用於紅外線驗證之數位資訊加密系統
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(2) 中文摘要. 本研究目的在提出以噴墨列印輸出建立的防偽機制，應用數位半色調和印墨 材料在紅外線照射下的光學特性差異，構成具多重防偽功能的浮水印，與圖文整 合時，經過編碼的隱藏資訊可接受一定程度的破壞，達到噴墨印刷品加值的效果。 由於碳黑物質吸收紅外線，而青、洋紅、黃色墨在紅外線下可穿透而呈現透明， 所以本研究利用此特性，將隱藏資訊的浮水印能藉由紅外線攝影裝置進行觀察和 驗證。研究首先藉由臨界值矩陣產生的網點影像和不同階調之中性灰進行匹配實 驗，輸出後找出目視距離下達到灰平衡的最適組合，將浮水設計成二維條碼的形 式整合設計於身份證件的應用，之後利用紅外線攝影裝置觀察。編碼過程利用錯 誤校正碼針對兩階浮水印影像進行容錯編碼，隱藏的浮水印資訊經由程式語言進 行解密。結果顯示經目視觀察時，隱藏浮水印資訊呈現一致階調的影像，但透過 紅外線攝影裝置觀察，可發現浮水印中碳黑墨形成的半色調影像呈現深色，中性 灰則幾乎透明，視覺上即可看出顯著的對比，進而達到版權宣告的目的。浮水印 可經由紅外線攝影裝置驗證，隱藏資訊遭攻擊時也能一定的容錯能力。. 關鍵詞：防偽、噴墨印刷、數位半色調、浮水印、紅外線偵測、二維條碼。. I.
(3) Abstract The objective of this research is to propose a method for inkjet printing to build anti-counterfeiting features by infrared detection. The multiple anti-counterfeiting watermark is constructed by digital halftoning techniques and the characteristics of ink materials. The method also provides many value-added applications for ink-jet printing process. Since carbon black absorbs infrared light, The research demonstrate that the latent information of watermark can be observed and verified under infrared light. The watermark is designed as a form of 2D barcode. The result that binary watermark has error correction capability by BCH error correction code. Digital halftoning technique and the threshold matrix are used to generate the watermarked printed image. The suitable image combination of gray patches by black and Cyan, Magenta and yellow patches are selected. The integrated design of an ID card is successfully implemented. The method achieve the purpose to declare copyright on the basis of the digital watermark. The results show that the watermark can be detected either by an infrared camera or by a copy machine and to withstand the noise attack.. Keywords：anti-counterfeit；inkjet printing；digital halftone；watermark；infrared detection；2D barcode.. II.
(4) 目錄 中文摘要........................................................................................................................ I Abstract ........................................................................................................................ II 目錄. .......................................................................................................................... III. 圖目錄..........................................................................................................................IV 表目錄........................................................................................................................ VII. 第壹章、緒論................................................................................................................ 1 第一節、研究背景與動機 ................................................................................. 1 第二節、研究目的 ............................................................................................. 4 第三節、研究問題 ............................................................................................. 4 第貮章、文獻探討........................................................................................................ 7 第一節、半色調技術 ......................................................................................... 7 第二節、數位半色調技術 ............................................................................... 10 第三節、數位半色調影像加密技術 ............................................................... 25 第四節、紅外線與噴墨墨水的光學特性 ....................................................... 33 第參章、研究方法...................................................................................................... 38 第一節、研究架構 ........................................................................................... 38 第二節、研究工具 ........................................................................................... 40 第三節、研究假設 ........................................................................................... 41 第四節、紅外線數位浮水印之設計 ............................................................... 42 第肆章、實驗結果與討論.......................................................................................... 54 第一節、電腦辨識解密 ................................................................................... 54 第二節、光柵解密 ........................................................................................... 59 第三節、複印偵測 ........................................................................................... 60 第伍章、結論與建議.................................................................................................. 61 第一節、結論與建議 ....................................................................................... 61 第二節、未來工作 ........................................................................................... 63 參考文獻...................................................................................................................... 65. III.
(5) 圖目錄 圖 1-1、鈔票防偽設計使用之細節紋路和幾何圖形 ................................................. 1 圖 1-2、新台幣仟元鈔票之菊花圖案浮水印 ............................................................. 2 圖 1-3、目前二維條碼的呈現方式 ............................................................................. 3 圖 1-4、本作品概念圖 ................................................................................................. 4 圖 2-1、利用網點模擬不同連續調影像濃度之示意圖 ............................................. 7 圖 2-2、照相過網示意圖 ............................................................................................. 8 圖 2-3、玻璃網屏示意圖 ............................................................................................. 8 圖 2-4、接觸網屏示意圖 ............................................................................................. 9 圖 2-5、半色調處理系統架構圖 ............................................................................... 10 圖 2-6、定階量化法流程圖 ....................................................................................... 11 圖 2-7、定階量化法 (a)原始連續調影像；(b)半色調影像 .................................... 11 圖 2-8、影像加入隨機雜訊之定階量化法 ............................................................... 12 圖 2-9、影像加入隨機雜訊量化後的結果(a)原始連續調影像；(b)半色調影像 .. 12 圖 2-10、AM 網點概念圖 .......................................................................................... 13 圖 2-11、利用臨界值矩陣指引機器著墨(階調數 31) .............................................. 15 圖 2-12、原連續調影像 ............................................................................................. 16 圖 2-13、(a)水平式臨界值矩陣；(b)處理後所得之半色調影像。 ........................ 16 圖 2-14、(a)垂直式臨界值矩陣；(b) 處理後所得之半色調影像。 ...................... 17 圖 2-15、(a) 右斜向臨界值矩陣；(b) 處理後所得之半色調影像。 .................... 17 圖 2-16、(a) 左斜向臨界值矩陣；(b) 處理後所得之半色調影像。 .................... 18 圖 2-17、(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。 .... 18 圖 2-18、(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。 .. 19 圖 2-19、(a)分散式臨界值矩陣；(b) 處理後所得之半色調影像。 ...................... 20 圖 2-20、FM 網點概念圖 .......................................................................................... 20 圖 2-21、誤差擴散法流程圖 ..................................................................................... 21 圖 2-22、經誤差擴散法處理所得之半色調影像 ..................................................... 22 圖 2-23、(a)原灰階影像；(b) 經綠雜訊遮罩法處理所得之半色調影像。 .......... 23 IV.
(6) 圖 2-24、我國仟元鈔票微小字型的應用 ................................................................. 26 圖 2-25、Glyph Code 網點設計示意圖 ..................................................................... 27 圖 2-26、以網點變形技術構成之實體浮水印 ......................................................... 27 圖 2-27、Glossmark 效果示意圖 ............................................................................... 28 圖 2-28、以紫外線為驗證光源的浮水印設計 (a)為原始彩色影像；(b)為模擬原 始影像印刷後照射紫外光後的效果.............................................................. 29 圖 2-29、具有網點位移之郵票設計(a)一般視覺觀看結果；(b)經光柵解出 NTNU 2007.03。......................................................................................................... 30 圖 2-30、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.............................................................................. 30 圖 2-31、以 AM 與 FM 混合網點技術製作浮水印(a)肉眼觀看之效果；(b) 浮水 印經複印後之效果；(c) 混合網點浮水印細部結構圖 ............................... 31 圖 2-32、混合網點加密示意圖 ................................................................................. 32 圖 2-33、光譜示意圖 ................................................................................................. 33 圖 2-34、仟元鈔票於紅外線攝影裝置觀察之效果 ................................................. 35 圖 2-35、ImageSwith®技術之網點結構示意圖 ....................................................... 36 圖 2-36、ImageSwith®技術之範例圖 ....................................................................... 36 圖 2-37、紅外線 LED ................................................................................................ 37 圖 3-1、實驗步驟流程圖 ........................................................................................... 39 圖 3-2、紅外線取像硬體(a) DORS 1100 Infrared Detector；(b)具備紅外線 LED 打光功能之 CMOS ......................................................................................... 40 圖 3-3、以不同紙張輸出後之網點細部結構(a)噴墨列印輸出專用紙張；(b)普通 紙張.................................................................................................................. 41 圖 3-4、C、M、Y 三色混合綜色之比例圖 ............................................................. 42 圖 3-5、底色去除(UCR) .......................................................................................... 43 圖 3-6、灰色構成置換(GCR) .................................................................................. 44 圖 3-7、底色加強(UCA) .......................................................................................... 44 圖 3-8、本實驗所使用印機之四色色塊輸出稿件 ................................................... 45 圖 3-9、四色色塊輸出稿件置於紅外線攝影裝置下觀看之結果 ........................... 46 圖 3-10、本實驗浮水印 AM 過網之臨界值矩陣 ..................................................... 47 V.
(7) 圖 3-11、實驗導表網點結構示意圖 ......................................................................... 47 圖 3-12、實驗導表輸出稿件 ..................................................................................... 48 圖 3-13、顯示隱藏圖案未經邊界處理而產生的邊界不連續示意圖(a)邊界處理 不良所得之結果；(b)經本研究之發明專利邊界處理技術得到的平滑邊 界...................................................................................................................... 49 圖 3-14、學號轉換為二進制之二階影像(共 30-bit) ................................................ 49 圖 3-15、經 BCH code 編碼後所得之二階影像(共 63-bit) ..................................... 51 圖 3-16、(a)經容錯編碼後重複排列之二維條碼；(b)經容錯編碼後隨機打散位 置並加入控制點之結果.................................................................................. 51 圖 3-17、(a)本研究設計之身份證件於正常光源下觀看；(b) 本研究設計之身份 證件於紅外光源下觀看。.............................................................................. 52 圖 3-18、本研究設計之身份證件於正常光源下觀看 ............................................. 53 圖 3-19、本研究設計之身份證件經紅外線攝影裝置觀察之效果。 ..................... 53 圖 4-1、(a)紅外線攝影裝置擷取之影像；(b)經程式增強對比後的結果 .............. 54 圖 4-2、條碼影像經程式增強對比後之灰階分佈圖 ............................................... 55 圖 4-3、(a)紅外線攝影裝置擷取之影像；(b)經過 CLAHE 數處理後之影像 ....... 55 圖 4-4、條碼影像經均衡化所得之灰階分佈圖 ....................................................... 56 圖 4-5、定位角點位置標示圖 ................................................................................... 56 圖 4-6、(a)取樣點之位置標示(白點標記所示)；(b)重新取樣後之二階影像 ....... 58 圖 4-7、(a)模擬圖文遭受攻擊之情形；(b)經 CLAHE 影像處理之影像 ............... 58 圖 4-8、(a)取樣點之位置標示(白點標記所示)；(b)模擬圖文遭受攻擊並重新取 樣之結果.......................................................................................................... 59 圖 4-9、光柵覆於隱藏浮水印所觀看之效果 ........................................................... 59 圖 4-10、本研究設計之身份證件影印後之效果 ..................................................... 60 圖 5-1、運用於行動條碼之情境模擬圖 ................................................................... 63 圖 5-2、本研究系統輸出之辨識標記(a) 辨識標記於可見光下觀看；(b) 辨識標 記於紅外線下觀察。...................................................................................... 64 圖 5-3、經 VR4MAX 擴增實境軟體辨識成功產生 3D 物件機器人 ..................... 64 . VI.
(8) 表目錄 表 2-1、半色調方法比較表 ....................................................................................... 24 表 3-1、BCH code 編碼之部分參數內容 ................................................................. 50. VII.
(9) 第壹章、緒論 第一節、研究背景與動機 色彩影像的呈現可分為兩類，一為數位檔案影像藉由螢幕表現，另一則是運 用色料混合或疊色將影像呈現於被印材上，後者為印刷圖像，若要應用在有價證 券或安全文件，則是需要在材料或以印刷方式藏入特定資料或圖案。. 目前數位加密技術多以數位影像檔案作為紀錄媒材，藉由藏入資訊或特定浮 水印圖案保護數位檔案的流通，資料隱藏也有相當多的技術在發展中[1]，但對 於實體媒材而言，將數位影像以列印及印刷方式呈現已經是既定的趨勢，數位印 刷流程普遍運用於商業印刷，透過掃描器、桌上型印表機與影印機，即可快速地 完 成 文 件 複 製 ， 以 往 傳 統 版 式 使 用 細 節 紋 路 (Guilloches) 和 幾 何 圖 形 ( 如 圖 1-1)[20][21]作為防偽特徵，但面對現今高解析度的掃瞄設備也不足以作為主要的 安全特徵，因此實體文件、包裝的多重保護機制極需建立。. 圖1-1、鈔票防偽設計使用之細節紋路和幾何圖形[21]. 近年來浮水印技術已廣泛應用於印刷品的防偽，有價證券、郵票、鈔票等類 比化的媒材都是應用範圍[20]，其浮水印防偽特徵大多是以類比輸出方式在圖案 1.
(10) 中藏入加密資訊和浮水印，且隱藏圖文大多是方便人眼直觀判斷的圖形，例如新 台幣紙鈔中使用菊花圖案[37](如圖 1-2)、歐元使用具代表性的建築物，但是安全 文件、包裝具備密碼功能的實體浮水印應用卻不多見。. 圖1-2、新台幣仟元鈔票之菊花圖案浮水印[37]. 浮水印技術可分為數位浮水印[3][5][7]與實體浮水印技術[9][11][16]，數位浮 水印的加密可經由電腦直接判讀，但對於以印刷呈現的實體浮水印技術而言，影 響加密效果的變數比數位檔加密更為複雜，且需配合人眼直觀的判斷或輔以特殊 器材來偵測防偽特徵，故以印刷方式輸出的加密技術仍有極大的研究發展空間。. 因此本研究欲探討如何利用現有科技，在同一張圖像中藏入「密碼」，並利 用何種方式讓觀察者偵測到不同影像，追溯視覺色彩的形成，「光」通過人的視 覺系統在大腦產生訊息，因此如何使圖像藉由在不同「光譜」的區段使得人眼和 攝影機看到不同的影像，此即為本研究的主要目的。. 而何種密碼形式最貼近現今人類的日常生活？由於二維條碼(2D barcode)已 實際應用於各個生活領域，是可藉由行動裝置來執行使用者閱讀、記錄、輸入甚 至連結的一個重要的人機介面[24]，其應用於行動資訊的服務也相當普遍，又由 於目前二維條碼的應用大多還是以列印於紙張上呈現(如圖1-3所示)，並以光學閱 2.
(11) 讀方式取出其中資訊，但條碼本身對於人眼來說並無意義，且佔用圖文呈現的區 域，尤其對於小型產品包裝或身份證件上的二維條碼，因可用空間有限，時常會 造成使用及設計上的困擾。. 圖1-3、目前二維條碼的呈現方式 (圖片來源:TMC Blog - qrcode.es). 綜合以上所述，二維條碼雖然可隱藏資料量大，但其資訊加密都還未具備隱 藏效果的應用，若有一機制能將二維條碼與圖文作視覺上的整合，也就是給予機 器判讀的影像能隱藏於圖文設計中，解密時再利用特殊光源擷取條碼影像資訊， 如此不但強化條碼的隱密性，亦增加圖文的使用空間，因此本研究提出經由特殊 光源驗證的二維條碼加密系統。. 3.
(12) 第二節、研究目的 本研究目的在於建立二維條碼應用於隱藏浮水印之系統，並利用紅外線攝影 驗證此系統之可行性，利用二維條碼的隱藏浮水印加入個人化的訊息，整合給予 機器判讀的條碼影像與給予人眼視覺觀看的圖文，概念如圖 1-4 所示。因此研究 目的可歸納為以下三點： 一、 利用紅外線光源下噴墨印刷中各色色墨的光學特性，設計隱藏浮水印的方 法。 二、 探討加密圖像的輸出技術。 三、 對已加密之圖像擷取影像、影像處理及進行解密。. 圖1-4、本作品概念圖. 第三節、研究問題 依據上述研究動機與目的所擬定之研究問題如下： 一、瞭解數位半色調浮水印技術應用於浮水印設計之特性為何？ 二、瞭解噴墨色墨中顏料在紅外線下的光學特性為何？ 三、瞭解本研究所提出之加密技術和成效如何？ 4.
(13) 第四節、名詞解釋 以下針對本研究相關之專有名詞進行解釋：. 一、安全文件[20] 安全文件(security document)範圍包括，如鈔票、有價證券、權狀、執照、商 標、收據、身份證件、信用卡及護照等，有些國家將投票的選票視為安全文件以 提高公正性。印刷安全文件多以紙張為印體基材，本研究針對身份證件為安全文 件加密之對象。. 二、紅外線 (紅外輻射) [26][36] 在電磁波譜中，通常將波長範圍為 0.76～1000μｍ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： 1.近紅外線區(波長 λ＝0.76～3μm)。 2.中紅外線區(波長 λ＝3～6μm) 3.中遠紅外線區(波長 λ＝6～20μm)。 4.遠紅外線區(波長 λ＝20～1000μm)。 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。. 三、浮水印技術[1] 浮水印技術(watermarking)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，並宣示所有權。運用在印刷品 圖像上，則防止未授權複製及變造。. 5.
(14) 四、資料隱藏[1] 資料隱藏(data hiding)技術指在有價值的內容中，例如：文字、影像、聲音、 影片等檔案隱藏資訊以達成認證(identification)、註釋(annotation)和版權宣告 (copyright)的目的。. 五、BCH Code[15][33] BCH Code(Bose-Chadhuri-Hocquenghem Code)使資料經編碼後具有校正錯 誤位元的能力，而本研究使用 BCH Code 針對兩階浮水印影像進行容錯編碼，使 隱藏的資訊具有錯誤校正的能力。. 六、二維條碼[24][34] 二維條碼(2D barcode)是目前熱門的編碼技術，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，以往一維條碼 只有寬度記載著數據，而其長度沒有記載數據；二維條碼的長度、寬度均記載著 數據，也因此記載數據量、記載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。. 6.
(15) 第貮章、文獻探討. 本研究主要結合兩項重點技術建構隱藏的浮水資訊：1.數位半色調技術；2. 噴墨色墨材料在紅外線下的光學特性。透過實際輸出樣品再利用紅外線攝影觀察， 驗證隱藏效果並對二維條碼資訊進行解密。所以本章節將針對半色調技術、數位 半色調加密、實體數位浮水印加密技術、紅外線物理光學特性等文獻加以探討， 可作為本研究建構隱藏浮水印資訊的基礎架構。 第一節、半色調技術 半色調技術(halftoning)是一種傳統的印刷技術，是由美國康乃爾大學攝影實 驗室的弗德芮克‧艾伍茲(Frederic E. Ives)致力研發而成，由於印刷或印表機僅能 控制著墨或不著墨來輸出圖像，因此他將連續調影像轉換成微小的印刷網點，將 兩階影像模擬出連續調影像的層次，加上人眼又具有將臨近墨點積分之作用[19]， 使得在一定距離觀看時，兩階影像在人眼上看起來近似連續調影像(如圖2-1)，因 此半色調的發明對於印刷來說是極為重要的里程碑，使得報刊雜誌可以印出照片 的半色調影像，省却了原來費時且昂貴的手工木雕圖案製程。. 圖2-1、利用網點模擬不同連續調影像濃度之示意圖. 7.
(16) 傳統類比式的半色調處理是以一網屏置於原稿與底片之間(如圖 2-2 所示)， 經曝光後可因原稿之濃淡深淺來形成不同大小的網點於底片上，在傳統網屏的部 分可分為玻璃網屏及接觸網屏[27]。. 圖2-2、照相過網示意圖. 圖 2-3 為玻璃網屏示意圖，其作法是利用兩塊玻璃上雕刻或腐蝕相同寬度、 深度及距離的線條，再將腐蝕凹下部分塗黑使之不透光，之後將相同的兩塊玻璃 疊合交錯形成網格狀，即為玻璃網屏。. 圖2-3、玻璃網屏示意圖 8.
(17) 而接觸網屏是一種膠片，在膠片上有許多相同距離之暈點，此暈點由中間向 外濃度由深至淺，故中央濃度最高而周圍最低，如此高低差稱為濃度域。因此， 藉由傳統照相過網原理，光線投射於連續調透射或反射原稿上的濃度，形成不同 亮度之光源，再經過接觸網屏上之暈點，而完成半色調影像，所以印刷品過網時 濃度域的大小在網屏的製作及設計有相對的關係。. 圖2-4、接觸網屏示意圖. 無論是玻璃網屏及接觸網屏其網點皆有不同的形狀，玻璃網屏依照交錯形成 則有砂目、菱形網目、不規則網目、波形網目等形狀差異；而接觸網屏依暈點形 狀有方形、圓形、直線、平行線、波浪紋、同心圓等[27]。而這些暈點形狀就和 下節所敘述之數位半色調技術所使用之臨界值矩陣類似，藉由臨界值矩陣內容的 數值排列可設計不同之形狀的網點。. 9.
(18) 第二節、數位半色調技術 隨著數位技術的蓬勃發展，數位印刷製程利用半色調技術模擬連續調影像達 到圖像複製的目的，傳統半色調技術利用網屏透過照相過網將連續調影像過網成 為半色調影像，而數位半色調則是利用半色調演算法將連續調影像經由計算轉換 成數位的半色調影像，兩者最後目的都是將連續調影像轉換成符合輸出設備特性 的網點，使之產生許多不同濃淡效果，給予印刷圖紋影像有階調的變化[10][19]。. 圖 2-5 為數位半色調處理系統架構圖，數位式輸入裝置如掃描機、數位相機 等，將類比信號轉成數位訊號。灰階影像通常一個像素(pixel)以 8 位元儲存，所 以有 256 個不同灰階變化，其中 0 最黑，255 最白。輸入與輸出裝置的中介程序 為半色調技術，對於灰階影像而言，其作用就是將影像轉換成輸出裝置可接受的 二元(binary)資料，每個像素值只有 0 或 1 的變化。而輸出裝置係指如印表機、 傳真機這類只能印黑點或白點的裝置，半色調影像中每個像素值(0 或 1)決定輸 出裝置是否著墨。. 圖2-5、半色調處理系統架構圖 10.
(19) 最簡單的半色調技術為定階量化法(Fixed-level Quantization)，其概念為將一 連續調影像 O 中的每一點像素(pixel)經由一個臨界值矩陣量化成兩階的半色調 影像 H，只要大於門檻值(threshold)，其像素值為 1，反之為 0，流程如圖 2-6 所 示。. 連續調影像 O. 門檻值(threshold). 半色調影像 H. 圖2-6、定階量化法流程圖. 其演算法可以透過方程式 2-1 來表示，圖 2-7 為灰階影像 Barbara 經過門檻 值為灰階值 130 所量化的結果。. H x,y . 1, if O x, y 0, otherwise . (a). (2-1). (b). 圖2-7、定階量化法 (a)原始連續調影像；(b)半色調影像. 11.
(20) 定階量化法可快速將影像轉為半色調，但在影像中平滑階調部份會因為量化 而使得誤差累積，造成高反差，因此幾乎無法表現影像層次。為了改善此一問題， 有學者提出以增加隨機雜訊(random noise)的方式來對影像作調變，藉此降低影像 的高相關性，以降低反差[19]。流程如圖 2-8 所示，圖 2-9 為 Barbara 經此方法量 化之結果。. 連續調影像. 門檻值(threshold). 半色調影像 P. 隨機雜訊(Random noise) 圖2-8、影像加入隨機雜訊之定階量化法. (a). (b). 圖2-9、影像加入隨機雜訊量化後的結果(a)原始連續調影像；(b)半色調影像. 雖然影像在添加雜訊並經過量化後能減少高反差的情形，但卻會因為額外添 加的隨機雜訊而使得影像出現顆粒狀，增加與原稿間的誤差。以上兩種數位半色 調方法是較為簡單的方式，但半色調品質不佳，並不適合作為本研究構成隱藏浮 水印的方法。 12.
(21) 為解決以上所提數位半色調方法的缺陷，學者陸續發表許多半色調演算法， 演算法種類眾多且有各自的優缺點，以下針對比較常見的演算方式作介紹，同時 也要找出適合本研究建構浮水印的半色調演算法，依照網點呈現方式的不同，大 致分為以下幾種主要的半色調方法：. 一、調幅網點(Amplitude Modulation, AM) 調幅網點形成的半色調影像主要是利用網點尺寸大小的不同來表現影像的 階調，所以細節部分表現較差，暗部則較好。而其網點中心至另一個網點中的距 離一樣，也就是點與點之間的距離固定，所以 AM 網點形成的半色調影像主要的 特徵就是網點頻率固定，但振幅改變[10][29] (如圖 2-10 所示)。. 圖2-10、AM網點概念圖. 此類網點形成方法如點陣調色法(ordered dithering)[19]，其演算精神在於透 過連續調原稿與臨界值矩陣的比對，決定個別像素點成為 1 或 0 的訊號值，對於 數位印刷機來說，點矩陣調色法就是指引機器如何去著墨的方式。. 點陣調色法就是依臨界值矩陣將影像劃分成不重疊的連續子區塊，再利用所 設計之含不同灰階權重係數的臨界值矩陣，所生成的網點排列方式與形狀受到矩 陣內的數值影響，不一樣的臨界值矩陣可形成不同網點排列結果。 13.
(22) 對區塊影像進行半色調處理，其臨界值的產生就是先將原灰階影像 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 X m, n ，其中. 與. 代. 表臨界值矩陣的長和寬。. X m,n =. 1. G ,. （2-2）. 得到臨界值矩陣的階調數 X m, n 後，再透過方程式(2-2)與臨界值矩陣 T 作 比對以決定像素點成為 1 或 0 的訊號值：. H i, j. 1 X m, n T i , j When 0 X m, n T i , j . 其中 T( i , j ) = T( i + K. N ,j+ K. （2-3）. N )。 K 、K 為整數。. 舉一實例如圖 2-11 所示，左方大小 8 8 且網屏角度為 0 度的臨界值矩陣， 首先會將影像劃分成不重疊的連續子區塊，子區塊大小皆為 8 8 pixel，倘若在 此區塊所算出階調數值為 31，輸出設備就會依照臨界值矩陣中的數值著墨，最 後共有 31 個位置被著墨。. 14.
(23) 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. 4. 2. 12 20 40. 43 27 23 10. 6. 22 30 50. 7. 16 36. 55 47 31 18 14 26 46 58 63 59 51 38 34 42 54 62. 圖2-11、利用臨界值矩陣指引機器著墨(階調數31). 藉由不同形式的臨界值矩陣可控制網點的形狀與排列方式，因此臨界值矩陣 對於半色調影像表現有極大的影響，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。. 而臨界值矩陣依權重設計的方式不同可分為叢聚式(clustered dithering)及分 散式(dispersed dithering)兩種。一般而言，矩陣當中的臨界值排列，若呈現規律 的順序，我們可視為叢聚式點陣調色法，反之若臨界值呈現隨機狀分散排列，我 們稱之為分散式點陣調色法[19]。. 以一連續調灰階影像Barbara為例(圖2-12)，叢聚式矩陣中藉由臨界值矩陣的 排列方式不同，網點可分為水平、垂直、斜向三種形式，水平式以水平線的方式 排列 (如圖2-13)，垂直式以鉛直線的方式排列(如圖2-14)，而斜向式則以右斜(如 圖2-15)或左斜(如圖2-16)的方式排列，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，此種方式對於固定階調的影像表現效果較佳，但依 臨界值矩陣不同而有明顯的視覺紋理，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(spatial resolution)的喪失。 15.
(24) 圖2-12、原連續調影像. 64 62 60 58 57 59 61 63 48 46 44 42 41 43 45 47 32 30 28 26 25 27 29 31 16 14 12 10. 9. 11 13 15. 8. 1. 3. 6. 4. 2. 5. 7. 24 22 20 18 17 19 21 23 40 38 36 34 33 35 37 39 56 54 52 50 49 51 53 55 (a). (b). 圖2-13、(a)水平式臨界值矩陣；(b)處理後所得之半色調影像。. 16.
(25) 64 48 32 16. 8. 24 40 56. 62 46 30 14. 6. 22 38 54. 60 44 28 12. 4. 20 36 52. 58 42 26 10. 2. 18 34 50. 57 41 25. 9. 1. 17 33 49. 59 43 27 11. 3. 19 35 51. 61 45 29 13. 5. 21 37 53. 63 47 31 15. 7. 23 39 55. (a). (b). 圖2-14、(a)垂直式臨界值矩陣；(b) 處理後所得之半色調影像。. 14 29 44 62 50 34 18. 2. 31 48 64 55 39 21. 6. 10. 45 63 51 36 24. 8. 13 26. 60 54 35 19. 4. 16 32 42. 49 38 23. 3. 11 28 47 58. 33 20. 7. 15 27 43 61 52. 17. 5. 12 30 46 59 56 37. 1. 9. 25 41 57 53 40 22 (a). (b). 圖2-15、(a) 右斜向臨界值矩陣；(b) 處理後所得之半色調影像。. 17.
(26) 1. 9. 25 41 57 53 40 22. 17. 5. 12 30 46 59 56 37. 33 20. 7. 49 38 23. 15 27 43 61 52 3. 11 28 47 58. 60 54 35 19. 4. 45 63 51 36 24. 16 32 42 8. 31 48 64 55 39 21. 13 26 6. 10. 14 29 44 62 50 34 18. 2. (a). (b). 圖2-16、(a) 左斜向臨界值矩陣；(b) 處理後所得之半色調影像。. 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. 4. 2. 12 20 40. 43 27 23 10. 6. 22 30 50. 7. 16 36. 55 47 31 18 14 26 46 58 63 59 51 38 34 42 54 62 (a). (b). 圖2-17、(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。. 18.
(27) 35 49 41 33 30 16 24 32 43 59 57 54 22. 6. 8. 11. 51 63 62 46 14. 2. 3. 19. 39 47 55 38 26 18 10 27 29 15 23 31 36 50 42 34 21. 5. 7. 12 44 60 58 53. 13. 1. 4. 20 52 64 61 45. 25 17. 9. 28 40 48 56 37 (a). (b). 圖2-18、(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。. 分散式主要針對影像高頻部份做設計，由於人眼對影像高頻部分較不敏銳， 因此減少低頻的部分，對影像邊界能保留較多的資訊，可產生較佳之影像品質， 但是因為像素點為獨立產生，由於印表機的墨點在實際輸出時並非是理想的方正 墨點，不規則的形狀會導致網點擴大，因此分散式臨界值矩陣過網較容易有網點 擴大(Dot Gain)的情形，其臨界值矩陣如圖 2-19(a)所示，藉由此方式輸出之半色 調影像如圖 2-19(b)。. 19.
(28) 1. 33. 9. 41. 3. 35 11 43. 49 17 57 25 51 19 59 27 13 45. 5. 37 15 47. 7. 39. 61 29 53 21 63 31 55 23 4. 36 12 44. 2. 34 10 42. 52 20 60 28 50 18 58 26 16 48. 8. 40 14 46. 6. 38. 64 32 56 24 62 30 54 22 (a). (b). 圖2-19、(a) 分散式臨界值矩陣；(b) 處理後所得之半色調影像。. 二、調頻網點(Frequency Modulation,FM) FM 網點主要的特徵為網點基本單位大小一樣，但點與點之間的距離不同， 也就是頻率改變，但振幅固定，因此所形成的半色調影像因利用網點疏密來表現 階調(如圖 2-20 所示)，所以對於影像中亮部表現佳，暗部則易因網點擴張，造成 暗部階調表現差[8][29]。. 圖2-20、FM網點概念圖. 20.
(29) 此類方法如誤差擴散法(Error Diffusion)，此過網技術最典型的屬 Floyd 與 Steinberg 所提出之 Floyd-Steinberg Error Diffusion(FSED)[19]，其流程如圖 2-21 所示，式 2-4 表示透過一固定的臨界值 T，將誤差擴散於原始灰階影像 G(i, j)中 鄰近其他未二階化的像素時，透過誤差擴散濾波器(Error Filter)(方程式 2-5)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 出像素鄰域的灰階平均值與原始影像相比過亮，反之則過暗，為了彌補差距， 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，使下一點 的原始灰階值依誤差值調暗或調亮後再去量化，使得輸出二階影像 H(i,j)的整體 灰階值與原始影像 G(i,j)之整體灰階影像近似。. (量化誤差). 圖2-21、誤差擴散法流程圖. H i, j. 1 16. 0 0 3. 1 G i, j T When 0 G i, j T 0 0 -16 7 5 1. （2-4）. （2-5）. 圖 2-22 為 Barbara 經 FSED 處理後之半色調影像，由於誤差擴散法所形成的 網點是以像素為基本單位，故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。 21.
(30) 圖2-22、經誤差擴散法處理所得之半色調影像. 典型的 FSED 其半色調演算順序是由左到右、上至下的方式掃瞄，因此會使 半色調影響產生方向性的紋理，因此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，交錯重上至下的掃瞄方式)[19]，但還是會有蠕蟲痕紋的產生。. 三、混合網點(AM-FM Hybrid) 調幅網屏主要是以網點的尺寸來表現階調，階調範圍決定於網點的尺寸，但 網點的尺寸與網點的數目為必須做取捨的參數，因此在保全階調範圍的情況下， 調幅網屏對於細部的表現較差。而調頻網屏為利用網點密度來表現階調的方式， 網點尺寸固定，對於細部的表現較調幅網屏佳，但在暗部必須使用大量的網點進 行模擬，所以會造成較大的網點擴張，使暗部表現變差。. 因此有人提出混合調幅網屏與調頻網屏，也就是各取其優點來做組合，即在 影像中亮部的部份以調頻網屏來表現，以達良好的效果，在暗部的地方則採用網 點 擴 張 程 度 較 小 的 調 幅 網 屏 來 模 擬 ， 此 類 方 法 如 綠 雜 訊 遮 罩 (Green Noise Mask,GNM)，兼具有調幅網屏與調頻網屏混合(AM-FM Hybrid)特性的遮罩，利 22.
(31) 用網點的大小和網點的分佈來表示階調，且絲雜訊的分佈為既隨機又平均，並具 有叢聚的特性，圖 2-23 為 Barbara 經此方法處理後所得之半色調影像。. (a). (b). 圖2-23、(a)原灰階影像；(b) 經綠雜訊遮罩法處理所得之半色調影像。. 以綠雜訊遮罩為基礎之網點形成主要分為兩個階段，首先是隨機計算出各網 點之核心位置，以一核心位置而言，其相鄰之相對核心位置相對距離能較 FM 網 點有較平均的分佈，也就是分布方式愈平均愈佳。然後在以此核心位置所對應之 原灰階影像的濃度，堆疊出不同單位面積百分比的網點，而形成綠雜訊遮罩所形 成的網點。. 當要產生單一階調之綠雜訊分佈可以分為主處理程序和次處理程序兩個部 份： 1.主處理程序：找出單一階調之綠雜訊分部內各個叢聚的位置，並令其為重心。 2.次處理程序：利用已知的重心，配合已知之綠雜訊於頻譜內的特性，以產生其 所組成之像素點。而綠雜訊遮罩堆垂原理維持著向上計算階層時，少數點的位置 不變，而向下計算時，則為多數點不變。. 23.
(32) 在介紹完本章節所提的一些半色調影像技術後，將這些方法做一簡單分析整 理如表 2-1 所示。. 表 2-1、半色調方法比較表 點陣調色法 階調表現方法. 誤差擴散法. 綠雜訊遮罩法. 網點疏密. 網點大小與疏密. 網點大小. 特殊紋理. 週期性之紋理. 蠕蟲痕紋. 稍有顆粒狀. 網點擴張. 低. 高. 低. 由於本研究設計之浮水印目的在達到視覺灰平衡的隱藏效果，因此在階調表 現與網點分佈位置有一定的要求，AM 網點雖然會因網屏角度的問題，而有干涉 花紋的情況產生，而會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，且 AM 網點可對於位置作 較為精確的調整與控制，因此本研究採用叢集式點陣調色法建構隱藏資訊的半色 調影像。. 24.
(33) 第三節、數位半色調影像加密技術 目前圖像浮水印以其呈現的方式可區分為數位影像浮水印[3][5][7]及實體影 像浮水印[2][9][12][16]，浮水印的存在除具備防偽功能，可依據解密訊息循線找 出原出處，進而達到保護版權的目的。數位浮水印製作原理在於藏匿秘密訊息至 不同的媒體當中，其中為人熟知也最簡單的數位浮水印技術為 E.H.Adelson 於 1990 年提出的 LSB(least-significant bit)最低位元法[23]，如灰階影像的像素值以 8 位元表示，因為人眼對於低位元較不敏感，所以將隱藏資訊嵌入影像資訊最不重 要的低位元，如最後的 1 到 3 位元，藉此加入隱藏資訊，但此類數位影像的加密 方式無法以列印輸出的方式呈現，最後必須透過電腦才能針對數位檔進行解密。. 少數資訊加密技術如 Patchwork 雖然可以藏入特徵值作為加密之用，可針對 數位檔解密，列印輸出後亦可抵抗某個程度的破壞[3]，但還是必須掃瞄或拍照 成數位檔再透過電腦解密，絕大部分數位浮水印以電腦編碼方式加密，還必須經 由電腦才能達到解密的效果，對於實體影像之列印及掃瞄(print-and-scan)的攻擊 則甚難抵抗，這也是目前絕大多數用於數位影像檔案的加密技術無法直接應用於 實體列印輸出圖像的原因，因為數位浮水印加密技術原理雖各有不同，但多用於 數位影像，若藏入的密碼在亮或暗的交界區域，以實體影像輸出後會取樣不足或 網點擴張而流失且不利偵測。. 而安全文件中認證防偽特徵時有三道防線，依序為：(1)能夠快速以人眼或 其他人類感知(human perception)辨別真偽；(2)藉由輔助儀器配合人類感知辨別真 偽；(3)利用機器閱讀辨別真偽。圖像防偽技術應用於日常生活中的有價證券、 安全文件等，其目的都是在進行所有權及有效性的認證[20]，若考慮以人眼即可 辨讀，實體浮水印與即時防偽特徵存在必要性，也因此本研究將以實體浮水印的 概念作為浮水印設計的主軸。 25.
(34) 印刷品的實體浮水印技術中，半色調影像結合資料隱藏技術亦為一重要的課 題，其中依加密方式可分為(1)影像過網演算中直接加密；(2)影像過網經演算後 加密。本章節將針對數位半色調影像技術作簡要的介紹：. 一、影像過網演算中直接加密 (一) 特殊網屏設計 類似變形網點的應用由來已久，如微小字型在日常生活中也是相當常見的防 偽特徵，許多鈔票都會利用微小字型以線條、圖文的設計呈現，讓細線、圖文也 帶有隱藏資訊的效果，如我國仟元鈔票上的「THE REPUBLIC OF CHINA」微小 字型(如圖 2-24)，但此類的微小字型大都還是利用手工或雷射雕刻方法以類比的 方式模擬連續調印製而成，並非利用半色調的概念製作。. 圖2-24、我國仟元鈔票微小字型的應用. 有關數位浮水印技術的研究當中，網點變形的技術屬於調幅網點中點陣調色 法，可依需要設計及調整臨界值矩陣(Threshold Matrix)，以網點排列形成的位置 作為隱藏資訊的依據，其中最早在 1993 年 David L. Hecht 所提出「Self Clocking Glyph Code」[8]設計的網點較廣為人知，Glyph code 的原理就是利用數位半色調 演算法技術將連續調的影像轉換成以斜向網點組成的半色調影像，隱藏資訊由兩 階的資料 0 或 1 對應於左斜或右斜的變形網點(如圖 2-25)，在影像過網時同時將 左斜和右斜的網點嵌入計算。 26.
(35) 圖2-25、 Glyph Code網點設計示意圖[7]. 2002 年有部分研究著重於透過改變局部區塊網點形狀、網點尺寸，用微小 字型取代網點，來達到隱藏資訊的效果[14]，此外由於影印機取樣不足(under sampling)，微小字型網點所形成的半色調影像經複印後會呈現模糊(如圖 2-26)， 進而達到防偽效果，和 Glyph code 形成原理類似，同樣也是利用臨界值矩陣中 數值的排列控制網點的形狀，利用特殊網屏建構半色調模擬連續調影像，將不同 於傳統半色調網點那般制式，其圖像特色在於可自由打造個人化網點。. 圖2-26、以網點變形技術構成之實體浮水印[13]. (二). Glossmark. 服務於 Xerox 中 Wilson 部門(Wang, Xu,and Liu)曾在西元 2003 年提出 27.
(36) Glossmark 專利技術[17]，起初三人為了解決於數位印刷在光澤部分所產生的不 均勻的光澤而照成的差異現象，但後來他們反而認為這種差光性(differential gloss) 的效果能作為特殊的防偽特徵，因此開始一系列的軟體、與網點組合的特殊模式、 色粉、紙張、和熱熔合的方式藉由實驗開發了 Glossmark 技術。. Glossmark 的效果是利用差光性照成視覺反差(如圖 2-27 所示)，不需藉助任 何儀器設備來判斷，可以防止複印，但也由於無須特殊設備就能達到效果，因此 最好搭配可變印紋才能達到防偽之效。. 圖2-27、Glossmark效果示意圖 (圖片來源：Xerox). (三) 用於特殊印刷之網點演算法 2007 年有研究者調配螢光油墨後，建立 CIE 色彩空間與自行調配的螢光油 墨之間色域對應模式，再使用自行設計相互交錯排列的網點演算法進行過網，最 後模擬螢光油墨在紫外光照射下發散出可見光而產生的色彩影像，此研究目的在 於讓螢光的色彩效果儘量達到與原始影像色彩的一致性，藉以作為防偽特徵[16] (如圖 2-28)。 28.
(37) (a). (b). 圖2-28、以紫外線為驗證光源的浮水印設計 (a)為原始彩色影像；(b)為模擬 原始影像印刷後照射紫外光後的效果[16]. 二、影像過網經演算後加密 (一) 網點位移技術 Alfred V. Alasia 於西元 1976 年發明名為「Scrabled Indicia」 的網點偏移技術， 這項專利是將特定的圖案資訊隱藏在圖像中，利用光學解碼透鏡依某一定的角度 來判讀出隱藏訊息[23]。. 目前經許多研究也已經針對此方法進行改進與應用，其作法是將原始連續調 影像過網後，再將欲藏入的浮水印底紋位移其青色版的網點，圖透過光學解碼器 的柱狀凸透鏡將聚焦在網線之上，而欲藏入之圖像依網點角度已位移二分之一的 網線距離，由於光學解碼器的透鏡對準藏入圖像的網點上，而其他區域卻是對準 網線間的空白之處，以此影像的差異性而使隱藏的浮水印圖案顯現出來，圖 2-29(a)為具有網點位移技術之紀念郵票，一般無法單靠目視清楚判讀其中資訊， 而藉由正確將光柵置於適當角度時，可看清楚其中的隱藏資訊(如圖 2-29(b))。. 29.
(38) (a). (b). 圖2-29、具有網點位移之郵票設計(a)一般視覺觀看結果；(b)經光柵解出 NTNU 2007.03。(圖片來源：世界級全像大師辻內順平參訪師大之紀念郵票；設 計者：師大圖文傳播學系研究生蔡致邠). (二) 網點頻率域的改變 2002年有研究者透過改變過網區塊的網點數，進行資訊隱藏[18](如圖2-30)， 藉由多種網點的疏密，造成取樣頻率不同，藉由不同濾鏡觀察可顯現出相異之隱 藏浮水印影像。. Latent image B with band pass. Latent image A with band pass. filter B. filter A. (a). (b). 圖2-30、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[18] 30.
(39) (三)混合網點技術 2004年有研究者討論以混合網點技術製作浮水印[31] (如圖2-31)，當時的研究 是以45度臨界值矩陣建立AM區域網點與FM網點結合之浮水印研究，複印時，兩 種尺寸的網點所需的取樣頻率不同，而複製設備無法滿足其中之一的取樣需求時， 即能顯示隱藏之浮水印，以防止以複印機或掃描印列影像的偽造。. (a). (b). (c). 圖2-31、以AM與FM混合網點技術製作浮水印(a)肉眼觀看之效果；(b) 浮水 印經複印後之效果；(c) 混合網點浮水印細部結構圖[31]. 混合網點加密設計的主要概念，是透過AM與FM兩種不同的網點結構，分別 表現背景區塊與資訊隱藏區塊的圖形[30]。如圖2-32所示，先分別建立相同尺寸 相同濃度的兩張灰階原稿G1、G2，接著將G1以點陣調色法過網得到AM半色調 影像H1，G2 則保持原灰階濃度，待輸出時由印表機內建系統自動過網，接著再 設計一只二階浮水印遮罩(MASK)，製作浮水印時，背景底紋BG為H1與MASK 的交集(式2-6)，隱藏區塊HD 為G2 與~MASK(反遮罩)的交集(式2-7)，最後浮水 印W等於BK與HD的聯集(式2-8)。. 31.
(40) BG=H1 MASK. (2-6). HD=G2 ~MASK. (2-7). W=BK HD. (2-8). 圖2-32、混合網點加密示意圖[30]. 由上述相關研究可知目前較少利用半色調技術在特殊光源下驗證防偽特徵 的研究，大多都是針對複印後，因為掃瞄設備取樣頻率不一而造成浮水底紋顯現 或細節的消失，也因此本研究欲建立利用紅外線觀察裝置能進行驗證的實體浮水 印。. 32.
(41) 第四節、紅外線與噴墨墨水的光學特性 一、紅外線(infrared) 紅外輻射亦稱紅外線或紅外光，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。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[22][26][36]。. 在電磁波譜中，通常將波長範圍為 0.76～1000μｍ的區域稱為紅外光譜區。 在紅外技術中，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[26]： 1.近紅外線區(波長 λ＝0.76～3μm)。 2.中紅外線區(波長 λ＝3～6μm) 3.中遠紅外線區(波長 λ＝6～20μm)。 4.遠紅外線區(波長 λ＝20～1000μm)。. 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(如圖 2-33)：. 圖2-33、光譜示意圖[26] 33.
(42) 二、噴墨色料的吸收與穿透 紅外輻射可視為一能量波段，當波穿過物質時，把它的能量傳遞給物質。當 波穿過物質時，其振幅逐步下降，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；如果所有的能量都被吸收，便稱該媒質為不透明，已知的 一切透明物質都有一定程度的吸收作用，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 [35]。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，一定厚度的均勻物質可認為是由一些相同的薄層所組成。每一 薄層要按同一分額吸收射到它上面的能量。. 印刷製程中有應用紅外線的實例，如膠印會利用紅外線加熱使油墨黏性降低， 因此配合膠印油墨吸收紅外線的特性，選擇近紅外線加熱裝置來加速乾燥過程 [29]，而碳黑物質(carbon black)在中紅外線區域表現較大的被吸收率，印刷工業 上常以碳黑來加強色彩的黑度值(blackness)，其原因是碳黑的粒徑較小，對於色 調表現相當有幫助，因此碳黑為各種顏料中經常使用的配料[11][25]。. 由於噴墨印表機是依青(Cyan)、洋紅(Magenta)、黃(Yellow)三個色版由數位 過網程式計算後在設定的位置進行著墨，且在實際應用上，除青、洋紅、黃三色 之外，也增加了黑色，因此利用程式過網四色輸出即可以模擬出網點的分佈，由 上述可知碳黑吸收紅外線區，而青、洋紅、黃色等色料在紅外線下則幾乎呈現透 明，本研究即是利用此特性製作具有隱藏資訊的浮水印。. 碳黑成分也有應用於少數特殊油墨，例如本國仟元鈔票上有部分印紋就是利 用紅外線吸收型油墨印製的，其中印墨就是添加了碳黑成分，因此部分圖文在紅 外線下觀察就會呈現深色與透明的反差，圖 2-34 為仟元鈔票置於紅外線攝影下 觀察的情形，可看出利用特殊油墨印製的圖紋呈現深色，其餘部分則呈現透明， 34.
(43) 由於此種紅外線吸收型特殊油墨較難取得，因此可作為一項防偽特徵，此效果和 本研究欲達到目的類似，但這類利用特殊油墨印製的方式並沒有利用到數位半色 調的概念。. 圖2-34、仟元鈔票於紅外線攝影裝置觀察之效果. 而國外在使用碳黑(carbon black)在紅外線下的光學特性應用，日本國立印刷 局在 2004 年曾發表名為 ImageSwitch®的半色調網點技術[9] [12]，不過並不是以 浮水印的概念進行設計，而是類似變圖標籤的形式呈現，利用青、洋紅、黃色與 碳黑經由特殊設計的網點演算法(如圖 2-35 所示)進行輸出，將防偽特徵以碳黑網 點隱藏於複雜影像中，在紅外線攝影觀察下便有變圖的效果 (如圖 2-36)，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 標籤通常是小區塊的圖像，而後 ImageSwitch®另一新應用是利用溫度變化產生 變圖效果，亦是使用相同網點結構，但屬於熱致變油墨的應用，不在本研究探討 範圍。. 35.
(44) 圖2-35、ImageSwith®技術之網點結構示意圖[9]. 圖2-36、ImageSwith®技術之範例圖[9]. 三、紅外線偵測取像 對於日常的可見光攝影中，紅外輻射會影響取像的品質，由於鏡頭對此波段 光源的折射率與可見光不同，因此成像的聚焦位置也就不同，當可見光所形成的 影像對焦清晰時，這些非可見光所成的影像是對焦不正確的，會使照片中的影像 產生模糊的現象；另一方面，拍攝物件對於可見光、非可見光反射、吸收性能不 同，可見光中的低光區域可能是紅外線的強反射區域，如果可見光、紅外線同時 36.
(45) 成像，共同作用的結果會使影像反差降低[26]。因此相機等取像裝置大多都有內 置紅外截止濾鏡(infrared cut filter, ICF)來阻擋紅外線[22][26]。 目前的數位攝影已相當普及，而感光元件 CCD、CMOS 感光元件除了偵測 可見光譜波段外，實際上也能偵測光波長 780nm-1200nm 的近紅外線波段[26]， 由圖 3-36 可看出 CMOS 感光元件在近紅外線區有極為明顯的感測區段[6]，但由 於上一段所述原因，偵測紅外線的能力往往也被忽視，於是也有廠商將紅外截止 濾鏡製作為移動式，需要紅外線偵測功能時再利用機械切換濾鏡(等於大眾熟知 的「夜視」模式)，此外現今紅外線 LED(圖 2-37)體積輕巧且成本逐漸降低，亦 可作為輔助紅外光源使用，本研究也是利用上述紅外線偵測方式進行取像。. 圖 2-36、COMS 攝影機之頻譜響應範圍[6]. 圖2-37、紅外線LED 37.
(46) 第參章、研究方法 第一節、研究架構 本研究以半色調技術製作實體影像浮水印，主要概念是透過改變圖像區塊的 網點特徵，當原稿經紅外線光源下觀察時，人眼可以透過取像器具清楚看到碳黑 墨水組成的隱藏浮水印，且不同的網點造成取樣頻率不一致，促使浮水印顯現， 造成複印失敗。. 由半色調的原理得知，人類的視覺系統對於單位視角內影像明暗變化太快的 區域無法有清晰的辨識能力，因此再相當距離外以較小的視角在觀看影像時，一 些影像中變化較快的細節無法被辨識出來，而只能感受到概略的平均亮度。. 因此在本研究當中，採用程式語言進行影像處理，以網屏角度0度的臨界值 矩陣建立AM網點，首先以不同臨界值矩陣尺寸產生的網點與中性灰進行匹配實 驗，同時考慮數位影像經由輸出設備列印時，會受到網點結構、設備條件、被印 媒材等不同條件的影響，易產生不同的網點擴張效應(dot gain)，在進行視覺灰平 衡實驗時也同時在適應印機所產生的網點擴張效應。. 經多次的測試和調整網點得到最佳組合，產生已加密的數位影像作為底紋後， 實際設計於身份證件中並觀察浮水印的隱藏效果，最後考慮在取像過中流失影像 資訊，亦可能有攻擊(attack)產生，因此藉由容錯編碼提升容錯能力，再來實際以 自行設計之身份證件為輸出樣本，利用紅外線攝影裝置進行取像工作，最後驗證 是否能順利解密。綜合以上，本研究流程可大致歸納如(圖 3-1)所示，主要分為 「影像的加密與輸出」與「浮水印的擷取與解密」兩大部分：. 38.
(47) 影像的加密與輸出. 浮水印的擷取與解密. 圖3-1、實驗步驟流程圖. 39.
(48) 第二節、研究工具 本研究目的在於印刷品的加密，配合材料的光學特性設計隱藏資訊底紋，所 需實驗的相關設備如下：. (一)硬體 噴墨印刷色中有青色(Cyan)、洋紅色(Magenta)、黃色(Yellow)、黑色(Black)， 其中黑色墨水具備碳黑(Carbon Black)成分，適合進行本研究的輸出實驗，本研 究使用噴墨列印機 HP Deskjet 1280 輸出隱藏底紋，印材為噴墨輸出專用紙張。. 偵測隱藏資訊使用 DORS 1100 Infrared Detector(阻絕可見光只擷取紅外線波 段影像)或是具備紅外線 LED 之 COMS(具備紅外線打光功能)。. (a). (b). 圖3-2、紅外線取像硬體(a) DORS 1100 Infrared Detector；(b)具備紅外線LED 打光功能之CMOS. (二)軟體 設計實驗部分使用 Matlab 7.0 設計二維條碼，再用 Photoshop 產生所需連續 調影像，後續產生輸出用的半色調影像、影像處理、解密亦使用 Matlab 進行處 理。 40.
(49) 第三節、研究假設 網點擴張(Dot Gain)是影響本研究浮水印隱藏效果的要素之一，網點擴張是 指在圖像複製過程中網點因物理或光學的特性下所產生的擴張情形，本研究中在 印刷過程中網點面積的擴張是無法避免的，由於以噴墨方式輸出時只能以著墨或 不著墨的方式表現，色墨墨滴落於被印體上是接近於圓形的墨點，但著墨後的圖 像網點會因被印材的適性與墨水的滲透性所影響，以圖 3-3 為例，以兩種不同紙 張進行列印輸出，網點的品質有顯著的差異，若網點品質不佳，整體圖文容易有 瑕疵(artifact)的情況，造成影像上濃度的差異，進而影響浮水印的隱藏效果。. (a). (b). 圖3-3、以不同紙張輸出後之網點細部結構(a)噴墨列印輸出專用紙張；(b)普 通紙張. 因此本節主要在說明研究過程中所遇到的問題，在設備與工具上的使用，會 因為內在因素與外在環境所影響，故在此做研究假設的宣告，以利整體研究之實 施，故本研究的實驗假設包含： 1.假設以理想的設備狀況進行處理 2.使用程式與軟體的一致性 3.以一致的被印材進行輸出工作 4.假設印表機輸出品質穩定 41.
(50) 第四節、紅外線數位浮水印之設計 一、印表機之色調修正特性 (一)色調修正 在輸出圖像時其原始影像的來源大致分為掃瞄連續影像或是另一印刷品影 像，由於現今科技發達，數位攝影機的像素精細的程度已可用於印刷品的原稿， 但無論取得來源如何，輸出前原始影像都必須做分色的動作[33]。. 而在自然光、光三原色及色料三原色之間的互相轉換與色域空間不同而使得 可表現色彩訊息受到限制，以及考慮到印刷的成本、油墨的乾燥性、色彩的再 現 …… 等 ， 則 需 要 在 分 色 設 定 上 作 適 當 的 色 調 修 正 ， 如 UCR(Under Color Removal)、GCR(Gray Component Replacement)及 UCA(Under Color Addition)，本 研究在進行隱藏浮水印的設計之前，必須針對印表機的適性作測試，由於本實驗 印表機會自行進行色調修正，因此了解其適性有助於浮水印架構與圖文的整合設 計，以下分別舉一例子作說明：. 以四色印刷列印出棕色為例，C、M、Y 三色混合成棕色所需的比例如圖 3-4 所示，以下依序針對 UCR、GCR、UCA 作簡要的介紹。. 圖3-4、C、M、Y三色混合綜色之比例圖[10]. 42.
(51) (二)底色去除(UCR，Under Color Removal) 底色去除是從 C、M、Y 去除等量的灰色(即中性灰)而置換成黑色墨，為了 是要減少三色所使用的墨量(如圖 3-5 所示)。此為先前色調修正之技術，只對暗 部及中間調做置換，即 50%濃度以上之深色區域，可置換的範圍較少。此法適用 於 C、M、Y、K 四色印刷輸出，但僅有由單色區域構成圖像時則無法運用此技 術[10] [25]。. 圖3-5、底色去除(UCR) [10]. (三)灰色構成置換 GCR(Gray Component Replacement) 灰色構成置換與 UCR 的概念類似，為「灰色構成置換」，與 UCR 不同之處 在於 UCR 是置換 50%以上的暗部，而 GCR 則為全面置換即 1%～99%，而 GCR 其主要目的在於防止「灰色構成因素」(Gray Component)。通常是避免 C、M、Y 墨量較多而產生的有灰暗感，故減去等量的 C、M、Y 以 K 來表示(如圖 3-6 所 示)，只有 Y、M 的墨量較多，使得顏色較為鮮豔[10][25]。. 43.
(52) 圖3-6、灰色構成置換(GCR) [10]. (四)底色加強(Under Color Addition) 底色加強的功能是 GCR 所產生的，由於置換過多 YMC 的灰，並以 K 來取 代將使色調更加鮮明(如圖 3-7 所示)，但會有偏色的現象產生，而使得暗部濃度 提高而無細節，故以 UCA 來做適當的暗部層次回復[10][29]。. 圖3-7、底色加強(UCA) [10]. 瞭解以上色調修正的原理，針對本實驗所使用 HP Deskjet 1280 進行測試， 首先製作濃度每 10%為一間隔之色塊樣本，由於低濃度色塊在紅外線下幾乎透明， 因此只製作濃度 30% 到 100%的色塊，每色列印 30%到 100%共 32 個色塊，實 際輸出稿件如圖 3-8 所示。. 44.
(53) 100% 90%. 80% 70% 60% 50% 40% 30%. 圖3-8、本實驗所使用印機之四色色塊輸出稿件. 輸出完成後，置於紅外線攝影裝置進行觀察，結果發現黑色墨濃度至 80% 以上時開始有灰色構成置換(GCR)的情形發生，黑色墨濃度 100%時完全由黑色 墨列印輸出，C、M、Y 色塊無論濃度多少則都呈現透明(圖 3-9 所示)。. 藉由這個測試可以知道，後續若要進行圖文整合時，覆蓋於碳黑色墨上的圖 文黑色濃度只要低於 80%，或者藉由調整印表機模式(printer mode)利用 C、M、 Y 三色模擬 80%以上的黑色，如此可避免干擾碳黑色墨所形成的隱藏浮水印，雖 然每台印機的適性不同測試結果可能會有差異，但基本原理是共通的。. 45.
(54) 100% 90%. 80% 70% 60% 50% 40% 30%. 圖3-9、四色色塊輸出稿件置於紅外線攝影裝置下觀看之結果. 二、網點校正導表 由於在結合浮水印及印刷的條件中，本研究利用 AM 網點的不同網線數來將 浮水印嵌入一平網中，在 AM 網點的機制中，網線數越高則網點則越小；反之， 網線數越低則網點越大，對於人眼視覺模式之下在一定的距離時是無法分辨其差 異，因此導表設計隱藏資訊底紋將採用適當的臨界值矩陣構成 AM 網點。. 本研究採用 Hp Deskjet 1280 噴墨印表機以解析度 600dpi 輸出，底紋部分使 用 6 6 臨界值矩陣進行 AM 半色調過網 (如圖 3-10)，其餘部分由印表機 C、M、 Y 三色混和之中性灰構成，實際將導表置於光學顯微鏡下觀察，導表網點結構如 (圖 3-11)所示。. 46.
(55) 33 25 13 17 32 36 29 21. 5. 9. 24 28. 19 11. 1. 3. 8. 15. 4. 2. 12 20. 27 23 10. 6. 22 30. 7. 16. 35 31 18 14 26 34 圖3-10、本實驗浮水印AM過網之臨界值矩陣. 圖3-11、 實驗導表網點結構示意圖. 實驗以不同濃度 AM 網點比較後，最後採以 3%K 濃度碳黑網點為比較基準， 實際上浮水印底紋視覺濃度越低越好，但 1%濃度碳黑網點受限於以 8 8 臨界值 矩陣進行過網，會使其線數過低，導致網點易於為人眼察覺，喪失隱藏浮水印的 效果，而 4 4 臨界值矩陣進行網點配置雖然能提高線數，但是碳黑網點濃度過 高，顏色過深不適合作為浮水印底紋，因此最後使用 3%K 濃度之碳黑網點作為 比較基準。 47.
(56) 本研究製作校正導表進行匹配實驗(圖 3-12)，選定印表機在相同的環境設定 下進行輸出，選出 3%網點和一定範圍階調之中性灰(灰階值 200-250)作比較，最 後找出視覺接近灰平衡的灰階區段。. 圖3-12、 實驗導表輸出稿件. 經過網點校正導表比較後，灰階值210-215之間的中性灰與3%K濃度網點在 視覺上的差異較小，也最符合浮水印隱藏設計的標準，在進行導表實驗的同時， 也發現臨界值矩陣的過網效果對於浮水印的形成會有所影響，若網點品質不良產 生錯網(moiré)會造成浮水印品質低劣；如圖3-13所示，若網點位置分佈不良會在 浮水印邊界產生不連續的黑邊或白邊，導致隱藏效果不彰，因為本研究對於網點 的位置和品質需要精準的控制，因此選用叢聚式點陣調色法(clustered ordered dithering)便於控制浮水印中網點的分佈，避免在浮水印邊界產生黑邊。. 48.
(57) (a). (b). 圖3-13、顯示隱藏圖案未經邊界處理而產生的邊界不連續示意圖(a)邊界處理 不良所得之結果；(b)經本研究之邊界處理技術得到的平滑邊界. 三、二維條碼設計 (一)加密資訊 本研究選用筆者之學號「685720118」作為二維條碼之加密資訊，首先將 「695720118」轉為二進位共 30bits「101001011101111101100010110110」表示黑 與白的排列，其中 1 代表白，0 則代表黑，轉換成二階影像後的結果如下圖 3-14 所示。. 圖3-14、學號轉換為二進制之二階影像(共30-bit). (二)容錯編碼 影像可能遭受各種攻擊，如壓縮、切割、旋轉、平移等，尤其本研究考慮經 由特殊光源進行驗證，取像時必然會有攻擊產生，如何抵抗攻擊而成功的取出隱 藏之中的浮水印是一非常重要的課題，因此本研究嘗試採用 BCH 錯誤校正編碼 針對兩階影像進行容錯編碼，使隱藏資訊具有錯誤校正的能力。 49.
(58) BCH 碼取自 Bose、Ray-Chaudhuri 與 Hocquenghem 的縮寫，是錯誤校正碼 中研究得比較多的一種編碼方法，BCH 碼是用於校正多個隨機錯誤模式的多級、 循環、錯誤校正、變長數字編碼[33]，由於 BCH 碼已經是使用成熟的錯誤校正 編碼技術，本節對於其原理不作過多的介紹。. 本研究利用 BCH code 的概念控制黑與白的排列進行重複編碼，針對兩階浮 水印進行容錯編碼，其中「n」代表編碼後的位元數、「k」代表原始資料位元數、 「t」代表編碼後之容錯值，而參數之間的關係必須符合下列三項條件[15]，表 3-1 為 BCH code 編碼之部分參數內容：. 1. 2 -1 且 m ≥ 3 2. t < n/2 3. n-k ≤ mt 表 3-1、BCH code 編碼之部分參數內容 n. k. t. 63. 57. 1. 63. 51. 2. 63. 45. 3. 63. 39. 4. 63. 36. 5. 63. 30. 6. 63. 24. 7. 63. 18. 10. 63. 16. 11. 63. 10. 13. 50.
(59) 以本研究為例，隱藏資訊為 695720118 換算成二進位共由 30-bit 組成，經由 容錯編碼後位元數增加為 63-bit，內容為「101001011101111101100010110110001 100011101010011001100100111100」，容錯值為 6，轉換後之二階影像如圖 3-15 所示。. 圖3-15、經BCH code編碼後所得之二階影像(共63-bit). (3) 偽隨機亂數排列 經過容錯編碼並在 25. 25 pixel 範圍內重複排列，至此已具有二維條碼的. 形式(圖 3-16(a))，但圖形過於規律，資訊隱藏效果不佳，且影像因為掃瞄、雜訊 而遭破壞時，解密結果會不精確，為提高資訊隱藏的能力將密碼部分隨機打散位 置，然而二階影像隨機打散位置的方法相當多，本研究使用偽隨機數排列 (pseudorandom permutation)的方法將重複排列過的資訊位置隨機打散，最後加入 控制點作為定位之用(圖 3-16(b))。. (a). (b). 圖3-16、(a)經容錯編碼後重複排列之二維條碼；(b)經容錯編碼後隨機打散位 置並加入控制點之結果 51.
(60) 四、身份證件之整合應用 利用導表經匹配實驗找出符合灰平衡的最適組合，下一步便是實際製作浮水 印並觀察其效果，將編碼後的影像設計於身份證件作為測試樣本，最後找出灰階 值 210 能達到良好的加密效果，取得此一組參數作為浮水印設計的指標，本研究 系統之隱藏浮水印資訊不限定二維條碼，亦可是直觀可以判斷之圖形[28]，圖 3-17(a)為本研究另外設計之隱藏資訊身份證件，隱藏資訊是以著名書法家董陽孜 為師範大學所題之「師大大師」墨寶為主題，圖 3-17(b)為利用紅外線攝影觀察 隱藏資訊的效果。. (a). (b). 圖3-17、(a) 本研究設計之身份證件於正常光源下觀看；(b) 本研究設計之身 份證件於紅外光源下觀看。. 而以二維條碼為隱藏資訊的輸出樣本如圖 3-18 所示，在正常的視覺距離， 混合網點底紋呈現一致的階調，有達到隱藏效果。. 52.
(61) 圖3-18、 本研究設計之身份證件於正常光源下觀看. 本研究使用具紅外線 LED 打光功能之攝影裝置作為取像工具，經目視觀察 時，隱藏浮水印資訊乃呈現一致階調的影像，但透過紅外線攝影裝置觀察，可發 現浮水印中碳黑墨形成的半色調影像呈現深色，中性灰則幾乎透明，透過攝影裝 置即可看出顯著的對比(如圖 3-19 所示)。. 圖3-19、本研究設計之身份證件經紅外線攝影裝置觀察之效果。. 53.
(62) 第肆章、實驗結果與討論 第一節、電腦辨識解密 由於目前使用的二維條碼大多都是黑白兩色的設計，主要是希望提高背景與 條碼印紋的反差，如此便能快速地確立門檻值，而本研究擷取紅外線偵測影像後， 必須比一般傳統二維條碼的解密作更細微的影像處理。. 由於取像器具可能因為環境光源分佈不均導致亮部與暗部的細節檢測不易， 而光源分佈不均的影響有時對於人眼來說是很難觀察到的，但當進行影像強化時 便能發現其顯著的差異，因此本研究必須考慮「若紅外線光源分佈不均」時的解 決方案。. 以本研究為例，以紅外線攝影裝置擷取影像後如下圖 4-1 所示，直接將原圖 增強對比(histogram equalization)是無法有效將亮暗部辨別出來(圖 4-1(b))，整體 影像的灰階分佈(圖 4-2)無法藉由設立門檻值進行重新取樣。. (a). (b). 圖4-1、(a)紅外線攝影裝置擷取之影像；(b)經程式增強對比後的結果. 54.
(63) 圖4-2、條碼影像經程式增強對比後之灰階分佈圖. 由上述所知，擷取的畫面可能會因為環境或機具設備的影響而使亮度分佈不 均，因此本研究以有限對比適應性直方均衡化(CLAHE, contrast-limited adaptive histogram equalization)對影像作階調修正，此方法會將整體影像切割成相等大小 且連續不重疊的子區域，以本研究子區域大小設置為 8 8 pixel，接著計算子區 域內的灰階分佈再作均衡化處理，相對於將整張影像作線性化處理，使用 CLAHE 方式進行處理能得到更精確的效果，能有效區隔背景階調與隱藏資訊階調之間的 差異，如此利用影像之階調修正可提升重新取樣的正確性。. (a). (b). 圖4-3、(a)紅外線攝影裝置擷取之影像；(b)經過CLAHE數處理後之影像 55.
(64) 經過有限對比適應性直方均衡化後，由灰階分佈(如圖 4-4 所示)可看出本研 究實驗經影像處理所得之條碼影像，其背景和條碼的灰階值已經作明確的分別， 找出臨界值約莫在 160 左右，作為轉換為二階影像的標準。. 圖4-4、條碼影像經均衡化所得之灰階分佈圖. 本研究將製作好之身份證件進行實際輸出，再以紅外線攝影裝置進行取像， 由於在取像的過程中，其影像可能遭受到位移、放大縮小及旋轉等幾何轉換，因 此在重新取樣前需針對影像座標加以定位，本研究以影像的三個角點(圖 4-5 所 示)當作定位點(分別為左上、右上、右下)，透過一次轉換矩陣求得其相對的關係， 如公式(4-1)所示。 定位角點. 圖4-5、定位角點位置標示圖 56.
(65) 由前述所言，原始數位影像的三個角落座標為已知，則兩者之間的幾何轉換 關係，可以下列方程式 4-1 表示：. 1 x y. =. 1 x y. 1 x y. (4-1). 其中( , )、( , )、( , )為原始影像上的三個角落座標(以 X 表示)，而 (. , )、(. , )、(. , )則為經角點定位後所對應的座標(以 U 表示)，則可將. 公式(4)改寫成 U=AX，並求得轉換矩陣係數 A 如公式 4-2 所示，透過此轉換矩 陣 A，即. 、 、a 、b 、 、b ，此為定位參數，帶回公式便可以將影像加以. 轉換及定位。. A = UXT (XXT ) −1. (4-2). 事先經過 CLAHE 處理後的影像可以找到適合臨界值(threshold)，本研究觀 察灰階分佈可得門檻值設為 160 能得到最佳效果，經由幾何轉換定位影像可方便 進行浮水印的還原，重新取樣的位置標示如圖 4-6(a)，而還原後之浮水印影像如 圖 4-6(b)所示，重新取樣後和原加密資訊比較，經過 CLAHE 處理後重新取樣之 影像，解密結果為「695720118」，解密正確率已經能達到 100%。. 57.
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