（光学专业论文）基于网屏编码的多层印刷模型及自动读取系统.pdf

摘要 摘要 在现代社会，纸张依旧处于信息载体的无可替代的地位。而针对纸介质的 信息安全问题一直是一个难题，给国家造成了巨大经济损失。基于印刷网屏和 编码理论，本文对纸介质信息安全问题进行了较系统的研究，介绍了一种在纸 介质上进行信息记录和信息隐藏的形态网屏编码技术，且应用网屏编码技术进 行了实际应用产品的开发。本文的主要研究工作如下： 1 总结了当今主要纸介质防伪技术的研究现状，对各种纸介质防伪技术进行 了优缺点的分析和总结。 2 阐述了利用不同的网点灰度级分别记录不同的码字而产生的一种全新的基 于微观网点栅格点阵打印点的网屏编码技术。分别介绍了网屏编码技术的 基本理论及其实现方法，并将网屏编码技术与其它纸介质防伪技术进行对 比，指出了其优势所在。 3 提出了一种新的利用叠印印刷建立数学模型来进行防伪的理论。以多层油 墨印刷与c m y k 分色技术为基础，以黑墨对于红外线的特殊性质为条件建 立了理论模型，构造了数学模型的线性方程组，介绍了利用迭代法解线性 方程组的三种方法。同时，将此模型与网屏编码技术相结合，开发了多媒 体印刷软件与点读笔，其对于人眼隐形的信息嵌入方式更是网屏编码技术 的一项创新。 4 设计和研发了基于网屏编码的自动读取系统。采用了虚拟打印系统，利用 了一种全新的4 5 度角方向网点的网屏编码方式，提出了新的码字分模组的 方式进行信息存储的算法。 5 对不同的码字的选择进行了大量实验，并进行了对比和分析，利用离散坐 标表征网点栅格方阵的打印点，计算了各种码字的尺寸，同时实现了1 5 k b 以上大容量信息在底纹上的埋入。 6 针对纸介质上文字干扰码字进而影响识别的问题，提出了4 种解决办法， 以实验证明了其可行性，并已运用到自动读取系统中。 关键词：网屏编码，c m y k 分色，4 5 度网屏，叠印印刷 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h em o d e ms o c i e t y , p a p e r ss t i l ld o m i n a t et h ef i e l do fi n f o r m a t i o nc a r r i e r a n d t h ep r o b l e ma b o u tp a p e ri n f o r m a t i o ns a f e t yw h i c hc a u s e se n o r m o u se c o n o m i cl o s s e s i sh a r dt os o l v e t h es y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yo fp a p e ri n f o r m a t i o n s a f e t yi sp r o c e s s e di n t h i sp a p e ra c c o r d i n gt op r i n t i n ga n dc o d i n gt h e o r y an e w s c r e e nc o d i n gt e c h n o l o g yw h i c hw a su s e dt or e c o r da n dh i d ei n f o r m a t i o no np a p e r m e d i u mb a s e do nh a l f t o n ea n dc o d i n gt h e o r yw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r , w h i c hh a d b e e nu s e di np r a c t i c e t h em a i nc o n t e n ti sl i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ec u r r e n ts t a t u so ft h er e s e a r c ho fm a i nt e c h n o l o g i e so fp a t e ri n f o r m a t i o n s a f e t y w e r es u m m a r i z e d ，t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g ea r ea l s ob e e n a n a l y z e d 2 an e ws c r e e nc o d et e c h n o l o g yb a s e do nt h a td i f f e r e n t 伊a ys c a l ev a l u e s r e p r e s e n t d i f f e r e n tc o d e sw a sp r e s e n t e d t h ef u n d a m e n t a lt h e o r ya n d i m p l e m e n t a t i o nm e t h o dw e r ei n t r o d u c e d i nt h em e a nw h i l e ，c o m p a r e d 谢t l l o t h e rt e c h n o l o g i e s ，t h ea d v a n t a g e so fs c r e e nc o d ew e r ef i g u r e do u t 3 an e wa n t i c o u n t e r f e i t i n gt h e o r yi nw h i c hm a t h e m a t i c a lm o d e lw a sb u i l t 、i m o v e r p r i n t i n gt h e o r yw a sp r o p o s e d ，b a s e do nm u l t i l a y e rp r i n t i n gi n km e t h o d , c m y kc o l o rs e p a r a t i o nt h e o r y , a n dt h et h e o r e t i c a lm o d e lo nt h ec o n d i t i o no ft h e s p e c i a lp r o p e r t i e so fb l a c ki n kt o i n f r a r e dr a y t h el i n e a re q u a t i o n sw a s s t r u c t u r e da n ds o l v e dw i t hi t e r a t i v em e t h o d a tt h es a m et i m e ，m u l t i m e d i a s o f t w a r ed e v e l o p e dw i t i lt h i st h e o r ya n ds c r e e nc o d ew a si n t r o d u c e d w h i c hi sa i n n o v a t i o nf o ri n f o r m a t i o ne m b e d d i n gm e t h o do fs c r e e nc o d e 4 a u t o r e a ds y s t e mw h i c hh a db e e nu s e dp r a c t i c a l l yw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d b a s e do ns c r e e nc o d e v i r t u a lp r i n ts y s t e ma n dan e ws c r e e nc o d ei nw h i c hd o t s w e r ep r i n t e di n4 5 0d i r e c t i o nw e r eu s e d i nt h i sa u t o - r e a ds y s t e m , an e wm o d u l e g r o u pm e t h o dw a sa l s ou s e dt od i s t i n g u i s hi n t a c tm o d u l ec o d eg r o u pi no r d e r t o r e c o r di n f o r m a t i o n 5 e x p e r i m e n t sa n da n a l y s i sa m o n gd i f f e r e n tc o d e sw e r ec a r r i e do u t t h ep r i n t i n g d o t sa r ec h a r a c t e r i z e da n dc a l c u l a t e db yd i s c r e t eo r d i n a t em e t h o d a n di t r e a l i z e dt h a tm o r et h a n15 k bi n f o r m a t i o nw e r ee m b e d d e di nb a c k g r o u n di n p a p e r s i i a b s t r a c t 6 f o u rm e t h o d sw e r ep r e s e n t e da i m i n ga tt h ep r o b l e mo fw o r d si n t e r f e r i n gc o d e s i nt h ep a p e r t h ef e a s i b i l i t yo fe a c hw a sp r o v e db ye x p e r i m e n t s ，w h i c hw a s a p p l i e di na u t o r e a ds y s t e m k 呵w o r d s ：s c r e e nc o d e ，c m y kc o l o rs e p a r a t i o nm e t h o d ，h a l f t o n es c r e e ni n4 5 d e g r e ea n g l e ，o v e r p r i n t i n g i i i 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 2 0 年月日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 姓名学号答辩日期年月日 论文类别 博士口 学历硕士口硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所专业 联系电话e m a i l 通信地址( 邮编) ： 备注： 是否批准为非公开论文 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第一章绪论 第一章绪论 指南针、造纸术、印刷术以及火药是我国古代伟大的四大发明，而其中的 造纸术和印刷术更是被誉为人类第三代文明的技术标志。造纸术的发明，使文 字载体产生重大变化，而印刷时代的到来，则给社会文明的发展带来了新的动 力。 随着科学技术的进一步发展，高度的数字化带来了运用声波、光波、电波 传递信息的无形载体，推动了一场“无纸化运动。然而，时隔多年，“无纸化” 这个网络时代的新生儿却未像人们所预期的那样茁壮成长，电子文件仍然难以 战胜纸张这个神秘而古老的媒介。纸张依然是被千百年来人类社会所证明了的 保存信息和知识的最简单、最方便，最廉价以及保存时间最长的媒体，特别是 纸介质还具有实证性的特点，因此大多数重要的文件、票据、证明文件以及市 场上流通的货币等，仍然是以纸质介质为存储载体。而有着悠久历史的印刷技 术在2 0 世纪后期发生了巨大的变化。自从家用打印机的出现，从最初的针式打 印机发展到现在的喷墨、激光、热转换打印机三足鼎立，打印的质量得到大大 提高，打印机作为一种计算机所必需的输出设备已经越来越多的被广大家庭用 户所接受，普及率日益提高。 然而，科技的发展是一把双刃剑。高分辨率打印机、复印机、扫描仪的出 现与普及固然提高了印刷品的质量，方便了人们的生活，但其对于防止机密信 息、证明材料、票据被非法复制、篡改，货币、有价证券被伪造等等提出了更 高的要求。据有关方面统计，由此造成全社会每年直接经济损失高达9 0 0 0 亿美 元，己成为仅次于毒品犯罪的全球第二大公害。如何解决纸介质信息安全问题 被称为二十一世纪最被关注的国际性前沿研究课题之一，特别是现实中扫描仪 的精度高于打印机的精度，这意味着任何一张通过印刷机印刷的印刷物，都可 以被非常逼真的复制出，因此这也成为世界性难题。随之产生的防伪技术产品 和防伪行业也成为现代科技中必不可少的一部分。 从概念上来说，防伪技术是指为了达到防伪目的而采取的在一定范围内能 准确鉴别真伪且不易被仿制和复制的技术，是指用于防止伪造、假冒或识别真 伪的技术措施、产品、材料、技术装备等。有效的防伪技术产品应具备识别简 第一章绪论 单、仿制门槛高两大要素【l 】。对于纸介质防伪技术来说，涉及到多种学科：如 化学、光学、电磁学、计算机技术、光谱技术、印刷技术、图文字码技术等。 纸介质防伪的历史最早可追溯到中国最早出现的纸币“交子，它诞生 于公元十世纪的北宋时期，然而自纸币发行开始，制造假币的行为便随之产生。 例如南宋一次查获伪钞3 0 万，参与造假者5 3 人，分工明确，各司其职，就明 显呈现规模化、团伙化倾向。对此，我国历代均采取各种防伪措施，从技术上 来说大致有精选币材、印制图案、多色套印等等【2 】。在现阶段，纸介质防伪技 术大致可以分为三类【3 】：材料防伪、工艺防伪以及数字方法防伪。随着科技水 平的发展，纸介质印刷防伪技术也得到了较大发展，呈现出多样化、普及化的 特点。事实上，一种防伪技术往往是多门类知识的综合应用，同时，一种防伪 产品也往往是有机结合了多重防伪技术。 第一节印刷材料的防伪 印刷材料防伪是指采用特殊的材料达到防伪目的的防伪技术。防伪材料的 种类有很多，它与产品生产的工艺过程有很大相关性。对于纸介质印刷来说， 印刷材料防伪主要包括印刷纸张的防伪和印刷油墨的防伪，现在也出现了其它 的一些印刷材料防伪技术。 1 1 1印刷纸张的防伪 纸张是各种印刷的物质基础，采用不同的制造工艺与技术，从而产生了多 种多样的防伪纸【4 j 。 1 1 1 1 水印防伪纸 水印防伪纸是一种有浮雕、可透视、可触摸图像等防伪纸张。根据制造工 艺的不同，水印防伪纸可分为铸模水印纸、纸雕水印纸和化学水印纸等。 铸模水印纸即通常意义上的水印纸，是在造纸过程中利用网上成型技术， 在丝网上安装预先设计的特定水印图文印版，或利用具有特殊雕刻纹路的滚筒 印压带有一定水份的刚刚交织形成的湿纸页，使其部分组织变位而形成的。由 于铸模水印纸的图文以厚薄不同来表达，因其透光性能不同，这些图文在正常 观察时不易看到，只有在透光观察时才能清晰地观察到，显现出水印图案。经 2 第一章绪论 定型后的纸张水印层次感强，不随外界因素如温度和光的变化而发生明显改变。 水印图案具有浮雕形，还可触摸。 纸雕水印纸是采用纸雕技术的一种特殊防伪纸。纸雕技术是指在很薄的专 用纸张上，使用特殊手段雕刻出很浅的凹痕图案的防伪技术。在透光下观察， 纸雕图案可呈现出水印效果。 化学水印纸是一种透光观察局部区域具有透明或不透明的类似水印效果的 仿水印纸。其制作方法是通过印刷或树脂施料方式将特殊的树脂混合料施加在 抄制完成但尚未施胶的纸页上，然后对纸页进行施胶，让树脂和胶料在接触过 程中充分熟化，继而形成半透明或不透明效果。 1 1 1 2 磁性防伪纸 磁性防伪纸是在造纸过程中将磁粉以一定方式加入纸浆中，或在纸张基材 上涂布磁粉而抄造出特定部位具有磁性的纸张。磁性纸是为磁性识别仪器而设 计的，所以要能为金属识别器或磁感应设备进行识别，由于识别部位磁粉含量 需要达到一定浓度，因此纸张中含有磁粉部位的手感不同于其它普通纸张。 1 1 1 3 安全线防伪纸【5 j 安全线防伪纸是在抄纸阶段，使用特殊工艺和手段，在纸张的特定位置埋 人特制的金属、塑料或其它材质的丝状防伪线( 安全线) 的特殊纸张。按照安全 线的埋入方式可分为全埋入式和开窗式，后者的工艺更加复杂防伪效果也更好。 安全线可以设计成不同的形状如直线形、波浪形等，由于安全线与纸页颜色不 同，透光观察( 开窗式安全线应迎光观察) 即可见到，从而达到防伪目的。根据 安全线材质或者工艺的不同，有金属安全线、磁性安全线、微缩文字安全线、 热敏材料安全线、全息激光图案安全线、荧光安全线、宽带安全线等等。我国 1 9 9 0 年版第四套人民币开始采用安全线防伪技术，1 0 0 元面值采用了金属安全 线、磁性安全线；1 9 9 9 年版第五套人民币全面采用了安全线防伪技术，1 0 0 元 和5 0 元面值采用了微缩文字安全线、全息激光图案安全线【6 】。 1 1 1 4 防复印纸【7 】 防复印的目的在于防止不法人员利用复印技术制作出与原件极为相似的有 价证券、证件、证明、公章等，以避免其达到伪造的目的。理想的防复印件是 其复印件与原件差异明显或出现复印标记，让人能够轻易辨识原件与复印件。 3 第一章绪论 其基本思路是通过在纸浆中加入或在纸基上均匀涂布一层物质，使其在受强光 照射时发生某种吸收、反射或光致发光，从而使得背景与文字、图案的反差消 失或极为接近，从而失去复印条件。其复印结果可以分为两类：复印制品呈现 一片白色和复印制品呈现一片黑色。现阶段的防复印纸有利用光的反射原理制 成的能够漫反射的纸来达到防复印目的的光浸反射防复印纸、用特殊颜料加到 纸浆中制成的具有对光反射率极低而吸收率高的光吸收防复印纸、利用发射波 长与强度适用于氧印机硒鼓成有机导体鼓的灵敏区内的荧光物质制成的防复印 纸、含热变材料的防复印、特殊标识防彩色复印纸等等。这些安全防复印纸， 都是利用特殊的纸张材料来达到防复印的目的。 1 1 1 5 其它新型安全防伪纸 除了上述防伪纸之外，还有各种各样的防伪纸，如保密纸、压敏防伪纸、 纤维丝加密纸、彩点加密纸、激光全息纸、分层染色防伪纸板、超离子介质特 种纸、核径迹防伪纸、纹理纸、无膜全息暗防伪纸等等【8 卜l l 引。目前，防复印 技术的研究成果不仅用于军事、国防领域，而且在人们的日常生活中也正获得 日益广泛的使用。 1 1 2 印刷油墨的防伪 防伪油墨，即在油墨连结料中加入特殊性能的防伪材料，经特殊工艺加工 而成的特种f p b u 油墨。防伪油墨的特点是通过实施不同的外界条件，主要采用 光、热、光谱检测等形式，来观察油墨印样的色彩变化达到防伪的目的。油墨 防伪技术是实用性非常好的技术，在目前票据防伪、有价证券和商标包装领域 被广泛应用。 1 1 2 1 光敏防伪油墨【1 1 】 光敏防伪油墨的特性是在一定波长的光照下能发出可见光的油墨。主要的 光敏防伪油墨有紫外荧光油墨( u l t r a v i o l e tf l u o r e s c e n ti n k s ) u 引、红外荧光油墨 ( i n f r a r e df l u o r e s c e n ti n k ) 、日光激发变色油墨( s u n l i q h te x c i t a t i o nc o l o rv a r i a b l e i n k s ) 、光学可变防伪油墨( o p t i c a l l yv a r i a b l ei n k ) 1 3 】等等，一般利用的油墨对于 红外光、紫外光、日光等可见或不可见的光线不同的特性。光敏防伪油墨的应 用性较广，被广泛应用于票据、货币、商标等领域，例如我国第五套人民币1 0 0 4 第一章绪论 元面值就采用了光学可变防伪油墨，正面看是绿色，转一下角度则变成蓝色。 1 1 2 2 热敏防伪油墨 热敏防伪油墨是指在温度作用下，能发生变色效果的油墨。根据变色所需 要的温度，可以分为手温型变色防伪油墨( 3 4 c - 3 6 c ) 和高温变色防伪油墨。热 敏防伪油墨防伪效果较好，且易于识别，广泛应用于包装的防伪。 1 1 2 3 其它防伪油墨 印刷防伪油墨多种多样，上述两种只是最常见的防伪油墨。除此之外，还 有压敏防伪油墨、磁性防伪油墨、视角变色防伪油墨、防涂改油墨、智能机读 防伪油墨、隐形防伪油墨、化学加密防伪油墨、消色油墨、纳米油墨、同色异 谱防伪油墨等【1 4 】 【1 7 1 。油墨防伪技术的特点是实施简单、成本低、隐蔽性好、 色彩鲜艳、检验方便重现性强，是各国纸币、票证和商标的首选防伪技术。在 实际使用时，一般组合使用防伪油墨，以提高防伪效果。防伪油墨的组合使用 主要有两种方法：一种是将两种或两种以上的防伪油墨组合使用，结合油墨各 自的特点，形成新的防伪油墨；另一种是将字符或图案用两种或两种以上的防 伪油墨印刷。 采用特殊材料的防伪还有防伪装订线防伪以及防伪膜防伪等。印刷材料防 伪常应用于票据、证照、包装防伪等方面，发展潜力较大。 第二节印刷工艺的防伪 随着科学技术的发展，仅仅使用印刷材料防伪难以达到们对高质量印刷品 越来越高的要求。基于此，传统的印刷技术结合不同的防伪手段，从而产生了 各种各样的印刷工艺防伪【1 8 】 【1 9 1 。 1 2 1凹版印刷 凹版印刷是防伪性能很强的印刷方式，其凹版的图文低于印版的版面，而 且凹下的版纹还有深浅之分，因此图文的高低、吸附油墨的厚薄随之不同，从 而使印出的图案呈现三维图像，用手触摸有凹凸感，立体感很强。采用凹版印 刷的印刷品层次丰富，线条清晰，颜色鲜艳且经久不变。早在1 9 世纪末，凹版 5 第一章绪论 印刷技术就应用于印钞，我国人民币也全面采用了此技术。 1 2 2 接线印刷 接线印刷是在印刷花纹的同一条线上出现两种颜色彼此连接时，其变色的 连接处的两种颜色既不能有空隙又不能重叠或者错位，这需要有精密的设备和 高超的工艺水平。我国第五套人民币十元面值正面左下方的数码就采用了红黑 两种颜色接线印刷。 1 2 3 缩微印刷 缩微印刷是把极微小的文字印在肉眼看似一条普通印刷的虚线或实线上， 当然也可以是一个印刷点或底纹图案的某一组成部分。用放大镜或体视显微镜 观察时可以读出缩微的文字或代码、图像。缩微印刷不仅见于印品上，也可印 于钞票或护照中包埋的安全线上，以综合防伪。我国第五套人民币的印刷就采 用了此技术。 1 2 4 对印印刷 对印印刷是指钞票或其它票据正反两面同一部位相对应的图案透光观察， 完全可以重合，或者正反两面的图案经透光观察互补，重新组成一个完整的新 图案。我国人民币的印刷也采用了此技术。 1 2 5 其它防伪印刷技术 另外，还有雕刻制版、隐形文字、多色叠印、折光潜影、图像混淆印刷等 防伪印刷技术，已经被广泛应用在票据、纸币等重要印刷品上，特别是代表了 纸质介质防伪最高水平的纸币上，大量采用了这些技术，在这里就不一一详述 了。 6 第一章绪论 第三节数字化防伪 随着信息时代的到来，纸质介质防伪不仅仅局限于利用印刷材料、工艺来 防伪，它紧跟时代的步伐，利用数字信息来实现防伪。这里要介绍的两种数字 化防伪技术是数字水印技术和条形码技术。 1 3 1数字水印技术 通常意义来说，数字水f 0 ( d i g i t a lw a t e r m a r k ) 技术是指用信号处理的方法在 数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，它与原始 数据( 如图像，音频，文本，视频数据) 紧密结合并隐藏在其中，只有通过专 用的检测器或阅读器才能提取。它具有鲁棒性、不可视性、安全性和水印嵌入 的不可逆性。攻击者若试图去掉水印，将不可避免地破坏载体，因此数字水印 成为知识产权保护保护和数字多媒体防伪的有效手段。基于数字水印的印刷防 伪技术【2 0 】【2 1 1 是通过印前的图像处理手段采用特定的算法将作为防伪标识的水 印信息嵌入到印刷图像中，水印信息在图像印刷后，可利用计算机软件或特定 的检测设备识别出来，从而实现对印刷品的防伪。由于印刷的流程所具有的特 殊性，一般的数字水印技术在嵌入的信息量，以及可识读性方面存在一定的问 题。 采用数字水印防伪技术，仅需在制版工艺流程中增加添加数字水印和格式 还原两个环节，这两个环节在计算机环境里完成，经过调色处理后的电子文件， 经过小波变换和隐藏算法实现数字水印的添加和隐藏。由于人的视觉系统( h v s ) 分辨率受到一定的限制，只要叠加信号的幅度低于h v s 的对比度门限，人眼就 无法感觉到信号的存在。因此，在h v s 的对比度门限范围内，对原始图像做一 定的改动( 加入水印) ，就可达到在不改变视觉效果的情况下嵌入一些隐藏的信 息。另外，数字水印防伪技术对现行印刷设备无特殊要求，不需改变印刷材料， 印刷成本与防伪油墨、激光防伪等防伪技术相比可降低8 0 ，具有防伪成本 低的优点。 数字水印技术常用的算法有空域算法、d c t 变换域算法以及n e c 算法【2 2 】 等，而由于印刷品成像与数字图像有很大差异，应用于印刷领域的数字水印算 法就与传统的数字水印算法有一定区别。数字水印应用于印刷尚处在起步阶段， 最早c h i n g y u n gl i n 等人利用傅立叶变换所具有的旋转、剪切、平等特点，较 7 第一章绪论 早开展了脆弱性水印的研究，他们提出了一种假想模型来描述图像经打印、扫 描后的畸变，着重分析了图像d f t 系数的变化，给出了建立在傅利叶一梅林( f m ) 变换基础上能抗打印、扫描过程的数字水印算法。一部分应用于印刷领域的数 字水印算法是基于半色调数字图像的算法，大致有如下几种1 2 副： 1 使用两个不同的抖动矩阵来产生顺序抖动半色调图像。由于这两个不同 的抖动矩阵所具有的不同统计特性，因此可以检测到水印是否存在。 2 利用向量量化将水印嵌入到误差扩散半色调图像的最低有效位( l s b ) 上。 3 在顺序抖动或误差扩散图像中，把水印数据隐藏在随机的位置，通过自套 牢或成对套牢技术来改变这些随机位置的像素值来实现信息的隐藏。 4 将水印数据隐藏在误差扩散图像里，使用误差扩散的方法来减轻因隐藏 数据而带来的图像失真，以使图像获得良好的视觉效果。 5 将被隐藏的可视图像嵌入两幅或多幅半色调图像中。当把这两幅图像进 行叠合时，被隐藏的图像就可直接显现出来。其中的一种技术是运用随机网屏 或共轭网屏来将被隐藏的信息嵌入到半色调图像中。因为共轭所具有的性质， 当两幅半色调图像被叠合在一起时，被隐藏的信息将会呈现出来。 数字水印防伪技术与其它印刷防伪技术相比，具有防伪成本低、伪造难度 大、技术升级快、易于实现以及兼容性好等技术优势。但是，用于印刷领域的 数字水印技术有其与生俱来的不足：它必须用专用的检测器或者提取器来查验， 不够方便，且现阶段数字水印的识别率较低，识别速度不够快，这些都制约了 数字水印的推广与普及。但是随着现代高速p c 与高速扫描仪的进一步发展， 识别效率问题的影响会减小。且现代扫描设备的家用化、便携化，如扫描仪、 手机摄像头的普及，给数字水印的提取与识别提供了一个新的发展平刨2 4 j 。然 而，最主要的难点是，数字水印理论是基于信号分析理论为基础的，它不能严 格地将一个r g b 的图像转换为c m y k 图像时，由r g b 空间转向c m y k 空间 的过程进行数学描述，因此即使有一些论文发表，但是其在印刷上的应用仍然 存在很多局限。因此，在e i j 届) j 上较少利用数字水印来实现信息隐藏或者防伪。 1 3 2 条码技术【2 5 卜 2 7 1 条码即条形码的简称，是由一组宽度不同，反射率不同的条和空，按一定 的编码组合起来的，用以表示一组数据的符号。它是- t q 容编码、印刷、识别、 8 第章绪论 数据采集与处理于一身的新并技术。商品的条码本身不具有防伪的能力，它只 不过是商品的一种代码，是为了利用计算机对商品的有效管理而设计的。但是 如果我们能够合理的使用条码技术，包括合理的选择条码的载体合理的选择 条码的印刷方法，合理的选择条码的印刷位置，就能起到防伪的作用。最早出 现的是一维条码，但是这种条码的信息容量极小，如商品上的条码仅能容纳1 3 情阿拉伯数字这就迫切需要一种信息容量更大的技术。于是，在一维条码的 基础上，出现t - - 维条码，除具有信息容量大、保密防伪性强、读识快的优点， 二维条码可以分为堆叠式二维条码( 又称堆积式二维条码或层排式一二维条 码) 和矩阵式二维条码。堆叠式二维条码形志上是由多行短截的一维条码堆叠 而成，其编码原理是建立在一维条码基础之上，按需要堆积成二行或多行。它 在编码设计、校验原理、识读方式等方面继承了维条码的一些特点，识读设 备与条码印刷与一维条码技术兼容。但由于行数的增加，需要对行进行判定， 其译码算法与软件也不完全相同于维条码。有代表性的行排式二维条码有： c o d e1 6 k 、c o d e4 9 、p d f 4 1 7 等；矩阵式二维条码以矩阵的形式组成，在矩阵 相应元素位置上用“点”表示二进制1 ， 用“空”表示二进制0 ，由“点”和“空” 的排列组成代码。矩阵式_ 维条码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原 理等基础上的一种新型图形符号自动识读处理码制。具有代表性的矩阵式二维 条码有：c o d eo n e 、m a x ic o d e 、q rc o d e 、d a t am a t r i x 等。图l1 为几种常见 的维条码。 燧，燕，。瀵 劁勰删 图1 i 几种常见的二维条码 第一章绪论 二维条码具有信息容量大、密度高、译码可靠性高的特点，可以将文字、 图形、图像等一切可以数字化的信息进行编码。然而，二维条码需要特定的空 间进行印刷，即难以进行隐藏，不具备不可视性，且其抗污染能力有限，因而 需要进一步升级提高。 第四节其它新型防伪技术及发展趋势 在传统印刷防伪技术不断更新发展的同时，也出现了很多新型防伪技术， 如激光全息防伪、数据库查询防伪、生物防伪、利用龟纹效应的防伪技术、数 码变形防伪技术等掣2 引，它们作为信息安全领域的新秀，有着广阔的发展前景。 这里介绍的是激光全息防伪技术。 自1 9 6 9 年本顿( b e n t o n ) 发明了彩虹全息术，使全息防伪成为可能以来，经 过数十年发展，激光全息防伪产品也从最初的激光全息模压防伪标识逐步升级， 发展到第二代的改进激光全息图像防伪标识、第三代的加密全息图像防伪技术、 甚至第四代激光防伪技术【2 9 】。目前国内常用的是激光彩虹模压全息图文防伪技 术，它是应用激光彩虹全息图制版技术和模压复制技术，在产品上制作的一种 可视的图文信息。激光彩虹模压全息图文防伪技术利用激光全息原理，将成像 物体的彩虹全息图像作为母版，再经过模压工艺将母版上的条纹转移到标识材 料上制成的，其产品不仅可以再现原物的主体形象，还可以随视线方位不同， 显现原物不同侧面的形状，利用白光衍射光栅的原理，呈现出绚丽多彩的画面， 给人以更加形象、鲜艳、逼真的美感。激光全息图像由于综合了激光、精密机 械和物理化学等学科的最新成果，技术含量高。对多数小批量伪造者而言，全 套制造技术的掌握和制造设备的购置难以做到，因此此种技术的效果是显著的。 近几年，一些新型激光全息防伪技术也相继出现，如激光光刻点阵全息技 术、实时光电图像全息合成技术、光聚合物反射全息图技术、真彩色全息图技 术、复杂动态全息图技术、加密全息技术、数字全息技术、特殊全息图载体技 术、脉冲激光全息图技术、真三维全息技术等等，然而，在应用于纸介质防伪 时，这些技术尚不成熟，尚未产业化成形。由于其提高了防伪的成本，且具有 一定时效性，因而具有一定的局限性。 在现代科学技术告诉发展的背景下，假冒伪造活动也借助各种高科技设备， 伪造技术越来越高，使赝品与真品越来越难以区分，甚至某些方面可以达到以 1 0 第一章绪论 假乱真的地步。造假的猖獗同时也促进了各种防伪技术的发展，在未来的科技 发展中防伪技术将会表现出以下几个趋势： 1 、防伪技术在走向更加全面的同时，将以更快的速度向纵深发展，综合防 伪技术的使用将成为防伪产品的必由之路。 2 、更多更好的高安全防伪技术将从防伪集成度极高的钞票等领域走向民 间，走向民用市场。 3 、信息防伪技术，尤其是以加密技术、数据库技术、现代通信技术为主的 编码防伪技术将走入商家，最终实现消费者和制造商之间的产品信息反馈零距 离。 4 、电子技术、自动识别技术等将和防伪技术更加紧密的结合并付诸应用， 如i c 卡技术、条形码技术、自动售检票系统等。 5 、“识别简单，价格适中，极难仿造 将成为未来防伪技术产品的共同特 点。 伪造与防伪从来都是相生相克、此消彼长的，没有百分之百安全的防伪技 术，也没有完全以假乱真的造假术。科学与技术促进了防伪技术的发展，慢慢 形成了一个新的产业，其发展势头固然可喜，然而，道高一尺魔高一丈，现阶 段的造假活动也呈现出越来越猖獗的趋势，从日用品到生产生活用具，从证件 到商业票据，其覆盖面几乎涵盖了人们的消费领域，给防伪提出了更高的要求。 防伪技术，任重而道远。 第五节本文主要研究内容及创新点 本文在总结和分析了现有纸介质信息防伪技术的基础上，介绍了基于网点 灰度级的网屏编码技术。本文从网屏编码基本理论出发，提出了一种改进的新 的4 5 度网点的网屏编码技术，并依托印刷技术的不断进步，以隐蔽的形式印刷 出纸介质信息文件，设计和开发了新的软件和系统：画龙点声软件与同系列的 s p e a k u n 点读笔、以及自动读取系统，在一定程度上解决了纸介质信息的安全问 题。 本文共包括五章，对纸介质信息安全以及网屏编码技术进行了详细的探讨： 第一章为绪论部分，结合数字化防伪，对当今主要纸介质防伪技术的研究 现状进行了总结和分析。 第一章绪论 第二章从印刷基础知识以及人眼与机器视觉在精度上的差异开始，逐步介 绍了网屏编码的基本理论和实现方法，最后与其他纸介质防伪技术相对比，指 出了网屏编码技术的优势所在。 第三章提出了一种叠印印刷防伪理论，以多层印刷与c m y k 分色技术为基 础建立了理论模型，构造出线性方程组，并介绍了解线性方程组的三种迭代方 法。同时，将此模型与网屏编码技术相结合，开发了画龙点声软件与同系列的 s p e a k t m 点读笔。 第四章设计和开发了基于网屏编码的自动读取系统，采用了一种全新的4 5 度角方向的网点的网屏编码方式，提出一种新的码字分模组的方式进行信息存 储，并引入完整模组信息记录区域的概念。介绍了几种码字实验，并解决了文 字干扰码字的问题。 第五章为总结和展望，对本文的主要内容进行了总结，对网屏编码的应用 前景进行了展望。 本文的创新点是： 1 提出了一种叠印印刷防伪理论，结合c m y k 分色技术建立了叠层油墨 的模型，并结合网屏编码技术，开发了可识别具有视觉隐藏性的印刷码字的 s p e a k u n 点读笔与印刷使用的画龙点声软件。 2 在网屏编码基本理论的基础上，采用了4 5 度方向的网屏加网技术，使 此时网点表现最佳，并推导完善了网屏的物理学点阵分布公式；提出一种新的 码字分模组进行信息存储的方式，并引入完整模组信息记录区域的方法。 3 设计和研发了基于网屏编码的自动读取系统，在4 5 度方向网屏的6 x 6 和5 x 5 的网点方阵中码字的选择上进行了大量实验，并进行了实验分析。 4 对印刷品上文字干扰码字的现象提出了解决办法，并以实验证明了其可 行性，且己运用到自动读取系统中。 1 2 第二章网屏编码理论 第二章网屏编码理论 一直以来，对于纸介质信息的防伪技术如第一章所述，可利用特殊印刷材 料进行防伪，也在印前环节利用数字信息来实现防伪。但是这些纸介质防伪技 术都有着各自的不足，且随着高精度扫描仪、复印机的进一步普及，有的防伪 技术已经不能适应时代的要求，承担不了防伪的重任了。而一些新出现的防伪 技术尚不成熟，或者难以在工艺上实现，这就给纸介质信息安全留下了一个空 白。基于此，一种全新的纸介质信息安全技术网屏编码技术便应运而生， 填补了高度信息化时代印刷品防伪技术的空白。 第一节网屏编码的理论基础 网屏编码技术是一种致力于纸质信息安全的高新技术，无需特殊纸张、特 殊油墨、特殊工艺参与，仅通过改变网点形态变化嵌入信息，使得传统网屏在 描述灰度的同时携带大量信息，且不影响原印刷品的读识【3 0 卜【3 1 1 。 2 1 1印刷基础知识 在我们生活中，所接触的图像如照片、印刷品等，一般都可分为连续调和 半色调。所谓连续调，通常指在一幅图像上，由淡到浓或由深到浅的色调变化， 并且浓淡或深浅是以单位面积成像物质颗粒密度来构成。绘画作品或彩色照片 都是用连续调表现画面浓淡层次的，即色彩浓的地方色素堆积得厚一些，色彩 淡的地方色素也相应薄一些。连续调图像的深浅变化是无级的。半色调通常是 指经过特殊加工后的印刷品上的由浅到深或由淡到浓的变化，是由网点面积大 小构成来表现的。由于网点在空间上是有一定的距离的，呈离散型分布，并且 由于加网的级数总有一定的限制，在图像的层次变化上不能像连续调图像一样 实现无级变化，故称加网图像为半色调图像。在e p 局i , j 上，特别是采用数字印刷 的今天，一般都是利用半色调来表现连续调。通过网屏将连续调图像分解为半 色调图像的过程就是加网，加网是印刷工艺中的一个重要环节，因此，半色调 技术也称加网技术。 1 3 第二章网屏编码理论 原稿图像经过加网后，就被分为无数个规则排列的网点，即使是连续调图 像，也被变为离散的网点信息。网点是印刷品中表现图样的最基本单位，印刷 图像都是由调整网点的大小或者疏密来表现。通过这些网点，不仅仅能够表现 黑白、灰度色，也能够通过c m y k 四色网点的混合，来表现各种彩色。网点越 大，表现的颜色越深，层次越暗；网点越小，表现的颜色越浅，表示的层次越 亮。加网后的图片在颜色合成时，由于各个大小不同的网点以不同的角度，套 印在一起或相距很近，在光线的作用下，网点上的油墨对光线进行选择性吸收 和反射，反射出来的那一部分光线，经过空间混合，作用于人的眼睛( 感色神 经) ，使人的眼睛产生错觉，看起来就像是连续调似的。实际上，网印品上的每 一个网点所占的空间位置是相等的，人们所看到的色调的不同，是由于每一个 网点所占的空间面积大小不同所致，而色调的深浅是由该网点空间的反射光强 度来决定的。 网点根据加网技术的不同可分为调幅网点( a m ) 和调频网点( f m ) ，以及混合 加网形成的网点【3 引。 2 1 1 1 调幅网点 调幅网点是目前使用的最为广泛的一种网点。它的网点密度是固定的，通 过调整网点的大小来表现色彩的深浅，从而实现了色调的过渡。在印刷中，调 幅网点的使用主要需要考虑网点大小、网点形状、网点角度、网线精度等因素。 网点形状不仅仅有圆形，还有方形、菱形等其它形状。网点的形状用式2 1 表示【3 3 】： 夕= 畋 ( 2 1 ) 其中，参数d 1 、d 2 分别控制网点横向和纵向的幅度；参数c 控制四种边长 的内曲和外凸；参数a 和c 分别控制左右上下四角的曲率。当d l = d 2 时，网点各 向同性。对于常用的圆形网点，d l = d 2 = 1 0 ，a = e = 2 0 ，c = 0 。 网点大小是通过网点的覆盖率( 网点百分比) 决定的，也称墨率，我国习惯 用网点的成数来表示。比如1 0 覆盖率的网点就称为“一成网点 、覆盖率2 0 1 4 第= 章阏屏编码理论 的网点称为“二成网点”：另外，覆盖率o 的网点称为“绝网”，覆盖率1 0 0 的网点称为“实地”。印刷品的阶调一般划分为三个层次：亮调、中间调、暗调。 亮调部分的网点覆盖率为1 0 3 0 左右：中间调部分的网点覆盖率为4 0 6 0 左右；暗调部分则为7 0 9 0 。绝网和实地部分是另外划分的。图21 即为几种不同网点覆盖率的调幅网点，从左至右网点越来越小，分别为实地、 暗调、中间调、亮调和绝