一种提高原始图像防伪造性能的密钥嵌入方法与流程

本发明属于图像防伪造技术领域，具体涉及一种提高原始图像防伪造性能的密钥嵌入方法。

背景技术：

随着半色调数字加网技术、计算机图像处理技术和计算机直接制版技术的三大技术发展，以半色调网点形状和空间位置分布为载体的新型印刷防伪技术也已经得到了印刷行业专业人士的高度重视和积极探索。例如武汉大学的万晓霞教授研究的以点到点误差扩散数字加网技术的空间域为基础的数字水印算法，这种算法在对数字图像进行加网的过程中，嵌入了数字水印信息；江南大学的张逸新教授团队主要集中并大量研究了半色调加网技术和微结构加网防伪技术；西安理工大学的张二虎教授团队在半色调水印防伪印刷方面进行了加网及去网两方面的理论研究。还有南京林业大学的刘真教授提出了基于加网复制的光栅防伪技术研究，并利用adobephotoshop软件对提出的方法进行了模拟实验，然后采用epson7880打印机对图像进行输出，用对应参数的光栅片对实际打样稿的防伪效果进行了检验。实验证明只有利用特定的光栅片才能看到图像中隐藏的防伪信息，说明该防伪方法在加网复制印刷中具有较好的防伪效果。

南京林业大学的高晴华在《算法数字防伪光栅的设计与评价》中，以相位调制潜像法光栅防伪技术为基础，设计一种通过算法来实现的数字光栅，在该论文中，通过主观和cisi、fi、ti三中客观方法对该算法实现的数字光栅提取潜像质量进行了评价，并与软件法光栅的质量进行了比较。算法光栅能够清晰的提取防伪潜像(即密钥)。

基于前述，光栅防伪技术是近些年出现的对半色调图像进行防伪处理的防伪方法，其基本原理是在半色调图像加网过程中采用图像处理技术嵌入防伪信息(密钥)从而实现防伪信息的隐藏。嵌入防伪信息(密钥)的半色调图像与没有嵌入隐形图文的半色调图像在视觉上没有明显差别，印刷后隐形图文也不会显现出来。但是如果将对应参数的光栅检测片片覆盖在半色调图像上，再将光栅片旋转到特定角度就可以看到嵌入在半色调图像中的防伪信息(密钥)。

公开号为cn106891632a的中国发明专利申请公开了一种用于包装印刷品光栅和图像载体组合拼接的防伪方法，通过分割需要隐藏的图文信息，将被分割的部分分别置入载体图像和显隐光栅上。使用带有图文信息的显隐光栅提取与之对应数字图中完整的图文信息，并图像完整再现的效果，与数字图像不匹配的显隐光栅不能达到提取完整图文信息的效果，因此提高了产品的防伪性能。但是，结合该申请的说明书附图可知，隐藏的图文信息不稳定，非常容易被人眼直接察觉，导致防伪失效。

公开号为cn105574571a的中国发明专利申请公开了一种光栅点阵防伪标识、及其生成方法与生成系统，防伪标识包括标识基层与印制其上的点阵图形，在点阵图形上还覆盖有光栅片层；生成方法包括：将点阵图形的电子图样印刷在标识基层上；将光栅片层附着在点阵图形上，以形成光栅点阵防伪标识；使光栅点阵防伪标识进行旋转，在采集其在不同旋转角度的光栅片层中所形成的图像后，上传至服务器；将采集的图像分别与点阵图形的码值进行关联绑定。由于光栅片层在不同的查看角度下会产生不同的查看效果，因此，将其覆盖在点阵图形上以后，基于同一个点阵图形在不同的查看角度下也会呈现出若干个形状，从而使点阵图形的样式更具有多变性，但是该防伪标识的信息容量小，嵌入率低，适用范围较窄。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种提高原始图像防伪造性能的密钥嵌入方法，设置多层次的密钥，密钥的信息容量大、嵌入率高，同时通过多层次的加密手段和检测手段，用以提高防伪造的难度。

本发明提供了如下的技术方案：一种提高原始图像防伪造性能的密钥嵌入方法，包括以下步骤：

(1)、预处理

输入原始图像，得到原始图像的尺寸大小和输入分辨率；确定密钥的信息，密钥包括第一密钥、第二密钥和第三密钥；第一密钥和第二密钥均为数字；第三密钥为图形；

采用颜色模式转换对原始图像进行分解，得到原始图像在y通道、m通道、c通道和k通道上的4个分色图像；对y通道、m通道、c通道和k通道的4个分色图像采用调幅加网，对应得到由网点组成的第一网点图、第二网点图、第三网点图和第四网点图；

(2)、第一密钥、第二密钥和第三密钥的嵌入

在第二网点图中嵌入第一密钥和第二密钥，在第三网点图中嵌入第三密钥；

第一密钥设有两个且对称设置于第二网点图的左上角和右上角；第二密钥设有两个且对称设置于第二网点图的左下角和右下角；

设于第二网点图的左上角的第一密钥与设置于第三网点图的左下角的第二密钥，两者上下对齐；设于第二网点图的右上角的第一密钥与设置于第二网点图的右下角的第二密钥，两者上下对齐；

嵌入完成后，带有第一密钥和第二密钥影像的第二网点图、带有第三密钥影像的第三网点图；

(3)、生成待输出防伪图像

将第一网点图、带有第一密钥影像和第三密钥影像的第二网点图、带有第二密钥影像的第三网点图以及第四网点图合成，得到待输出防伪造图像，准备印刷输出。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述第一密钥和第二密钥的嵌入方法为：

取出第二网点图，在第二网点图中的对应区域获取第一密钥的轮廓，通过第一密钥的轮廓内的网点变换形成第一密钥的影像，得到带有第一密钥影像的第二网点图；取出得到的带有第一密钥影像的第二网点图，在对应区域获取第二密钥的轮廓，通过第二密钥的轮廓内的网点变换形成第二密钥的影像，得到带有第一密钥和第二密钥影像的第二网点图；

所述第三密钥的嵌入方法为：

取出第三网点图，在其中间区域获取第三密钥的轮廓，通过第三密钥的轮廓内的网点变换形成第三密钥的影像，得到带有第三密钥影像的第三网点图。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述调幅加网时设置加网角度，4个分色图像的加网角度对应为和调幅加网时还设置加网线数，加网线数为l，单位为lpi。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述网点变换的方式为位移网点位置，第一密钥、第二密钥和第三密钥的影像形成方法均采用相位调制法进行；第一密钥的轮廓内的网点的位移方向与水平线之间的夹角为0°，第二密钥的轮廓内的网点的位移方向与水平线之间的夹角为0°，第三密钥的轮廓内的网点的位移方向与水平线之间的夹角为30°，第一密钥、第二密钥和第三密钥轮廓内的网点的位移距离均为单位为mm。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述所述网点变换的方式为网点形成角度变换；

所述形成第一密钥的影像的方法为：在第二网点图中获取第一密钥的轮廓，删除第一密钥的轮廓内的网点，在第二网点图中留出空白区域，在m通道分色图像的对应区域上获取第一密钥的轮廓，选取第一密钥的轮廓内的图像进行调幅加网，加网角度为15°，获得另一个第一密钥网点图，将第一密钥网点图对应置入第二网点图中的空白区域中，在第二网点图中形成第一密钥的影像。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述形成第三密钥的影像的方法为：在第三网点图中获取第三密钥的轮廓，删除第三密钥的轮廓内的网点，在第三网点图中留出空白区域，在c通道分色图像的对应区域上获取第三密钥的轮廓，选取第三密钥的轮廓内的图像进行调幅加网，加网角度为32°，获得另一个第三密钥网点图，将第三密钥网点图对应置入第三网点图中的空白区域中，在第三网点图中形成第三密钥的影像。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述尺寸大小包括长度和宽度，单位为cm，将长度对应的数字“m”作为第一密钥，宽度对应的数字“n”作为第二密钥。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述原始图像为中间调图像，原始图像的大小为3cm*4cm，第一密钥为数字“3”，第二密钥为“4”。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述原始图像为阶调具有变化的图像，原始图像的大小为5cm*5cm，第一密钥和第二密钥均为“5”。

本发明的有益效果：设置多层次的密钥，密钥的信息容量大、嵌入率高，同时通过多层次的加密手段和检测手段，用以提高防伪造的难度，具体在于：

(1)、本发明中第一密钥、第二密钥按规则分布于原始图像4个顶角，可以方便检测光栅进行定位，先在这4个定位点检测出对应的第一密钥和第二密钥，并且第一密钥和第二密钥上下两两对齐，用于进一步提高伪造的难度，结合图形形式的第三密钥，使得在伪造者在攻破防伪参数进行伪造图像方面的可能性几乎为0，因此，伪造者不管是直接复制还是自己制作对应的图像，都无法拷贝到防伪造图像的全部信息，本发明的图像防伪造方法，提高了伪造的难度，且自身信息容量大，信息嵌入率高，层次丰富，检测清晰度强烈，可以实现完整的防伪造过程；

(2)、本发明中密钥的嵌入方式优选两种方法，分别是网点位移和网点加网角度的变换，前者基于相位调制潜像法较为常见，其对于密钥的不可感知性具有稳定的正面影响，后者基于加网参数变化，可以省略网点位移，降低误差率；

(3)、本发明设置多层次的密钥，同时通过多层次的加密手段和检测手段，用以提高防伪造的难度，特比地，第一密钥和第二密钥，由原始图像的尺寸大小确定，与原始图像自身特征结合度高，当检测出第一密钥和第二密钥后，还可以通过第一密钥和第二密钥与图像的大小相比较，如果图像的大小与第一密钥和第二密钥显示的数据不符，则图像为伪造图像；

(4)、本发明以图像半色调加网原理和莫尔纹防伪原理为理论基础，对特征不同的宿主图像分别进行半色调加网(离散化处理)，对加网图进行处理实现密钥的嵌入，其中嵌入的密钥不会对原始图像产生很大的影响效果，仅凭人眼观察根本看不到密钥；另外，还有所不同的是，本发明除了采用检测光栅辨别真伪，还可以通过检测光栅获得第一密钥和第二密钥显示出的数字对图像大小进行校验，从而实现多层次的防伪，提高伪造难度；

(5)、本发明提高原始图像防伪造性能的密钥嵌入方法，可以将多种密钥同时设置并隐藏在防伪造图像中，由于这种形式的图像自身不可抗第二次印刷复制攻击，当伪造者采用防伪造图像进行再次复制后，防伪造图像会重新分色并进行二次加网，虽然最后合成的图像表面上看上去没有差别，但是检测光栅在复制后的防伪造图像上完全无法识别到密钥，因此经过重新分色和二次加网，微观结构的网点产生变化，完全破坏了被复制图像上的防伪参数，因此伪造者无法仿造出完全一模一样的图像。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例1中的原始图像(为过滤彩色信息已转为灰度图)；

图2是本发明实施例1中待输出防伪图像(为过滤彩色信息已转为灰度图)；

图3为本发明实施例1中第一密钥和第二密钥的检测图(为过滤彩色信息已转为灰度图)；

图4为本发明实施例1中第三密钥的检测图(为过滤彩色信息已转为灰度图)；

图5为本发明实施例2中的原始图像(为过滤彩色信息已转为灰度图)；

图6是本发明实施例2中待输出防伪图像(为过滤彩色信息已转为灰度图)；

图7为本发明实施例2中第一密钥和第二密钥的检测图(为过滤彩色信息已转为灰度图)；

图8为本发明实施例2中第三密钥的检测图(为过滤彩色信息已转为灰度图)；

图9为本发明实施例3中的原始图像(为过滤彩色信息已转为灰度图)；

图10是本发明实施例3中待输出防伪图像(为过滤彩色信息已转为灰度图)；

图11为本发明实施例3中第一密钥和第二密钥的检测图(为过滤彩色信息已转为灰度图)；

图12为本发明实施例3中第三密钥的检测图(为过滤彩色信息已转为灰度图)。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。现结合说明书附图，详细说明本发明的结构特点。

实施例1

本实施例1中提供一种提高原始图像防伪造性能的密钥嵌入方法，包括以下步骤：

(1)、预处理

预处理主要包括：对原始图像的基本信息获取、原始图像的分色、原始图像的离散化处理以及密钥的选择；

具体地，参见图1，输入原始图像，原始图像为中间调图像，图像大小为3cm*4cm，尺寸大小包括长度和宽度，单位为cm，原始图像的像素点在y通道分色图像、m通道分色图像、c通道分色图像和k通道分色图像上的颜色值分别为ty(x,y)、tm(x,y)、tc(x,y)和tk(x,y)，其中，下标(x,y)代表像素点的位置，ty(x,y)＝20～25％，tm(x,y)＝30～40％，tc(x,y)＝5～8％，tk(x,y)＝1～5％；

本实施例中，ty(x,y)＝25％，tm(x,y)＝35％，tc(x,y)＝6％，tk(x,y)＝3％；4个分色图像的加网角度对应为和

将长度对应的数字“m”作为第一密钥，宽度对应的数字“n”作为第二密钥；本实施例中原始图像的尺寸大小为3cm*4cm，m＝3，n＝4，本实施例中第一密钥为“3”、第二密钥为“4”、第三密钥为图形；

采用颜色模式转换对原始图像进行分解，即将原始图像的rgb颜色空间转换为cmyk颜色空间，得到原始图像在y通道、m通道、c通道和k通道上的4个分色图像；

对y通道、m通道、c通道和k通道的4个分色图像采用调幅加网，设置加网线数、加网角度、网点形状和输出分辨率，加网线数l为96lpi，网点形状为圆形，输出分辨率为1440dpi，对应得到由圆形网点组成的第一网点图、第二网点图、第三网点图和第四网点图；

(2)、设置第一密钥、第二密钥和第三密钥

第一密钥和第二密钥均为最终隐藏于原始图像待输出图中的防伪造信息，两者的位置具体为：第一密钥的影像有两个且对称设置于第二网点图的左上角和右上角；第二密钥的影像有两个且对称设置于第二网点图的左下角和右下角；且两两上下对齐；

第一密钥、第二密钥和第三密钥的隐藏方法相同，以第一密钥为例：

取出第二网点图，在第二网点图中获取第一密钥的轮廓，通过第一密钥的轮廓内的网点变换形成第一密钥的影像，通网点变换的方式为位移网点位置，第一密钥、第二密钥和第三密钥的影像形成方法均采用相位调制法进行；

第一密钥的轮廓内的网点的位移方向与水平线之间的夹角为15°，第二密钥的轮廓内的网点的位移方向与水平线之间的夹角为0°，第三密钥的轮廓内的网点的位移方向与水平线之间的夹角为15°，第一密钥、第二密钥和第三密钥轮廓内的网点的位移距离均为单位为mm，得到带有第一密钥影像的第二网点图；需要说明的是，本领域公知中当设置加网线数l后，形成的网点图中相邻两个网点的距离d为固定值，理论上，d＝1/l，由于l单位的换算中以英寸表示，1英寸＝25.4mm，因此，d＝25.4/l，前述位移的距离为12.7/d，结合位移方向，即位移至相邻两个网点连接的中点位置，已形成可以方便后期进行密钥识别的密钥影像，由于网点均为微观结构，因此，对部分网点进行微调以形成密钥的影像造成视觉感知的风险很低；

取出第三网点图，在第三网点图中获取第二密钥的轮廓，通过第二密钥的轮廓内的网点变换形成第二密钥的影像，得到带有第二密钥影像的第三网点图；

取出得到的带有第一密钥影像的第二网点图，在其中间区域获取第三密钥的轮廓，通过第三密钥的轮廓内的网点变换形成第三密钥的影像，得到带有第一密钥影像和第三密钥影像的第二网点图；

(3)、生成待输出防伪图像

参见图2，将第一网点图、带有第一密钥影像和第三密钥影像的第二网点图、带有第二密钥影像的第三网点图以及第四网点图合成，得到待输出防伪图像，准备印刷输出，经过印刷输出的图像即为携带有密钥的防伪造图像。由于本实施例中，选用的是没有阶调变化的单色图像作为原始图像，因此在合成的图2中，可以看出离散化后的原始图像，由多层网点进行叠加而成。图2中，第一密钥、第二密钥和第三密钥完成不可见。

本实施例中对应的还提供前述携带密钥的防伪造图像的识别方法，包括以下步骤：

(1)、制作检测光栅

检测光栅可以优选为算法光栅，算法光栅可覆盖防伪造图像且为数字形式，在印刷输出前，就可以模拟进行密钥的识别；

(2)、密钥

将算法光栅的光栅条纹水平摆放，参见图3，上下移动算法光栅，直至观察到第一密钥和第二密钥，第一密钥和第二密钥清楚的从在叠加算法光栅后的防伪造图像中显示出来，相反如果无法观察到第一密钥和第二密钥，则图像为伪造图像；

然后将算法光栅逆时针转动30°，沿着30°网线的方向前后移动，直至观察到第三密钥，参见图4，第三密钥也非常清晰的从叠加叠加算法光栅后的防伪造图像中突显出，相反如果仅可以观察到第一密钥和第二密钥，而无法观察到第三密钥，则图像依旧判定为伪造图像。

需要说明的是，检测光栅还可以为实物光栅，分别对应识别的客体为携带有密钥的防伪造图像的实物；算法光栅为实物光栅制成实物前对应的数字形式的光栅。

实施例2

本实施例2中提供一种提高原始图像防伪造性能的密钥嵌入方法，包括如下步骤：

(1)、预处理

预处理主要包括：对原始图像的基本信息获取、原始图像的分色、原始图像的离散化处理以及密钥的选择；

具体地，参见图5，输入原始图像，原始图像为中间调图像且具有阶调变化和纹理特征，图像大小包括长度和宽度，单位为cm，本实施例2中，图像大小为5cm*5m；采用颜色模式转换对原始图像进行分解，即将原始图像的rgb颜色空间转换为cmyk颜色空间，得到原始图像在y通道、m通道、c通道和k通道上的4个分色图像；

对y通道、m通道、c通道和k通道的4个分色图像采用调幅加网，设置加网线数、加网角度、网点形状和输出分辨率，加网线数l为96lpi，网点形状为圆形，输出分辨率为1440dpi，对应得到由圆形网点组成的第一网点图、第二网点图、第三网点图和第四网点图；4个分色图像的加网角度对应为和

(2)、设置第一密钥、第二密钥和第三密钥

本实施例中，第一密钥和第二密钥均为数字“5”，第一密钥和第二密钥均为最终隐藏于原始图像待输出图中的防伪造信息，两者的位置具体为：第一密钥的影像有两个且对称设置于第二网点图的左上角和右上角；第二密钥的影像有两个且对称设置于第三网点图的左下角和右下角；且两两上下对齐；

第一密钥、第二密钥和第三密钥的隐藏方法相同，以第一密钥为例：

取出第二网点图，在第二网点图中获取第一密钥的轮廓，通过第一密钥的轮廓内的网点变换形成第一密钥的影像，形成方法为：在第二网点图中获取第一密钥的轮廓，删除第一密钥的轮廓内的网点，在第二网点图中留出空白区域，在m通道分色图像的对应区域上获取第一密钥的轮廓，选取第一密钥的轮廓内的图像进行调幅加网，加网角度为15°，获得另一个第一密钥网点图，将第一密钥网点图对应置入第二网点图中的空白区域中，在第二网点图中形成第一密钥的影像；

所述形成第三密钥的影像的方法为：在第三网点图中获取第三密钥的轮廓，删除第三密钥的轮廓内的网点，在第三网点图中留出空白区域，在c通道分色图像的对应区域上获取第三密钥的轮廓，选取第三密钥的轮廓内的图像进行调幅加网，加网角度为32°，获得另一个第三密钥网点图，将第三密钥网点图对应置入第三网点图中的空白区域中，在第三网点图中形成第三密钥的影像；

(3)、生成待输出防伪图像

参见图6，将第一网点图、带有第一密钥影像和第三密钥影像的第二网点图、带有第二密钥影像的第三网点图以及第四网点图合成，得到待输出防伪图像，准备印刷输出，经过印刷输出的图像即为携带有密钥的防伪造图像。由于本实施例中，选用的是没有阶调变化的单色图像作为原始图像，因此在合成的图6中，可以看出离散化后的原始图像，由多层网点进行叠加而成。图6中，第一密钥、第二密钥和第三密钥完成不可见。

本实施例2中采用与实施例1中相同的识别方法，得到图7和图8，参见图7，上下移动算法光栅，直至观察到第一密钥和第二密钥，第一密钥和第二密钥清楚的从在叠加算法光栅后的防伪造图像中显示出来，相反如果无法观察到第一密钥和第二密钥，则图像为伪造图像；

然后将算法光栅逆时针转动32°，沿着32°网线的方向前后移动，直至观察到第三密钥，参见图8，第三密钥也非常清晰的从叠加叠加算法光栅后的防伪造图像中突显出，相反如果仅可以观察到第一密钥和第二密钥，而无法观察到第三密钥，则图像依旧判定为伪造图像。

实施例3

实施例3中提供一种提高原始图像防伪造性能的密钥嵌入方法，与实施例1相比，不同之处在于选用了不同的原始图像和密钥，参见图9、10、11和12。

本发明采用客观评价算法，对实施例1、2和3中所有密钥的防伪性能进行评价，防伪性能包括检测前的人眼不可感知性和检测后的清晰度，本发明采用wsnr(加权信噪比)和ssim(结构相似度)在matlab软件中评价人眼不可感知性，采用清晰度函数fi和ti在matlab软件中评价检测后的清晰度(由于wsnr、ssim、fi和ti的算法为本领域公知，故省略算法公式)，得到的计算结果如下表1所示：

表1防伪性能客观评价

由上述表1可知，实施例1、2、3的ssim值均接近于1且wsnr值均大于20，代表密钥对防伪造图像本身的结构影响非常小，与未设置密钥的原始图像的待输出图相比，变化微乎其微，密钥在检测前的人眼不可感知性方面非常优异，在防伪造图像中的稳定性非常高；表1中的fi和ti的值越接近于1，代表密钥在检测光栅提取下越清晰，实施例1、2和3的fi和ti的值均大于0.5，且结合说明书附图可知，在离散化的图3、图4、图7、图8、图11和图12中，虽然其叠加了算法光栅，影响了其余部分的清晰度，但是相反的，第一密钥、第二密钥和第三密钥均可以非常清晰的观察到。