種干擾紋則是容易見於影像中間調的粗質雜訊（coarse noise）。 10.

(19) 誤差擴散法的演算架構，如圖2-6所示，當原稿連續調影像G的灰階值輸入後，與臨界值 T進行比較，比較結果得一半色調B及誤差(error)，將誤差經過誤差濾鏡擴散至鄰近像素之 E’，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。方程式(3)為誤差擴散法二階化決定的過程。. 圖2-6 誤差擴散法之演算架構. (3). 而當像素點經過臨界值的比較，決定為黑點或白點之後，所產生的誤差需依賴方程式(4)的比重進行擴散，每個像素依照這樣的方式進行運算，形成的網點以像素為基本單位，故影像比以臨界值矩陣大小為基本的點陣調色法來得細緻，最後構成之圖像屬於網點大小一致，但點與點之間距不同的調頻網點。. (4). 11.

(20) 第二節資訊隱藏近年來，隨著數位科技的快速發展，有價證券(包括鈔券、支票、郵票等)、重要文件(包括如檢定書、畢業證書等)的偽造及變造案件在國內層出不窮，由於傳統的有價證券的防偽功能多集中在印刷製程上或材料設計上，但目前世界各國的防偽技術趨勢，數位浮水印部份扮演了很重要的角色。數位浮水印 (digital watermarking)技術近年在數位多媒體的應用，主要是應用數位的技術將資料隱藏於聲音、影像的電子檔案中，藉以保護版權及防止盜拷；然而，在有價證券的數位浮水印技術中，所指的並不是在紙張的製作過程中加入浮水印，而是將在數位多媒體的數位浮水印技術應用到印刷品的圖像當中，這些技術雖在有價證券有許多的實例，但現今應用於郵票的印製還不多見。資訊隱藏技術(information hiding)是指可以在文件、影音、圖像等內容中加入額外的訊息，讓資訊使用者無法利用感官系統察覺其隱藏的機密內容，以達到資訊安全與保護的效果。因應現代數位科技環境之需求，各式浮水印隱藏方法推陳出新，茲將可用於印刷等網點加密相關技術分別敘述如下：西元 1976 年美國的 Alfred V. Alasia 經過長期的改良 (U.S. Patent No. 3,937,565， 1976)，於 1990 年代提出數位版的網點偏移技術－Scrambled Indicia，如圖 2-7 所示。這是美國圖像安全系統公司和匈牙利優拉設計公司共同擁有的專利技術，是將欲隱藏的防偽圖案用特定演算法隱藏至鈔票、郵票、包裝印刷品的影像內。一般肉眼情況下無法察覺出隱藏標記，彩色影印機或是數位掃描器也無法複製，透過特製柱狀透鏡的光學解碼器在特定角度，使聚焦於網線上隱藏圖案才能顯現出，並能產生 3D 效果，如圖 2-8 所示。. 12.

(21) 圖 2-7 Scrambled Indicia 發明者－Alfred V. Alasia 肖像照(Graphic Security Systems Corporation, 2010). （a）. （b）. 圖 2-8 網點位移加密圖（a）為肉眼觀測（b）為光柵解密(Retrieved from https://sites.google.com/site/stamphiddenimages/Home/stamp-images). 13.

(22) 1996年，MIT Media Lab的 Bender (Bender,1996)等人提出在將影像藏入特徵值並以統計的方法進行加密，將密碼分散於影像中，可將區塊影像灰階的亮暗程度進行微調作為加密處理，而加密後的數位影像經過印列與掃描回數位檔案模式後，解碼時再運用相同的方式來進行解碼。可用在印列與掃描的處理程序，此方法雖可保留密碼資訊，但還是需要調整區塊大小，才能抵抗列印掃描的攻擊。 2004 年，Xerox 公司曾提出了一個數位浮水印技術，稱做雙面印刷式浮水印 (Sharma & Wang , 2004)。這種技術產生的浮水印圖案類似嵌在紙張纖維中的傳統浮水印。浮水印資訊是利用半色調印刷將圖案印在紙張的雙面，浮水印圖案只從任一方是看不出來的，但是把紙張舉起來透過光線即可看見浮水印圖案。此技術是使用半色調網點和嵌入浮水印圖案來控制相位變換，經過特殊演算法後可使用雙面列印方式輸出，文件在背光下可以將兩邊的半色調圖案疊合，偏移之部分即可透光，未偏移部份因網點重疊，造成濃度不均，並顯現其隱藏之資訊，如圖 2-9 所示。. (a) (b) 圖2-9 網點偏移雙面浮水印內容(Sharma and Wang, 2004) (a) 網點位移加密圖(b)文件透光解密. 14.

(23) 2004 年，王希俊教授、宋卓翰及陳永輝等人提出一項網線角度藏密技術(中華民國發明專利,編號 I250471)，並結合不同線網角度的數位浮水印，將背景影像與隱藏字圖案經由臨界值矩陣數位過網，利用水平和垂直線網互相搭配設計圖案達到隱藏浮水印的效果，如圖 2-10 所示。. 圖 2-10 水平與垂直線網構成的隱藏浮水印. 2007年，新加坡的Trustcopy公司發表了一種視覺隱藏技術「光學浮水印」研究(Huang & Wu, 2007)。它是由二維的二進制圖像組成，可以使用不同形狀建立在文件內，將欲隱藏的資訊嵌入圖層內。利用相位原理為基礎隱藏資訊在半色調圖像中，提供簡單的點線模式到複雜以曲線和隨機點的應用，圖像浮水印再加以疊合難以重製。一般情況下幾乎無法察覺，或是難以辨認出有隱藏訊息，但是可用光柵解碼器觀察，如圖2-11所示。. 圖2-11 多層浮水印實際應用圖(Huang & Wu, 2007). 15.

(24) 2008年，北京大學發表了有關「光學浮水印」(Lu, et al., 2008)更進一步的實驗研究，經由數學公式計算後，將利用相位原理為基礎隱藏資訊在圖像中，使得浮水印更難被破解。根據人類視覺的原則，眼睛有如同低頻濾波器(low-pass filter)之視覺特性，人眼觀察不到超出頻率的精緻細節。一般情況下可用光柵解碼器觀察，以及透過影印機、掃瞄機解出光學浮水印，如圖2-12所示。. (a). (b). 圖2-12 隱藏資訊浮水印內容(Lu, et al., 2008) (a)隱藏資訊 (b)隱藏資訊後浮水印. 由凹版印刷方式而成的新台幣鈔票正面右下角面額圖案因平行和垂直之油墨堆積線條對光傾斜效應的不同，也可藉由旋轉影像不同角度造成光折射察覺浮水印，如圖 2-13所示。. 圖2-13 新台幣鈔票加密隱藏字. 16.

(25) 第三節影像強化一、影像強化原理影像強化(Image Enhancement)的原理，是藉由調高相鄰像素之間的對比，使人眼在視覺上能夠感知到更多的影像細節紋理以及邊緣部分，藉此來達到改善影像品質的目的 (羅梅君、彭瑞焜、林宗興，2008)。傳統的彩色影像強化演算法，依據Digital Image Processing的分類方式(Gonzalez. & Woods., 2002)，可分為空間域強化及頻率域強化，如圖2-14所示。. 影像強化. 空間域. 點處理. 頻率域. 空間濾波器. 高頻處理. 基本灰階轉換. 低通濾波器. 直方圖處理. 中值濾波器. 算數/邏輯運算增強. 高頻濾波器. 反銳化遮罩. 圖2-14 影像增強分類圖. 17. 低頻處理.

(26) 在空間域強化的方式下，又可分為點處理及空間濾波器兩種類型。點處理乃是對於每一個像素點的灰階值作處理，藉以提高或降低整體的灰階值；空間濾波器則是利用遮罩(Mask)對影像作處理，對於每一個遮罩點給予不同的係數，再將遮罩點上的灰階值逐一作處理，其中包括低通濾波器、中值濾波器及高頻濾波器等，見圖2-15。. (a). (b). (c). 圖2-15 原始影像、低通及高頻濾波處理示意圖(呂亞鴻，2011) (a)原始影像 (b)低通濾波 (c)高頻濾波. 本研究中採用灰階轉換概念的對比延伸法(Linear Scaling)作為本研究實驗的影像增強演算法。. 二、. 對比延伸法(Linear Scaling). 對比延伸法(Linear Scaling)乃是將一張太暗或太亮的圖像透過影像處理後變得階調分明。由於影像的灰階值是介於0~255之間，若某一張影像的灰階值特別集中在某一塊區域，則代表這張圖不是太暗、太亮就是灰色中間調的。為得到一張階調分明的影像，則是將灰階分部集中區域提高它的亮度，可利用方程式(1)將灰階值分佈拉開到 0 至255 即可：. G. ( F  f min )  255 ( f max  f min ). 18. (1).

(27) 透過此轉換方程式就把影像的灰階分布拉開，見圖2-16，使得影像不會集中在某一亮部或暗部，F 為原始影像的灰階值，fmax 為F 影像中最大灰階值，fmin 為F 影像中最小灰階值，G 為轉換後的新影像，圖2-17為原始影像及轉換後影像的histogram 圖比對。. 圖2-16 對比延伸法轉換示意圖. 圖2-17 原始影像(左上)及轉換後影像(右上)及其對應之histogram圖(左下及右下) 19.

(28) 三、 Histogram Equalization Histogram Equalization 意指將原來影像的histogram 曲線儘量拉平成一直線。經過此種轉換方程式之後，原有影像的灰階值會被改變且階調也會比較豐富。Histogram Equalization 也是一種影像強化轉換方程式，它優於Linear scaling 與Piece-wise scaling 之處在於能夠避免雜訊的影響。圖2-18大致上看來是一個偏黑的灰階影像，要仔細才看的出影像中有白點與黑點雜訊，我們欲對其做影像強化，使用Linear scaling 後，發現將影像中的最小值和最大值拉開到0與255 是無用的，因為黑點與白點雜訊分別代表了0與255，影像還是不變，以 Histogram Equalization 處理則不會有這樣的問題，因為他是對影像以新的灰階值重新排序，雖然雜訊還在，但除雜訊之外的histogram 間距都被拉開，變成一張色調分明的影像。. 圖2-18 原始影像受impulse noise 的影響，影像中有黑點與白點. 使用Histogram Equalization 的轉換方程式之前，先做一張灰階漸層圖，如圖2-19所示，其色調是由0到255 的漸層灰階圖。撰寫程式時需記錄原始影像的灰階值與灰階值大小相對影像位置的排序，亦即假設有一影像大小為10×10 pixels，以其灰階值從小至大排序，以1~100 表示，另外藉由灰階漸層圖的灰階值與灰階值大小相對影像位置的排序，將原始影像的排序搭配灰階校正圖的灰階值後，即為轉換後色調分明的新影像，如圖 2-20。 20.

(29) 圖2-19 灰階漸層圖，用來置換原灰黑影像的灰階值. 圖2-20 經過histogrsm equlization 後，原灰黑的影像變為色調分明的影像. 21.

(30) 第四節個人化郵票十九世紀英國人羅蘭希爾(Rowland Hill)於 1840 年發明的第一枚郵票，如圖 2-21 所示。郵票上的圖案以維多利亞女王的側面頭像為主體，左下角的英文字母代表這枚郵票在整版中的橫行數，右下角字母則表示郵票為該橫行的枚數次序，方便得知每枚郵票在全張 240 枚郵票中的位置，稱為查對標記，如圖 2-22 所示。每一張郵票的背後都藏有王冠浮水印(「水印技術防偽新焦點」，2006)，在 1855 年前使用的是小王冠浮水印；而 1855 年之後使用的是大王冠浮水印，如圖 2-23 所示。對於郵票上隱藏的浮水印很容易辨別，郵票背面透過陽光或燈光仔細看就能發現。由此可知，在一百多年前郵票初期的設計，就出現以浮水印作為鑒定郵票真偽以及版別、發行年代的重要依據，達到多重的防偽功能。. 圖 2-21 黑便士郵票(Retrieved from http://www.earsathome.com/phtoc.html). 22.

(31) 圖 2-22 黑便士郵票全版(Oliver,2010). 圖2-23 黑便士郵票所使用之王冠浮水印(Blank,2010) 左為小王冠浮水印；右為大王冠浮水印. 23.

(32) 隨電腦科技的快速發展，數位印刷技術亦應用於個人化郵票製作，最早的個人化郵票是 1999 年澳洲墨爾本舉辦世界郵票展，澳洲郵政局推出以帆船為設計主題，並可利用數位印刷方式在旁邊的空白附箋印製上個人的肖像的郵票，成為世界上第一個由官方推行的「個人化郵票」，如圖 2-24 所示，而後各國相繼發行個人化郵票，在世界掀起個人化郵票的風潮。. 圖 2-24 世界第一套個人化郵票(Asvcat,2010). 郵票隨著電子郵件的快速普及，郵票的使用量在不斷減少，但全球還是有數億張之多。美國郵政(United States Postal Service, USPS)推行一種新式的訊息郵資票，稱為 Information-Based Indicia(IBI)， IBI 包含有郵票面額、日期、寄件地、郵遞區號、郵件種類、收件地址及追蹤號碼等資訊，此新式訊息郵資戳以大量在美國使用。同時也提供民眾製作屬於個人的個人化訊息郵資票，一般民眾在網路進行訂購並上傳. 24.

(33) 所設計的影像，即可印製個人化郵票，每張郵票可以有不同的主題，如圖 2-25 所示。 (Roder, K. & Crotty, D., 2010). 圖 2-25 美國當地各式個人化郵票(Retrieved from http://www.zazzle.com/custom/stamps) 25.

(34) 台灣的第一套個人化郵票是民國九十年十二月十二日發行的，為凸顯首套個人化郵票之創新風格，中華郵政以現代年輕族群常用之問候、祝福話語為主題，以華麗多彩的台灣花卉有價郵票圖案設計，右邊的空白附箋可以加印個人照片或設計圖案，讓每個人都可以躍上郵票成為主角，如圖 2-26。. 圖 2-26 台灣發行之首款個人化郵票－祝福系列. 26.

(35) 第五節小結由上述相關研究可知目前以數位半色調技術為基礎，將資訊或浮水印圖案藏入的目的都是要達到防偽的功能，較少有研究在浮水印產生後，其影像的亮暗部階調及層次流失，造成影像階調對人眼感官的影響。本研究希望提出一個方法，讓浮水印在隱藏資訊後，透過邏輯運算合成新的影像，應用於個人化郵票設計，經由列印後，得到的影像是階調層次豐富，且不影響人眼視覺，並在肉眼下查覺不出隱藏的浮水印，如此便可達到資訊隱藏的功能及提升個人化郵票等有價證券的附加價值，亦兼具美觀性及創新性。. 27.

(36) 第三章研究方法本研究架構是依據第一章研究目的與問題而設計，透過第二章文獻探討了解國內外相關研究後擬定題目，藉由數位半色調處理演算方式加入隱藏訊息，結合不同角度線網加密的方式透過邏輯運算作影像合成，對於網線的亮暗部區域瑕疵進行修正，找出影像亮暗部的最佳數據，並設計一張個人化郵票，將隱藏浮水印與個人化郵票設計加以整合輸出個人化郵票，再使用光柵板進行解密，如圖3-1 所示。. 第一節研究架構. 數位半色調處理. 資訊隱藏. 合成影像. 影像修正. 個人化郵票設計. 輸出實體影像及偵測隱藏訊息. 圖3-1 研究架構圖 28.

(37) 第二節研究設備與工具在研究設備與工具上可分為軟體和硬體兩方面，將以表 3-1 簡單介紹，軟體工具則以表 3-2 介紹。. 表3-1 硬體設備規格表硬體設備. 規格形式. 個人電腦. SONY－VPCEA16FW筆記本電腦. 四色噴墨印表機. HP－Deskjet 1280 (4800 X 1200dpi). 中華郵政輸出機. Fuji Xerox DocuColor 560. 高級噴墨用紙. 非塗佈紙. 光學解碼器. 75 lpi (line per inch). 放大鏡. 15倍光學放大. 表3-2 軟體工具表軟體程式. 用途. Matlab R2010. 設計演算法工具. Adobe Photoshop CS3. 影像檢視. Adobe Illustrator CS3. 繪製個人化郵票. 29.

(38) 本研究採用軟體設計程式，需要一套電腦當操作平台，本研究是使用筆記型電腦，其硬體設備對於執行相關軟體不會造成負擔。由於本實驗設計需透過光學解碼器(光柵板)來進行解密工作，它是一面製作成圓柱形等距條狀，另一面為平整面的透明塑膠材料，圓柱等距線條稱之為光柵。本實驗則採取75lpi的光柵輔助解密，如圖3-2所示。. 光線. 印刷品. 圖 3-2 柱狀凸透鏡的結構示意圖. 30.

(39) 第三節研究設計本研究採用實驗法，希望藉由數位半色調技術對有價證券之印刷品加密達到防偽效果。實際以正交網線的方式將加密影像透過個人化郵票整合設計的方式，可用來驗證實驗結果，如圖3-3所示。. 灰階影像. 資訊隱藏. 數位半色調處理水平臨界值矩陣. 數位半色調處理垂直臨界值矩陣. 水平線網. 垂直線網. 合成影像. 線網不完整部分進行影像亮部及暗部調整處理與修飾. 找出影像亮暗部最佳數據. HP Deskjet1280 噴墨印表機模擬輸出浮水印應用於個人化郵票設計. 個人化郵票實際輸出. 使用光柵板進行解密圖3-3 研究設計 31.

(40) 第四節影像階調及線網設計本研究藉由數位半色調技術，將連續調影像轉換為水平線網影像進行觀察，如圖3-4所示。再檢視影像在轉換線網後，亮部有斷線或是暗部有聚黑的情形，並針對影像進行亮暗部階調修正，找出最佳化階調曲線，使得任何影像在配合最佳化階調數據的情況下，網線可以呈現完整，又兼具亮暗細節之表現。因此，本研究將原始影像透過對比延伸法(Linear Scaling)後，影像的整體階調流失。所以本研究針對對比延伸法(Linear Scaling)後的階調曲線再加以修正，如圖3-5、圖3-6、圖3-7所示。. (b). (c). (a) 圖3-4 原始影像之網線表現情形 (a) 原始影像 (b)階調曲線 (c)網線呈現方式. 由圖3-4(c)得知，在原始影像的亮部區域，網線有斷線的情況，因此我們將原始影像進行對比延伸法(Linear Scaling)，本研究發現經過Linear Scaling後，整體影像的階調流失，所以需要再作階調修正，見圖3-5、圖3-6。. 32.

(41) (b). (c). (a) 圖3-5 影像經Linear Scaling表現情形. (b). (a). (c). 圖3-6 影像階調修正後表現情形 (a) 階調修正後影像 (b)階調曲線 (c)網線呈現方式. 如圖3-6所示，修正後影像的網線表現情形有改善，階調呈現良好狀態，但亮暗部層次被切割，造成亮部還是有部分斷線，以及暗部發生聚黑的情況。本研究將藉由圖3-6影像的階調曲線，再針對亮暗部層次遺失的情況進行階調曲線修正，如圖3-7所示。由圖3-7得知，影像的亮暗部層次完整呈現，且不影響影像階調，以及網線表現完整又兼具亮暗部細節之表現。. 33.

(42) (a). (b) 圖3-7 修正影像亮暗部層次表現情形 (a)階調修正後影像 (b)階調曲線 (c)網線呈現方式. 34. (c).

(43) 第四章研究結果與討論由前述的研究方法可以得知，本研究正交線網加密技術透過階調修正程序，有效改善亮暗部瑕疵，因此本研究將此技術結合個人化郵票設計，把浮水印隱藏至郵票內，設計多樣化主題的個人化郵票，以下討論實驗結果。. 第一節正交線網數位浮水印的製作本研究利用「師大大師」及「龍紋」等圖樣作浮水印資訊遮罩，在進行數位影像加密製作前，需考慮到輸出後影像中的隱藏浮水印要保有亮部及暗部網線的完整，我們先針對影像的亮暗部作階調曲線調整，再以網線數150lpi將背景影像與圖文分別來進行水平與垂直線網之臨界值矩陣數位過網。最後，將背景影像與圖文合成，使得網線在合成完整的情況下兼具亮暗部細節之表現，解決亮部及暗部斷線瑕疵，達到隱藏浮水印的最佳效果。比較過去使用Matlab 程式語言製作數位浮水印時，影像未通過階調曲線修正的結果與本研究所使用Matlab 程式語言研發的影像階調曲線修正技術，影像經由階調曲線的程序作修正，線網在微結構的表現是完整且具有層次，如圖4-1、圖4-2所示，可以了解其中的結果差異性。. 35.

(44) 原灰階影像. 兩階遮罩影像. 水平網線. 垂直網線. 合成影像. 局部放大. 圖4-1 未經修正正交線網浮水印流程示意圖. 36.

(45) 原灰階影像. 階調調整. 兩階遮罩影像. 水平網線. 垂直網線. 合成影像. 局部放大. 圖4-2 透過階調曲線修正製作正交線網浮水印流程示意圖 37.

(46) 由圖4-1及圖4-2，更加了解本研究主要是希望能對於影像的亮暗部的階調進行修正，進而改善影像的亮部區域會產生網線斷裂情形或暗部區域會有聚黑的情況，且不影響視覺上對影像內容的感知。使用者並可以使用光柵板於模擬輸出之數位浮水印上進行解密以呈現隱藏訊息。. 第二節浮水印內容與個人化郵票整合設計本研究將影像先透過階調曲線修正後，再利用0°及90°不同角度之正交網線結構組成，將浮水印資訊製作成遮罩以利程式合成時進行運算，表示將圖像或是文字轉換為二階影像作為數位浮水印遮罩概念是可行的，如此可產生數位浮水印資訊，並提高數位浮水印的多樣性。最後，本研究將正交線網浮水印應用於個人化郵票設計中。 (一)、浮水印設計 1. 「龍紋」—將「龍紋」浮水印圖案隱藏於「國立臺灣師範大學圖文傳播學系專題講座」個人化郵票之頁面設計右下方，使用者使用光柵板覆於郵票上，可清楚看到右下方有「龍紋」數位浮水印顯現，與左方的龍相互呼應，使得郵票不僅有資訊隱藏的功能並兼具創新設計與互動趣味性，如圖4-3、圖4-4 所示。. 38.

(47) 圖4-3 正交線網浮水印應用於個人化郵票設計. 圖4-4 利用光柵版解密，右下方有另一條龍顯現 39.

(48) 2.. 「師大大師」隱藏訊息—本研究所使用Matlab 程式語言製作正交線網加密資訊，將「師大大師」浮水印資訊隱藏於郵票附箋，其天空區域可解讀出浮水印內隱藏董陽孜大師手書作品「師大大師」，取其意義為「昔日師大培育老師，今日師大培育大師」，並拍攝解密前後之實驗圖樣。如圖4-5所示。本研究個人化郵票設計完成再送至中華郵政以Fuji Xerox DocuColor 560雷射印表機進行實際製作個人化郵票後，以光柵板做為解密的輔助工具，其中隱藏資訊區域的網線底紋透過光柵板的柱狀凸透鏡聚焦在網線上，可清楚看到浮水印「師大大師」顯現。. (a) (b) 圖4-5 (a)個人化郵票附箋設計 (b)經光柵板解密情形. 本研究之數位浮水印經掃描後之數位影像雖可察覺到浮水印的存在，但將掃描之數位影像再經由機器輸出複製時，便破壞了加密資訊的原始隱藏效果。因為在過網時所設定的網線為150 lpi，掃描再輸出後線網結構會被破壞，並可能產生錯網(moiré)的現象，使得數位浮水印品質受到影響。. 40.

(49) (二)、個人化郵票設計本研究成功地將正交線網浮水印技術結合個人化郵票，設計多樣式的個人化郵票，並作為更多的實例應用。每年國立台灣師範大學圖文傳播學系舉辦系列講座及外賓蒞臨台師大圖傳系，特別設計製作紀念郵票加值產品，以紀念國內外學者、貴賓來訪師大。本研究結合臺灣師大多項特色素材、設計個人化紀念郵票，提高個人化郵票的獨特性並增加郵票的收藏價值，也賦予使用者更多的互動趣味及創新性。 1.. 以「國立臺灣師範大學科技學院圖文傳播學系專題講座」為主題，一共設計三款個人化郵票，除郵票內有「師大大師」隱藏字及右下方之「龍紋隱藏」圖外，並在郵票左下方嵌上「師大大師」之「透明全像片」，藉由旋轉的角度不同，郵票上的「透明全像片」可呈現特殊的光影效果，亦可作為防偽功能及產品保護，達到多重防偽功能，如圖4-6、圖4-7所示. 圖4-6 個人化郵票上的「透明全像片」呈現特殊光影效果 41.

(50) 圖4-7 「國立臺灣師範大學圖文傳播學系專題講座」個人化郵票. 42.

(51) 2. 以國內外郵票相關產學研專業學者合影作為個人化郵票設計主題，郵票中包括：中國集郵協會理事長－林茂興先生、中央印製廠－范松林先生、法國卡特安全印刷廠(Cartor Security Printing 全球著名郵票公司)－Bruno Delmer、巨東企業－吳國源先生及國立台灣師範大學圖文傳播學系－王希俊老師。特別製作此紀念郵票作為國際學術交流之加值產品，藉此將個人化郵票推進國際舞台，讓更多的人喜愛集郵，並感受到我國個人化郵票的獨特價值。另郵票附箋的天空背景除隱藏「師大大師」浮水印字樣，每一枚郵票的下方皆設計一組「序號」，左下角的數字代表這枚郵票的製作年份，中間的英文和數字分別代表製作單位縮寫及設計者的姓名縮寫及設計的款次，右下角的數字則代表發行量中的枚數序號，由這些資料可得知郵票在每一款的製作數量中的年份、設計者姓名、款次及序號等重要訊息，且達到多重防偽的功能，大大的提升個人化郵票的收藏價值及獨特性，如圖4-8所示。. 43.

(52) ②. HML 代表製作單位（Half Media Lab 縮寫）. ① 製作發行年份. ③. YHL 代表設計者（Lu Ya. ⑤. Hong 姓名縮寫）. (2012) ④. 9（設計款式－代號）. 圖4-8 個人化郵票「序號」功能示意圖. 44. 1/10( 代表發行量 10 張中的序號，現為第 1 號).

(53) 第五章結論與建議本論文旨在改進個人化郵票加密浮水印網線結構的表現，利用程式輔助製作數位浮水印，同時將浮水印整合於個人化郵票設計。由研究結果得知，正交線網數位浮水印利用Matlab程式修正，可成功地將浮水印資訊應用於個人化郵票設計中，輸出後的浮水印也可順利使用光柵解密。綜合以上結果，可以歸納出以下研究結論與研究建議：. 第一節研究結論 1.. 本研究為實驗法，在相同硬體設備下，將各式影像透過程式作階調曲線修正，用來製作隱藏浮水印，研究結果顯示，可提高數位浮水印細部結構的品質且兼具美觀性。. 2.. 本研究利用正交線網技術應用於有價證券－個人化郵票，將資訊分別隱藏於圖文中，除了可提高安全文件與有價證券的附加價值，並加強設計內容版權保護，提高其趣味及創新性。. 3.. 本研究展現「科技」與「藝術」的結合，成功地利用正交網線加密技術與加值設計相結合，將資訊隱藏應用於個人化郵票設計中並實際輸出，符合我國文化創意產業發展趨勢。. 45.

(54) 第二節研究建議 1.. 本研究使用中華郵政印表機輸出隱藏浮水印有時會遇到錯網 (moiré) 的問題，建議後續研究者在印刷品輸出前，可以設計多組不同網線數之隱藏浮水印，以配合及測試中華郵政個人化郵票雷射印表機的硬體輸出設定，找出較佳的組合，預期可進一步提升影像品質。. 2.. 本研究目前是針對單一色版進行資訊隱藏加密，未來可加以擴張，在多重色版中也可置入多重隱藏資訊，並評估影像加密效果。. 46.

(55) 參考文獻一、西文部分 Alasia, A. V. (1976). Process of coding indicia and product produced thereby. United States Patent No. 3,937,565 Bender, W., et al. (1996). Techniques for data hiding, IBM System Journal, 35(3&4), 313-336. Bulan, O., Sharma, G., & Monga, V. (2010). Orientation modulation for data hiding in clustered-dot halftone prints. Proceedings of the IEEE Signal Processing Society , 19(8), 2070-2084. doi: 10.1109/TIP.2010.2046795 Floyd, R.W. & Steinberg, L. (1976), An adaptive algorithm for spatial grayscale. proceedings of Society for Information Display, 17(2), 75-77. Fung, Y.H., Chan, Y.H. (2010). Green noise digital halftoning with multiscale error diffusion, Proceedings of the IEEE Transactions on Image Processing, 19(7), 1808-1823. doi:10.1109/2010.2044961 Gonzalez, R. C., & Woods, R. E. (2002). Digital Image Processing, Second Edition, 2nd ed.: Prentice Hall. Image hancemant (pp. 108-112). New York, NY: Wiley Press. Huang, S., & Wu, J. K. (2007). Optical watermarking for printed document authentication. Proceedings of the IEEE Transactions on Information Forensics and Security, 2(2), 164-173. doi:10.1109/TIFS.2007.897255 Koltai, F., Adam, B. & van Renesse, R. L. Ed. (2004). Enhanced optical security by using information carrier digital screening, proceeding. Proceedings of the SPIE Optical Security and Counterfeit Deterrence Techniques V, 5310, 160–169. doi:10.1117/12.549894 47.

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