本发明属于光栅防伪技术领域，具体涉及一种图像中间调区域防伪图文信息的加密和解密方法。
背景技术：
目前主要的印刷防伪技术大多是基于高精度的设备及特殊的材料的基础上，印刷防伪成本比较高昂，而且一旦印刷防伪所用的材料和设备被得到，就会被大量复制效仿，从而将失去防伪的功效。需要印刷复制的图像、文字等通常均经过半色调加网进行输出，基于莫尔纹的光栅防伪技术，就是针对现在印刷防伪技术和普通印刷企业的生产条件，提出的一种对设备和材料依懒性小，防伪过程简单，防伪效果好的半色调防伪新技术。其基本原理就是对印刷中常见的莫尔条纹形成的原理特性进行分析研究，结合数字半色调加网技术特点，基于人眼的视觉特性，通过在数字加网过程中，在不会引起人眼视觉变化的前提下对加网图像的部分网点进行微量调整，从而完成防伪信息的加入。
现有技术中，防伪信息的选型局限于简单的形状和单个字母，随着防伪信息的增大和复杂度的提高，特别是在中间调区域，防伪信息的隐蔽性下降，易被人眼直接察觉，隐蔽性和提取识别性能均不够理想。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种图像中间调区域防伪图文信息的加密和解密方法，原图和防伪信息的选择范围更大，在图像中间调区域实现加密和解码，隐蔽性和提取识别性能较强。
本发明提供了如下的技术方案：一种图像中间调区域防伪图文信息的加密和解密方法，包括如下步骤：
步骤一、准备原图和防伪信息
选择具有中间调区域的图像作为原图，原图为矩形，选择防伪信息，防伪信息为文字、图形和图像中的任意一种或者一种以上，原图和防伪信息均为数字文件格式；
步骤二、半色调处理
在图像处理软件中打开原图，将原图设置为c、m、y、k四个颜色通道模式，选择其中1个颜色通道作为加密通道，其余3个通道作为普通通道，采用调幅加网技术，设置加网参数，加网处理后得到由网点组成的加密通道半色调图像和3幅普通半色调图像；
新建空白图像，其图像大小和普通半色调图像的图像大小相同，将空白图像设置为c、m、y、k四个颜色通道模式，将3幅普通半色调图像复制入对应的颜色通道中，备用；
步骤三、防伪信息加密
将防伪信息叠加在加密通道半色调图像的图层上，采集防伪信息的轮廓，在加密通道半色调图像的图层上得到与轮廓相对应的加密选区，记加密通道半色调图像中的网点总数为m*n个，记加密通道半色调图像中的网点为(i，j)，i＝1、2、...m，j＝1、2、...n，记加密选区所有网点的集合为g＝{(i，j)，i≤m；j≤n}，记加密选区中在边界底部的网点的集合为j＝{(i，j)，(i，j)∈g}，记加密选区中在边界顶部和两侧的网点的集合为e＝{(i，j)，(i，j)∈g}，记加密选区中边界内的网点的集合为d＝{(i，j)，(i，j)∈g}，j+e+d＝g；
(1)、网点百分比调整
记加密通道半色调图像中的每个网点的网点百分比为f(i，j)，在加密选区的所有网点中，位于边界底部的网点的网点百分比为fj(i，j)，边界顶部和两侧的网点的网点百分比为fe(i，j)，边界内的网点的网点百分比为fd(i，j)；
先调整位于边界的网点的网点百分比，集合e中的任一网点(i，j)，其相邻8个网点为(i-1，j-1)、(i-1，j)、(i-1，j+1)、(i，j-1)、(i，j+1)、(i+1，j-1)、(i+1，j)和(i+1，j+1)，相邻8个网点的百分比为f(i-1，j-1)、f(i-1，j)、f(i-1，j+1)、f(i，j-1)、f(i，j+1)、f(i+1，j-1)、f(i+1，j)和f(i+1，j+1)，将网点(i，j)的百分比调整为f’e(i，j)，
集合j中的任一网点(i，j)，其相邻8个网点为(i-1，j-1)、(i-1，j)、(i-1，j+1)、(i，j-1)、(i，j+1)、(i+1，j-1)、(i+1，j)和(i+1，j+1)，相邻8个网点的百分比为f(i-1，j-1)、f(i-1，j)、f(i-1，j+1)、f(i，j-1)、f(i，j+1)、f(i+1，j-1)、f(i+1，j)和f(i+1，j+1)，将网点(i，j)的百分比调整为f’j(i，j)：
(2)、网点移动
调整网点百分比后，将集合e和集合d的网点进行位移，位移方向为垂直向上，位移距离为相邻两个网点距离的1/2；将集合j的网点进行位移，位移方向为垂直向上，位移距离为相邻两个网点距离的1/4；
(3)、网点百分比调整和网点移动完成后，得到具有防伪信息的加密通道半色调图像；
步骤四、图像合成
将步骤三得到的具有防伪信息的加密通道半色调图像复制入步骤二空白图像剩余的颜色通道中，得到嵌入有防伪信息的原图半色调图像，完成防伪信息的加密。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤三中，x1为0.7，x2为1.6，x3为0.7，x4为1，x5为1，x6为0.7，x7为1.6和x8为0.7。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤二中，加网参数包括4个加网角度，分别为0°、15°、45°和75°，对加密通道和3个普通通道分别进行半色调处理，加密通道的加网角度为0°，3个普通通道的加网角度为15°、45°和75°三者的任意组合。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤二中，半色调处理和新建空白图像均采用photoshop软件，在photoshop中打开原图，将原图设置为c、m、y、k四个颜色通道模式，设置c通道作为加密通道，m、y、k通道作为普通通道，先将颜色通道转换为位图，转换时设置输出分辨率，然后采用半调网屏对每个颜色通道分别进行加网处理，加网参数还包括网点形状和加网线数，网点形状为圆形或者方形，加网线数为50～200lpi，所述空白图像的分辨率和所述输出分辨率相同，输出分辨率为加网线数的整数。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤二中，半色调处理和新建空白图像均采用photoshop软件，在photoshop中打开原图，将原图设置为c、m、y、k四个颜色通道模式，设置c通道作为加密通道，m、y、k通道作为普通通道，先将四个颜色通道分别转换为位图，转换时设置输出分辨率为768dpi，然后采用半调网屏对每个颜色通道分别进行加网处理，加网参数还包括网点形状和加网线数，网点形状为圆形，加网线数为96lpi，所述空白图像的分辨率和所述输出分辨率相同。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤四完成防伪信息的加密后，还包括制作相对应的数字解码片，制作方法为：采用数字文件格式的直线光栅作为数字解码片，直线光栅由实地色块和透明色块间隔排列组成，实地色块和透明色块均为长度相同的矩形结构，计算实地色块和透明色块的宽度，得到数字解码片，将数字解码片覆盖在所述嵌入有防伪信息的原图半色调图像上，旋转和移动数字解码片直至观测到防伪信息，完成解码。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤五中，记实地色块的宽度为t1，透明色块的宽度为t2，记加网线数为l，t1+t2＝25.4/l。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤五中，实地色块宽度的计算方法为：
在加密通道半色调图像上选择一个矩形的显像区域，显像区域由加密选区和对比选区组成，加密选区位于显像区域的正中间且占显像区域的50～80％；
测量对比选区中各个网点的网点百分比f(i，j)，得到具有最大值的网点，实地色块的宽度t1等于具有最大值的网点的高度。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤四还包括将嵌入有防伪信息的原图半色调图像印刷输出，通过计算机控制曝光输出成印版，或者对应制成菲林片再晒制印版，得到嵌入有防伪信息的原图实物；
所述步骤五还包括数字解码片制备成对应的实物光栅，将实物光栅覆盖在原图实物上，旋转和移动实物光栅直至观测到防伪信息，完成解码。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤三中，加密选区的制备方法为：在photoshop中打开加密通道半色调图像，得到加密通道半色调图像的图层，然后新建图层并置入防伪信息，得到防伪信息图层，选中防伪信息的轮廓，然后删除防伪信息图层，得到轮廓选区，将轮廓选区进行调整，使得选区内的网点均为完整的网点，调整后得到的轮廓选区即为加密选区。
本发明的有益效果：原图和防伪信息的选择范围更大，在图像中实现加密和解码，隐蔽性和提取识别性能较强，具体如下：
(1)、本发明的加密过程中：基于人眼视觉的低通滤波特性，在对连续调原图进行调幅加网处理后，改变加密通道中局部区域的网点位置和网点百分比，将防伪信息嵌入到原图图像之中，达到防伪信息加密的目的；解码过程中：基于莫尔纹光栅防伪原理，利用透射光栅的光学特性，将加网后的半色调图像与设计的相匹配的光栅相叠合，形成反差强烈的周期无穷大的纵向莫尔条纹现象，从而显示出防伪信息，达到防伪信息解码的目的；
(2)、本发明原图的选取范围更广：现有技术中，受到加密方法的限制，如果采用阶调层次变化的图像进行加密，隐蔽性较差，因此通常只设置均匀的网点百分比得到原图进行信息的隐蔽，本发明解决了在图像中加密和解码效果较差的问题，在原图选择的范围更大；另外，本发明在图像的中间调区域进行加密，具有更好的解码信息提取性能；
(3)、本发明防伪信息的选取更多样且容量更大：防伪信息为文字、图形和图像中的任意一种或者一种以上，文字除了包括汉字外，还包括字母和数字，且其防伪信息的容量更大，随着容量的增大，仍可以保持较好的结构相似度和解码效果；
(4)、本发明加密的隐蔽性更强：通过改变网点百分比，使得边界区域的网点可以进一步与周围的网点相融合，采用与附近网点均和百分比的方式模糊边界网点的视觉抖动，相较于现有技术，可以更好的提高防伪信息的隐蔽性能，使其不易被视觉感知；另外，对边界两侧的网点同样进行改进；将加密选区中在边界底部的网点垂直向上移动1/4的网点间距(网点间距由加网线数等参数决定)，将加密选区的其它网点垂直向上移动1/2的网点间距，采用这样的方式，较传统的位移算法以及其它的改进算法，可以在实现莫尔纹防伪的基础上，进一步降低加密选区由于网点位移造成的视觉感知；另外，结合本发明加密选区的制备方法，边界两侧的网点可以保持完整性，同时还可以在网点改进后，仍具有较好的隐蔽性能，特别是四色通道叠加后，人眼无法直接识别防伪信息；本发明的加密方法，全方位考虑了边界网点抖动会产生的视觉感知，提高边界网点与周围网点的相容性，加密方法更科学合理，同时配合相适应的解码方法，可以有效的实现防伪信息的隐藏和提取；
(5)、本发明的加密方法稳定性更高：先进行网点百分比的改进，再进行网点位移，更适用于在中间调区域进行防伪信息的隐藏，因为中间调区域加网后，网点的百分比较大，如果先进行网点位移，位于加密选取边界上的网点，特别是位于边界顶部的网点，如果先进行位移，有可能会造成和其他未进行位移的网点的搭接，不便于后续的网点百分比改进，采用这样的先后顺序，可以提高加密的稳定性；
(6)、本发明具有良好的解码效果：通过光栅解码片，可以在特定角度下准确识别防伪信息，达到防伪效果，不受到加密算法改进的影响；
(7)、本发明可预制解码效果：在图像中加密防伪信息，并且制作相应的数字解码片，可以在图像印刷输出前，用数字解码片检测防伪信息进行解码，预制检测效果，方便对加密图像进行核查，具有预警效果，然后采用对应的数据制作实物光栅片；
(8)、本发明加密选区的制备方法更为简单精确，直接在加密通道半色调图像上制作轮廓选区，并进行调整，使得选区内的网点均为完整的网点，相较于现有技术中，在加网前的加密通道中预制选区的方法，本发明的方法可以精确的选择完整的网点；
(9)、本发明得到的产品难以仿制：本发明的网点改进难以被破解，在加密过程中设置的各个参数也无法准确被仿冒者识破，稍有不同，就会在解码过程中引起视觉改变，防伪性能更强。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实施例中的原图(色彩信息未示出)；
图2是本发明实施例中的c通道加网图像；
图3是本发明实施例中的m通道加网图像；
图4是本发明实施例中的y通道加网图像；
图5是本发明实施例中的k通道加网图像；
图6是本发明实施例中的防伪信息加密的加密通道半色调图像；
图7是本发明实施例中的嵌入有防伪信息的原图半色调图像(色彩信息未示出)；
图8是本发明实施例中的解码后的原图半色调图像(色彩信息未示出)；
图9是本发明实施例中解码后的c通道图像的局部放大图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。现结合说明书附图，详细说明本发明的结构特点。
一种图像中间调区域防伪图文信息的加密和解密方法，包括如下步骤：
步骤一、准备原图和防伪信息
参见图1，任意选择一幅具有中间调区域的图像作为原图，原图为矩形，选择文字“1e”和图形“箭头”作为防伪信息，原图和防伪信息均为数字文件格式；
在photoshop中打开原图，将原图设置为c、m、y、k四个颜色通道模式，选择c通道作为加密通道，m、y、k通道作为普通通道，选择加密通道中阶调平缓的区域作为防伪信息的加密区域；
步骤二、半色调处理
在photoshop中，先将四个颜色通道分别转换为位图，转换时设置输出分辨率为768dpi，然后采用半调网屏对每个颜色通道分别进行加网处理；
采用调幅加网技术，设置每个颜色通道的加网参数，加网参数包括网点形状、加网线数和加网角度，网点形状均为圆形，加网线数均为96lpi，加网角度分别为0°、15°、45°和75°，其中，c通道的加网角度为0°，m、y、k通道的加网角度对应为15°、45°和75°；
加网处理后得到如图2、3、4和5所示的由网点组成的加密通道半色调图像和3幅普通半色调图像，3幅普通半色调图像分别为m通道加网图像、y通道加网图像和k通道加网图像；
在photoshop中，新建空白图像，其分辨率为768dpi，其图像大小和普通半色调图像的图像大小相同，普通半色调图像的图像大小可在photoshop中直接读取，将空白图像设置为c、m、y、k四个颜色通道模式，将3幅普通半色调图像复制入对应的颜色通道中，备用；
步骤三、防伪信息加密
将防伪信息叠加在加密通道半色调图像的图层上，采集防伪信息的轮廓，在加密通道半色调图像的图层上得到与轮廓相对应的加密选区，记加密通道半色调图像中的网点总数为m*n个，记加密通道半色调图像中的网点为(i，j)，i＝1、2、...m，j＝1、2、...n，记加密选区所有网点的集合为g＝{(i，j)，i≤m；j≤n}，记加密选区中在边界底部的网点的集合为j＝{(i，j)，(i，j)∈g}，记加密选区中在边界顶部和两侧的网点的集合为e＝{(i，j)，(i，j)∈g}，记加密选区中边界内的网点的集合为d＝{(i，j)，(i，j)∈g}，j+e+d＝g；
(1)、网点百分比调整
记加密通道半色调图像中的每个网点的网点百分比为f(i，j)，在加密选区的所有网点中，位于边界底部的网点的网点百分比为fj(i，j)，边界顶部和两侧的网点的网点百分比为fe(i，j)，边界内的网点的网点百分比为fd(i，j)；
先调整位于边界的网点的网点百分比，集合e中的任一网点(i，j)，其相邻8个网点为(i-1，j-1)、(i-1，j)、(i-1，j+1)、(i，j-1)、(i，j+1)、(i+1，j-1)、(i+1，j)和(i+1，j+1)，相邻8个网点的百分比为f(i-1，j-1)、f(i-1，j)、f(i-1，j+1)、f(i，j-1)、f(i，j+1)、f(i+1，j-1)、f(i+1，j)和f(i+1，j+1)，将网点(i，j)的百分比调整为f’e(i，j)，
集合j中的任一网点(i，j)，其相邻8个网点为(i-1，j-1)、(i-1，j)、(i-1，j+1)、(i，j-1)、(i，j+1)、(i+1，j-1)、(i+1，j)和(i+1，j+1)，相邻8个网点的百分比为f(i-1，j-1)、f(i-1，j)、f(i-1，j+1)、f(i，j-1)、f(i，j+1)、f(i+1，j-1)、f(i+1，j)和f(i+1，j+1)，将网点(i，j)的百分比调整为f’j(i，j)：
本实施例中网点百分比的改动操作直接在photoshop中进行，将需要改动的网点去除，然后在原来的位置置入具有对应百分比的网点；
(2)、网点移动
调整网点百分比后，将集合e和集合d的网点进行位移，位移方向为垂直向上，位移距离为相邻两个网点距离的1/2；将集合j的网点进行位移，位移方向为垂直向上，位移距离为相邻两个网点距离的1/4；本实施例中网点的位移操作直接在photoshop中选中网点后使用移动工具进行；
(3)、参见图6，网点移动和网点百分比调整完成后，得到具有防伪信息的加密通道半色调图像，可以看出，本实施例对加密选区的网点进行了改进，由于人眼低通滤波特性，几乎无法观测出隐藏的信息“1e”和“箭头”。
步骤四、图像合成
参见图7，将步骤三得到的具有防伪信息的加密通道半色调图像复制入步骤二空白图像剩余的颜色通道中，四个颜色通道合并后的图7中，“1e”和“箭头”用肉眼已无法观测到，较好的实现了信息隐藏，得到嵌入有防伪信息的原图半色调图像，完成防伪信息的加密；
步骤五、解码
参见图8，采用数字文件格式的直线光栅作为数字解码片，直线光栅由实地色块和透明色块间隔排列组成，实地色块和透明色块均为长度相同的矩形结构，计算实地色块和透明色块的宽度，得到数字解码片，将数字解码片覆盖在所述嵌入有防伪信息的原图半色调图像上，旋转和移动数字解码片直至观测到防伪信息“1e”和“箭头”，完成解码。
参见图9，进一步说，可以看出解码片和c通道(加密通道)图像的叠加图，可以看出解码片将其余部分的网点全部覆盖，而与防伪信息的网点形成莫尔纹，具有强烈的反差对比。
进一步说，所述步骤六中，记实地色块的宽度为t1，透明色块的宽度为t2，记加网线数为l，t1、t2和l的关系满足：t1+t2＝25.4/l，实地色块宽度t1的计算方法具体为：
(1)、在加密通道半色调图像上选择一个矩形的显像区域，显像区域由加密选区和对比选区组成，加密选区位于显像区域的正中间且占显像区域的50～80％；
(2)、测量对比选区中各个网点的网点百分比f(i，j)，得到具有最大值的网点，实地色块的宽度t1等于具有最大值的网点的高度，该步骤可以在photoshop中，使用放大器，将图层放大至最大比例后计算，确定t1的宽度后，即可以使用前述关系式得到t2的宽度。
本实施例中，输出分辨率为加网线数的整数，加网后的图像由多个网点组成，每个网点均位于一个网目调单元中，网目调单元边长占据的栅格数等于输出分辨率除以加网线数，在确定上述具有最大值的网点的高度时，可参考前述栅格数，简化操作。
本实施例中，加密选区的制备方法为：在photoshop中打开加密通道半色调图像，得到加密通道半色调图像的图层，然后新建图层并置入防伪信息，得到防伪信息图层，选中防伪信息的轮廓，然后删除防伪信息图层，得到轮廓选区，将轮廓选区进行调整，使得选区内的网点均为完整的网点，调整后得到的轮廓选区即为加密选区。
本实施例中，相邻两个网点之间的距离为固定值d，d＝25.4/l。
本实施例中，优选x1为0.7，x2为1.6，x3为0.7，x4为1，x5为1，x6为0.7，x7为1.6和x8为0.7
本实施例中，步骤四还包括将嵌入有防伪信息的原图半色调图像印刷输出，通过计算机控制曝光输出成印版，或者对应制成菲林片再晒制印版，得到嵌入有防伪信息的原图实物；步骤五还包括数字解码片制备成对应的实物光栅，将实物光栅覆盖在原图实物上，旋转和移动实物光栅直至观测到防伪信息，完成解码。
对比例
在实施例的基础上，对比例的不同之处在于步骤三，信息加密采用传统方法进行，得到嵌入有防伪信息的原图半色调图像，具体为，加密选区的网点只进行位移，不改进网点百分比，且位移的方向为纵向或者横向，记相邻网点间的距离为d，位移量均为1/2d，得到加密通道半色调图像，以及3幅普通半色调图像。
将实施例中的加密通道半色调图像和3幅普通半色调图像合并，得到未嵌入防伪信息的原图半色调图像，采用ssim(结构相似度)算法和wsnr(加权信噪比)分别评价实施例中未嵌入防伪信息的原图半色调图像和嵌入有防伪信息的原图半色调图像两者之间的相似度；
将对比例中的加密通道半色调图像和3幅普通半色调图像合并，得到未嵌入防伪信息的原图半色调图像，采用ssim(结构相似度)算法和wsnr(加权信噪比)分别评价对比例中未嵌入防伪信息的原图半色调图像和嵌入有防伪信息的原图半色调图像两者之间的相似度，从而间接得到防伪信息的隐蔽性的评价结果，如下表1所示：
表1对比例1相似度评价结果
其中，ssim的值越接近于1或者wsnr的值越大，代表两幅图像的相似度越大，由上述表1可知，实施例1的ssim值更接近于1，且wsnr较大，因此本发明的方法，隐蔽性效果更好，不易被人眼察觉。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。