（光学工程专业论文）印刷品防伪新技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 本文研究可机读标签和照片水印技术在印刷品防伪中的应用，主要包括以下 内容： 1 基于光学傅立叶变换光路实现信息扩散，采用多灰阶记录原理制作耐损型 二维条形码标签；并通过实验验证了可机读多灰阶标签的耐损性和实用性。实验 表明：多灰阶标签的局部破损面积达到3 0 的情况，利用本文提出的检测技术仍 可正确解读标签中记录的信息。 2 采用紫外加速老化实验方法，分析二维彩色条形码的褪色规律。基于r g b 三基色直方图和概率统计原理，提出能有效校正颜色失真、正确机读二维条形码 的“自适应阈值法”。实验表明：对于紫外2 5 小时加速老化后的褪色条形码，“自 适应阈值法”的机读误码率o 0 5 。 3 在m a t l a b 平台上对文献报道的三种抗打印扫描数字水印算法进行了实验 验证，分析、比较了三种算法用于证件照片防伪的优点及存在的问题。本文吸取 上述三种算法在提高抗打印扫描性能方面的优点，提出“局部调整离散傅立叶变 换中频系数”水印嵌入算法。实验结果证明：该算法能在较小的面积内嵌入较多 的数字信息( 例如，在1 7 8 x 2 6 7 英寸彩色灰度照片内嵌入2 4 个数字字符) ，且 符合证件防伪所需的抗打印、扫描要求。 与已有印刷品防伪方法相比，本文提出的基于可机读标签和照片水印相结合 的证件防伪技术具有安全性高、成本低且易于实现等优点。 关键词：二维条码耐破损褪色数字水印抗打印扫描离散傅立叶变换信 息隐藏印刷品防伪 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t p a c t a p p l i c a t i o n s o fm a c h i n e r e a d a b l el a b e l sa n dp h o t ow a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ei n a n t i c o u n t e r f e i to f p r e s s w o r ka r el u c u b r a t e d m a i nc o n t e n t sa l eg i v e na sf o l l o w i n g ： 1 a n t i d a m a g i n gt w o d i m e n s i o n a lb a r c o d ei sd e s i g n e da n da c c o m p l i s h e db a s e do n t h ep r i n c i p l eo fo p t i c a lf o u r i e rt r a n s f o r ma n dm u l t i l e v e lr e c o r d i n g i th a sb e e np r o v e d w i t ha n t i d a m a g i n ga n dp r a c t i c a b i l i t yo fm a c h i n e r e a d a b l em u l t i l e v e l2 db a r c o d e i t h a sb e e ni n d i c a t e dt h a ti n f o r m a t i o ni nb a r c o d ec a nb ea b s t r a c t e da c c u r a t e l yw i t l lt h e a l g o r i t h mp r o p o s e dh e r eg i v e nt h ed a m a g e dp a r tt a k i n gu po v e r3 0 o ft h et o t a l p r o p o r t i o n 2 t h ef a d i n ge f f e c to f2 dc o l o rb a r e , o d e si sa n a l y z e dw i t ht h eu l t r a v i o l e ta g e i n g t e s t ab a r c o d e sd e t e c t i o nm e t h o do fs e l f - a d a p t i v et h r e s h o l di sp r e s e n t e db a s e do n r o bm o d e la n dt h ep r i n c i p l eo fp r o b a b i l i t ya n ds t a t i s t i c s i th a sb e e ni n d i c a t e dt h a tt h e s e l f - a d a p t i v et h r e s h o l dm e t h o di sa b l et oc o r r e c tt h ec o l o rf a d i n ge f f e c t i v e l ya n dr e d u c e t h ee i r o rr a t eo f t h ef a d e dl a b e lt o0 0 5p e r c e n t ( 2 5h o u r su l t r a v i o l e ta g e i n gt e s t ) 3 w i t ht h ep l a t f o r mo fm a t l a b t h r e ek i n d so fa l g o r i t h m sw h i c ha r ea n t i p r i n t i n g a n da n t i - - s c a n n i n g e f f e c t i v e l y a r e b e i n ge x p e r i m e n t v a l i d a t e d t h ea d v a n t a g e s a n dp r o b l e m se x i g e do fd i f f e r e n ta l g o r i t h mu s e di ni dp h o t o sa r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d a c c o r d i n gt ot h ea d v a n t a g e so ft h r e ea l g o r i t h m sg i v e na b o v ei nw i t h s t a n d i n g s c a n n i n ga n dp r i n t i n gi n f l u e n c e ，ad i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do nc o e f f i c i e n t s o fi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yd i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r mi sp r o p o s e d i th a sb e e np r o v e di n t h ee x p e r i m e n tt h a tm u c hm o r ed i g i t a li n f o r m a t i o nc a nb ee m b e d d e di ns m a l la r e a sa n d t h er e q u i r e m e n tf o rc e r t i f i c a t e sa n t i c o u n t e r f e i t i n gi ss a t i s f i e di nw i t h s t a n d i n gs c a n n i n g a n dp r i n t i n gi n f l u e n c e c o m p a r e dw i t l lt h em e t h o do ff o r g e r yd e t e c t i o no fp r i n t e di m a g eg i v e nb e f o r e t h e a d v a n t a g e so fh i 曲l ys a f e ，l o wc o s ta n de a s yt oc a n yo u ta g ep r o v i d e dw i t ht h e c e r t i f i c a t e s a n t i - c o u n t e r f e i t i n g t e c h n i q u e b a s e d o n t h ec o m b i n a t i o n o f m a c h i n e - r e a d a b l et w o d i m e n s i o n a lb a r c o d ea n di dp h o t ow a t e r m a r k k e yw o r d s ：t w o d i m e n s i o nb a r c o d e ，a n t i d a m a g i n g ，f a d i n g ，d i g i t a w a t e r m a r k i n g ，a n t i p r i n t i n ga n da n t i s c a n n i n g ，d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m i n f o r m a t i o nh i d i n g ，a n t i c o u n t e r f e i t 第i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表2 1 常用字符型数据赋值8 表2 2 全相位型标签破损面积比例与误码率的关系1 4 表2 3 振幅型标签破损面积比例与误码率的关系1 4 表3 1 三种判读方法对褪色条形码的误码率p e 比较( 单位：) 2 2 表4 1 三种算法的性能指标比较3 2 表5 1 不同证件照片的实验结果4 0 表5 2 不同嵌入强度的实验结果4 0 表a 1 两种标签误码率n 随面积破损比例a 而变化4 8 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1 在防伪证件上同时印制水印照片和耐损条形码( 原图为彩色) 2 图2 1 生成标签图案的光学频域映射装置。5 图2 2 八进制多灰阶记录示意图7 图2 3 十六进制多灰阶记录示意图7 图2 4 多灰阶抗破损标签的制作与检测流程。8 图2 5 多灰阶记录形成标签雏形1 0 图2 6 耐损型可机读多灰阶标签l o 图2 7r a d o n 投影变换示意图1 1 图2 8 标签几何失真矫正和分割l l 图2 9 耐损标签制作工具与阅读解码器的操作界面1 2 图2 1 0 破损的标签图。1 4 图2 1l 标签破损面积与误码率的关系1 4 图3 1r g b 彩色立体模型1 6 图3 2 耐损型多灰阶可机读标签及其抗磨损防涂改图例( 原图为彩色) 1 7 图3 3 紫外辐照彩印标签的实验结果( 原条形码图案为彩色) 1 8 图3 4 条形码标签色差彳e 随紫外辐射时间的变化曲线。1 9 图3 ，5 图3 3 样品经紫外辐照2 0 小时后的r g b 分量南方图2 0 图3 6 图3 3 样品经紫外辐照4 0 小时后的r g b 分量直方图2 0 图3 7 左测添加颜色标尺的彩色条形码标( 原图为彩色) 2 3 图4 1 水印嵌入基本流程2 6 图4 2 水印检测基本流程2 6 图4 3 算法l 的水印嵌入过程2 8 图4 4 算法1 的水印检测过程2 8 图4 5 算法2 的实验结果3 0 图4 6 算法3 水印实验过程3l 图5 1 原始图像及其幅值谱3 5 图5 2d f t 中频系数局部调整水印算法的嵌入流程3 6 图5 3d f t 中频系数局部调整水印算法的检测流程。3 6 图5 4 嵌入系统与检测系统界面3 9 图5 5 四种证件照片的实验效果( a 、b 原图为彩色) 3 9 图5 6 不同嵌入强度的实验效果4 0 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：虫型虽瞳邈堑遮盎叠窥 学位论文作者签名： 马垦整日期：一缉h 月y 7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阔；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以呆用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：生型星陵地堑挞盔盟塞 学位论文作者签名 b 露。拓 作者指导教师签名：0 ； 畚 日期：“。6 年f 。月b 7 日 日期：z o d 6 年e 2 月t 7 目 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章概述 证件、文凭、票据及法律文件等高价值印刷品与人们的物质生活和文化生活 息息相关。各种先进输入、输出设备的应用，特别是高精度打印机和扫描仪的普 及，在为人们工作带来方便之外，也使得高价值印刷品的伪造变得越来越容易。 本课题针对印刷品的特点，研究防伪新方案，为印刷品防伪技术的更新换代 提供有力的技术支持。 1 1 社会对印刷品防伪的需求 证件、文凭造假给国家和人民生活带来了巨大的损失【l l ，其危害性从某种意义 上远大于普通意义上的实物伪劣产品【2 】。造假案件不胜枚举，其性质之恶劣，程度 之严重，可从以下四种媒体报道的证件造假案例中窥见一斑： 教育部“全国学位与研究生教育发展中心”公布：在2 0 0 2 年受理的1 万多 张可疑学历证书中，约2 3 的文凭是伪造的；而在2 0 0 0 年，假证高达3 0 。 京华时报2 0 0 5 年9 月2 2 日报导：北京成人高考惊现假证，4 4 万人文凭需复 审。 中国新闻网2 0 0 6 年6 月1 6 日报导：用“假证”换取商考体育加分的事件在 各省市都不同程度存在。湖南已清查的3 1 0 2 名持证学生中，有4 5 0 人被撤销二级 资格证书。而辽宁鞍山某学校一年就出了1 5 3 名“二级运动员”。 外国媒体报导：上世纪8 0 年代后期，美国“证件伪造业”突飞猛进，成为一 个“大产业”。美国著名的假证件市场“亚当摩根”离白宫只有3 公里多。 警方称：参与“9 1 1 ”事件的1 9 名劫机犯中，很多人都使用过假的社会保险号 码。 证件、票据等印刷品制假活动猖獗的原因：一方面是制假有利可图，吸引不 法分子铤而走险；另一方面是证件等印刷品易于仿造，使得普通及过时的防伪措 施难以奏效。为了有效遏制制假行为，市场急需推出新的防伪原理和不断改进已 有防伪产品的性能。 1 2 证件防伪的难点与解决措施 1 2 1 运用数字水印与条形码技术增强证件的防伪性能 目前，我国的大多数证件都依赖于人眼识别真伪。我们选用可机读二维条形 码标签和照片水印相结合的技术途径，解决在证件管理上存在的真伪查验的“效 第1 页 国防科学技术大学研究生院学何论文 率不高”、“对鱼验人员经验的依赖性较大”、用常规印刷方法制作的证件的防 伪性能差等问题。 本文采用的防伪方案如图1 1 所示，该证件上同时印刷有可机读标签和含有防 伪标记的证件持有者照片。其中，防伪标记在不影响证件图文直观质量的情况下 嵌入到证件照片上，并且在证件照片经历模拟和数字转化过程后仍能可靠地被检 测出来，从而达到证明证件真实性( 及有效性) 的目的。可机读印刷标签用于存 储证件持有者的信息，便于信息的录入和读取。 图1 1 在防伪证件上同时印制水印照片和耐损条形码( 原图为彩色) 制证、发证机构可以根据证件的不同种类将个人信息存储到不同的标签上， 同时在照片上嵌入不同内容的水印信息。标签的生成方式、编码方法和加密手段 以及数字水印的嵌入方式、嵌入的信息内容和嵌入水印的位置都具有不同的变化 特征，这些变化特征极大地提高了证件的防伪性能。在需要证件进行真伪检验时， 两者同时进入各自的检测系统进行信息提取，如果证件照片上提取出来的水印信 息与标签提取的信息的某一信息( 比如姓名、证件号、出生年月日等) 一致，则 可证实该证件的有效性，否则，该证件无效。可机读印刷标签和证件照片两种隐 性信息相互印证，将极大的提高证件的防伪性能。 1 2 2 本文的研究任务和拟解决的技术难点 在1 2 1 证件防伪方案中，利用可机读标签和证件照片水印两种内容相互印 证，来提高证件的防伪性能。然而，证件是印刷制品，在制作和真伪查验过程中， 不可避免地面临自然( 及人为) 因素导致的信息丢失现象。例如，打印( 数字到 模拟转化) 、扫描( 模拟到数字转化) 均导致分辨率下降，并引入噪声。人为攻 击将导致局部信息丢失和变更。本文的研究任务是：研发符合实用需求的防伪证 件制作与查验技术，该技术在证件局部信息丢失的前提下仍能可靠地检测出标签 中的数据和照片中的防伪标记。 完成上述研究任务需解决的技术难点主要是： 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 1 ) 可机读标签的耐损性 在实用中由于证件随身携带等原因，可机读标签能否长期有效和重复使用? 在载体被弄脏、涂改或褪色的条件下，能否减少条形码标签作废或遭拒读的概率? 在标签使用过程中，能否防止证件被伪造或篡改? 这些是可机读标签需要解决的 问题。而文献检索结果表明：国内和国外对可机读标签；面孑l _ 里点，大多放在冗 余编码方案创新及光电阅读器改进等方面【2 ，3 】，迄今没有查到从技术原理角度解决 标签耐损性和安全性问题的公开报道。本文将从耐损性和安全性两个方面探索新 的技术途径解决问题。 ( 2 ) 证件照片水印对打印扫描的稳健性 证件照片水印技术与适用于计算机文档防伪的水印技术有许多共同点，二者 在图像中嵌入和提取不可见信息的原理基本相同，均要求水印应具备“不可见性” 和“稳健性”。而常规数字水印算法限于处理数字化文件，除遭受蓄意攻击以及 电讯线路引入噪声等因素之外，该数字化文件不会轻易发生变化【4 】。但是对于证件 照片在印刷、使用和存放等环节，纸张等载体可能变形；经打印扫描过程后，印 刷品上的图文的几何形状及色调可能失真。印刷品嵌入数字水印的主要难点在于： 在载体和图文存在随机变化的条件下，要求嵌入图像中的数字水印仍然有效( 并 能抵抗打印扫描攻击) 。本文将探索克服上述难点的有效方法。 1 3 本文主要内容 本文分为五章：第一章为绪论，阐述研究本课题的意义；结束语总结本文取 得的主要研究成果和存在的不足。 第二章基于光学傅立叶变换信息扩散、多灰阶记录原理，制作具备抗打印扫 描和抗破损性能的多灰阶标签。第三章阐述可机读彩色标签的制作方法，用紫外 灯辐照模拟太阳光对彩印标签的褪色效应，总结彩色二维标签的褪色规律，并提 出用自适应阈值法判读色彩失真标签中记录的数据。 第四章对文献报道的三种抗打印扫描数字水印算法进行分析和对比实验。第 五章综合第四章三种抗打印扫描算法的设计思想，提出了一种离散傅立叶变换中 频系数局部调整法，并通过实验验证该方法应用于证件照片防伪的有效性。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章耐损型可机读标签的设计原理与实验验证 条码标签是一种图形化数据文件，其印制方法简易，省时、省钱，是将图文 信息录入计算机的便捷工具之一。可机读标签的用途越来越广、用量越来越大。 在印刷证件上添加可机读标签不仅可以加快验证机构对信息的录入速度，提 高效率，而且对提高证件照片水印的防伪性能有辅助作用。 本章首先综述可机读标签的研究动态，随后阐述条形码标签加密和抗破损的 基本原理，介绍新型多灰阶抗破损标签的设计及制作的过程，讨论标签检测过程 中与图像预处理有关的几个问题；最后用实验验证新型标签的抗破损性能。 2 1 可机读标签的研究动态 目前，。维条码已广泛应用于商业、交通运输业、邮电、仓储业等领域中。 但一维条码能表示的信息量非常有限，必须依赖后台数据库和网络才能使用。8 0 年 代末产生的二维条码的信息容量大，数据记录密度高，可以记录照片、文字、指 纹、签名等信息，是实现证件信息存储、传递和供机器自动识读的理想载体1 5 卅。 2 1 1 国外研究动态 美国乔伍德兰德( j o ew o o dl a n d ) 和伯尼西尔沃( b e m ys i l v e r ) 两位工程师在 二十世纪4 0 年代开始研究用图像代码表示商品项目，于1 9 4 9 年获得美国专利。 专利所提出的图像代码就是早期条码的雏形【6 】。 目前应用面最广的二维条码p d f 4 1 7 是由美国s y m b o l 公司研制的。日本d e n s o - 公司于1 9 9 4 年9 月研制出q rc o d e 码。上述两种条形码依靠纠错编码原理实现抗 破损阅读。 新西兰基维软件程序有限公司发明了一种可用于户外统计木材运载量的二维 条形码“机器可读的标签”【9 】。用常规摄像机读取木材上的“机器可读的标签” 时，即使标签贴于室外环境，且出现污染、卷曲、倾斜或局部模糊、丢失，光学 非接触方法的解码错误率不超过1 1 0 0 0 。 2 1 2 国内研究动态 我国在1 9 9 7 年1 2 月正式颁布p d f 4 1 7 条码国家标准。文献 6 ，1 0 】报道了国内 关于二维条码的防伪研究进展。文献【1 1 ，1 2 利用d e s 算法实现条形码加密。哈工 大的牛夏牧等人研究变形技术在二维条码中隐藏信息i “。上海阿须公司发明了阿 须码，该条形码既有二维条形码的特点，又能兼容一维条形码。厦门大学科技园 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 完成多种二维条码( p d f 4 1 7 、q rc o d e 、c o d eo n e 、d a t am a t r i x 和m a x ic o d e ) 编 码、译码及其纠错理论与算法在d s p 中实现的关键技术的研究【1 4 1 。 2 2 标签抗破损和加密的基本原理 2 1 所述的商用二值条形码一律采用纠错编码原理校验( 清除) 机读时出现 的少量数码比特错误。而本文同时使用傅立叶变换光路实现信息扩散、多灰阶记 录原理与纠错编码原理来实现标签的抗破损解码。由于综合利用了光学频域映射 和纠错编码两种技术的优点，在破损面积相等的情况下，本文制作的耐损型标签 的总误码率低于商用二值条形码。 2 2 1 基于光学傅立叶变换的信息扩散原理 耐损型二维条形码标签的制作过程为：首先将耐损型标签中原始的文字、图 形信息表示为一幅二值图( 记为g ( x ，力， 变换光路把二值图分解成“信息微元”、 个多灰阶标签图案 1 5 , 1 8 , 1 9 】。 0 x 不1 ，o y j j l 乒1 ) ，然后用傅立叶 分散映射到标签的每一个角落，形成一 1 傅立叶变换光路在图2 1 中，由透镜f l l 和f l 2 构成4 f 系统，g ( x ，力为 输- - 值图，p 以力和b ( u ，v ) 为两个随机相位掩模，分别对输入面和频域变换面进 行两次相位调制，函力为经过变换后的二维条形码标签图案( 矩阵) 。 g 图2 1 生成标签图案的光学频域映射装置 2 数学描述设二值图为矩阵g ( x ，力，0 x 乒1 ，o 旬 乒l 。离散傅立叶变 换定义为： m - i n - i g ( “，v ) = g ( x ，) ，p 叫2 “”e 一癣“” ( 2 1 ) 00 其中，= o ，1 ，2 ，m 一1 ，y = 0 ，l ，2 ，n l 。g ( u ，v ) 为变换后的频谱： g ( u ，v ) = r ，v ) + f l ( a ，v ) ( 2 2 ) 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 r ( u ，v ) 和( u ，v ) 为频谱的实部和虚部矩阵。 图2 i 生成二维条形码标签图案( 矩阵) 函o ，力的光学变换过程可表达如下： g 。( x ，力= f 一 e x p j 2 n ( u ，v ) 】f 堙( x ，y ) e x p j 2 n p ( x ，y ) 】) ( 2 3 ) 式中，f ，f 分别代表离散傅立叶变换和逆变换，p o ，力和b ( u ，v ) 为随机相位掩模。 解码过程是生成过程的逆变换，由式2 4 给出： g ( x ，y ) = e x p 一j 2 n p ( x ，y ) l f 一 e x p 一j 2 n b ( u ，v ) 】f 【g 。( x ，y ) 】) ( 2 4 ) 3 全相位型与振幅型按公式2 3 对原始二值图像g ( x ，力( 幅值图像) 直接 进行光学傅立叶变换，称之为振幅型。还有一种方法是将g ，力变换成e x p ( j 一曲 ( 相位信息) ，进行光学傅立叶变换，称之为全相位型。根据文献报道，全相位 型在抗噪声性能方面比振幅型的要好”】，在2 4 2 的实验部分将对其进行实验验 证。 基于上述光学傅立叶变换原理生成的标签具备抗破损及加密两种特性： ( 1 ) 抗破损 当标签局部破损时，尽管丢失了- - , 5 部分“面积”，但分散记录在标签未受 损部位的“信息微元”并未完全丢失。根据光路可逆原理，我们能够凭借残留的 子像元恢复原始文字、图形的内容。标签局部破损仅导致所恢复的图像中出现噪 声。在误码率不大于设定值的条件下( 特别是在附录c 纠错编码技术的支持下) ， 所恢复的数据内容与标签未受损时相同。耐损型标签局部破损对误码率的影响详 见附录a 。 ( 2 ) 加密 公式2 3 所表述的变换称为双随机相位( d o u b l e ，r a n d o m p h a s e ) 力h 密变换 j 8 , 1 9 】。 该光路具有加密作用：透明相位掩模p ( x ，力和b ( u ，v ) 作为密钥，对图像在输入面和 频域变换面进行两次相位调制，得到加密图像。只有知道密钥才能将图像解密出 来。 2 2 2 多灰阶记录原理 二值图经公式2 3 光学傅立叶变换后，信息扩散到岛k 力的实部踟0 ，力和虚 部踟力，而全相位型的实部和虚部的数据取值范围为【一2 5 ，2 5 】；振幅型的数据 取值范围为【2 ，2 】之间( 具体推导过程见附录b ) 。本文用条形码方格的灰阶记录 上述实部、虚部数据，印制多灰度可机读标签。 如图2 2 所示，我们使用3 位八进制量化勘力的实部和虚部数据中的每个矩 阵元( 即用3 个条形码格子记录一个矩阵元的取值) 。每一位八进制数用八个灰 度等级来表示，称这种方法为八进制多灰阶记录法。如图2 3 所示，也可使用2 位 十六进制量化实部和虚部数据( 即用2 个条形码格子记录一个矩阵元的取值) ， 国防科学技术大学研究生院学位论文 每一位十六进制数用十六个扶度等级表示，称这种方法为十六进制多灰阶记采法。 臣至 习丑，蚯卫珂一 数据量化等级8 进制数灰度值灰度图 图2 2 八进制多灰阶记录示意图 数据量化等级1 6 进制数灰度值灰度图 图2 3 十六进制多灰阶记录示意图 以图2 2 为例，设光学傅立叶变换后的数据为岛 ，力，其数据取值范围为 【一2 5 ，2 5 】，首先将g a ( x ，力量化为51 2 个等级。量化公式为： k o ( x ，y ) = f i x g o ( x ，j ，) + 2 5 l + 5 1 2 0 5 0 ( 2 5 ) 式中，f i x 表示取整运算，例如：数据0 7 2 5 5 4 6 带入公式2 5 ，得量化值3 3 0 。 接着，用三位八进制数h x l 、h x 2 和h x 3 表示0 ，5 1 2 之间的整数( 例如3 3 0 ) 。 则： h x l = h 砖( x ，y ) 6 4 】( 2 6 ) h x 2 = f i x r e m k a ( 工，y ) 6 4 8 ) ( 2 7 ) n x 3 = r e m r e m k a ( x ，y ) 6 4 】8 ( 2 8 ) 式中，f z x 表取整，r e m 表取余数，h x l 、h x 2 和肠c 3 的取值范围为【0 ，7 】。对 于量化值3 3 0 ，其灰度级h x l 、h x 2 和h x 3 分别取为5 、1 和2 。 由于打印扫描带来的灰度值的偏移和非线性误差，会给标签的检测灰度的区 分带来了一定困难。鉴于相邻灰度的差别很小，我们把对于每一个灰度等级用3 2 个灰度来表示，即把2 5 6 灰度等级分成8 等分，3 2 个灰度区间分别为：0 3 1 ，3 2 6 3 ，2 2 4 - - 2 5 5 。 八进制多灰阶记录法降低了灰度区分的难度，对打印扫描设备的误差容限相 对较大，但需要增大标签的印刷面积。在总数据量相同的条件下，十六进制多灰 阶记录法所需印刷面积为八进制记录法的2 3 ，但因每一个次度等级只能用1 6 个 灰度来表示，对打印扫描的仪器的误差容限较小。在打印扫描的仪器质量相同的 条件下，十六进制记录法误码率高于八进制记录法。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 3 耐损型可机读标签的制作与检测 多灰阶抗破损标签制作与检测流程如图2 4 所示。 批量生产标签时，可以用图2 1 光学图像映射装置实现制作流程，以由图2 1 装置逆光路实现标签检测流程。以下利用计算机程序模拟光学映射过程，实现图 2 4 的全部流程。 圈4 囹4 至 h 丑 图2 4 多灰阶抗破损标签的制作与检测流程 2 3 1 耐损型可机读标签的制作步骤 1 输入信息二进制转换 本文制作的条形码标签可记录数字( 数字和空格) 、常用字符( 数字、大写字 母和常用符号) 、a s c i i 码和汉字。这四种类型转换为二迸制数的规则如下： ( 1 ) 数字：该类型由数值字符( 0 - 9 ) 和一个空格字符组成，将每一个输入字符 赋予一个数值，数值字符( 0 - 9 ) 赋予数值o 9 ，空格赋予数值1 0 。编码时，将输入 字符每两个分为一组，如果输入数据为单数，则在后面添加一个空格：再将前面 字符数值乘以1 1 与第二个字符数值相加，将所得结果用7 位二进制数表示。 但) 常用字符型数据：该类型使用了4 5 个常用的字符，每个字符按表2 1 所 示赋予一个数值，编码时，将输入的字符每2 个分为一组，如果数据为单数，同 样在后面添加一个空格；再将前面字符的数值乘以4 5 与第二个字符的数值相加， 将所得结果用位二进制数表示。 ( 3 ) a s c i i 码：每一位字符按7 位二进制进行编码。 h ) 汉字：字符值为g b 2 3 1 2 中规定的内码值，则每一个汉字按1 6 位二进制 进行编码。 表2 1 常用字符型数据赋值 字符赋值 数字o 9 o 9 大写字母a z l o 3 5 常用符号s p $ + + 二 3 6 4 4 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 纠错编码 编码时，原始二进制信息按照每7 位为一码组，把每一码组通过编码器编码 生成1 1 位的码组或1 5 位的码组。纠错解码时，1 l 位的码组能纠正码组传输过程 中任意一个位置错误；1 5 位的码组能纠正码组传输过程中任意两个位置错误。 在录入相同信息的情况下，使用( 1 1 ，7 ) 码的印刷面积略小于( 1 5 ，7 ) 码的印刷面 积，但后者的纠错能力优于前者。有关纠错编码的相关定义见附录c 。 3 加密 我们使用一种伪随机序列对原始信息加密。 首先，利用服从均匀分布的伪随机数发生器( 例如，线性同余伪随机数发生 别1 4 】) 产生伪随机序列似) ，再对序列 足) 四舍五入取整，得到我们需要的序列 p ) 。 按式( 2 9 ) 对序列 p ) 和原始信息序列 奶进行异或操作： 心= m 1 0 见( 2 9 ) 这样，得到加密后的二值信息序列 阶。，该异或操作后不仅对二进制信息进行 了加密，而且加密后的序列中0 和1 服从均匀分布。服从均匀分布的二进制序列 有利于提高条形码标签检测时的稳健性。 除按公式( 2 9 ) 实施加密操作外，还可用公式( 2 3 ) 所示的双随机相位加密光学傅 立叶变换对标签双重加密，进一步提高标签的防伪性能。 4 光学傅立叶信息扩散 根据2 1 1 的光学傅立叶信息扩散原理，把原始信息与伪随机序列异或后的二 值序列整形成矩阵，得到g ( x ，y ) ，由公式2 1 0 可以得到信息扩散后振幅型的实部 与虚部的数据矩阵。而由公式2 1 1 可以得到信息扩散后全相位型的实部与虚部的 数据矩阵。 g 。( x ，y ) = f e x p j 2 n b ( u ，v ) 】f g ( z ，y ) e x p j 2 p ( x ，y ) 】 ) = g a r ( x ，力+ 瓴，( x ，j ，)( 2 1 0 ) g 。( x ，力= f - 1 e x p j 2 7 r b ( x , y ) f e x p ，万【g ( x ，力+ 2 p ( x ，j ，) ) 】 = g p r ( x ，y ) + g 。( x ，y ) ( 2 1 1 ) 5 实部与虚部的多灰阶记录 从附录b 可知，由步骤4 得到的信息扩散后的实部和虚部数据取值范围分别 为【一2 5 ，2 5 】或【- 2 ，2 】。根据2 1 3 的多灰阶记录原理，用十六进制或八进制多种灰度 等级表示这些数据。并将实部与虚部数据合并，形成标签的雏形。以八进制多灰 阶记录法的合并结果如图2 5 所示。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 实部虚部 图2 5 多灰阶记录形成标签雏形 6 标签成型 本文在标签的左边添加灰度等级标尺，检测时可以通过该标尺对各个检测格 点进行灰度矫正( 在下一节有详细说明) 。同时，为了矫正几何变形及检测时对 标签进行预处理，我们在标签的外围添加2 个象素值的黑色边框。生成的耐损型 可机读标签成品如图2 6 所示，该标签录入的信息为：l e n af e m a l eh a n1 9 8 1 1 1 1 1 8 8 8 8 8 8 8 8 。 图2 6 耐损型可机读多灰阶标签 2 3 2 耐损型可机读标签的检测 标签检测步骤包括输入标签的预处理( 几何失真矫正与分割、降噪、灰度矫 正) 、信息重组、光学傅立叶反变换、解密、纠错译码和信息解码。标签的检测 是标签制作生成的逆过程，二者原理相同，这里不再详述。本节主要介绍标签几 何失真矫正与分割、灰度矫正技术。 1 标签的几何失真矫正与分割 标签图像经过打印输出和扫描再次数字化，必然产生失真。l i n 等经过研究后 指出，失真主要包括像素值失真和几何失真1 2 0 , 2 ”。要能够正确的检测条码的信息， 首先需要解决的一个关键性问题是矫正扫描图像的几何失真及从背景中分割出标 签轮廓。 r a d o n 投影变换可用于检测图像中直线的倾角阱】。条形码图0 ，力在任意角度 8 上的r a d o n 投影变换定义为： 民( 工= i f ( x c o s 0 一y s i n o ，x s i n o + y c o s 0 ) d y ( 2 1 2 ) 第1 0 页 驾 笛 圈圜 国防科学技术火学研究生院学位论文 其中b 刁= c o s 孑。s 。i n 。o 臼儿 f y x j ，投影几何关系如图2 ，所示： 图2 7r a d o n 投影变换示意图 基于图像边界的r a d o n 投影变换的几何失真矫正和分割的步骤可以归纳为下 面4 个步骤： ( 1 ) 对扫描得到的标签图像，图2 8 ( a ) ，利用e d g e 边缘检测函数对图像进行边 缘检测，检测结果如图2 8 ( b ) 所示。 ( 2 ) 对边缘检测图像进行r a n d o n 投影变换，检测出标签旋转的角度口。 ( 3 ) 根据r a n d o n 投影变换检测出旋转的角度口，对扫描标签图像进行反旋 转口度，实现旋转角的矫正。 ( 4 ) 对旋转矫正后的标签图像作边缘检测运算，如图2 8 ( c ) ，利用标签上添加 的黑色边框，从背景中提取标签的边界坐标。根据边界坐标可以把图2 8 ( a ) 中标签 从背景中分割出来，结果如图2 8 ( d ) 所示。 ( a ) 输入标签图像 ( b ) 边缘检测结果 ( c ) 旋转矫正( d ) 矫正分割结果 图2 8 标签几何失真矫正和分割 2 标签的灰度值矫正 印刷设备及获取设备给标签带来噪声，同时也产生标签灰度值的偏移及灰度 第1 1 页 国防科学技术_ 人学研究生院学位论文 的非线性变化，而且不h 的设备、刁i h 的使用环境、使用时间都将产生不同的灰 度偏差。为了准确的还原标签各个灰度等级上的灰度值，必须对其进行灰度值矫 正。如上一节标签制作的标签成型步骤中所述，可以通过在标签制作时添加的标 尺来矫正灰度值的偏差，如图2 6 所示。因为标尺与标签同样存在着灰度偏差，而 且标尺各方格的灰度值为已知数，固可作为推断标签灰度偏差的依据。检测标签 时，通过计算标签上每一个格点的灰度值分别与标尺的每一个灰度格的差值，灰 度差值最小者，标尺上的已知灰度值作为标签格的灰度值。 2 4 可机读标签耐损性能的实验检验与分析 2 4 1 多灰阶抗破损防伪标签软件界面设计 根据2 3 节设计的标签制作和检测步骤，我们研制成功标签发生器和解码器 ( 工具软件) ，该工具软件的操作界面如图2 9 所示。 在标签编辑发生器中，整个界面可以分为四个模块，分别为：信息录入模块、 加密模块、类型选择模块和显示模块。在加密模块中，可输入三种密码；在类型 选择模块中，根据标签使用方式开选择以下三种类型：纠错类型、变换类型、信 息扩散与多灰阶记录类型的选择；显示模块设定标签显示面积、显示标签等内容。 在标签解码器中，操作界面分为三个模块，分别为：信息显示模块、类型参 数选择模块和密码输入模块。这里的参数选择分别与编辑发生器中的参数选择一 一对应。 图2 9 耐损标签制作工具与阅读懈码器的操作界面 条形码标签的主要性能指标： 1 存储密度：使用八进制多灰阶记录法情况下，( 1 5 ，7 ) 8 q 错码( 11 , 7 ) 8 q 错码， 标签每英寸可录入约2 5 3 3 个字符；使用十六进制多灰阶记录法情况下，( 1 5 ，7 ) 8 q 错码( 1 1 , 7 ) g q 错码，标签每英寸可录入约3 8 5 2 个字符；。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 标签尺寸：高度为吲定为2 4 7 厘米，宽度根据采入信息增加而变宽。 3 可记录信息的种类：数字空格、常用字符、a s c i i 码和汉字四种类型。 2 4 2 实验结果及分析 实验中，标签的打印扫描设备为h pp s c l 2 1 8 一体机。 1 编码与纠错测试实验 ( 1 ) 测试方法： a 分别对数字空格、常用字符、a s c i i 码和汉字四种类型的信息进行实验测试。 b 分别使用( 1 1 ，7 ) 码和( 1 5 ，7 ) 码两种不同纠错能力的纠错码进行实验测试。 c 分别使用十六进制多灰阶记录法和十六进制多灰阶记录法进行实验测试。 ( 2 ) 测试结果分析： a 图2 9 工具软件在多种输入条件下设计和打印输出条形码标签，再扫描进入 解码器。各实验样品均可以正确解读出原始信息。 b 对于同样的输入信息，使用( 1 5 ，7 ) 码纠错码生成的标签面积比使用( 1l ，7 ) 码的 标签要大( 相同输入信息下，面积的比例为1 5 ：1 1 ) ，这是因为( 1 5 ，7 ) 码添加了更 多的冗余信息，但纠错能力l l ( 11 ，7 ) 码要强。 c 对于同样的输入信息，使用十六进制多灰阶记录法生成的标签的面积要比八 进制多灰阶记录法的小，但十六进制多灰阶记录法生成的标签对打印输出设备 要求比较高，要求打印出来的标签能准确无误地区分1 6 个灰度等级。 2 加密性能的实验测试 ( 1 ) 测试方法；设定密码，选择一定的标签生成模式，将生成的标签送入解码 器进行解码，在解码器中输入不同的密码，不同参数选项对标签的加密性能进行