专利名称：基于数字水印技术的印刷制品防伪方法
技术领域：
本发明涉及一种基于数字水印技术的印刷制品防伪方法，可以用于印刷制品如产品包装、印刷工艺品等的防伪，涉及到图像处理技术、数字水印技术以及纹理合成等技术领域。
背景技术：
假冒伪劣产品问题，一直是困扰着我国经济发展的一个棘手的难题。无论国家、企业还是消费者都为此蒙受了重大损失。为了解决这个问题，国家和企业也投入了巨大的力量，但是，由于打击假冒伪劣产品问题的复杂性，至今为止所取得的效果仍然是非常有限的。可以说假冒伪劣产品的问题将在一个较长的时间内困扰我国的经济发展。
对于产品的印刷包装而言，现在应用比较多的防伪方法主要有两种1)在产品包装上贴上激光防伪标志；2)在产品包装上加印序列号。其中第一种方法存在成本高和容易破解的问题，相对而言第二种方法，保密性较好，但是同样存在很多问题。用户必须将产品买回家，然后才能通过网络或者通过电话查询的方式，确认自己所买的东西是否为真品。
数字水印技术是在当前数字化的大背景下，诞生的一项新兴的技术。它的思想就是利用视觉的掩映效应，在人眼不敏感的部分添加有效的微弱的噪声。一般而言，数字水印技术强调非可见性特征，以微弱噪声的形式嵌入的数字水印是不可见的，也就是说，数字水印的嵌入，将不会在视觉上影响源图像的视觉效果。由于数字水印的这种特性，也使得基于这种方法的防伪方案具有不易察觉和不易仿冒的特性。
在印刷品的数字水印技术方面，也已经有一些研究的成果，其中Hagit提出了基于抖动技术的印刷品数字水印方案[Hagit Z.Helor“Copyright labeling ofprinted images”Image Processing，2000.Proceedings.2000International Conferenceon，2000PP702-705]，他同时认为，在印刷品中添加额外信息至少需要两种嵌入模式，来表示“1”和“0”，并在他的方案中成功地实现了这一点。只不过，这些技术都是基于FMS(Frequency Modulated Screening调频网点)，这样就意味着嵌入和检测过程额外的困难，成本也是非常高昂的，因此影响到进一步的实际推广应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有防伪技术的不足，提出一种基于数字水印技术的印刷制品防伪方法，通过在产品包装中非显见地嵌入可提取的防伪信息，能够为真品提供有效证明，同时具有较强的抗伪造能力，并不会增加额外的防伪成本。
为实现这样的目的，本发明首先在由四个色版(CMYK)组成的印刷图像中选取一个合适的色版并提取它的印刷网点作为源网点图像，再从源网点图像中选取一个大小恒定的区域，作为纹理合成的源图像。初始化一个与源图像相同大小的空白图像，并在空白图像的中心随机生成一些点作为纹理合成的种子，然后利用纹理合成技术，并利用源图像作为模板生成至少两种可分别代表“0”和“1”的印刷模式，利用局域搜索实现不均匀的印刷色版的纹理合成，最后将防伪信息制成二进制序列嵌入到印刷图像之中。用户购买产品后，只要通过相应的防伪信息提取装置，即可确认产品的真伪。
印刷图像也被称作“半调(halftone)”图像，它是利用颜色混合的原理，利用黑色、品红、品青和黄色四种基础色，以不同的密度进行混合最终达到视觉的不同颜色。如果在显微镜下观看印刷品，将看到不同密度的整齐排列的油墨点。在印刷工业中称这种油墨点为印刷网点。人的肉眼能够观看到颜色，主要依靠的就是各个基色油墨在一定范围内的网点密度。只要网点密度和颗粒度保持不变，就能够保证肉眼观看到的颜色，也就是保证了印刷的质量。这也是本发明的基本原理。
本发明中另一个问题是信息表达的问题。通过纹理合成的方法，对网点图像进行处理，从而在不改变网点密度的情况下，生成两种网点排列的模式。然后，利用这两种排列模式，分别代表二进制的“0”和“1”。利用这种方法，形成一个二进制的序列，就可以把一些产品的质量信息，如生产日期，生产厂家等嵌入到印刷品中，用于防伪认证。
本发明利用了图像处理技术中的“纹理合成”技术，来产生两种网点的排列模式。“纹理合成”是一种在自然图像的基础上，利用统计等方法，合成新的类似的图像。这种合成技术注重生成图像和源图像在统计特征上保持一致，既不是利用自然图像简单的拼接，也不是毫无目的的合成，这正是本发明所需要的。
本发明方法主要为数字水印(私有信息)的嵌入过程，这个过程对应于生产厂商在印刷产品包装之中嵌入防伪信息。具体步骤如下1)首先对原印刷图像进行光栅化(RIP)，把连续调图像转化成可印刷的半调图像，在数字印刷的时代这种半调图像是二进制的网点图像。这种半调图像是由四个色版(CMYK)组成的，选取一个色版并提取它的印刷网点作为源网点图像。
2)在源网点图像中选取一个大小恒定的区域，作为纹理合成的源图像。同时初始化一个与源图像相同大小的空白图像，并且，在空白图像的中心随机生成一些点作为纹理合成的种子。
3)纹理合成从一个随机生成的种子开始，选取一个以此种子点p为中心的宽度为W的正方形ω(p，W)，然后以ω(p，W)为蓝本在源图像中查找类似的正方形，并由找到的这些正方形形成一个集合Ω(p，ω)，然后，随机地从Ω(p，ω)抽取一个中心点p′，使p＝p′，即使生成图像中的点与源图像中的点一一对应，通过这种方法逐步生成所需要的合成纹理图像；通过控制不同的宽度W，合成得到与源图像统计特征一致，但是具体空域分布方式不同的两种模式，分别用它们代表掩码中的“0”和“1”；4)将防伪信息制成二进制序列，并将这个序列重新排列形成一个m×n的掩膜矩阵，同样将源图像的色版也分成m×n个子块，使每一个子块对应一个掩膜矩阵中的二进制数“0”或“1”，然后利用步骤3根据不同尺寸的ω(p，W)所得到的两种模式，分别对二进制值为“1”的子块及二进制值为“0”的子块进行处理，将防伪信息的二进制序列嵌入到源图像色版之中。
本发明将数字水印技术原理应用于印刷防伪，具有很好的应用前景。首先，因为水印本身(防伪信息)不会被肉眼发现，也不容易被察觉，所以具有很强的隐蔽性。而且也正因为这种隐蔽性，使对于这种防伪手段的破解也是比较困难的。而且，本发明这种防伪技术的成本几乎为零，因为油墨用的是普通的油墨，纸张是普通的纸张，只是改变了墨点排列的方式，来达到隐藏的目的。对于用户来说，产品真伪的确认过程基本上不需要人为地干预，所以可以做到实时的检测。对于厂家来讲，由于是在印刷包装中嵌入信息，所以不存在额外投资的问题，可以大大节省防伪的成本。因此，本发明方法是一种非常有潜力的防伪方法，简便易行，具有推广应用前景。
图1为利用纹理合成处理半调图像结果图。
图1中，A为源图像，B、C、D、E分别为通过不同级别处理过的印刷模式图像。
图2为在源图像中查找相似区域的示意图。
其中，A为选取模板，B为查找示意。
图3为对非均匀的半调图像进行纹理合成处理的实例。
图3中，A为源图像，B为块宽W＝13的纹理合成结果，C为W＝17的纹理合成结果。
图4为对印刷图像添加水印的过程示意图。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
在本发明的实施例中，对采集的多幅图像进行了数字水印嵌入的仿真试验。通过实验可以证明，水印信息的隐藏不会在视觉上影响源图像的视觉效果。本发明的方法按如下步骤进行1、首先在印刷的过程中，需要对连续调的源图像进行光栅化(RIP)，把连续调图像转化成可印刷的半调图像，这种半调图像是由四个色版(CMYK)组成的，选取一个合适的色版并提取它的印刷网点作为源网点图像。
印刷工业中是通过网点的密度来决定深浅的，根据颜色混合的原理，需要C(品青)，M(品红)，Y(黄)，K(黑)四种基色，混合这四种颜色才能够得到无穷的颜色效果，这就是印刷的四个色版。但是并不是所有的情况下，所有的色版都适合于添加额外信息的。一般情况下，最好选择那些比例在50％左右的色版作为源色版进行数字水印的添加。在实施例中，选择品青色版(C-Cyan)作为嵌入的色版。
2、在源网点图像中选取一个大小恒定的区域，作为纹理合成的源网点图像。初始化一个相同大小的空白图像，并且在空白图像的中心随机生成一些点作为“纹理合成”的种子。
在这种情况下，所选取的源图像应该如图1中A列所示，域中有一定规则的网点，在数字印刷的情况下对应于一个方形的区域。这个方形区域的宽度W可以根据实际情况有所不同。本发明选取了如图1所示的印刷色版比例为30％、50％、70％的图像作为实验对象。
在区域的中心随机地生成一定的种子，是指在区域的中心随机地生成一些象素。这些象素不会对最终的结果产生实质性的影响，但是在计算的最开始需要它们作为原始数据。
3、利用纹理合成技术，并利用源图像作为模板生成至少两种印刷模式。纹理合成技术是本发明采用的关键技术，曾经在图像处理领域非常引人注目，这是一种“从现实的例图中捕获特征，并且利用它们来合成一个梦幻的超现实图像，而不是物理的拼凑出一幅图像”的技术。
总的来讲，纹理合成技术需要两幅图，首先是一幅例图ISMP，即原图，在本发明中对应着没有进行过任何改动的印刷色版；纹理合成的目的就是生成另一幅结果图IPRO，IPRO和ISMP具有相同的特征。结果图在开始的时候几乎是空白的，只是在中心有一些随机的点。纹理合成就是利用结果图中的这些随机点和已经合成的点，在原图中寻找最佳匹配，并将这个匹配区域的中心作为合成结果填补到结果图中。这个过程是一个渐进的过程，每次对一个点进行处理，所以生成的也是一个点。值得说明的是寻找最佳匹配的过程中，由于采用不同的标准就可以得到不同的合成结果。
生成纹理的过程中，纹理从一个随机生成的种子开始。不妨用ω(p，W)表示一个以种子点p点为中心，以W为宽度的方块。然后，在ISMP中利用ω(p，W)进行搜索，找到比较相近的块的集合。如果用d(ω1，ωw)表示两个块的相似程度，那么这个搜索过程的结果，即这个集合Ω(p，ω)，可以如下描述Ω(p，ω)＝{ω′ISMPd(ω′，ω)＜T}这里T是一个门限。通过这个集合，认为Ω的概率分布与p的概率分布值一致。然后，随机地从Ω(p，ω)抽取一个中心点p′，使p＝p′。通过这种方法就可以逐步生成所需要的合成纹理图像了。
图2是在源图像中查找相似区域的示意图。这里，需要讨论的是集合Ω(p，ω)和方块ω(p，W)的宽度W之间的关系。非常明显，当W变小的时候，Ω(p，ω)中元素个数随之增长，所得的图像更具随机性。这样，就可以通过控制块的宽度W来控制生成图像。
在本发明中，重要的是能够生成两种印刷图像。实际上可以通过控制宽度W来达到最终目的，图1中展示了对于不同的印刷模式，采用不同的宽度W产生的相似度不同，但是统计特征相似的模式。其中A为源图像，B、C、D、E分别为采用W等于7，13，17，23时的输出结果。从图1中可以清楚的看到，随着W的增大，纹理合成图像的效果越来越类似于源图像。当然本发明只需要两种模式即可，但是这也说明了本发明还有一定的扩展空间，可以根据需要做一定修改。
如上所述，可以应用纹理合成技术去生成两种不同纹理模式，可以用来表示二进制序列的“0”和“1”。但是，在把这项技术应用于印刷品时，仍然存在一定的问题。
因为所得到的例图ISMP通常是不均匀的(如图3)，也就是说ISMP中不同的区域的网点的密度并不一致。而用纹理合成方法所得到的Ω(p，ω)是基于整幅图像的平均密度的。如果对全局进行搜索的话，就会影响生成图像的网点密度。为了解决这个问题，本发明实际上采用了局域搜索的方法，只需要搜索所要生成点的周围的一定区域就可以了。这样做可以保证生成的图像和源图像具有相同的局部统计特征。
例如图3中，A是一幅非均匀的半调图像。由于它的非均匀性，如果按照全局的纹理合成算法，那么所得出的结果是混乱的，更无法满足需求。所以一方面必须指定一个大小合适的区域，另外这个区域在原图中的位置和合成点在生成图中的位置要对应。具体做法是在步骤2中强调生成图和原图大小相等，这样原图中的点和生成图中的点是一一对应的，当需要生成某个点时以它在原图中的对应点为中心取一块方的象素块作为搜索区域，而不是对整幅图像进行搜索。
图3中，B和C分别为W＝13和W＝17的纹理合成结果，根据图中的生成结果，可以认为结果不但保证了统计特征而且局部的条纹也被保持下来。
4、将防伪信息制成二进制序列，并将这个序列嵌入到印刷色版之中。在这个方案中，数字水印是一串二进制的包含着一些私用的信息的序列，数字水印方案的目的就是将这个序列用纹理合成的技术分散到整个印刷图像之中。隐藏的过程就从这个水印开始，首先，将这个序列重新排列形成一个m×n的掩膜矩阵。利用这个矩阵，同样的印刷图像的色版也要被分成m×n个子块，这样每一个子块对应一个二进制序列中的值(“0”或者“1”)。
数字水印的隐藏过程就是利用不同尺寸的ω(p，W)所得到的两种模式，对不同的区域进行处理。如图4所示，取那些相对应的二进制值为“1”的区域，利用13×13(W＝13)的方块进行处理，同时对那些对应“0”的区域则用23×23(W＝23)。当然，根据实际应用的需要，这些尺寸可以进行调整。根据这种方法，“0”或者“1”的二进制序列被嵌入到印刷图像的一个色版之中。
权利要求
1.一种基于数字水印技术的印刷制品防伪方法，其特征在于包括如下步骤1)首先对原印刷图像进行光栅化，把连续调图像转化成可印刷的半调图像，这种半调图像是由四个色版组成的，选取一个色版并提取它的印刷网点作为源网点图像；2)在源网点图像中选取一个大小恒定的区域，作为纹理合成的源图像，同时初始化一个与源图像相同大小的空白图像，并且在空白图像的中心随机生成一些点作为纹理合成的种子；3)纹理合成从一个随机生成的种子开始，选取一个以此种子点p为中心的宽度为W的正方形ω(p，W)，然后以ω(p，W)为蓝本在源图像中查找类似的正方形，并由找到的这些正方形形成一个集合Ω(p，ω)，然后，随机地从Ω(p，ω)抽取一个中心点p，使p＝p，即使生成图像中的点与源图像中的点一一对应，通过这种方法逐步生成所需要的合成纹理图像；通过控制不同的宽度W，合成得到与源图像统计特征一致，但是具体空域分布方式不同的两种模式，分别用它们代表掩码中的“0”和“1”；4)将防伪信息制成二进制序列，并将这个序列重新排列形成一个m×n的掩膜矩阵，同样将源图像的色版也分成m×n个子块，使每一个子块对应一个掩膜矩阵中的二进制数“0”或“1”，然后利用步骤3根据不同尺寸的ω(p，W)所得到的两种模式，分别对二进制值为“1”的子块及二进制值为“0”的子块进行处理，将防伪信息的二进制序列嵌入到源图像色版之中。
2.根据权利要求1的基于数字水印技术的印刷制品防伪方法，其特征在于选择比例为50％的色版作为源色版进行数字水印的添加。
全文摘要
一种基于数字水印技术的印刷制品防伪方法，首先在印刷图像中选取一个合适的色版并提取它的印刷网点作为源网点图像，再从中选取一个大小恒定的区域，作为纹理合成的源图像，初始化一个相同大小的空白图像，并在空白图像的中心随机生成一些点作为纹理合成的种子，然后利用纹理合成技术，并利用源图像作为模板生成可分别代表“0”和“1”的两种印刷模式，利用局域搜索实现不均匀的印刷色版的纹理合成，最后将防伪信息制成二进制序列嵌入到印刷图像之中。本发明通过在产品包装中非显见地嵌入可提取的防伪信息，能够为真品提供有效证明，同时具有较强的抗伪造能力，并不会增加额外的防伪成本，用户可通过相应的防伪信息提取装置确认产品的真伪。
文档编号B41M3/10GK1709708SQ200510026
公开日2005年12月21日 申请日期2005年6月9日 优先权日2005年6月9日
发明者李钢, 杨杰, 姚莉秀 申请人:上海交通大学