加網(wǎng)參數(shù)與水印抗印刷攻擊性能研究

馬璁瓏，張?chǎng)?，王?/p>

加網(wǎng)參數(shù)與水印抗印刷攻擊性能研究

馬璁瓏，張?chǎng)?，王?/p>

（天津職業(yè)大學(xué)，天津 300410）

為實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印技術(shù)由數(shù)字版權(quán)保護(hù)到印刷品防偽領(lǐng)域的移植應(yīng)用，考察水印對(duì)不同加網(wǎng)線數(shù)、網(wǎng)線角度的魯棒性和不可見性。以DWT域全息水印算法為例，將水印圖像制成全息圖后，嵌入到宿主圖像C、M、Y或K通道的DWT域，獲得含水印圖像，對(duì)含水印圖像進(jìn)行不同加網(wǎng)線數(shù)、網(wǎng)線角度的模擬加網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，加網(wǎng)后水印的魯棒性和不可見性隨加網(wǎng)線數(shù)提升而提升，可接受的最低加網(wǎng)線數(shù)為120 lpi。相同加網(wǎng)線數(shù)條件下，網(wǎng)線角度為45°時(shí)，提取的水印質(zhì)量較0°、15°和75°偏低。45°加網(wǎng)角度雖然適合單色印刷，但是對(duì)水印造成的攻擊也最為顯著，因此應(yīng)規(guī)避加網(wǎng)角度為45°的顏色通道作為水印嵌入位置。

數(shù)字水?。籆MYK顏色空間；網(wǎng)線角度；全息圖

數(shù)字水印技術(shù)多用于數(shù)字媒體的版權(quán)保護(hù)和安全[1-3]，多年來在離散小波域[4-7]、離散余弦域[9-11]等頻域的算法已有豐富積累，近年來諸多學(xué)者嘗試將該技術(shù)應(yīng)用于印刷防偽。

與計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的數(shù)字圖像不同，印刷品的承印物，如紙張等，自身不能發(fā)射光線，是通過四色或多色油墨的網(wǎng)點(diǎn)反射光線而呈現(xiàn)色彩，這將對(duì)水印造成多源異類攻擊，印前、印刷、印后參數(shù)都將對(duì)水印造成影響，例如印前過程中的顏色模式轉(zhuǎn)換與色彩管理，印刷過程的油墨、承印物、印刷機(jī)類型等，與此相關(guān)的研究逐步展開。

已有學(xué)者著力研究承印物對(duì)水印抗印刷掃描攻擊魯棒性的影響，如葛乃馨等[12]研究了紙張表面性能與水印魯棒性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)紙張平滑度、白度、粗糙度與水印魯棒性具有強(qiáng)相關(guān)性。

數(shù)字圖像顏色模式為RGB，像素之間的位置關(guān)系連續(xù)；印刷圖像是離散的半色調(diào)，其顏色模式為CMYK，網(wǎng)點(diǎn)的位置關(guān)系有疊加和并列2種。已有學(xué)者嘗試在CMYK顏色模式中嵌入水印[13-14]，如王彩印等[14]將有意義水印和結(jié)構(gòu)模板信號(hào)分別嵌入CMYK顏色模式中的Y顏色通道和K顏色通道，提出了一種抗印刷掃描攻擊的魯棒水印算法。同時(shí)，也有研究探索了RGB與CMYK顏色模式及各個(gè)顏色通道對(duì)水印的不同影響，如文獻(xiàn)[15]中指出，在R、B、C和Y 4個(gè)顏色通道嵌入水印總體效果較優(yōu)。

文中將研究聚焦到印刷加網(wǎng)過程，探索在不同顏色通道中嵌入水印，印刷加網(wǎng)過程中加網(wǎng)線數(shù)、網(wǎng)線角度參數(shù)對(duì)水印的影響。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 加網(wǎng)線數(shù)

印刷品以網(wǎng)點(diǎn)為基本單元表現(xiàn)層次與顏色。加網(wǎng)線數(shù)是指單位長(zhǎng)度內(nèi)網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)量。加網(wǎng)線數(shù)越高，單位長(zhǎng)度內(nèi)網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)量隨之增加，所能表現(xiàn)的細(xì)節(jié)越豐富。目前，受承印物、印刷設(shè)備、工藝水平等參數(shù)共同限制，通常加網(wǎng)線數(shù)不高于200 lpi。

決定加網(wǎng)線數(shù)的主要因素有3個(gè)，分別是觀察距離、承印物質(zhì)量、產(chǎn)品的精細(xì)程度。例如，對(duì)于觀察距離較遠(yuǎn)的大型海報(bào)，其加網(wǎng)線數(shù)為60～80 lpi；平版印刷的加網(wǎng)線數(shù)為133～150 lpi；精細(xì)程度較高的印刷品加網(wǎng)線數(shù)可達(dá)到175 lpi，甚至200 lpi。

1.2 網(wǎng)線角度

網(wǎng)線角度是相鄰網(wǎng)點(diǎn)中心連線與基準(zhǔn)線的夾角，文中設(shè)置的網(wǎng)線角度是指網(wǎng)點(diǎn)中心連線與垂直線的夾角，常用網(wǎng)線角度有0°、15°、45°和75°。

理論上，如果四色套印精確無誤，可以采用相同網(wǎng)線角度印刷。實(shí)際中，由于四色套印誤差，相同網(wǎng)線角度印刷會(huì)產(chǎn)生龜紋，影響印品視覺效果，因而，單色印刷時(shí)，網(wǎng)線角度首選45°；四色印刷時(shí)，主色版網(wǎng)線角度為45°，黃版網(wǎng)線角度為0°，其余兩色版與主色版相差30°。

值得注意的是，由于四色印版采用不同的網(wǎng)線角度，由數(shù)字圖像到印刷品這一過程中，一個(gè)網(wǎng)點(diǎn)不一定能夠?qū)?yīng)一個(gè)像素，因此需要適當(dāng)提高印前數(shù)字圖像的分辨率。分辨率與加網(wǎng)線數(shù)之比稱為加網(wǎng)質(zhì)量因子（），見式（1），通常為1.5或2。

1.3 全息圖

將水印以全息圖的形式嵌入宿主圖像，利用全息圖的不可撕毀性和干涉條紋的表現(xiàn)形式，可同時(shí)提升水印的魯棒性和不可見性。如下過程制作博奇編碼的傅里葉全息圖。

輸入水印圖像(,)；(,)乘以隨機(jī)相位，模擬光學(xué)全息中毛玻璃漫射光的作用后，進(jìn)行傅里葉變換，獲得傅里葉頻譜(,)：

由傅里葉頻譜(,)，獲得振幅信息(,)和相位信息(,)：

式中：real[ ]和imag[ ]分別為取復(fù)波面的實(shí)部與虛部操作。

在線性記錄條件下，光學(xué)離軸全息圖的透過率函數(shù)(,)為：

利用式（5）得到博奇編碼傅里葉計(jì)算全息圖。

1.4 離散小波變換

空間域中水印不可見性不易保障，變換域高頻區(qū)水印脆弱，文中將采用離散小波變換（Discrete Wavelet Transformation，DWT）處理宿主圖像，將水印嵌入宿主圖像二層Haar小波變換的對(duì)角高頻。

宿主圖像經(jīng)一層小波變換后，獲得包含圖像主要信息的低頻區(qū)（A）和3個(gè)高頻區(qū)，對(duì)低頻區(qū)（A）進(jìn)行二層小波變換，獲得二層低頻區(qū)（AA）、水平高頻（AH）、垂直高頻（AV）和對(duì)角高頻（AD），選取對(duì)角高頻（AD）作為水印嵌入位置。

2 嵌入與提取水印

2.1 嵌入水印

文中選擇包含字母“T”的灰度圖作為水印，尺寸為64像素×64像素；選擇測(cè)試圖像“Lena”作為宿主圖像，尺寸為512像素×512像素，顏色模式為CMYK，見圖1。

將水印（圖1a）制成全息圖，見圖2。

圖1 水印與宿主圖像

圖2 全息圖

對(duì)全息圖進(jìn)行一層離散小波變換，獲得全息圖的對(duì)角高頻D。對(duì)宿主圖像進(jìn)行分離通道，獲得C、M、Y和K 4個(gè)顏色通道。由C、M、Y和K中選取某一通道作為嵌入通道，對(duì)該通道進(jìn)行二層小波變換，獲得二層對(duì)角高頻AD，采用代換的方式將D嵌入AD中，嵌入方程見式（6）。

進(jìn)行二層逆小波變換獲得含有水印的圖像。分別在C、M、Y和K通道嵌入水印后合并通道，形成含水印的彩色圖像，效果分別見圖3a—d。

2.2 提取水印

應(yīng)用嵌入算法的逆運(yùn)算，對(duì)含水印圖像進(jìn)行分離通道，對(duì)含水印通道進(jìn)行二層小波變換，獲得其AD的系數(shù)值，從而再現(xiàn)水印。從圖3中提取的水印見圖4。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio, PSNR）評(píng)價(jià)含水印不可見性。采用歸一化相關(guān)系數(shù)（Normalized Coefficient，NC）評(píng)價(jià)提取的水印質(zhì)量。計(jì)算圖3中含水印圖像的PSNR值，計(jì)算圖4中提取水印的NC值，見表1。

在未受到攻擊的情況下，含水印圖像的PSNR值均在40 dB以上，提取到的水印NC值均在0.91以上，其中C和Y兩通道嵌入水印效果較其他通道更優(yōu)，符合文獻(xiàn)[6]所述。

3 模擬加網(wǎng)

應(yīng)用PHOTOSHOP軟件模擬調(diào)幅加網(wǎng)效果，打開含水印圖像（圖3）后，分為4步模擬加網(wǎng)效果。第1步，分離通道獲得C、M、Y和K 4個(gè)通道的灰度圖；第2步，采用“半調(diào)網(wǎng)屏”的方法、“圓形”網(wǎng)點(diǎn)形狀、自定分辨率和加網(wǎng)線數(shù)，將灰度圖轉(zhuǎn)為位圖；第3步，以“1”為大小比例將位圖轉(zhuǎn)為灰度圖；第4步，采用“CMYK顏色”合并通道，獲得模擬加網(wǎng)后的彩色圖像。

圖3 含水印圖像

圖4 提取的水印

表1 含水印圖像的PSNR值和NC值

Tab.1 PSNR and NC value of watermarked images

以C通道中嵌入水印為例，選取加網(wǎng)質(zhì)量因子為2，分辨率為160 dpi，加網(wǎng)線數(shù)為80 lpi，網(wǎng)線角度為0°，模擬加網(wǎng)效果見圖5。

圖5 加網(wǎng)后含水印圖像

3.1 加網(wǎng)線數(shù)

為考察加網(wǎng)線數(shù)對(duì)水印不可見性的影響，分別測(cè)試了不同加網(wǎng)線數(shù)條件下，在C、M、Y、K 4個(gè)通道中嵌入水印的PSNR值，加網(wǎng)質(zhì)量因子選取2，加網(wǎng)線數(shù)分別取60、80、120、150、175 lpi時(shí)，不同通道嵌入水印的PSNR值見表2。

表2 不同加網(wǎng)線數(shù)時(shí)的PSNR值

Tab.2 PSNR value of watermarked images with different screen frequency

由表2可知，模擬加網(wǎng)后，含水印圖像的PSNR值自40 dB以上降低至20.80～35.86 dB。加網(wǎng)線數(shù)相同時(shí)，在4個(gè)顏色通道中嵌入水印，水印不可見性有所波動(dòng)，但波動(dòng)幅度有限，基本在1 dB內(nèi)。加網(wǎng)線數(shù)變化時(shí)，隨著加網(wǎng)線數(shù)的降低，圖像包含的細(xì)節(jié)信息減少，4個(gè)顏色通道的含水印圖像保真度同時(shí)顯著降低。相較于顏色通道，加網(wǎng)線數(shù)對(duì)含水印圖像保真度的影響處于主導(dǎo)地位。

為考察加網(wǎng)線數(shù)對(duì)提取水印質(zhì)量的影響，分別測(cè)試了不同加網(wǎng)線數(shù)條件下，在C、M、Y、K 4個(gè)通道中嵌入水印的NC值，加網(wǎng)質(zhì)量因子選取2，加網(wǎng)線數(shù)分別取60、80、120、150、175 lpi時(shí)，不同通道嵌入水印的NC值見表3。

表3 不同加網(wǎng)線數(shù)時(shí)的NC值

Tab.3 NC value of watermarked images with different screen frequency

由表3可知，模擬加網(wǎng)后，NC值自0.91以上降低至0.52～0.89。加網(wǎng)線數(shù)不變時(shí)，C和Y兩通道嵌入水印效果較其他通道更優(yōu)，符合文獻(xiàn)[6]中所述。隨著加網(wǎng)線數(shù)的增加，圖像細(xì)節(jié)更豐富，4個(gè)顏色通道提取的水印質(zhì)量同時(shí)顯著提升，加網(wǎng)線數(shù)大于120 lpi時(shí)，最小NC值大于0.75，所提水印較清晰。

3.2 網(wǎng)線角度

測(cè)試圖像“Lena”的主色版為M版，M版網(wǎng)線角度為45°，Y版網(wǎng)線角度為0°，C版網(wǎng)線角度可以為15°或75°，K版網(wǎng)線角度可以為75°或15°。

為考察不同網(wǎng)線角度對(duì)水印不可見性和魯棒性的影響，分別測(cè)試了不同網(wǎng)線角度條件下，加網(wǎng)質(zhì)量因子選取2，加網(wǎng)線數(shù)為120 lpi，網(wǎng)線角度分別取15°（C）、45°（M）、0°（Y）、75°（K）和75°（C）、45°（M）、0°（Y）、15°（K）時(shí)，不同通道嵌入水印的PSNR值和NC值見表4。

由表4可知，模擬加網(wǎng)后，含水印圖像的PSNR值明顯下降，且不同嵌入通道、不同網(wǎng)線角度的下降幅度基本一致。值得關(guān)注的是，雖然提取的水印均可較好辨認(rèn)，但NC值為0.80～0.84，不同嵌入通道、不同網(wǎng)線角度的NC值差異較大。其中較低的是M通道與K通道，綜合表1中數(shù)據(jù)可知，M通道NC值加網(wǎng)后降低了0.12，K通道NC值加網(wǎng)后降低了0.11，M通道降低幅度較大。

進(jìn)一步測(cè)試網(wǎng)線角度作用于不同宿主圖像對(duì)NC值的影響，采用圖8中4幅分別以C、M、Y、K為主色版的宿主圖像分別進(jìn)行測(cè)試。其中，由于在四色印刷中，黃版網(wǎng)線角度通常為0°，因而圖8c中，選擇品紅版作為加網(wǎng)角度為45°的色版。

表4 不同網(wǎng)線角度的PSNR值和NC值（Lena）

Tab.2 PSNR and NC value of watermarked images with different screen angles (Lena)

圖6 不同色彩的宿主圖像

分別采用圖6中4幅作為宿主圖像，測(cè)試了不同網(wǎng)線角度條件下，加網(wǎng)質(zhì)量因子選取2，加網(wǎng)線數(shù)為120 lpi時(shí)，不同通道嵌入水印的PSNR值和NC值，見表5。

由表5可見，在宿主圖像相同，水印嵌入網(wǎng)線角度為45°的顏色通道時(shí)，NC值偏低。造成上述現(xiàn)象的原因有：文中所采用的水印嵌入算法將水印嵌入到二層小波變換的對(duì)角高頻區(qū)，而主色版主要集中了圖像的顏色信息，而圖像的輪廓細(xì)節(jié)在主色版的相反色中表現(xiàn)，因此文中算法在水印嵌入主色版時(shí)最為脆弱；在加網(wǎng)角度為45°時(shí)，單位長(zhǎng)度上一個(gè)網(wǎng)點(diǎn)所能對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)最少，因而保真度降低，導(dǎo)致水印魯棒性降低。

表5 不同網(wǎng)線角度的PSNR值和NC值

Tab.5 PSNR and NC value of watermarked images with different screen angles

4 結(jié)語(yǔ)

研究以DWT域全息水印算法為例，考察了加網(wǎng)線數(shù)、網(wǎng)線角度對(duì)水印魯棒性和不可見性的影響。研究結(jié)果表明，加網(wǎng)線數(shù)與水印魯棒性和不可見性呈正相關(guān)，因此綜合考慮承印物、印刷設(shè)備、工藝水平的影響，在保障印品質(zhì)量的前提下，應(yīng)選擇最大加網(wǎng)線數(shù)；水印嵌入網(wǎng)線角度為45°的顏色通道時(shí)，水印魯棒性偏低，因此針對(duì)不同宿主圖像應(yīng)考慮不同嵌入通道，盡量規(guī)避在加網(wǎng)角度為45°的顏色通道嵌入水印。該研究集中于DWT域全息水印算法的抗加網(wǎng)魯棒性研究，雖然研究結(jié)果受到水印算法的局限，卻也顯現(xiàn)了加網(wǎng)攻擊對(duì)數(shù)字水印的影響，建議今后研究數(shù)字水印硬拷貝時(shí)，在水印魯棒性測(cè)試中增加加網(wǎng)攻擊。

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Screening Frequency and Watermarking Performance against Printing Attack

MA Cong-long, ZHANG Wen, WANG Liu

(Tianjin Vocational Institute, Tianjin 300410, China)

The work aims to investigate the robustness and invisibility of watermarks against different screening frequency and screen angles, so as to transplant digital watermarking technology from the field of digital copyright protection to printing anti-counterfeiting. With the holographic watermarking algorithm in DWT domain as an example, the watermarked image was made into a hologram and the hologram was embedded into the DWT domain of host image in C, M, Y or K layers, to obtain watermarked image. Simulation experiment was carried out to the watermarked image with different screening frequency and screen angles. The robustness and invisibility of watermarked image increased with the increase of the number of screening frequency. The lowest acceptable number of screen frequency was 120 lpi. Under the condition of the same number of screen frequency, the quality of extracted watermarks when the screen angle was 45° were lower than that at 0°, 15° and 75°. The screen angle of 45° is suitable for monochrome printing, but the watermark attack is the most significant. Therefore, the color channel with screen angle of 45° should be avoided as the watermark embedding position.

digital watermark; CMYK color space; screen angle; hologram

TP309.7

A

1001-3563(2022)07-0269-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.07.035

2020-07-14

天津市藝術(shù)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目（D20026）

馬璁瓏（1988—），碩士，天津職業(yè)大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)槠矫嬖O(shè)計(jì)及傳播等。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋