紅外線浮水印應用於音樂節目單之音訊互動研究

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(1)國立臺灣師範大學圖文傳播學系碩士論文. 紅外線浮水印應用於音樂節目單之音訊互動研究 Research on the Application of Infrared Watermark to Audio-based Interactive Concert Program. 研究生：梁鳳儒指導教授：王希俊教授李文彬教授中華民國九十九年六月.

(2) 2.

(3) 摘要. 本研究目的是設計具有資料隱藏功能的音訊互動節目單，於可見光下目視為音樂會節目單外，並在紅外線偵測下，透過攝影機讀取節目單上之隱藏二維條碼浮水印，聽到音樂會曲目中具有代表性的音符，讓觀眾藉著翻閱節目單以產生互動。研究方法是將音訊編碼成二維條碼（2D barcode），並利用紅外線浮水印技術將二維條碼隱藏。紅外線浮水印是由數位半色調技術所設計，其半色調網點以調幅網點（AM）與調頻網點（FM）所組成的。藉由紅外光對不同色墨之穿透性差異，以紅外線攝影裝置抽取浮水印，經影像處理後解密產生音訊，以驗證加密效果。研究結果顯示此互動系統，在紅外線偵測音樂節目單時，可成功地辨認二維條碼並同時發出音訊；本研究製作出兼具可正常閱讀並產生音訊互動的音樂會節目單，未來可以應用在各種音樂會，讓觀眾不只能從節目單得到展演資訊，並可藉由互動聽到該音樂會的部份音訊內容，讓觀眾回味無窮，賦予節目單新的意義。此音訊互動系統可擴展應用在紙張播放聲音，並對於互動藝術、數位學習、遊戲研發與防偽技術有許多潛在的應用前景。關鍵詞：資料隱藏、二維條碼、數位影像處理、半色調. i.

(4) Abstract. The goal of this research is to design an audio interactive program that has data hidden capability. It allows audiences to listen the typical music notes in the concert program under infrared detection, whereas it shows program information under visible light. The audiences interact with the program by just flipping pages. They hear the typical music notes in the concert program through the webcam which capture the 2D barcode watermark of the program. The research method is to encode audio files into the 2D barcode, and we utilize the infrared watermark technique to hide the 2D barcode later. The digital halftoning technique has been used to make the infrared watermark composed of halftone dots by amplitude modulation (AM) and frequency modulation (FM). Subsequently, with different spectral reflectance of inks under infrared light, we extract the watermark by the infrared webcam and use the computer to decode it and to play the sound to verify our encryption effect. Consequently, the results show that this interactive system successfully recognizes the barcode and synthesizes audio under infrared detection of a concert program which is also valid for human observation of the contents. In addition, we manufacture audio interactive program. This concert program can be applied to any music concert in the future. This will make audiences not only get the concert information, but also interact with the program by hearing some typical music notes. It would make audiences unforgettable and give new meaning to the concert program. This audio interactive system has greatly expanded the capability of the printout paper to audio display and also has many potential applications in interactive art, e-learning, game development and anti-counterfeiting technology. Keywords: data hiding; 2D barcode; digital image processing; halftoning.. ii.

(5) 致謝. 想當初以榜首考進師大圖傳所時，高興到衝去抱住我媽，兩人開心不已，因為同年我也考上世新圖傳所榜首，我這輩子除了國高中鉛球拿過第一外，我從來沒有在任何地方得過第一，因此我異常興奮。沒想到兩年的時間快速飛過，感覺昨天才在綜合大樓 701 第一次參加次媒體實驗室開會，為討論龍騰獎行銷故事，今年就已經準備要畢業了。首先，要感謝王希俊指導教授，除了給予論文上的指導，還不時督促學生進度，教導學生處事方法，如無老師一開始要求學生，可能學生就不會限定自己兩年畢業。感謝音樂系李文彬指導教授，給予學生論文題目並從中協助指導，學生能順利畢業李老師功不可沒。最後，更要感謝計劃口委周遵儒及林素惠教授，以及論文口委張智星、劉祥麟及陳鴻興教授，給予學生許多重要改進意見，讓學生可以瞭解自己不足及需要改進的地方。在次媒體實驗室方面，要感謝怡惠學姐、文心學姐、甫名學長、健吾學長、軒彣同學、家龍學長及學弟妹在許多方面的打氣及協助，感謝呂章誠同學在學業實習論文方面的協助，感謝林大師用大師級的耐心為我解答許多疑難雜症，感謝乃慈等 97 級圖傳所同學互相加油打氣，感謝女二舍室友卉玹、于芳及秀孟陪我度過許多研究生美好時光，沒有你們的協助，學生的研究就不可能成功。感謝父母在經濟上及感情上的支持，感謝妹妹孟婷時常幫我加油。最後，要感謝對於此論文非常重要的肥肥，從一開始考研究所，到最後寫論文這段心煩時間，感謝你對於此論文有許多關鍵上的協助，並感謝你相信我一定可以。. iii.

(6) 目錄. 摘要………………………………………………………………………………………...i Abstract…………………………………………………………………………………….ii 目錄…………………….……………………………………………………………….....iv 圖目錄……………………………………………………………………………………...v 表目錄………………..………………………………………………………………….viii 第壹章緒論........................................................................................................................ 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....................................................................................................... 2 第四節名詞釋義....................................................................................................... 3 第貳章文獻探討................................................................................................................ 4 第一節數位半色調技術........................................................................................... 4 第二節紅外線與噴墨墨水的光學特性................................................................. 24 第三節二維條碼..................................................................................................... 29 第四節科技藝術與互動多媒體............................................................................. 34 第參章研究方法.............................................................................................................. 46 第一節研究架構..................................................................................................... 46 第二節研究工具..................................................................................................... 47 第三節研究方法..................................................................................................... 49 第肆章研究成果與討論.................................................................................................. 69 第一節音樂節目單設計......................................................................................... 69 第二節音樂節目單影像偵測成果......................................................................... 71 第三節數位音訊合成............................................................................................. 74 第四節互動裝置設計與展示................................................................................. 76 第伍章結論與建議.......................................................................................................... 79 第一節研究結論..................................................................................................... 79 第二節研究建議..................................................................................................... 81 參考文獻………………………………………………………………………………....86. iv.

(7) 圖目錄. 圖 1-1-1 作品現場展示示意圖 .......................................................................................... 1 圖 2-1-1 利用網點模擬不同連續調影像濃度之示意圖 .................................................. 4 圖 2-1-2 照相過網示意圖 .................................................................................................. 5 圖 2-1-3 玻璃網屏示意圖 .................................................................................................. 5 圖 2-1-4 接觸網屏示意圖 .................................................................................................. 6 圖 2-1-5 接觸網屏暈映點放大圖 ...................................................................................... 6 圖 2-1-6 網點形成原理負片簡略圖 .................................................................................. 6 圖 2-1-7 半色調處理系統架構圖 ...................................................................................... 7 圖 2-1-8 定階量化法流程圖 .............................................................................................. 7 圖 2-1-9（a）原始連續調影像；（b）定階量化法半色調影像 ......................................8 圖 2-1-10 影像加入隨機雜訊之定階量化法 ..................................................................... 8 圖 2-1-11（a）原始連續調影像；（b）影像加入隨機雜訊量化後的半色調影像 ........ 8 圖 2-1-12 AM 網點概念圖..................................................................................................9 圖 2-1-13 利用臨界值矩陣指引機器著墨（階調數 22） ..............................................10 圖 2-1-14 原連續調影像 ................................................................................................... 11 圖 2-1-15（a）水平式臨界值矩陣；（b）處理後所得之半色調影像 .......................... 11 圖 2-1-16（a）垂直式臨界值矩陣；（b）處理後所得之半色調影像 .......................... 12 圖 2-1-17（a）右斜向臨界值矩陣；（b）處理後所得之半色調影像 .......................... 12 圖 2-1-18（a）左斜向臨界值矩陣；（b）處理後所得之半色調影像 .......................... 12 圖 2-1-19（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 .......... 13 圖 2-1-20（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 ........ 13 圖 2-1-21（a）分散式臨界值矩陣；（b）處理後所得之半色調影像 .......................... 14 圖 2-1-22 FM 網點概念圖 ................................................................................................ 14 圖 2-1-23 誤差擴散法流程圖 ...........................................................................................15 圖 2-1-24（a）原始連續調影像；（b）經誤差擴散法處理所得之半色調影像 .......... 15 圖 2-1-25（a）原灰階影像；（b）經綠雜訊遮罩處理所得之半色調影像 .................. 16 圖 2-1-26 應用 LSB 加密技術之原始圖.......................................................................... 18 圖 2-1-27 應用 LSB 加密技術於不同位元加密情形..................................................... 18 圖 2-1-28 Texture Block Coding 加密位置示意圖 .......................................................... 19 圖 2-1-29 經過網點的加密灰階影像，左斜與右斜分別代表 0 或 1 ............................20 圖 2-1-30 以網點變形技術構成之 NaNOcopy™實體浮水印 ........................................ 20 圖 2-1-31 使用 AM 和 FM 混合網點製作之浮水印....................................................... 21 圖 2-1-32 半色調影像資料隱藏效果 ...............................................................................21 圖 2-1-33 半色調影像以 Steinberg 誤差擴散法之資料隱藏效果.................................. 22 圖 2-1-34 以 CWED 方法嵌入浮水印之資料隱藏效果 ................................................. 23 圖 2-1-35 以 PSMOD 方法嵌入浮水印 ........................................................................... 23 圖 2-2-1 光譜示意圖 .........................................................................................................25 圖 2-2-2 台灣仟元鈔票 .....................................................................................................26 v.

(8) 圖 2-2-3 ImageSwitch 技術之網點結構示意圖 ............................................................... 26 圖 2-2-4 ImageSwitch 技術之範例圖 ............................................................................... 27 圖 2-2-5 C、M、Y、K 墨水在不同波長下的透射光譜圖 ............................................27 圖 2-2-6 CMOS 攝影機之光譜響應圖............................................................................. 28 圖 2-3-1 一維條碼應用於書本的例子 .............................................................................29 圖 2-3-2 蘋果日報的 QR Code「動新聞」 .....................................................................33 圖 2-3-3 民眾可以購買含有 QR Code 的台灣高鐵票 ....................................................33 圖 2-4-1 人機介面示意圖 .................................................................................................35 圖 2-4-2 感官模式與感測模式間的對應關係示意圖 .....................................................35 圖 2-4-3 互動裝置輸入介面分類圖 .................................................................................36 圖 2-4-4 互動裝置輸出介面分類圖 .................................................................................36 圖 2-4-5 虛擬鋼琴操作情形 .............................................................................................38 圖 2-4-6 MixPlore 的使用介面 ......................................................................................... 39 圖 2-4-7 PlaySoundGround 的使用介面 ..........................................................................40 圖 2-4-8 陶笛的使用介面 .................................................................................................40 圖 2-4-9 三個演奏者正一起使用 ZooZBeat 做團體演奏 ............................................... 41 圖 2-4-10 虛擬大師使用介面 ...........................................................................................41 圖 2-4-11 MusicGrip 使用方式 ......................................................................................... 42 圖 2-4-12 泡泡糖音序器的使用介面 ...............................................................................42 圖 2-4-13 E-Sitar 的使用介面........................................................................................... 43 圖 2-4-14 紅外線浮水印應用於袁叔琪射箭頁面 ...........................................................44 圖 2-4-15 紅外線浮水印應用於 IESO 手冊 .................................................................... 44 圖 2-4-16 紅外線浮水印應用於郵票互動 .......................................................................45 圖 3-1-1 研究架構流程圖 .................................................................................................46 圖 3-2-1 HP Deskjet 1280 噴墨印表機 ............................................................................. 47 圖 3-2-2 DORS 1100 紅外線偵測器 ................................................................................ 47 圖 3-2-3 X-Loupe G 可攜式顯微鏡相機.......................................................................... 48 圖 3-2-4 紅外線視訊攝影機 .............................................................................................48 圖 3-3-1 實驗步驟流程圖 .................................................................................................50 圖 3-3-2 李文彬老師為本研究所特別譜出之樂曲 .........................................................51 圖 3-3-3 本研究在鋼琴上表現音域的簡圖 .....................................................................52 圖 3-3-4 第 1 個二維條碼 .................................................................................................54 圖 3-3-5 第 2 個二維條碼 .................................................................................................54 圖 3-3-6 第六景薄霧攬新粧-玉山杜鵑.......................................................................... 55 圖 3-3-7 第三景谷風行雲-台灣百合.............................................................................. 55 圖 3-3-8 第 1 個二維條碼之音樂節目單設計 .................................................................56 圖 3-3-9 第 2 個二維條碼之音樂節目單設計 .................................................................56 圖 3-3-10 電腦下所呈現的灰階校正導表 .......................................................................58 圖 3-3-11 顯微鏡下的調幅網點（K 墨）和調頻網點（C、M、Y 墨） ..................... 58 圖 3-3-12 網點結構示意圖 ...............................................................................................59 圖 3-3-13 拍攝灰階校正導表 ...........................................................................................59 圖 3-3-14 本研究設計之音樂節目單於正常光源下觀看 ...............................................60 圖 3-3-15 於紅外線攝影裝置下觀看本研究設計之音樂節目單 ...................................60 vi.

(9) 圖 3-3-16 RGB 影像轉成灰階影像..................................................................................61 圖 3-3-17 經過 CLAHE 處理後之影像............................................................................ 62 圖 3-3-18 定位角點位置標示圖 .......................................................................................62 圖 3-3-19 C4（262Hz，直線）與 C5（523Hz，虛線）的合成波形 ........................... 67 圖 3-3-20 互動系統流程圖 ...............................................................................................68 圖 3-3-21 實驗裝置示意圖 ...............................................................................................68 圖 4-1-1 第 1 個二維條碼節目單在人眼觀察與電腦視覺下產生差異 .........................69 圖 4-1-2 第 2 個二維條碼節目單在人眼觀察與電腦視覺下產生差異 .........................70 圖 4-2-1 第 1 個二維條碼解密 .........................................................................................71 圖 4-2-2 第 2 個二維條碼解密 .........................................................................................71 圖 4-2-3 CLAHE 所得的影像及灰階圖........................................................................... 72 圖 4-2-4 經過臨界值 100 所得的影像及灰階圖 .............................................................72 圖 4-2-5 經過臨界值所得之二階影像 .............................................................................72 圖 4-2-6 音訊互動節目單影像偵測數據與系統辨識結果 .............................................73 圖 4-3-1 第 1 個二維條碼樂曲合成波形及振幅 .............................................................74 圖 4-3-2 第 1 個二維條碼樂曲合成波形及振幅 .............................................................74 圖 4-3-3 第 2 個二維條碼樂曲合成波形及振幅 .............................................................75 圖 4-3-4 第 2 個二維條碼樂曲合成波形及振幅 .............................................................75 圖 4-4-1 本系統整體裝置成果 .........................................................................................76 圖 4-4-2《為呼吸照護兒童公益音樂會》海報 ..............................................................77 圖 4-4-3《節目單在人眼與紅外線下之差異 ..................................................................77 圖 4-4-5 在會場之觀眾與紙張載體的有趣音訊互動 .....................................................78 圖 5-2-1 本研究模擬出的 BCH 碼 ................................................................................... 82 圖 5-2-2 本研究系統輸出之辨識標記 .............................................................................83 圖 5-2-3 美國版君子雜誌應用擴增實境辨識圖案於雜誌封面 .....................................84. vii.

(10) 表目錄. 表 2-2-1 半色調方法比較表 .............................................................................................17 表 2-3-1 二維條碼常用的種類 .........................................................................................31 表 2-3-2 一維條碼與二維條碼特性的比較 .....................................................................32 表 2-4-1 互動性對影像元素的反應 .................................................................................37 表 3-2-1 研究所使用的硬體及軟體 .................................................................................48 表 3-3-1 樂譜的二進位編碼 .............................................................................................51 表 3-3-2 第 1 個二維條碼編碼 .........................................................................................52 表 3-3-3 第 2 個二維條碼編碼 .........................................................................................52 表 3-3-4 第 1 個二維條碼音訊編碼 .................................................................................53 表 3-3-5 第 2 個二維條碼音訊編碼 .................................................................................53 表 3-3-6 本實驗使用 6x6 臨界值矩陣製作 AM 過網之浮水印 .................................... 57 表 3-3-7 C3 至 B5 的音高頻率（四捨五入）對照表..................................................... 66. viii.

(11) 第壹章緒論. 第一節研究背景與動機. 適逢科技與藝術結合的年代，藝術與科技的整合造就了當代主流且重要的藝術形式[2]，現今幾乎沒有一項藝術作品不與科技結合，各國相繼舉辦相關的藝術節及競賽來刺激數位藝術的創作，例如奧地利電子藝術節、台北數位藝術節及上海電子藝術節等。政府近年來亦極力推動文化創意產業，希望將台灣打造成亞太文化創意匯流中心[92]。目前，數位藝術的領域可歸類為數位音樂、互動裝置、電腦影像、數位動畫、電影、網路創作等，由於科技介面的輔助，改變了原本藝術表現的形式[8]。使用者能夠透過肢體或其他感知能力與藝術品互動，參與創作的歷程，並直接影響最後呈現的結果，結合影像與聲音輸出的影音互動多媒體更是目前熱門的研究發展重點。在音樂互動方面的研究中，有研究者[5]提出以 Wii Remote 所製成的一種新的樂曲拼貼演奏的互動裝置（圖 1-1-1），體驗同時身為演奏者與觀賞者的經驗，加上即興融合演奏、拼貼的嘗試，在音樂演奏與聆聽以及視覺元素反饋互動兩者之間，使感官、聽覺以及視覺感受新的樂趣以及美感。由此研究可看出一般音樂互動裝置方面，在輸入方面多是使用者透過操控機器設備，或經由攝影機偵測使用者的動作變化，來對影像及音樂進行電腦螢幕輸出的變化，在載體的選擇上較少以人最常使用的紙本為載體。然而，近千年以來，紙張卻一直被認為是人類與資訊間最受歡迎的使用介面[55]，例如樂譜、書籍與報紙等。隨著數位科技的進步，雖然資訊載體大部份已經轉成網路與硬碟儲存，大部分的人們仍然習慣於享受著以傳統的方式閱讀實體書本、報紙與雜誌等。因此在本研究中，希望製作實體音樂節目單在可見光下讓人看到文字或圖像的內容，但在紅外線下讓電腦看到二維條碼浮水印，使音樂節目單不只是一個平面印刷媒材，更是在音樂會中一個可播放具代表性音符的互動介面。. 圖 1-1-1 作品現場展示示意圖[5] 1.

(12) 並且，台灣師範大學音樂系李文彬教授希望借用台灣師範大學美術系黃進龍教授「台灣高見」之油畫作品，製作出會發出音訊的音樂節目單，並與台灣師範大學圖文傳播系王希俊老師合作，因此展開此跨領域科技藝術研究。現今紅外線浮水印的技術多應用於防偽[22]或加值產品[4,34]上，尚未有研究利用紅外線浮水印技術，讓人與實體節目單進行音訊互動。因此，如何透過紅外線浮水印技術與科技藝術互動，是一項有趣又非常值得研究的課題。本研究希望能整合紅外線浮水印與音訊內容，藉由二維條碼之變化作為感測基礎，觀眾可以透過肢體翻閱節目單，互動產生不同具有代表性的音符。本研究以二維條碼紅外線浮水印變化為基礎的音訊互動模式，除了能擴展紅外線浮水印的防偽應用領域外，亦能應用於各種音樂會，讓觀眾不單只能從節目單得到展演資訊，並可立即與節目單進行音訊互動，讓觀眾回味無窮，賦予節目單新的意義；同時也契合台灣師大圖文傳播系、音樂系及美術系之跨領域結合，及師大圖傳系所秉持之理念未來方向：「善用資訊科技及設計知能，從事圖像、文字、聲音之整合製作、出版與經營。」. 第二節研究目的由上述研究背景與動機可得知，本研究目的是設計具有資料隱藏功能的音訊互動節目單，除在可見光下目視為音樂會節目單外，並在紅外線偵測下，透過視訊攝影機讀取節目單上之隱藏二維條碼浮水印，聽到音樂會曲目中具有代表性的音符，讓觀眾藉著翻閱節目單產生互動，賦予節目單新的意義。基於上述原因，本研究提出的五點研究目的如下：一、編碼設計具有音訊之二維條碼。二、將具有音訊之二維條碼製作成紅外線浮水印做為感測媒介。三、設計針對不同曲目所編碼之二維條碼，透過翻閱節目單，即時進行影像辨識。四、對已加密之圖像擷取影像、影像處理及進行解密，依據辨識結果改變所輸出音樂的表現。五、以此系統建立音訊互動裝置。. 第三節研究問題本研究擬結合紅外線浮水印技術與音訊內容，設計出具有資料隱藏功能的音訊互動節目單。而根據上述的研究目的將研究問題歸納如下五點：一、如何編碼設計出具有音訊之二維條碼？二、如何將具有音訊之二維條碼製作成紅外線浮水印？三、如何透過翻閱節目單，進行即時影像辨識？四、如何對已加密之圖像擷取影像、影像處理及進行解密，依據辨識結果改變所輸出音樂的表現？五、如何以此系統建立音訊互動裝置？ 2.

(13) 第四節名詞釋義以下針對本研究相關之專有名詞進行解釋：一、紅外線（infrared rays）[40,94]：在電磁波譜中，通常將波長範圍為0.76～1000 μm的區域稱為紅外光譜區。為便於對不同波長的紅外光進行研究，一般將紅外輻射分為四個區域如下，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，例如靠近可見光的為近紅外區。 1. 近紅外線區（near-infrared region）波長為0.76～3 μm。 2. 中紅外線區（middle-infrared region）波長為3～6 μm。 3. 中遠紅外線區（middle- and far-infrared region）波長為6～20 μm。 4. 遠紅外線區（far-infrared region）波長為20～1000 μm。二、浮水印（watermarking）：浮水印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。運用在印刷品上，則防止未授權複製及變造[53]。三、二維條碼（2D barcode）：二維條碼是為了改善一維條碼的缺點，如只能表達英文字母和數字，而不能表達其他語文和圖像[41]。在1987年，第一個二維條碼Code49問世[27]，由於左右上下的線條皆有意義，故可儲存1000個字元，至少約500個中文字，它是資料收集自動化的新技術。四、音訊（audio signals）：聲音訊號簡稱「音訊」，泛指由人耳聽到的各種聲音的訊號。一般來說，發音體會產生震動，此震動會對空氣產生壓縮與伸張的效果，形成聲波，以每秒大約 340 公尺的速度在空氣中傳播，當此聲波傳遞到人耳，耳膜會感覺到一伸一壓的壓力訊號，內耳神經再將此訊號傳遞到大腦，並由大腦解析與判讀，來分辨此訊號的意義[96]。五、互動裝置（interactive installation）：互動裝置定義為一組以電腦為訊息傳輸平台的綜合媒體，整合了多種媒體元素，為一種資訊科學與傳播科技的整合運用[38]。六、數位藝術（digital art）： Christiane Paul 定義數位藝術的範疇包括早期的電腦藝術（computer art）、多媒體藝術（multimedia art）以及後來的新媒體藝術（new media art）。這類的藝術包括了把數位技術當成工具而生產的藝術品（如數位相片、電子音樂），以及完全以數位科技當成媒材，製作、儲存、展示並且以數位形式存在的作品（如 flash 動畫、網路藝術）[85]。. 3.

(14) 第貳章文獻探討. 本研究主要結合兩項技術建構隱藏的浮水資訊，即數位半色調技術及噴墨色墨材料在紅外線下的光學特性，並透過自行編碼的二維條碼技術產生不同的音訊，以設計互動系統。因此，本章節將針對數位半色調技術、紅外線物理光學特性、二維條碼，及科技藝術與互動多媒體等文獻加以探討，以作為本研究的基礎架構。. 第一節數位半色調技術一、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Frederic E. Ives學者研發而成，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（continuous tone）原稿轉換成微小的印刷網點[91]，藉著面積大小的不同，將兩階影像模擬出連續調影像的層次，使觀者有濃度深淺的感覺，而使其與原稿近似。這種由濃到淡，有明暗之分的色調，稱之為半色調（halftones）[6]。肉眼辨識層次全靠物體表面上反射光線的多寡來決定，因此顏色的深淺直接由光源強弱或物體表面反射光線來表現[21]，加上人眼具有將鄰近墨點積分之作用 [91]，因此將網點縮小至人類肉眼無法分辨時，呈現在眼前的會是一片由淺而逐漸深的面，兩階影像在人眼上看起來近似連續調影像（圖2-1-1），但實際上卻是由極小的網點所組成。因此半色調的發明對於印刷術來說是一個極為重要的里程碑，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 2-1-1 利用網點模擬不同連續調影像濃度之示意圖[19] 一般在傳統印刷製程中，原稿設計成黑白稿後，才可送製版廠複製成底片，之後經過拼版、曬版、校正、幾經修改後，再曬成正式印刷版，送印刷廠印刷。其中，將原稿複製成底片的過程，印刷術語稱為照相製版（photoengraving），俗稱珂羅版印刷術，是印刷複製中表現層次的主要依據。因原稿及用途不同，照相方法可分為線條照相、網點照相、連續調照相、分色照相及掩色照相，其中本研 4.

(15) 究所使用的技術主要與網點照相有關[19]。網點照相又稱網目照相或半色調照相，製作原理是配合曬版和印刷而來的[19]。傳統類比式的半色調處理是將一網屏置於原稿與底片之間（圖2-1-2），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（glass screens）及接觸網屏（contact screens）[30]。. 圖 2-1-2 照相過網示意圖[30] 圖2-1-3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[30]，但其照相作業手續十分不便，費用又高 [6]。. 圖 2-1-3 玻璃網屏示意圖[30] 而最受印刷業所廣泛使用的半色調製版照相網屏為接觸網屏[6]（圖2-1-4），它是一種膠片，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（圖2-1-5）。在網點形成原理方面，圖2-1-6是其原理負片簡略圖，因為網屏上的每一個網點內由中心往外到網點的邊緣，其濃度是由淺而深，因而透光率不同，由原稿反射或透過來的光線愈強，透過網屏的光線自然也愈多，因而在底片上感光的地方亦大，也就是形成的網點愈大，反之則小[19]。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。 5.

(16) 圖 2-1-4 接觸網屏示意圖[30]. 圖2-1-5 接觸網屏暈映點放大圖[19]. 圖 2-1-6 網點形成原理負片簡略圖[19] 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、鍊狀形、母子形、直線、平行線、波浪紋、同心圓等[30]，其中以方形最為流行[19]。而這些暈點形狀與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出不同形狀的網點。. 6.

(17) 二、數位半色調技術隨著電腦科技的快速發展，傳統的過網技術也結合數位技術，便成為數位過網，即數位半色調（digital halftoning）。近年來也逐漸地受到重視，並吸引了許多學者投入研究[58,59,60,69,78,83,91]。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，將連續調影像經由電腦計算轉換成數位的半色調影像。兩者目的皆將連續調影像轉換成符合輸出設備特性的網點，使之產生許多不同濃淡效果，給予印刷圖紋影像有階調的變化[73,91]。圖2-1-7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，會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，所以會有256個不同的灰階變化，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）決定印點或不印點。數位輸入裝置連續調影像. RGB、灰階影像. 數位半色調處理半色調影像. CMYK 影像. 數位輸出裝置圖 2-1-7 半色調處理系統架構圖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 C 中的每一點像素，經由一個臨界值矩陣量化成為兩階的半色調影像 H，只要大於門檻值（threshold），其像素值為 1，反之為 0，流程如圖 2-1-8 所示。其演算法可以透過方程式（1）來表示，圖 2-1-9 為灰階影像 Elaine 經過門檻值為灰階值 128 所量化的結果。連續調影像 C. 門檻值. 半色調影像 H. 圖 2-1-8 定階量化法流程圖. ⎧1, C (i, j ) ≥ threshold H( x, y ) = ⎨ （1） ⎩0, otherwise. 7.

(18) （a）（b）圖 2-1-9（a）原始連續調影像；（b）定階量化法半色調影像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[91]，流程如圖2-1-10所示，圖2-1-11為Barbara經此方法量化之結果。連續調影像 C. 門檻值. 半色調影像 H. 隨機雜訊圖 2-1-10 影像加入隨機雜訊之定階量化法. （a）（b）圖2-1-11（a）原始連續調影像；（b）影像加入隨機雜訊量化後的半色調影像[22]. 8.

(19) 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製作隱藏浮水印的方法。為解決上述數位半色調方法的缺陷，學者陸續發表許多半色調演算法，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，大致分為以下三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[28,73]（圖2-1-12）。. 被. 圖2-1-12 AM網點概念圖[22] 此類網點形成方法如點陣調色法（ordered dithering）[91]，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。其運算方式若採用臨界值矩陣大小 M × N 來運算處理一灰階影像 P（i, j），透過方程式（2）將原連續調影像灰階值轉換成臨界值矩陣階調數 Q（i, j）。而原連續調影像之灰階值，透過方程式（3）之計算，判別影像之灰階值大於所設定的臨界值時，便以 1 表示；若影像之灰階值小於所設定的臨界值時，則以 0 表示，藉由此演算法的方式，即可產生以 0 與 1 表示的半色調影像。. 9.

(20) ⎛ P(i, j ) ⎞ Q(i, j) = M × N × ⎜1 − ⎟ 255 ⎠ ⎝. （2）. P（i,j）：原始灰階影像階調數 Q（i,j）：透過臨界值矩陣轉換的階調數 M × N ：臨界值矩陣大小. ⎧1, Q(i, j ) ≥ T (m, n) L(i, j ) = ⎨ ⎩0, Q(i, j )< T (m, n). （3）. L（i,j）：轉換後之半色調影像階調數 T（m,n）：臨界值數值=T i. K. M, i. K. N ，K 與K 為整數. 舉一實例如圖2-1-13所示，左方大小8x8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8x8的像素點，倘若在此區塊所算出階調數值為22，輸出設備就會依照臨界值矩陣中的數值來著墨，最後共著墨22個位置。 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 圖 2-1-13 利用臨界值矩陣指引機器著墨（階調數 22）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[91]。 10.

(21) 以一連續調灰階影像Elaine為例（圖2-1-14），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（圖2-1-15），垂直式以垂直線的方式排列（圖2-1-16），而斜向式則以右斜（圖2-1-17）或左斜（圖2-1-18）的方式排列。另外，圖2-1-19與圖2-1-20分別為網屏角度0度與45度之臨界值矩陣與其所產生的影像，可看出網屏角度對所形成的半色調影像也有很大的視覺差異，由其結果比較起來，人眼對45度的網點感覺不敏銳，相較於0度影像比較細緻，較易被人眼視為連續調影像，因此一般以網屏角度45度之臨界值矩陣所產生的半色調影像最常為印刷業界使用。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。. 圖 2-1-14 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. 3. 6. 4. 2. 1. 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 2-1-15（a）水平式臨界值矩陣；（b）處理後所得之半色調影像. 11.

(22) 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 2-1-16（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 45 63 51 36 24 8 60 54 35 19 4 49 38 23 3 33 20 7. 10. 13 26. 16 32 42. 11 28 47 58. 15 27 43 61 52. 17 5. 12 30 46 59 56 37. 1. 25 41 57 53 40 22. 9. （a）（b）圖 2-1-17（a）右斜向臨界值矩陣；（b）處理後所得之半色調影像 1. 9. 25 41 57 53 40 22. 17 5. 12 30 46 59 56 37. 33 20 7. 15 27 43 61 52. 49 38 23 3. 11 28 47 58. 60 54 35 19 4. 16 32 42. 45 63 51 36 24 8. 13 26. 31 48 64 55 39 21 6. 10. 14 29 44 62 50 34 18 2 （a）（b）圖 2-1-18（a）左斜向臨界值矩陣；（b）處理後所得之半色調影像. 12.

(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 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 2-1-19（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 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 2-1-20（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區域做設計，由於人眼對影像高頻區域較不敏銳，因此減少低頻區域，對影像邊界能保留較多的資訊，可產生較佳的影像品質。但是因為像素點為獨立產生，並且印表機的墨點在實際輸出時並非是理想的方正墨點，不規則的形狀會導致網點擴大（dot gain），因此分散式臨界值矩陣過網較容易有網點擴大的情形，其臨界值矩陣如圖2-1-21（a）所示，藉由此方式輸出之半色調影像如圖2-1-21（b）。. 13.

(24) 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 2-1-21（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相同，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（圖2-1-22），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[28,70]。. 被. 圖2-1-22 FM網點概念圖[22] 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學者所提出之Floyd-Steinberg Error Diffusion（FSED）[91]，其流程如圖 2-1-23所示，透過一固定的臨界值T（方程式4），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 f ilter）（方程式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，使得輸出的二階影像B整 14.

(25) 體灰階值與原始影像G整體灰階影像近似。圖2-1-24為Elaine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。. G. B. 臨界值. 誤差誤差擴散濾波器圖 2-1-23 誤差擴散法流程圖. ⎧1, G (i , j ) ≥ T B (i , j ) = ⎨ ⎩0, G (i , j )< T. （4）. G（i, j）：原始影像階調數 B（i, j）：轉換後之半色調階調數 T：臨界值數值. ⎡1 0 0 ⎤ 1 ⎢ 0 −16 7⎥ ⎢ ⎥ 16 ⎢⎣3 5 1⎥⎦. （5）. （a）（b）圖 2-1-24（a）原始連續調影像；（b）經誤差擴散法處理所得之半色調影像 15.

(26) 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）[91]，但還是會有蠕蟲痕紋的產生。. （三）複合網點（hybrid halftone dot）調幅網屏[22]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。因此有人提出複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特性的遮罩，利用網點的大小和網點的分佈來表示階調，且綠雜訊的分佈既隨機又平均，並具有叢聚的特性，圖2-1-25為Elaine經此方法處理後所得之半色調影像。. （a）（b）圖 2-1-25（a）原灰階影像；（b）經綠雜訊遮罩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，也就是分佈方式愈平均愈佳。然後再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。主處理程序是找出單一階調之綠雜訊分部內各個叢聚的位置，並令其為 16.

(27) 重心。次處理程序是利用已知的重心，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，則為多數點的位置不變。在介紹完本章節所提的三種半色調影像技術後，本研究將這些方法做一簡單分析整理如表2-2-1所示。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，而有干涉花紋的錯網（moiré）情況產生，造成視覺上強烈的對比，但相對於FM網點及綠雜訊遮罩法產生的網點，AM網點比較不會有網點擴張的問題，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。表2-2-1 半色調方法比較表[22,49] 點陣調色法. 誤差擴散法. 綠雜訊遮罩法. 網點大小. 網點疏密. 網點大小與疏密. 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. 網點大小. 變化. 固定. 固定. 網點距離. 固定. 變化. 變化. 網屏角度. 有. 無. 無. 網屏線數. 有. 無. 無. 錯網. 有. 無. 無. 干擾紋(網花). 有. 無. 無. 影像解析度. 低. 高. 高. 影像細部損失. 會. 不會. 不會. 階調表現方法. 三、數位半色調影像加密技術浮水印技術可分為數位浮水印與實體浮水印技術，數位浮水印的加密可以電腦直接判讀，但對於以印刷方式呈現的實體浮水印而言，影響加密效果的變數比數位檔加密更為複雜[52]，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，因此以印刷輸出的加密技術仍有極大的研究發展空間。在數位浮水印方面，由於電腦科技的普及以及網路的擴展，整個地球幾乎已透過網路連繫在一起，網際網路也成為絕佳的宣傳銷售媒介，幾乎所有企業都將其傳統的商業活動擴展至網際網路上，並透過網路提供相當多的資訊及活動，例如電子購物、電子文件交換、隨選視訊、線上廣播及廣告等各式新的商機。但在享受其便利性的同時，網路上的影像、聲音及影片等具有價值性的數位資訊卻令人擔心。電子檔案比起傳統檔案在取得及重製上相對容易許多，如何能夠保護檔 17.

(28) 案所有人的智慧財產所有權（著作權），在數位化的資訊環境中就顯得特別重要，數位浮水印便是用來解決此問題的有效技術。數位浮水印又可分為可視的和不可視的[37]，可視的數位浮水印和傳統的浮水印類似，均是直接增加訊息於影像上，且不必經由任何運算就可以由肉眼來讀取。然而，其主要缺點就是破壞了媒體原有的美觀，且現今電腦普及，各種影像處理技術也已經相當成熟，資料的複製、取得以及修改都變得相當容易，因此這種數位浮水印方式並不適用於數位環境中安全性需求較高的檔案。因應數位環境中對文件安全需求，各種不可視的數位浮水印方式逐一問世。 E.H. Adelson 學者於 1990 年提出的 LSB （least significant bit）最低位元法[51]，是利用人眼對於此最後一位元的灰階差距無法判別，而將灰階影像最後一個位元置換成浮水印的數據。在解密時便只針對影像中每個灰階像素取其最後一個位元，便可將數位浮水印取出；若將數位浮水印資訊置換其他位元時的情形，愈往高位元位置做改變，在影像中每一個灰階值的影響會愈大，也愈容易看見浮水印的存在（圖 2-1-26～27）。. 圖 2-1-26 應用 LSB 加密技術之原始圖. （a）. （b）. （c）. （d）. （e）（f）（g）（h）圖 2-1-27 應用 LSB 加密技術於不同位元加密情形。加密於最後的（a）第 1 個位元（b）第 2 個位元（c）第 3 個位元（d）第 4 個位元（e）第 5 個位元（f）第 6 個位元（g）第 7 個位元（h）第 8 個位元. 18.

(29) 麻省理工學院媒體實驗室（MIT media lab）的 W. Bender 學者等人提出的 Texture Block Coding[53]方式，嵌入相同的訊息或圖案於灰階影像中較高頻的區域，因此對人眼來說，藏密的位置與鄰近的影像看起來是沒有差別的，但是對電腦而言卻可以分辨其差異性，利用電腦將整張灰階影像相互比對後即可找出差異性最小的兩個位置，解出數位浮水印的資料（圖 2-1-28）。利用以上兩種影像處理的方法可以藏入資訊且讓一般觀看圖像者對浮水印的存在渾然不覺，但是這種方法一旦經過影印或是輸出後，便無法解出加密訊息。. 圖 2-1-28 Texture Block Coding 加密位置示意圖[53] 因此，本研究主要將實體浮水印應用於音樂節目單，除了利用墨水的光學特性外，實體浮水印也較難偽造及解碼。為解決印刷和影印對數位浮水印保全的問題，在印刷品的實體浮水印技術方面，有學者便利用網點的特性來做加密。以下針對數位半色調影像技術作簡要的介紹：（一） Glyph Code Xerox Palo Alto 研究中心的 David L. Hecht 學者於 1994 年提出的 Glyph Code[67]，它是利用不同網點變形角度隱藏資料的技術，其原理是在影像在進行點陣調色法二階化的過程中，將欲隱藏的資訊藉由網點角度藏入資訊，形成左斜和右斜的橢圓形網點，左斜向網點「／」表示 1，右斜向網點「＼」表示 0（圖 2-1-29）。且在編碼的過程加入錯誤修正碼（error correction code, ECC）來抵抗輸出的影像受到刮傷、塗改或不同印刷條件辨認時所造成的錯誤。. 19.

(30) 圖 2-1-29 經過網點的加密灰階影像，左斜與右斜分別代表 0 或 1[67] （二） NaNOcopy™ 2002 年，George K. Phillips 學者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，製作達到隱藏資訊的效果的 NaNOcopy™實體浮水印 [82]。因為影印機取樣不足（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（圖 2-1-30），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，不同於傳統半色調網點形狀，其圖像特色在於可自由打造個人化網點。. 圖 2-1-30 以網點變形技術構成之 NaNOcopy™實體浮水印[82] （三）混合網點技術 2004 年由蕭佩琪等學者所提出的混合網點技術可製作出供輸出用的浮水印 [47]，使用經校正過的 AM 及 FM 網點，利用不同大小及不同疏密的網點以混合網點的方式來隱藏浮水印圖案，並藉由印墨在紙張上著墨特性的不同，製作在一定距離外視覺不可見的浮水印，但複印時，由於兩種尺寸的網點所需的取樣頻率不同，而複印設備無法滿足其中之一的取樣需求時，便能顯示隱藏之浮水印，以 20.

(31) 防止複印機或掃描列印影像的偽造（圖 2-1-31）。. (a)肉眼觀看之效果. (b)浮水印細部結構圖. (c)經複印後之效果. 圖 2-1-31 使用 AM 和 FM 混合網點製作之浮水印[47] （四） Oscar C. Au 與 Ming Sun Fu 浮水印研究由香港科技大學 Oscar C. Au 與 Ming Sun Fu 學者於 2000 年所提出的半色調影像資料隱藏方法 DHST（data hiding by self toggling）、DHPT（data hiding by pair toggling）及 DHSPT（data hiding by smart pair toggling）[3,43,64]，此三種方法皆以隨機擬似（pseudo random）的方式指定資料隱藏的位置。但是 DHST（圖 2-1-32 （a））會造成影像會出現區塊性的雜點，因此資料隱藏後的半色調影像品質不高。雖然 DHPT（圖 2-1-32（b））相較於 DHST 所得的影像品質較佳，並且也降低了區塊性的雜點，但仍無法避免影像區塊雜點的產生。最後，DHSPT（圖 2-1-32 （c））是結合 DHST 與 DHPT 將二位元浮水印嵌入半色調影像當中，雖然可減少區塊雜點的產生，但是仍然無法完全避免。. (a)經 DHST 加密 (b) 經 DHPT 加密 (c) 經 DHSPT 加密圖 2-1-32 半色調影像資料隱藏效果[64] 於 2002 年，Oscar C. Au 與 Ming Sun Fu 學者提出 DHED（data hiding error diffusion）與 MDHED（modified data hiding error diffusion）[3,43,61]兩種方式。 DHED（圖 2-1-33（a））主要是在進行誤差擴散法過網演算的同時並判斷是否執行到資料隱藏的位置，當欲嵌入的資料為 1，則指定該位置的半色調影像像素值 21.

(32) 為 1，相反地，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，之後將資料隱藏後所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，使得過網與資料隱藏一起完成。而 MDHED（圖 2-1-33（b））則是為了改善 DHED 演算法的誤差值都由後方的像素承擔問題，以致於誤差皆集中在後方，無法平均的擴散，因此 MDHED 便是以改良 DHED 的影像品質為目的，同樣將密碼藏在事先指定的位置，從有原始灰階影像的情況下，在半色調的過程對加密位置不作半色調處理，但將其與其它非密碼位置在過網產生的誤差擴散至鄰近未過網區域的像素，以確保資料在隱藏後的位置顏色不受後續演算法的影響，此方式大致可改善區塊性雜點的情形。. (a) 經 DHED 加密 (b) 經 MDHED 加密圖 2-1-33 半色調影像以 Steinberg 誤差擴散法之資料隱藏效果[61] 2004 年，Oscar C. Au 與 Ming Sun Fu 學者提出的 CWED（correlation-based watermarking error diffusion）[46,62]是於半色調過程中，嵌入一個全尺寸、高解析度、具有強韌性的二階影像，同時維持半色調影像的視覺品質。CWED 主要是採用重疊的方式將原來的二階影像劃分成連續的區塊，並自訂二階秘密矩陣以作 XOR 運算，之後判斷其結果的總合為奇數或偶數，並比對與過網後的原始影像像素值是否相同，作為更改過網後影像像素值的考量。因為在一般的誤差擴散法中，一個影像有一半機率成為 0 或 1，但在 CWED 演算灰階影像半色調的過程中，是以加密後所產生的半色調誤差值是否有超過一定的門檻值來決定應不應該做變動，若大於臨界值則不向後進行誤差擴散的動作，以保持良好的半色調影像品質，使得加密後可只針對局部的影像作解碼，並使影像能有效的抵抗裁切等攻擊。. 22.

(33) (a)誤差擴散法半色調影像 (b)以 CWED 方法嵌入浮水印圖 2-1-34 以 CWED 方法嵌入浮水印之資料隱藏效果[62] （五） PSMOD 台灣大學電機工程學系 Soo-Chang Pei、Jing-Ming Guo 與 Hua Lee 學者於 2005 年提出一個應用於點陣調色法的半色調影像數位浮水印技術，稱為 PSMOD （paired sub-image matching ordered dithering）[3,81]，主要是利用位元交錯（bit-interleaving）和次影像交錯（sub-image-interleaving）的前處理嵌入浮水印於點陣調色法的半色調影像中。這方法對於各種嵌入能力能夠達成好的視覺品質和適應性，同時利用臨界值來保持計算複雜度低的點矩陣調色法，並可防範裁切、修改、掃描和列印等降低浮水印的處理（圖 2-1-35）。. (a) 64 x 64 浮水印. (b)以 PSMOD 法嵌入(a) (c) (b)的位元與子影像交錯形式圖 2-1-35 以 PSMOD 方法嵌入浮水印[81]. 經由以上所述相關研究，可得知一些半色調資料隱藏的技術，其方法主要希望在加入隱藏資訊時不會破壞原始影像，並針對複印後，因掃瞄設備取樣頻率不同而造成顯現浮水底紋或消失細節，因此本研究欲建立利用紅外線偵測設備讀取實體浮水印節目單。 23.

(34) 第二節紅外線與噴墨墨水的光學特性本研究目的是設計具有資料隱藏功能的音訊互動節目單，除在可見光下目視為音樂會節目單外，並在紅外線偵測下，透過攝影機讀取節目單上之隱藏二維條碼浮水印，以聽到音樂會曲目中具有代表性的音符，讓觀眾藉著翻閱節目單以產生互動。其中主要利用紅外線與噴墨墨水的光學特性來製作紅外線浮水印，因此本章節主要探討噴墨墨水對於紅外線的光學特性原理，以建構為何紅外線浮水印為何在可見光下看不見，卻可在紅外線下顯現。一、紅外線光線是一種輻射電磁波，其波長的分佈自 300 nm（紫外線）到 14,000 nm（遠紅外線）。不過一般人類的視覺僅能感知波長為 390 nm~750 nm，簡稱 400 nm （紫）到 700 nm（紅）的範圍，一般稱為「可見光域」（Visible）[86]。紅外線是人類無法肉眼感知的部份，但因為現代科技進步，人類利用各種特殊材質的感應器，把感覺範圍從可見光部份向兩端擴充，因此紅外線雖無法被肉眼所觀察，但可透過儀器擷取，這類技術也在近代科技中被充分利用，例如夜視鏡以及於 SARS 期間大量即時偵測體溫之紅外線成像儀等。 1800年，英國爵士威廉．赫歇爾（Sir William Herschel）用三稜鏡的分光作用探討光譜的熱效應時，發現了紅外線。75年之後，紅外線這個名詞才正式為光譜學的文獻所採用[20]。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，構成了一個連續的電磁波波譜 [16,40,94]。在電磁波譜中，通常將波長範圍為0.76～1000 μm（1 μm = 1000 nm）的區域稱為紅外光譜區。在紅外線技術中，為便於對不同波長的紅外光進行研究，一般將紅外輻射分為四個區域[40]如下： 1. 近紅外線區：波長為0.76～3 μm。 2. 中紅外線區：波長為3～6 μm。 3. 中遠紅外線區：波長為6～20 μm。 4. 遠紅外線區：波長為20～1000 μm。所謂遠或近，是指紅外輻射在電磁波譜中距離可見光的遠近，靠近可見光的為近紅外區，離可見光比較遠稱遠紅外線區。各種不同波長的光譜的分布位置及關係如圖2-2-1所示。. 24.

(35) 圖 2-2-1 光譜示意圖（改繪自[40]）. 二、噴墨色墨材料在紅外線下的光學特性紅外輻射可視為一個能量波段，當波穿過物質時，會將能量傳遞給物質。且當波穿過物質時，它的振幅逐步下降，如果只有很小部分能量被吸收，則稱此媒質對於該種輻射是透明的；如果所有的能量都被吸收，便稱該媒質為不透明。物質的吸收作用是有選擇性的，也就是它們會吸收某些特定波長的輻射[95]。而且 Bouguer學者表示當光線通過幾層由同厚度的相同物理所構成的介質時，則會產生相同的吸收比率，亦即具有相同的透射率。且物質的吸收率取決於該物質的性質，並與波長有關，而與入射光的強度無關[48]。黑色（black，簡稱 K）的墨水，因為能吸收白光中所有各色的光波，而無反射作用（即使有反射也是極少的），故其墨色乃呈黑色。因此，不透明物質的顏色，乃決定於其物質本身所能反射之光波的色澤如何而定[26]。印刷製程中有應用紅外線的實例，如平版會利用紅外線加熱使油墨黏性降低，因此配合平版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[28]。印刷應用於影像顯示產業方面，2010 年也有 MIT Matthew J. Panzer 等 5 位學者[76]以噴墨印刷取代原來旋轉塗佈的方式，利用紅外線材料製作不同尺寸的半導體量子點，以減少紅外線材料的損失，促進多色像素的清晰度；因為對人眼來說不同波長放射的紅外線像素全部呈現同樣顏色，對於安全資訊顯示器非常具有吸引力。在紅外線下噴墨墨水的光學特性方面，印刷工業上因青色（cyan，簡稱C）、洋紅色（magenta，簡稱M）、黃色（yellow，簡稱Y）顏料缺陷，三原色混合後並非黑色，導致暗部對比平淡，畫面有深度不足感。由於碳黑在紅外線區域有相當的被吸收率，即碳黑在紅外線底下呈現不透明色，因此在印刷上含有碳黑的K 墨，常在工業上來加強色彩的黑度值（blackness），並且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[18,71]。相反地，C、M、Y墨水並 25.

(36) 不吸收紅外線[71]。碳黑成分也有應用於少數特殊油墨中，例如台灣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，其印墨因為添加碳黑成分，因此部分圖文在紅外線下觀察呈現深色與透明的反差。圖2-2-2為仟元鈔票置於正常光及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，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。此效果雖和本研究欲達到目的類似，但此種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。. （a）正常光下（b）紅外線下圖 2-2-2 台灣仟元鈔票（攝影：梁鳳儒）使用碳黑在紅外線下的光學特性應用方面，2004 年日本國立印刷局曾發表名為 ImageSwitch ®的半色調網點技術[78]，運用半色調網點技術，改用不規則網點運算（圖 2-2-3）將圖片隱藏進欲輸出的圖像中，在紅外線環境底下，由於 C、 M、Y 墨會穿透，而僅有 K 墨會被吸收，便顯示出隱藏的圖片（圖 2-2-4），形成變圖效果，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。. 圖 2-2-3 ImageSwitch 技術之網點結構示意圖[78]. 26.

(37) Ordinal Under IR 圖 2-2-4 ImageSwitch 技術之範例圖[78] 2009年劉文心研究者針對噴墨印表機印刷四色C、M、Y、K墨水，透過顯微光柵式分光光譜儀求取於波長192~2600 nm區段（近紫外光至近紅外線）的透射率。圖2-2-5為C、M、Y、K墨水在不同波長下的透射光譜圖[34]，光譜透射率（spectral transmittance）定義為物體透射的輻射通量入射的輻射通量之比[48]。透射率分佈於0表示該波長之光波會被墨水完全吸收而無穿透，1則表示該波長之光波可完全穿透。經其研究發現K墨水吸收了大範圍頻率的光，因此透射率為0，表示該波長之光波會被墨水完全吸收而無穿透。相反地，C墨水反射藍光與綠光，吸收紅光，所以僅在近紅外光頻率(> 1000 nm)展現穿透光強度；M墨水反射藍光與紅光，吸收綠光，所以在近紅外光頻率(> 750 nm)展現穿透光強度；Y墨水反射綠光與紅光，吸收藍光，故在部份可見光與近紅外光頻率(> 650 nm)展現穿透光強度。因此當波長在750~1375 nm的近紅外光區時，C、M、Y墨水和K墨水呈現不同的性質[34]。C、M、Y墨水雖有不同透射率但均為穿透，因此於近紅外光線下呈現透明，而K墨水吸收該波段的光，因此於近紅外光線下呈現不透明而顯現。. 圖 2-2-5 C、M、Y、K 墨水在不同波長下的透射光譜圖[34] 27.

(38) 三、紅外線偵測取像目前的數位攝影已相當普及，而CCD或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780～1200 nm的近紅外線波段。但在可見光攝影中，紅外輻射會影響成像的品質。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，這些非可見光所形成的影像之對焦位置是不正確的，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及非可見光的反射與吸收性能不同，可見光中的低光區域可能是紅外線的強反射區域，如果可見光與紅外線同時成像，共同作用的結果會使影像反差降低。因此相機等取像裝置大多都有內裝紅外截止濾鏡（infrared cut filter, ICF）來阻擋紅外線[16,40]，以提高成像品質。圖2-2-6為感光元件的光譜響應圖，可看出CMOS或CCD感光元件在未加紅外線濾鏡時，本身就能感測近紅外線區段的光線。由於上述原因，偵測紅外線的能力往往也被忽視，因此有些相機或手機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，即我們常見的夜視模式。. 圖 2-2-6 CMOS 攝影機之光譜響應圖[63] 本實驗利用噴墨印表機使 C、M、Y、K 四種印刷原色作列印輸出，利用數位半色調過網計算後可在設定的部份進行著墨，因此利用四色輸出即可模擬出網點的分佈並進行處理。因碳黑吸收紅外線區，而 C、M、Y 等色料在紅外線下則幾乎呈現透明的特性，本研究即是利用此色墨光學特性製作具有隱藏資訊的紅外線浮水印。其效果相當於市面其他特製的紅外線油墨，亦可達成以紅外線偵測隱藏訊息之功能，但本研究卻可利用此種過網方式輸出的方式來節省材料成本並簡化製作流程，以 C、M、Y、K 四種墨水透過特殊設計進行疊印，同樣達到具有隱藏資訊的紅外線浮水印。 28.

(39) 第三節二維條碼本研究目的是設計具有資料隱藏功能的音訊互動節目單，除在可見光下目視為音樂會節目單外，透過紅外線視訊攝影機讀取節目單上之隱藏二維條碼浮水印，以聽到音樂會曲目中具有代表性的音符，讓觀眾藉著翻閱節目單以產生互動。由於本研究主要是以二維條碼帶動音訊，因此本章節主要是探討二維條碼之起源、原理、分類及應用，以供筆者瞭解現在二維條碼的發展狀況並應用其原理於本研究中。一、一維條碼條碼起源於美國，1970 年美國超級市場公會（Supermarket Institute, SMI）與 IBM 電腦公司聯合發展出一套「統一商品條碼」（Universal Product Code, UPC），這是世界上商業條碼系統（一維條碼）的起源，於 1973 年正式啟用；西歐各國亦隨後於 1976 年推動「歐洲商品條碼」（EAN），並大力拓展此商品條碼成為商品的「國際共通語言」；日本、澳洲也相繼於 1981 年加入 EAN，使 EAN 發展為全球性的「國際商品條碼協會」（International Article Numbering Association, IANA）；我國則於 1984 年籌設「中華民國商品條碼策進會」（Article Numbering Association of R.O.C.），並於 1985 年加入 IANA 成為會員，中華民國商業自動化至此始形成[15]。一維條碼（Barcode）為一種供機械認識的條狀記號，其原理是將數字與英文字母等字元規劃成各種粗細不同組合的平行黑白條紋，再將載有文字及數字資料的條紋列印在商品上，透過掃描器的閱讀，將之轉換成數位信號，而解碼器會判定粗條以供作自動化輸入電腦或統計機的「識別符號」[15]。一維條碼上下沒有意義，只有左右的粗細及黑白線條有意義，故稱為一維條碼。一維條碼有很多種，圖 2-3-1 是一維條碼的例子[24]。目前一維條碼的應用廣泛，例如超級市場及便利商店之計價；郵件分類、表單資料之管理；稅單及圖書之管理；門禁及出勤打卡管理；血庫及商品庫存管理；點歌及點菜系統；學生證、護照及票卷之管理；物流、中心之自動揀貨及倉庫盤點等[1]。. 圖 2-3-1 一維條碼應用於書本的例子（攝影：梁鳳儒） 29.