印刷半色调输出.docx

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印刷半色调输出

摘要

關鍵詞：

halftoning,datahiding,Viterbidecoding,channelcoding.

半色調輸出在印刷技術中扮演極重要角色，除能够降低印刷本钱也同時能够在通訊傳輸中降低頻寬需求如傳真，輸出品防偽功能因在數位環境，資訊分享的互動增加下和跨媒體印物、印刷系統間的交流，資訊隱藏在印刷輸出品上最近引发相當注意。

良好的資訊隱藏技術可保障印物刷輸出品質同時維護擁有者個人或團體的權力及利益。

印物刷輸出除品質的需求外還需考慮印製程序的本钱，故大部份以半色調技術輸出，從資訊隱藏技術的資訊強韌的觀點言，半色調的過網技術可視為一種量化及一個滑腻濾波器的功能，對於隱藏資訊的強韌性有極大的破壞。

因為半色調技術的量化誤差擴散的方式將影響影像輸出品質，由於一样浮水印植入方式時亦引入誤差擴散的原理確保影像品質。

這同質性引发研究動機。

通道編碼，是通訊領域最具代表性的編碼方式具有較佳的錯誤更正能力，利用半色調技術、通道編碼及Viterbidecoding的技術來實現資料隱藏，确实是要紧的研究方向。

重點在比較資訊隱藏的強韌性，配合可調性（adjustable）視覺失真初現（JustNoticeableDistortion）為標準，結合主觀視覺輸出品質的問卷方式進行評分等級，期能導出較佳的印刷品的智財權防護技術。

1、前言

半色調輸出在印刷技術中扮演極重要角色，除能够降低印刷本钱也同時能够在通訊傳輸中降低頻寬需求如傳真，在數位環境，資訊分享的互動增加下和跨媒體印物、印刷系統間的交流，輸出品防偽功能利用資訊隱藏在印刷輸出品上的研究最近引发相當注意。

良好的資訊隱藏技術可保障印物刷輸出品質同時維護擁有者個人或團體的權力及利益。

半色調技術從網點輸出來區分有AM及FM兩種，網點大小不一但網點中心間距维持必然的網線數（LinePerInch）的振幅調變法（AmplitudeModulation,AM）和網點大小维持必然但其網點配置頻率為不定的隨機散布，一样稱為頻率調變法（FrequencyModulation），AM要紧原理在於模擬連續色度時黑度值較大的區域時以相對較大網點輸出，反之以較小網點輸出，FM要紧原理在於以網點的散布不相等頻率模擬輸入影像連續色度時黑度值的大小。

AM的方式先分割輸入影像成大小相同之不重疊方塊，每一方塊與大小相等的臨界陣列（ThresholdArray）相较而決定是不是輸出網點，臨界陣列的選擇與設計要紧可分集中式（ClusteredDot）及分散式（DispersedDot）網點[1][2]；FM的方式則將輸入影像像數點與純數臨界值量化（ScalarThresholdQuantizer），因量化結果產生的誤差，藉著加權函數（MASK）以不等加權比例將量化誤差擴散（ErrorDiffusion）至其相鄰尚未處理的像素點。

在這篇研究論文裡我們先介紹傳統的AM半色調方式應用於一样影像產生的結果及其所引發的問題，接著我們將以誤差擴散系統中各種改良型的誤差加權函數應用於輸入的影像一一說明FM半色調方式的優勢與其瓶頸，AM與FM優缺點期能導出一個新的調變型優質半色調影像輸出方式。

接者，我們將再介紹如何利用通道編碼、Viterbidecoding[3][4]使資訊具有較佳的錯誤更正能力和以假亂數偏移（pseudorandompermutation）方式使資訊順利嵌入二值化半色調影像中。

2、半色調影像技術之介紹

利用ErrorDiffusion系統，如圖一所示。

使影像轉成半調影像。

並分別利用不同的mask（或filter）做為將影像轉成二值化半調影像的Errorfilter及Threshold。

THRESHOLD

e（i,j）

ERRORFILTER

error（i,j）

Output（i,j）

Input（i,j）

＋

－

圖一、ErrorDiffusion系統圖

輸入影像為[0-1]的連續影像，而輸出影像為{0,1}的半調影像。

Output（i,j）=Input（i,j+（δ（i,j）-e（i,j））*error（i,j）

（1）

半色調輸出法

在AM半色調方式中可區分為集中式及驅散式二種。

（A）集中式：

假设輸入原稿影像大小為256×256，第一利用像線數（LPI）大小可調式的Bayer矩形網點臨界陣列Gm×n如圖二所示，其中由左至右分別為32LPI，64LPI及128LPI。

Cluster矩形網點臨界陣列如圖三所示Cluster對角網點臨界陣列如圖四所示。

G8×8G4×4G2×2

圖二、Bayer（rectangularscreening）網點臨界陣列

圖三、Cluster（spiralscreening）網點臨界陣列

圖四、Cluster（diagonalscreening）網點臨界陣列

根據設定的像線數所設計之網點臨界陣列大小m×n，將原稿影像h分割相同m×n大小區塊影像，則（hm×n）u,v記成第（u,v）個區塊影像，並依序與網點臨界陣列比較其黑色度hb（blackness），大於相對位置即輸出半色調網點影像h。

hb=（1-hm×n/255）×n;

;其中u,v表區塊位置。

其處理後輸出半色調的結果分別顯示於圖五。

（a）

（b）

（d）

（c）

（f）

（e）

圖五、（a）測試影像（原稿）；（b）經Bayer（rectangularscreening）網點臨界陣列32lpi之二值化半色調影像；（c）以Bayer（rectangularscreening）網點臨界陣列64lpi之二值化半色調影像；（d）以Bayer（rectangularscreening）網點臨界陣列128lpi之二值化半色調影像；（e）Cluster（spiralscreening）網點臨界陣列之二值化半色調影像；（f）Cluster（diagonalscreening）網點臨界陣列之二值化半色調影像

（B）驅散式Dispersed-dotOrderedDither：

Bayer網點臨界陣列如圖五所示。

其處理後輸出半色調的結果分別顯示於圖六。

圖六、Bayer（Dispersed-dotOrderedDither）網點臨界陣列

（b）

（a）

（c）

圖七、經Bayer（Dispersed-dotOrderedDither）網點臨界陣列之二值化半色調影像；（a）32lpi；（b）64lpi；（c）128lpi。

半色調輸出法

我們利用Floyed-Steinbergerrordiffusion如（A）至（C）所示。

（A）Floyed-SteinbergMask（FSF）如下圖所示

（i,j）

7/16

3/16

5/16

1/16

在此一方式中的errordiffusion，我們從圖中即可發覺其具有一方向性，而此方向即為我們所採用MASK所形成的方向。

（B）選擇性互換式Floyed-Steinbergerrordiffusion（FSSF）如下圖所示

為了降低其方向性，因此我們交互利用圖中的兩RASTER，當j為奇數時選擇左方之Filter、為偶數時則選擇右方，為ErrorFilter。

而RASTER進行的方向再也不如（A）同為之字形由上而下、由左至右的方向行進，改為由上而下，由左至右再由右至左（如蛇行進）的方式。

（C）Floyed-Steinbergandrandomerrordiffusion（FSRF）如下圖所示

α=（5/16*（weight）*random（0-1））

β=（1/16*（weight）*random（0-1））

由於（B）中將保有與原影像的相關性，因此我們在RASTER中加上一些亂數的比重值，以降低其相關性，其RASTER行進方式與（B）同。

以此方式所造成的結果，在影像中增加了亂數雜訊。

（D）Bluenoise如下圖所示

2-3半調影像在視覺成效上的強化

從2-1及2-2（AM/FM）中，我們可發覺AM具有一固定的取代方式在視覺成效不利於我們運用於資訊隱藏上，因為影像在進行資訊隱藏後將改變二值化半色調影像分佈，因此易被察覺。

而在FM中，是以點與點間距達成灰階變化的顯示，因此較不易於以視覺直接發現影像的差異性。

為了使影像更具視覺成效及PSNR值的提昇，因此我們利用了拉卜拉斯（Laplacianfilter如下圖所示），使影像尖銳化（sharpening）即如式

（2）

Sharpening（i,j）=Input（i,j）-βL（i,j）*Input（i,j）………………………………..

（2）

L（i,j）=

其中*代表迴旋積分（convolution）。

因此我們將影像先經尖銳化後再以誤差擴散方式將其二值半調化，如圖八所示。

圖九所示為Lena影像經尖銳化與否後再經二值化半色調處理之影像，我們可發覺經尖銳化的影像在視覺上較佳於未經尖銳化之影像。

Threshold

e（i,j）ErrorFilter

error（i,j）

Output（i,j）

Input（i,j）

＋

－

Sharpening

圖八：

二值化半調影像之Lena圖（a）為Floyed-Steinbergerrordiffusionplusrandom後的二值化半調影像；（b）為尖銳化後再經Floyed-Steinbergerrordiffusionplusrandom後的二值化半調影像。

（b）

（a）

圖九：

二值化半調影像之Lena圖（a）為Floyed-Steinbergerrordiffusionplusrandom後的二值化半調影像；（b）為尖銳化後再經Floyed-Steinbergerrordiffusionplusrandom後的二值化半調影像。

3、通道編碼簡介及運用與資訊隱藏的步驟

3-1通道編碼對資訊強韌性的強化

引用通信理論中的通道編碼（channelcoding），因具有錯誤偵測及修正的功能，運用其對欱隱藏的數位資訊進行編碼加密，可提其的強韌性。

而交錯編碼，可確保資訊在蒙受連續性破壞（Bursterror）後仍能可掏出訊息內容。

在隱藏位置的選擇上，我們利用了假亂數偏移來產生一連串不重複出現的亂數序列，來選擇我們所要嵌入的浮水印的位置，如此，即便在我們的隱藏技術被大伙儿所知悉的情形下，沒有亂數序列資料亦將無法掏出所隱藏的資訊內容。

我們提出的數位資訊隱藏技術的流程，如圖十所示。

隱藏步驟如下：

（1）數位資訊二值化。

（2）二值化資訊進行ChannelCoding。

（3）利用假亂數偏移的特性，隨機任選一亂數，此亂數值將是我們的Key，對編碼後浮水印進行序列重整。

（4）對原始影像進行二值化半色調處理（以FM方式）。

Information

Channelcoding

Modulator

Key

Pseudo-randompattergenerator

Originalimage

Halftoningproceeding

Output（halftoninr）image

（5）進行資訊嵌入處理。

圖十：

數位資訊嵌入二值化半色調影像步驟流程圖。

3-1-1數位資訊的二值化：

資訊如為影像，則將其以二值化方式呈現，如為一篇文章，則以美國文字編碼標準協會ASCII方式轉成二值化字串W（x），x=1,2,………,n。

3-1-2浮水印強韌性提昇

經迴旋碼編碼後的浮水印

watermark

圖十一：

Convolutionalcoding編碼示意圖

（r=1/2,k=3）ConvolutionalcodeencoderGeneratorpolynomial:

G0=1+x2=（101）

G1=1+x+x2=（111）

由於通道編碼（channelcoding）具有較佳的錯誤偵測及修正能力，因此利用通道編碼的編碼方式，對數位資訊加以編碼。

通道編碼原是運用於通訊傳輸，通道編碼使傳送的資訊具更強的抗干擾能力。

第一以迴旋編碼（convolutionalcoding）方式將數位浮水印進行編碼。

此迴旋編碼的函數則可由利用者自行設計，如圖十一所示為（k=3,r=1/2）之迴旋編碼例子，其中k為長度設定,r則為編碼含量。

假设數位資訊量為W（x）在經迴旋編碼後數位資訊量即為FW=2×（W（x）+2），而實驗中是以（r=1/2,k=9）的迴旋碼來編碼。

除上述之外，交錯編碼（interleaving）可避免bursterror發生。

當數位資訊受連續性破壞時，即不容易完全修正錯誤，因此利用交錯編碼將可使資訊更具強韌性而。

也确实是說，將數位資訊經迴旋編碼編碼後再複製五組並以interleaving方式打散資料的先後順序。

此時的數位資訊量即為（FW=10×（W（x）+2））

FW=Permute（FW）（3）

3-2浮水印假亂數偏移Pseudorandompermutationofthewatermark

要將數位資訊（FW（x））嵌入原始影像（I（M×N）），並且避免加入資訊的影像，易招他人偵知或竄改，因此利用“linearfeedbackshiftregister”[8]方式產生一假亂數偏移產生新亂數顺序。

再將數位浮水印依此順序加入影像中。

（FW（x））P=Permute（FW（x））

（FW（x））P={Fwp（i,j）

=Fw（i’,j’）,0≦i,i’

在我們的方式中，以以下程序實施偏移動作：

（1）每一pixel數是從1到M×N。

（2）為每一pixel从头產生一新的亂數顺序。

最後,依據這些顺序，再將其排入一二維的座標內。

例如，我們所取的影像大小為512×512，則數位資訊量（FW（x））的大小最多祗能為262144，利用一“linearfeedbackshiftregister”產生從1到262144的亂數顺序，然後將亂數所產生的序列元素（Mi=m1,m2,m3…..mn），將Mi除以512所得之餘數即為我們所要構築二維座標之縱座標位置、所得之商數即為橫座標位置，依此方式產生一二維座標圖。

若是我們所採用的數位資訊量（FW（x））為10000bitstream，則我們將祗取亂數之前10000個值為我們構築嵌入資訊的二維座標圖之位置。

3-3Datahiding

數位資訊在經channelcoding及假亂數偏移及影像經二值化半色調後，加以合成一函有資訊的二值化半色調影像。

……………………….（5）

4、嵌入數位資訊之二值化影像實驗驗證及方式可行性之探討

這裏我們將以Lena影像如圖十二所示，為實驗影像。

在第二章中，我們可明白AM二值化半色調影像在平面（滑腻區域）所可取得的視覺成效較佳，但由於以此方式所產生的二值化半色調影像其黑（或白）點的直徑大小隨影像灰階而變，因此將不利於我們實現資訊隱藏（易於被發覺有異）；在FM的二值化半色調影像系統中，以（C）選擇性（蛇行掃瞄）誤差擴散加亂數之方式及（D）Bluenoise方式所產生的二值化半色調影像，無論在視覺成效或與分佈上都較佳於其它。

（b）

（a）

（d）

（c）

（f）

（e）

Untilrecently,informationhidingtechniquesreceivedverymuchlessattentionfromtheresearchcommunityandfromindustrythancryptography.

Untilrecently,informationhidingtechniquesreceivedverymuchlessattentionfromtheresearchcommunityandfromindustrythancryptography.

（h）

（g）

圖十二：

（a）Lena原圖為Floyed-Steinbergerrordiffusionplusrandom後的二值化半調影像；（b）為經尖銳化Bluenoise後的二值化半色調之Lena影像；（c）為嵌入數位資訊之尖銳化Bluenoise的二值化半色調之Lena影像；（d）為經尖銳化Floyed-Steinbergerrordiffusionplusrandom後的二值化半色調之Lena影像；（e）為嵌入數位資訊之尖銳化Floyed-Steinbergerrordiffusionplusrandom後的二值化半色調之Lena影像；（f）二值化半調影像經高司雜訊N（0,干擾後影像；（g）嵌入二值化半色調影像之資訊；（h）l由經高司雜訊干擾N（0,影像中掏出之資訊。

在圖十二中，我們將很難直接從圖中察覺到二值化影像內有隱藏資訊，再則，從經高司雜訊N（0,干擾後伋可順利的掏出原始資訊內容，可見其強韌性之佳。

在編碼效益上（entropy），以512*512之影像而言，共可隱藏一段約3743個英文字母（byte）。

而在存儲或傳遞資訊所需佔用的記憶體或頻寬均較一样影像為低約1/8。

也确实是說，以以二值化半色調影像配合通道編碼進行資訊隱藏是可行的，而且可獲得較的編碼效益及資訊的強韌性。

再則，掏出資訊的方式中，此一方式將不需運用到原始影像，我們所須要的KEY為假亂數的序列的起始值（一個號碼），此號碼亦可經由事前的協調嵌於影像的某一名置或前次資訊傳遞時即告知，因此無論在資訊的強韌性或是在頻寬的消耗上均為最正确之資訊隱藏方式。

5、結論

這是另一種資訊隱藏的方式，在沒有正確的解碼金鑰（key）之下，是不可能將隱藏的資訊正確的掏出。

由於在半色調影像的產生方式中，我們增加了亂數，以使其與原影像間的相關性減低，且每次所產生的半色調影像之分佈圖亦不同，因此即便擁有原始影像亦難以創出相同之半色調影像。

因此更確立了此一方式的平安性。

通道編碼，雖然增加了資訊量，但卻給予資訊量更高的錯誤修正能力，使其更具強韌性。

此篇論文的最大供獻應是提出了最具強韌性及高容量、所需最小存儲空間或傳輸頻寬和不需原始影像即可掏出資訊的資訊隱藏方。

6、參考文獻

[1]RobertA.Ulichney,“DitheringwithBlueNoise,”ProceedingoftheIEEE,vol76,No1,pp56-79,January1988.

[2]RobertA.Ulichney,“DigitalHalftoning,”1993.

[3]Forney,G.D.（1973）,“TheViterbiAlgorithm,”ProceedingoftheIEEE,vol61,No3,pp268-278,Mar1973.

[4]Andrew（1995）,“Chapter5,CodingandInterleaving,”CDMAPrinciplesofSpreadSpectrumCommunication,pp123-172.