专利名称：编码隐形图像的方法
技术领域：
本发明涉及一种编码隐形图像(latent image)的方法。本发明的实施例用来提供安全图样，这种安全图样可以用来验证文件或票据(例如，聚合物银行票据)的合法性。
背景技术：
为了防止对诸如银行票据之类的文件擅自进行复制或变更，常常在银行票据内结合安全图样，以阻止模仿者。这种安全图样要么被设计为阻止复制，要么被设计为一旦复制发生就使复制变得明显。尽管有许多技术可用，但是总是需要更多可以用来提供安全图样的技术。
发明内容
本发明提供了一种编码隐形图像的方法，所述方法包括a)提供要编码的隐形图像，所述隐形图像具有多个隐形图像元素，每个隐形图像元素具有采取预定的一组值之一的视觉特性；b)提供副图案，所述副图案具有多个副图像元素，在所述隐形图像已经被编码时，所述副图案能够解码所述隐形图像；c)将所述隐形图像元素关联到所述副图像元素；以及d)形成主图案，所述主图案包括多个主图像元素，所述主图像元素对应于根据所述副图像元素所关联到的隐形图像元素的视觉特性进行位移后的所述副图像元素。
图像元素通常是像素(即，可获得的最小画面元素)，然而，在某些实施例中图像元素可以大于像素——例如，每个图像元素可以由4个像素组成。
视觉特性通常涉及图像元素的密度。也就是说，如果隐形图像是灰度图像，则视觉特性可以是灰度值，并且如果隐形图像是彩色图像，则视觉特性可以是图像元素的色调的饱和度值。
视觉特性值的预定集合中值的数目通常取决于副图案的配置。副图案通常由以如下方式排列的图像元素的矩形组组成如果副图案以一定位移重叠在其自身之上，则将遮蔽其自己的图像。每组图像元素中图像元素的数目限制值的预定集合中值的数目。
例如，在编码灰度隐形图像时所使用的典型的副图案是由多条完全不透明的线条组成的矩形阵列，其中每一线条的宽度是N个像素，并且被相同尺寸的完全透明线条分隔。这种副图案可以用来对具有多达N+1个不同灰度值的隐形图像进行编码。
在一个实施例中，根据如下公式确定视觉特性的数目(S)S＝(WR/25.4X)+1，其中W是主图案要印刷的宽度；R是以每平方英寸像点来计算的印刷机分辨率；以及X是以像素计算的主图案宽度。
在某些实施例中，将隐形图像元素关联到副图像元素的步骤包括将隐形图像元素与副图像元素关联起来，此后根据与之相关联的隐形图像元素的视觉特性的值来位移副图像元素。
在其他实施例中，将隐形图像元素关联到副图像元素的步骤包括将隐形图像分离为与每个视觉特性值相对应的多个蒙版(mask)，形成多个位移局部副图案，并且使用蒙版来修改这多个位移局部副图案，并且组合修改后的位移局部图案以形成所述主图案。
通常，副图案和隐形图像是矩形的，因此它们的图像元素将排列为矩形阵列。因此，位移图像元素的步骤常常包括沿着矩形阵列的轴来位移图像元素。然而，图像元素可以排列为其他形状。
在一个实施例中，如果沿着矩形阵列的水平轴来位移图像元素并且存在S个不同的视觉特性值，则将与具有第一视觉特性值的隐形图像元素相关联的副图像元素水平位移1个图像元素，并且将每个随后的视觉特性多位移一个图像元素，从而第S个阴影被位移了S个图像元素。
然而，可以使用许多不同的位移方案。例如，可以根据如下公式来位移图像元素位移(D)＝(N-1)×[(S-Smin)/(SN-Smin)]；其中S是正被位移的视觉特性的值，Smin是视觉特性最稀疏的密度值，并且SN是视觉特性的最密集的值。
通常，该方法包括通过对原始图像进行图像处理来从原始图像形成所述隐形图像，以将所述原始图像中的视觉特性的值的数目减小为所述隐形图像中所必需的值的数目。
本发明还提供了一种编码多个隐形图像的方法，所述方法包括a)提供要编码的多个隐形图像，每个隐形图像具有多个隐形图像元素，每个隐形图像元素具有采取预定的一组值之一的视觉特性；b)提供至少一个副图案，这至少一个副图案中每一个具有多个副图像元素，在所述隐形图像已经被编码时，每个副图案能够解码一个或多个所述隐形图像；c)将所述隐形图像元素关联到要解码所述隐形图像的副图案的副图像元素；d)形成主图案，每个主图案包括多个主图像元素，所述主图像元素对应于根据所述副图像元素所关联到的隐形图像元素的视觉特性进行位移后的所述副图像元素；以及e)以彼此成角度的方式来组合所述主图案，以形成编码每个所述隐形图像的复合主图案。
本发明还提供了一种编码隐形图像的主图案，所述主图案包括多个主图像元素，这些主图像元素可以由副图案来解码，所述副图案包括多个副图像元素，所述主图像元素相对于所述副图像元素中各自的副图像元素进行位移，所述位移在关联到所述副图像元素中各自的副图像元素的隐形图像元素的视觉特性的值的基础上确定。
本发明还提供了一种如权利要求29所述的主图案，其中所述主图案凸印在聚合物基底上。
从下面对本发明优选实施例的描述中，本发明的更多特征将变得清楚。
将参考附图描述优选实施例，附图中图1是第二优选实施例的示例的原始图像；图2是图1的示例的隐形图像；图3a、3b、3c是图1的示例中所使用的蒙版；图4示出了用于不同阴影的不同位移；图5图示了与图4相对应的位移局部副图案；图6至13图示了如何可以组合被遮挡的局部副图案以形成隐形图像；图14和15图示了如何可以使用包括副图案的解码屏幕来恢复隐形图像；图16图示了向左和向右的相移；图17图示了八个阴影的主图案；以及图18是在浓淡处理之后将阴影减少为黑和白的图17。
具体实施例方式
在每个优选实施例中，使用该方法来产生其中编码了隐形图像的主图案。在每种情形中，通过根据副图案与要编码的隐形图像之间建立的关系修改副图案，来产生主图案。副图案也称作解码屏幕。随后通过将主图案和副图案重叠在一起，可以观看到隐形图像。如果编码了多个隐形图像，这就形成了复合主图案。
灰度实施例在第一和第二优选实施例中，该方法用来编码灰度图像。在这些实施例中，用作确定应该向副图案施加什么位移的基础的视觉特性的值的集合是一组不同的灰度阴影。
在第一和第二优选实施例中，图像元素是像素。这里，术语“像素”用来表示所选择的再现过程(例如，显示屏幕、印刷机等)可以产生的最小的画面元素。
在这些实施例中，副图案由以如下方式排列的像素的矩形组构成如果副图案以一定位移叠加在其自身之上，其遮蔽其自身的图像(至副图案与叠加的副图案相重叠的程度)。组中的每个像素是完全不透明(黑)或完全透明(白)。不透明和透明的组至少沿着一个坐标方向至少大致规则地交替。这些组将称作“超像素”。通常，副图案是像素的矩形阵列。然而，副图案可以具有所希望的形状——例如，副图案可以是星形。
在编码灰度隐形图像中使用的典型的副图案由多条完全不透明的垂直线条组成，每一线条的宽度是N个像素，并且被相同尺寸的完全透明线条分隔。这种副图案可以用来编码具有多达N+1个不同灰度值的隐形图像。
在这些实施例的每一个中，从原始图像形成隐形图像。在灰度实施例中，原始图像通常是由不同灰度阴影的像素的阵列组成的画面。然而，原始图像可以是彩色图像，对其进行图像处理以形成灰度图像，然后转换为隐形图像。当副图案与主图案重叠时，以简化形式观察到原始图像是隐形图像。
在灰度实施例中，隐形图像是像素的矩形块组成的画面。每个块由相同灰度阴影组成。不同块中可以使用的灰度阴影的数目是显示隐形图像所必需的数目。隐形图像中所使用的阴影是原始图像中阴影的缩减集(reduced set)。可以以多种不同方式来选择阴影，并且阴影的范围可以从纯白到纯黑。隐形图像中的像素块的尺寸不必与超像素相同，然而，在许多实施例中他们是相同尺寸。
隐形图像中可以使用的阴影的最大数目(NS)由再现技术的分辨率以及副图案中的像素组的优选尺寸控制。编码阴影的数目不能超过NS＝(1+副图案的超像素中的像素数)。
在第一优选实施例中，选择的副图案是像素的矩形阵列(或矩阵)。在选择了合适的副图案之后，将副图案在数学上如下转换为主图案1、根据副图案的构成(即，所选中的副图案能够编码的阴影的最大数目)，确定并选择可能阴影的总数(NS)。使用本领域技术人员所公知的标准图像处理技术，处理原始图像，并且将其数字化为包含NS个不同灰度阴影的图像。该图像是隐形图像。
2、对于隐形图像中的每个像素，根据其在像素的[p×q]矩阵中所处的位置，向其分配唯一的地址(p，q)。(如果隐形图像或副图案不是矩形阵列，则可以相对于任意原点来定义像素的位置，优选地，原点向坐标p和q都给出正值)。
3、将隐形图像中每个灰度阴影指定为Sm，其中S1是最白的灰度阴影，并且SNS是最黑的灰度阴影(m＝1与NS之间的整数)。
4、将隐形图像中每个像素指定为属于S1～SNS之一。
5、对于副图案中的每个像素，类似地，根据其在[p×q]矩阵中的位置，向其分配唯一的地址(p，q)。
6、现在，将隐形图像中每个(p，q)像素的S1～SNS指定情况分配到副图案中相应的(p，q)像素，由此将隐形图像中的像素关联到副图案中的像素。
7、对副图案中每个单独的像素执行数学运算，以根据分配给其的灰度阴影(Sm)，沿着图像轴之一将其移动。这种移动可以向左向右，或向上向下，或者同时沿着两条轴的移动的组合。可以采用多种位移。在常见的实施例中，每个像素的位移如下对S1，位移为1……对SNS，位移为NS个像素或者，一般地，对Sm，位移为m个像素或者，例如可以使用如下的公式D＝(NS-1)×[(S-Smin)/(Smax-Smin)]其中，D＝位移(即，要移动的像素数)。
通过表来向特定阴影直接分配相等间隔的D值也是有效的方法。
最黑的阴影具有最高的偏移这种对应关系也可以反过来，即，最浅的阴影具有最高的偏移将提供类似的结果。
上面所示的公式提供了较宽的对比度范围，因此，当副图案与主图案重叠时，使隐形图像相对容易看到。在其他应用中，其他公式将是适当的。
得到的图像被称为主图案。在主图案中，副图案的像素已经根据与其相关联的隐形图像的像素的灰度阴影进行了位移。
在第二优选实施例中，一旦选择了适当的副图案，将副图案如下手动转换(例如，通过人来手动操作运行适当软件的计算机)为主图案1、根据副图案的构成，确定并选择可能阴影的总数(NS)。
2、使用本领域技术人员所公知的标准图像处理技术，处理原始图像，并且将其数字化为包含NS个不同灰度阴影的图像。该图像是隐形图像。
3、然后将隐形图像分离为NS个蒙版(mask)，其中每个蒙版只包含属于一个灰度阴影(即，属于S1～SNS)的像素。这可以使用商用成像程序中的标准方法来实现。在形成蒙版之后，每个蒙版包含来自隐形图像的唯一一组像素，并且隐形图像的每个像素只能在一个蒙版中找到。如果正确组合所有的蒙版，则可以恢复原始图像。
4、对每个蒙版创建位移局部副图案，其中每个局部副图案的位移对应于与该蒙版相关联的隐形图像像素的阴影。将这些位移局部副图案指定为S*1～S*NS。这种移动可以向左向右，或向上向下，或者同时沿着两条轴的移动的组合。位移由对每个单独的像素S1～SNS执行的数学运算(算法)定义。对于每个S1～SNS，位移不同。可以采用多种位移。
在常见的实施例中，每个像素的位移如下对S*1，位移为1……对S*NS，位移为NS个像素或者，一般地，对S*m，位移为m个像素或者，例如可以使用如下的公式
D＝(NS-1)×[(S-S*min)/(S*max-S*min)]其中，D＝位移(即，要移动的像素数目)。
通过表来向特定阴影直接分配相等间隔的D值也是有效的方法。
最黑的阴影具有最高的偏移这种对应关系也可以反过来，即，最浅的阴影具有最高的偏移将提供类似的结果。
上面所示的公式提供了较宽的对比度范围。在其他应用中，其他公式将是适当的。
5、使用蒙版来裁剪出相应的位移局部副图案的部分，由此将隐形图像的像素关联到局部副图案。得到的NS个蒙版局部副图案图像是位移副图案中的每个部分。
6、现在将蒙版副图案重组为主图案。于是，主图案是副图案的位移版本，其中副图案中各个像素的位移是基于隐形图像中的像素与副图案中的像素之间已经建立的关系。
彩色实施例第三和第四优选实施例的方法适于在编码彩色图像中产生彩色效果。在第三和第四实施例中，饱和度等级是用作编码图像的基础的视觉特性。与第一和第二实施例中一样，图像元素是像素。
参考第一和第二实施的黑白(B&W)图案，来最好地解释第三和第四实施例的副图案。通过以规则方式用具有选中的副色调的像素来替换B&W副图案中黑的像素组，可以得到彩色副图案，从而副图案具有副色调的规则图案。这些规则图案可以包括以规则且重复的方式改变每个随后像素或多个像素的色调。这些副色调的饱和度等级被确定为隐形图像中发现的最大饱和度等级。取决于色彩分离技术的要求，透明(白色)区域可以填充黑色或保持白色。
在这些实施例中，副色调是可以通过本领域的技术人员所公知的各种方式从彩色原始图像分离的色彩。一种副色调与特定饱和度(强度)的其他副色调组合在一起提供了表现主题图像可能需要的更大范围的色彩的感觉。在RGB色彩方案中副色调的示例是红、绿、蓝。可以用来提供副色调的另一色彩方案是CYMK。
在这些实施例中，饱和度是原始图像的单个像素内的特定副色调的强度等级。无色是可获得的最低饱和度；最高饱和度对应于可以再现的副色调的最大强度。饱和度可以表示为分数(即，无色＝0且最大色调＝1)或百分数(即，无色＝0％且最大色调＝100％)，或者由本领域的技术人员所使用的任何其他标准值来表示。
与第一和第二实施例中一样，通常从原始图像来形成隐形图像。通常，原始图像是副色调的像素阵列组成的画面，其中每个副色调的饱和度不同。当副图案与主图案重叠时，以简化形式观察到原始图像是隐形图像。隐形图像是原始图像的数字化、像素化版本。
隐形图像中可见的特定副色调的饱和度等级的最大数目(NS)由再现技术的分辨率以及副图案中的像素组的优选尺寸控制。编码饱和度等级的数目不能超过NS＝(1+副图案的超像素中的像素数)。
第三和第四实施例的方法还受色彩分离技术中使用的副色调的数目(NH)限制。
在第三实施例中，一旦选择了合适的副图案，采取如下步骤将副图案数学转换为主图案1、根据副图案的构成，确定并选择可能的饱和度等级的总数(NS)。
2、使用本领域技术人员所公知的标准图像处理技术，处理原始图像，并且将其数字化为隐形图像，其中使隐形图像在每一色调中包含最大NS个饱和度等级。
3、顺序分析隐形图像中每个像素，以确定该像素中副色调的饱和度。
4、对于隐形图像中的每个像素，根据其在像素的[p×q]矩阵中所处的位置及其色调nh(对于色调号1，nh＝1；对于色调号2，nh＝2；……；对于色调号NH，nh＝NH)，向其分配唯一的地址[(p，q)nh]。此外，与第一优选实施例中一样，可以相对于参考点而非矩阵中的位置来定义坐标，特别是在隐形图像不是像素的矩形阵列时。
5、将隐形图像中每个饱和度等级指定为Sm，其中S1是最低的饱和度，并且SNS是最强烈的饱和度(m＝1与NS之间的整数)。将隐形图像的每个像素中的副色调指定为属于S1～SNS之一，并且相应地定址像素[(p，q)nh，Sm]。
6、对于副图案中的每个像素，根据其在[p×q]矩阵中的位置、其色调及其饱和度，具有类似的唯一地址[(p，q)nh，Sm]。现在将副图案划分为X个像素块(X＝整数)，其中每个像素块代表副图案中最小的可能重复单元。将每个块中像素的地址如下修改为[(p，q)nh，NS，x]，以指示其块号x(x＝1与X之间的整数)。
7、现在向隐形图像中的像素[(p，q)nh，Sm]分配与副图案中具有相同p和q值的像素的块号相等的块号x，而不考虑各自的nh和Sm值。现在隐形图像中的像素具有地址[(p，q)nh，Sm，x]，其中x的值对应于副图案中具有相同p和q值的像素的x值。于是，将隐形图像的像素关联到了副图案的像素。
8、使用隐形图像，现在对每个块x中所有像素的每个色调nh计算平均饱和度Smav。因此，向每个块分配了描述符{Sm1，Sm2，…，Smnh}x，以描述每个块x中每个色调nh的平均饱和度Sm。平均饱和度只能取可用饱和度等级之一。Sm是随后用来确定如何位移副图案中的像素的饱和度值。
9、在副图案中的每个相应块x中，现在根据该块的描述符{Sm1，Sm2，…，Smnh}x中的每个色调(Sm)的饱和度等级，沿着图像轴之一位移该色调的像素。这种移动可以沿着一条轴或者另一条轴，或者是同时沿着两条轴的移动的组合。如前述实施例中一样，可以采用多种位移。在常见的实施例中，每个像素的位移如下对S1，位移为1……对SNS，位移为NS个像素或者，一般地，对Sm，位移为m个像素或者，例如可以使用如下的公式D＝(NS-1)×[(S-Smin)/(Smax-Smin)]其中，D＝位移(即，要移动的像素数)。
通过表来向特定饱和度等级直接分配相等间隔的D值也是有效的方法。
最强烈的饱和度具有最高的偏移这种对应关系也可以反过来，即，最轻的饱和度具有最高的偏移将提供类似的结果。
上面所示的公式提供了宽的对比度范围。在其他应用中，其他公式将是适当的。
得到的图像是主图案，并且实际上是副图案的位移版本，其中位移取决于隐形图像的像素与副图案的像素之间建立的关系。
在第四实施例中，选择合适的副图案，然后采取如下步骤，将副图案手动转换为主图案1、根据副图案的构成，确定并选择可能的饱和度等级的总数(NS)。
2、使用标准图像处理技术，对原始图像进行处理和数字化，以便提供隐形图像。
3、然后使用标准图像处理技术，将隐形图像色彩分离为多个色调图像，这些色调图像代表每个副色调。每个色调图像是从原始图像色彩分离产生的灰度画面，其中灰度阴影代表特定色调的特定饱和度。
4、分析每个色调图像，以确定每个副色调的最高饱和度。随后使用这些值来定义副色调饱和度等级，副色调饱和度等级稍后用来产生位移局部副图案，如下面将更详细描述的那样。
5、使用标准图像处理技术，将每个色调图像的动态范围扩展到可获得的最大值(限度可能随所使用的软件改变)，然后将动态范围减小到NS个饱和度等级，之后再次扩展动态范围。
6、现在使用诸如Photoshop(可从Adobe System Incorporated获得，www.adobe.com)之类的商用成像程序中的标准方法，将每个色调图像分离为NS个蒙版，其中每个蒙版只包含属于一个色调(即，属于S*1～S*NS)的像素。每个蒙版包含来自图像的唯一一组像素，并且隐形图像的每个像素只能在一个蒙版中找到。如果将来自一个副色调集合的所有蒙版以它们正确的饱和度等级来组合，则恢复了原始色调图像。
7、通过副图案的色彩分离，创建NH个局部副图案，这些局部副图案中每一个只包含单个副色调。
8、对每个蒙版创建与其色调和饱和度相对应的位移局部副图案。将饱和度等级指定为S*1～S*NS。位移可以向左向右，或向上向下，或者同时沿着两条轴的移动的组合。位移由对每个单独的像素S*1～S*NS执行的数学运算(算法)定义。对于每个S*1～S*NS，位移不同。可以采用多种位移。在常见的实施例中，每个像素的位移如下对S*1，位移为1……对S*NS，位移为NS个像素或者，一般地，对S*m，位移为m个像素或者，例如可以使用如下的公式D＝(NS-1)×[(S-S*min)/(S*NS-S*min)]其中，D＝位移(即，要移动的像素数)。
通过表来向特定饱和度等级直接分配相等间隔的D值也是有效的方法。
最强烈的饱和度具有最高的偏移这种对应关系也可以反过来，即，最轻的饱和度具有最高的偏移将提供类似的结果。
上面所示的公式提供了宽的对比度范围。在其他应用中，其他公式将是适当的。
9、使用蒙版来裁剪出相应的位移局部副图案的部分，由此将隐形图像的像素关联到局部副图案的像素。得到的NS×NH位移局部副图案每个是相应的偏移副图案部分的组装。
10、现在重组局部副图案，以形成主图案，主图案是副图案的位移版本，其中位移基于已经与之建立了关系的隐形图像像素的饱和度等级。
替代实施例可以对本发明的前述实施例做出许多改变，例如，尽管图像元素通常是像素，但是在某些实施例中图像元素可以大于像素——例如，每个图像元素可以由2×2阵列中的4个像素组成。
在某些实施例中，一旦已经形成了主图案，主图案的一部分(或多个部分)可以与副图案的相应部分(或多个部分)交换，以使隐形图像更加难以辨别。
进一步的安全性增强可以包括使用只有真正的银行票据生产商才能获得的彩色墨水、使用荧光墨水、或在形成图案的网格或形状内嵌入图像。
至少第一和第二优选实施例的方法可以用来编码一个主图案内的两个或多个隐形图像。例如，使用一个主图案来提供另一主图案的副图案，反之亦然。这通过使用上述方法形成两个主图案来实现。然后以90度(提供最大的对比度)或某些更小的角度来组合主图案。通过以希望的角度重叠主图案，将主图案组合为复合主图案，然后基于所希望的对比度，保持最黑的重叠像素或最白的重叠像素。
使用数字技术，可以将3、4、5或更多的隐形图像组合为单个复合主图案。当组合多个隐形图像时，可以采用多种技术来改进复合主图案的质量和/或安全性。所采用的技术取决于隐形图像的特性、图像数目、以及是否使用相同或不同的副图案来解码主图案。
可以以多种方式来处理复合主图案中主图案的交点例如，可以执行诸如AND、OR或XOR之类的逻辑运算或者减去和加上精确的阈值。此外，这些技术可以单独应用于交点，或者甚至可以应用于复合主图案中特定主图案的交点。这允许对特定的隐形图像和应用最优化图像辨别。
这种过程的目标是组合交点处的像素，以便在与最大隐蔽性的竞争中提供最大对比度。做出这种修改的能力是本发明实施例的数字技术的重要优点。
当组合两个或多个主图案时，可以使用不同宽度或频率的副图案(下面称为“屏幕”)。例如，第一屏幕的宽度是4个像素，并且第二屏幕的宽度是5个像素，从而需要两个不同的副图案，以便对编码在单个复合主图案内的两个不同主图案进行解码。这具有增加安全性的优点——即，如果泄密了第一屏幕，则由第二屏幕编码的图像还可能是安全的。另外，使用不同屏幕增加了复合主图案中不同主图案之间的对比度，从而可以更容易地将这些主图案彼此解码。该原理可以扩展到在同一复合主图案内编码三个或多个图像的情形。
当以不是90度的角度组合两个或多个主图案时，主图案本身将相互作用，这种相互作用在极少数情况中将其自身表现为Moiré图案。在更极端的情形中，可能出现图像的局部解码，当在单个图样中出现这种情况时，这被称作自解码。
例如，当将三个主图案组合为单个主图案时，不是所有的主图案都能以90组合。另一问题是，前两个主图案的交点创建了固定屏幕，从而第三主图案相对于这些交点具有相位。为了避开这一问题，所选择的角度应该避免Moirés和自解码。
由线条宽度定义对最优屏幕角度选择的起作用的一个因素。如果两个屏幕(副图案)以直角相交，则第三屏幕的明显的第三角度是45度，但是这只是在线条宽度相同时如此。考虑如果屏幕线条宽度不同(从而分离的屏幕需要展示出每个图像，而不仅仅是无足轻重的旋转)，则直角交点是矩形而不是正方形，并且矩形的对角线将不是45度的角度。无论第一角度如何，当第三图像的角度与前两组线条的交点出产生的平行四边形的最长对角线的角度相同时，得到好的对比度。
这意味着第三主图案主要占据前两个图像所留下的“白空间”。然而，这可能导致自解码。为了避免自解码，角度可以改变5到10度——即，在维持相对高的对比度同时减小自解码的数量。
可以使用其他技术来组合主图案。使用三重复合主图案作为示例，对于传统的8位灰度图像，其范围只有256个阴影。如果每个主图案具有值0和255(黑和白)，则当可以通过简单相加将这些值求和时，对于三个图像，阴影的范围将从0到765。这是标准图像处理软件不可处理的。然而，通过将主图案的值的范围压缩为0到85，则求和后的三重主图案将由四个阴影0、85、170、255组成。图17示出了这种类型的示例性组合三重主图案。
如果要偏移印刷这种图样，将需要4种墨水和4个印刷版，并且这四个版的定位必须完美无暇，因此这是非常难以印刷的。
然而，使用标准的Floyd-Steinburg浓淡处理(dither)，可以将图像缩减为黑和白，这给出图18所示的可印刷的黑白主图案。
本领域的技术人员还将认识到，可以将浓淡处理程序编码为处理0到765的值，以产生黑白图像元素。
当主图案逼近当前印刷技术的限制时，其将给出防伪的最高安全性；也就是说，其利用可能的最高分辨率。
如果选择的编码阴影数目(S)是S＝(WR/(25.4X))+1其中S＝阴影数目；W是印刷的主图案的预期宽度；R是以DPI计算的印刷机分辨率；以及X是以像素计算的数字主图案宽度。
伪造者必须匹配或超过分辨率，以便复制主图案。
本领域的技术人员将认识到，主图案可以为正片或者为负片——即，黑和白线条看起来与白和黑线条相同。然而，当组合两个或多个主图案时，负片可以提供更好的对比度。考虑以直角叠加的两个主图案的正负片双重90度主图案将是75％黑和25％白，并且负片将是75％白和25％黑。
当加入更多主图案时，组合将逐渐变暗(如果相加黑的分量)。结果，负片将逐渐变亮。
因此，取决于隐形图像的特性，在组合过程中，采取特定次数的正负片的各种组合，可能是可取的。例如，在组合了三重主图案的前两个主图案之后，在添加第三个主图案之前采取负片。
该过程具有几个优点(a)使主图案更复杂，并且更加难以复制。
(b)可以生成可能有助于使主图案适合现有图像的色调的范围。
(c)可以改进图像对比度。
在一个实施例中，调整主图案和副图案的大小，从而组成主图案和副图案的元素小于可见光的波长，并且在它们相互作用之前不可见。
用于产生这种主副图案的合适技术包括UV激光印刷和电子束技术。
如上所述，相位移动可左可右。在优选实施例中，向右位移的惯例仅仅是惯例；向左移动元素可以具有相等效果。这在图16中进行了图示。
这里，向左移动元素161、164，并且向右移动元素162、163，但是元素161、162解码为相同阴影，并且元素163、164解码为相同阴影。虚线轮廓165示出了在显示正确图像时的解码屏幕的位置。
如果小心避免右移和左移元素之间的冲突，则这些右移和左移元素可以组合在一个编码图像内。一种避免冲突的方式是将相位中的左移和右移分离到不同的元素水平行。这种右移和左移的行不必交替，或者遵循任何规则的图案，并且可以形成用来生成唯一屏幕的总体算法的一部分。
使用右相移和左相移的组合的优点是减少“团花图样”或其他情况下可能明显的浮雕效果。这种浮雕效果在其他情况下可能允许主图案不需要解码就可见。因此，右移和左移的使用大大改进了隐蔽性。
尽管上面对左相移和右相移的讨论限制在利用由垂直线条组成的解码屏幕的图样中，但是相同的考虑适用于水平线条或任意角度。如果元素由点组成，则它们可以沿着任意及每个方向移动，只要在这种程度之内移动必须给予正确的阴影。类似地，偏移可上可下。
不需要一定印刷主图案。在一个实施例中，使用电子束和影印的组合，可以产生浮雕微结构。例如，为了用作聚合物银行票据的一部分。通常，主图案将由30微米×30微米的像素浮雕集合组成，其中每个像素由数个子像素区域(例如，3个或4个)组成，并且主图案中每个像素内的子像素区域的位置(即，位移)是用来编码图像信息的手段。浮雕染料上的子像素块区域的高度将是20～30微米，并且由于这一相对大的高度，子像素块区域将能够直接凸印在聚合物基底中。在该实施例中，副图案也是浮雕微结构，并且通过两个浮雕区域之间的折射moiré干涉，可以读出隐形图像信息。
优选实施例的应用本发明优选实施例的方法可以用来产生安全图样，由此增加诸如票证、护照、许可证、货币、以及邮政媒介之类的项目的防伪能力方面的安全性。其他有用的应用可以包括信用卡、带照片的身份卡、票证、可转让票据、银行支票、旅行支票、衣服、药物、酒类、录像带等的标签、出生证明、车辆登记卡、地契以及签证等。
通常，通过在前述文件或票据之一内凸印主图案，并且以包括副图案的形式分离地提供解码屏幕，来提供安全图样。然而，副图案可以由银行票据的一端携带，而主图案由另一端携带，以允许验证该票据不是赝品。
本领域的技术人员将认识到，上述实施例描述了基于解码屏幕的元素的选择性位移的数字隐形图像技术。各种实施例在编码隐形图像时允许非常大的灵活性，例如，可以修改或产生主图案或复合主图案，从而改进隐蔽性或隐形图像对比度。例如，数字技术允许沿着不规则方向的位移(例如，在一种情形中向左，而在下一情形中向右)。这允许隐形图像具有更好的隐蔽性。类似地，最暗的阴影具有最高的偏移这种对应关系可以反过来(即，最亮的阴影具有最高的偏移将提供类似的结果)，或者在希望时可以使这种关系变为不规则。实际上，位移算法可以是大范围的可能公式之一。这些公式例如可以用来最优化对比度范围，并因此使隐形图像在副图案与主图案重叠时更容易看到。在其他应用中，其他公式将是适当的。
示例在该示例中，使用第二优选实施例的方法来形成主图案。
图1是原始图像的示例。原始图像具有非常低的分辨率(104×147像素)，并且是256色图像，但是为了方便，将其表示为黑白。
然后将图1的彩色图像缩减为灰度画面，并且然后一致化灰度阴影，以提供最大的阴影分离。然后使用带有空中扩散(aero diffusion)的最优化中线切割方法，将图像缩减为四个灰度阴影。图2中图示了结果。
根据8位RGB色度标准，该画面中的阴影由[228R/228G/228B]、[164/R.164G.164/B]、[98/R/98G/98B]以及[28R/28G/28B]组成。进一步的均衡被认为是不必要的，因为由于使用透明介质，来自相位调制的全部阴影范围只是从50～100％黑(有损)。
该图像被分离为代表必要阴影的蒙版。(注意，最亮的阴影[228R/228G/228B]将充当背景，因此不需要蒙版)。
图3a是阴影28的蒙版，图3b是阴影98的蒙版。图3c是阴影164的蒙版。这些蒙版是正片的蒙版，因为黑的区域定义将由每个阴影填充的区域。
将使用黑线条(三个印刷机像素的宽度，并且间隔三个印刷机像素)的副图案。将副图案当作参考，对最亮的阴影使用0印刷机像素的相移，对164阴影使用1个印刷机像素的相移，对98阴影使用2个印刷机像素的相移，并且对28阴影使用3个印刷机像素的相移，来编码不同的阴影。当然，这不会与原始阴影精确匹配，但是这只会影响最终观察到的图像的对比度和亮度。
图4中示意性地示出了相移，其中图4a涉及阴影28，图4b涉及阴影98，图4c涉及阴影164，并且图4d涉及阴影28。在每种情形中，上面的线条涉及副图案，并且下面的线条涉及位移后的副图案(主图案)。
利用图4所示的必要相位差来准备一组四个位移副图案。这在图5a至5d中进行了图示。其中，图5a涉及阴影28，图5b涉及阴影98，图5c涉及阴影164，并且图5d涉及阴影28。这些局部副图案是原始肖像蒙版的线性尺寸的18倍。即，1827×2646。三个蒙版也从104×147像素扩展为1872×2646像素。这种扩展是为了确保有足够的像素可用来定义最终图像中的阴影。实际上，原始隐形图像中的每个像素扩展为18×18像素的超像素。因此，其在阴影中可以由常规像素组成的线条所形成的图案来定义。
为了组合局部副图案，阴影228的图像用作背景，并且它的部分被其他阴影图像如下代替
首先，使用164阴影的蒙版来在阴影228的必要区域上流出空白，如图6所示。图7示出了图6中与加框区域相对应的细节。
接着，使用164阴影的蒙版来遮挡出164阴影线条图像，如图8所示。图9中再次示出了右眼(如图8中的方框所示)的细节。将图8所示的图像添加到图6的图像，以产生图10所示的图像。图11再次示出了图10中右眼的放大。
对于图10中产生的图像重复该过程，以便使用与对阴影164所使用的过程相同的过程来添加阴影98元素。
然后利用阴影98来重复该过程，以产生图12所示的完整音响图像。图13再次示出了图12的细节。
图14和15图示了当副图案重叠在图12和13的图像上时隐形图像如何以接近原始阴影图像的方式再现。
临时申请中的术语在本申请所要求优先权的澳大利亚临时申请2003905861的说明书中，术语“主图案”用来表示解码屏幕，并且术语“副图案”用来表示编码图像。读者将认识到，在本说明书中这些术语反了过来，而没有改变想要表达的意思。将术语反过来是为了与其他参考本申请及其优先权申请的未决申请相一致。
权利要求
1.一种编码隐形图像的方法，所述方法包括a)提供要编码的隐形图像，所述隐形图像具有多个隐形图像元素，每个隐形图像元素具有采取预定的一组值之一的视觉特性；b)提供副图案，所述副图案具有多个副图像元素，在所述隐形图像已经被编码时，所述副图案能够解码所述隐形图像；c)将所述隐形图像元素关联到所述副图像元素；以及d)形成主图案，所述主图案包括多个主图像元素，所述主图像元素与根据所述副图像元素所关联到的隐形图像元素的视觉特性进行位移后的所述副图像元素相对应。
2.如权利要求1所述的方法，包括将所述视觉特性选择为一组灰度值。
3.如权利要求1所述的方法，包括将所述视觉特性选择为隐形图像元素的色调的饱和度值。
4.如权利要求1所述的方法，包括提供这样的副图案，这种副图案包括以如下方式排列的图像元素的矩形组如果所述副图案以一定位移叠加在其自身之上，则将遮蔽其自己的图像。
5.如权利要求4所述的方法，包括提供这样的副图案，这种副图案包括由多条不透明的垂直线条组成的矩形阵列，其中每一线条的宽度是N个图像元素，并且被N个图像元素宽的透明线条分隔，由此所述副图案可以用来对具有多达N+1个不同灰度值的隐形图像进行编码。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述图像元素是像素。
7.如权利要求6所述的方法，其中在要用来印刷所述主图案的印刷技术的基础上，选择视觉特性的数目。
8.如权利要求7所述的方法，其中根据如下公式确定视觉特性的数目(S)S＝(WR/25.4X)+1，其中W是所述主图案要印刷的宽度；R是以每平方英寸像点来计算的印刷机分辨率；以及X是以像素计算的主图案宽度。
9.如权利要求1所述的方法，其中将隐形图像元素关联到副图像元素的步骤包括将隐形图像元素与副图像元素关联起来，此后根据与之相关联的隐形图像元素的视觉特性的值来位移副图像元素。
10.如权利要求1所述的方法，其中将隐形图像元素关联到副图像元素的步骤包括将所述隐形图像分离为与每个视觉特性值相对应的多个蒙版，形成多个位移局部副图案，并且使用所述蒙版来修改所述多个位移局部副图案，并且组合修改后的位移局部图案以形成所述主图案。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述副图像元素和主图像元素通常排列为矩形阵列。
12.如权利要求11所述的方法，其中沿着所述矩形阵列的轴来位移所述副图像元素。
13.如权利要求12所述的方法，其中沿着所述矩形阵列的轴来位移所述副图像元素并且存在S个不同的视觉特性值，并且将与具有第一视觉特性值的隐形图像元素相关联的副图像元素水平位移1个图像元素，并且将每个随后的视觉特性多位移一个图像元素，从而第S个阴影被位移了S个图像元素。
14.如权利要求12所述的方法，其中沿着所述矩形阵列的轴来位移所述副图像元素并且存在S个不同的视觉特性值，并且根据如下公式来位移与具有第一视觉特性值的隐形图像元素相关联的副图像元素位移(D)＝(N-1)×[(S-Smin)/(SN-Smin)]；其中S是正被位移的视觉特性的值，Smin是视觉特性最稀疏的密度值，并且SN是视觉特性的最密集的值。
15.如权利要求1所述的方法，还包括通过对原始图像进行图像处理来从原始图像形成所述隐形图像，以将所述原始图像中的视觉特性的值的数目减小为所述隐形图像中所必需的值的数目。
16.如权利要求1所述的方法，其中位移所述副图像元素的步骤包括沿不同的方向位移所述副图案的不同部分的图像元素。
17.一种编码多个隐形图像的方法，所述方法包括a)提供要编码的多个隐形图像，每个隐形图像具有多个隐形图像元素，每个隐形图像元素具有采取预定的一组值之一的视觉特性；b)提供至少一个副图案，这至少一个副图案中每一个具有多个副图像元素，在所述隐形图像已经被编码时，每个副图案能够解码一个或多个所述隐形图像；c)将所述隐形图像元素关联到要解码所述隐形图像的副图案的副图像元素；d)形成主图案，每个主图案包括多个主图像元素，所述主图像元素对应于根据所述副图像元素所关联到的隐形图像元素的视觉特性进行位移后的所述副图像元素；以及e)以彼此成角度的方式来组合所述主图案，以形成编码每个所述隐形图像的复合主图案。
18.如权利要求17所述的方法，其中单个副图案编码所有隐形图像。
19.如权利要求17所述的方法，其中为每个所述隐形图像提供不同的副图案。
20.如权利要求19所述的方法，其中将所述不同副图案配置为编码不同数目的视觉特性，并且所述隐形图像具有彼此不同数目的视觉特性。
21.如权利要求17所述的方法，其中组合所述主图案，以提供所述主图案之间的最大对比度。
22.如权利要求17所述的方法，其中组合所述主图案，以提供所述主图案之间的对比度同时避免自解码效应。
23.如权利要求17所述的方法，其中以与提供所述主图案之间的最大对比度的角度偏离5～10度的角度来组合所述主图案。
24.如权利要求17所述的方法，其中有两个主图案以彼此成90度的角度组合。
25.如权利要求17所述的方法，其中存在三个主图案，并且相邻图像之间的角度在35至55度的范围中。
26.如权利要求17所述的方法，其中在组合所述主图案之前将一个或多个所述主图案转换为负片。
27.如权利要求17所述的方法，其中如果所述主图案重叠，组合图像元素，以选择对比度和隐蔽性的组合。
28.如权利要求17所述的方法，其中通过将位于一起的图像元素的视觉特性加在一起以获得组合主图案，并且浓淡处理所述组合主图案以获得黑白的复合主图案，由此来组合所述主图案。
29.一种编码隐形图像的主图案，所述主图案包括多个主图像元素，这些主图像元素可以由副图案来解码，所述副图案包括多个副图像元素，所述主图像元素相对于所述副图像元素中各自的副图像元素进行位移，所述位移在关联到所述副图像元素中各自的副图像元素的隐形图像元素的视觉特性的值的基础上确定。
30.如权利要求29所述的主图案，其中所述视觉特性是一组灰度值。
31.如权利要求29所述的主图案，其中所述视觉特性是隐形图像元素的色调的饱和度值。
32.如权利要求29所述的主图案，其中所述副图案包括以如下方式排列的图像元素的矩形组如果所述副图案以一定位移重叠在其自身之上，则将遮蔽其自己的图像。
33.如权利要求29所述的主图案，其中所述副图案包括由多条不透明的垂直线条组成的矩形阵列，其中每一线条的宽度是N个图像元素，并且被N个图像元素宽的透明线条分隔，由此所述副图案可以用来对具有多达N+1个不同灰度值的隐形图像进行编码。
34.如权利要求29所述的主图案，其中所述图像元素是像素。
35.如权利要求34所述的主图案，其中根据如下公式确定视觉特性的数目(S)S＝(WR/25.4X)+1，其中W是所述主图案要印刷的宽度；R是以每平方英寸像点来计算的印刷机分辨率；以及X是以像素计算的主图案宽度。
36.如权利要求29所述的主图案，其中所述主图像元素通常排列为矩形阵列。
37.如权利要求36所述的主图案，其中沿着所述矩形阵列的轴来位移所述副图像元素。
38.如权利要求29所述的主图案，其中存在S个不同的视觉特性值，并且将与具有第一视觉特性值的隐形图像元素相关联的副图像元素水平位移1个图像元素，并且将每个随后的视觉特性多位移一个图像元素，从而第S个阴影被位移了S个图像元素。
39.如权利要求37所述的主图案，其中沿着所述阵列的轴来位移所述副图像元素并且存在S个不同的视觉特性值，并且根据如下公式来位移与具有第一视觉特性值的隐形图像元素相关联的副图像元素位移(D)＝(N-1)×[(S-Smin)/(SN-Smin)]；其中S是正被位移的视觉特性的值，Smin是视觉特性最稀疏的密度值，并且SN是视觉特性的最密集的值。
40.如权利要求29所述的主图案，其中相对于所述副图像元素沿不同的方向位移所述主图案的不同部分的主图像元素。
41.如权利要求29所述的主图案，其构成安全图样。
42.如权利要求29所述的主图案，其构成新颖项目。
43.如权利要求29所述的主图案，其形成文件或票据的一部分。
44.如权利要求29所述的主图案，其中所述主图案凸印在聚合物基底上。
45.一种编码多个隐形图像的复合主图案，所述复合主图案包括多个重叠的主图案，每个主图案之间相对成一定角度，每个主图案包括多个主图像元素，这些主图像元素可以由副图案来解码，所述副图案包括多个副图像元素，所述主图像元素相对于所述副图像元素中各自的副图像元素进行位移，所述位移在关联到所述副图像元素中各自的副图像元素的隐形图像元素的视觉特性的值的基础上确定。
46.如权利要求45所述的复合主图案，其中相同副图案能够解码每个隐形图像。
47.如权利要求45所述的复合主图案，其中需要不同副图案来解码每个所述隐形图像。
48.如权利要求47所述的复合主图案，其中所述不同副图案编码不同数目的视觉特性，并且所述隐形图像具有彼此不同数目的视觉特性。
49.如权利要求45所述的复合主图案，其中组合所述主图案，以提供所述主图案之间的最大对比度。
50.如权利要求45所述的复合主图案，其中组合所述主图案，以提供所述主图案之间的对比度同时避免自解码效应。
51.如权利要求45所述的复合主图案，其中以与提供所述主图案之间的最大对比度的角度偏离5～10度的角度来组合所述主图案。
52.如权利要求45所述的复合主图案，其中有两个主图案以彼此成90度的角度组合。
53.如权利要求45所述的复合主图案，其中存在三个主图案，并且相邻图像之间的角度在35至55度的范围中。
54.如权利要求45所述的复合主图案，其中在组合所述主图案之前将一个或多个所述主图案转换为负片。
55.如权利要求45所述的复合主图案，其中如果所述主图案重叠，组合图像元素，以选择对比度和隐蔽性的组合。
56.如权利要求45所述的复合主图案，其中通过将位于一起的图像元素的视觉特性加在一起以获得组合主图案，并且浓淡处理所述组合主图案以获得黑白的复合主图案，由此来组合所述主图案。
57.如权利要求45所述的复合主图案，其成安全图样。
58.如权利要求45所述的复合主图案，其构成新颖项目。
59.如权利要求45所述的复合主图案，其形成文件或票据的一部分。
60.如权利要求45所述的复合主图案，其凸印在聚合物基底上。
全文摘要
公开了一种编码隐形图像的方法。该方法包括提供要编码的隐形图像，所述隐形图像具有多个隐形图像元素，每个隐形图像元素具有采取预定的一组值之一的视觉特性；提供副图案，所述副图案具有多个副图像元素，在所述隐形图像已经被编码时，所述副图案能够解码所述隐形图像；将所述隐形图像元素关联到所述副图像元素；以及形成主图案，所述主图案包括多个主图像元素，所述主图像元素与根据所述副图像元素所关联到的隐形图像元素的视觉特性进行位移后的所述副图像元素相对应。
文档编号B44F1/12GK1829609SQ200480019026
公开日2006年9月6日 申请日期2004年7月7日 优先权日2003年7月7日
发明者劳伦斯·戴维·麦卡锡, 格哈德·弗雷德里克·斯维格斯 申请人:联邦科学和工业研究机构