复制检测图案的制作方法

本发明涉及用于打印在物品或基材上的复制检测图案(cdp)以及生成cdp的方法。

背景技术：

1、复制检测图案(cdp)、安全图形(sg)或图形代码是打印在文档、标签或产品上用于防伪检测的小型随机或伪随机数字图像。通过使用图像扫描仪或手机摄像头扫描打印的cdp来进行身份验证。

2、在1中，解释了使用cdp的仿冒品检测依赖于“信息丢失原理”，该原理指出，数字图像每次被打印或扫描时，有关原始数字图像的一些信息会丢失。cdp被定义为“最大熵图像”，其试图利用这种信息丢失，其中仿冒品相较于原始打印来说含有较少的关于cdp的数字图像的信息。事实上，与产生cdp的原始打印相比，生产仿冒品cdp需要一个额外的扫描和打印过程，因此相较于原始cdp具有准确性较差的信息。通过测量扫描的cdp中的信息，检测者可以确定该cdp是原始打印还是副本。

3、

4、cdp旨在解决光学安全功能(例如用于检测仿冒品的安全全息图)的局限性。他们被对于能够以数字方式生成、管理和传输且机器可读的安全功能的需求所激励。与许多传统的安全打印技术(一旦生产它们的知识和设备被传播，它们就不再安全了)相反，只要用于生成cdp的密钥或图像不被泄露或数字cdp不被泄露，用于生成cdp的算法就可以是公开的。如果密钥被泄露，通过相同算法用其他密钥生成的cdp可以保持其安全性。

5、cdp可以被视为一种图像，其设计目的是对打印和复制尽可能敏感，使得尽可能难以被伪造者成功复制。然而，当20022年首次引入cdp时，没有提供任何方法来以这样的方式生成它们，所述方式能够确保它们对复制尝试的敏感性和检测仿冒品的能力被最大化。该专利仅提出生成随机图像，而没有考虑打印机分辨率，或图像应该是灰度的还是二值的(例如胶印机仅打印二值图像，并对灰度图像使用半色调)。因此，并未透露如何生成实际上被优化以辨别原件和仿冒品的cdp。

6、后来发现3，由于大多数打印机实际上以单一本地分辨率打印二值图像，因此优选的是以本地打印机分辨率将cdp生成为随机或伪随机二值图像。由于具有n个像素的数字二值图像的最大熵为n位，如果黑色像素与白色像素的概率为50％，则达到最大熵。然而，由于网点增大或墨水涂抹导致自然发生的信息丢失，通过以本地打印机分辨率打印cdp，数字cdp的熵(或包含在数字cdp中的信息量)通常会显著减少。例如，在某些情况下，如果网点增大太高，打印的cdp甚至可能会变成纯灰色。在这种情况下，打印后，熵可能会变为零，因为没有来自数字cdp的剩余信息。当然，在第一次打印后就丢失了其所有信息的这样的cdp将失去辨别原始打印和副本的能力。总之，简单地最大化cdp数字图像的熵通常并不是优化其辨别原始打印和仿冒品的能力的最佳方法。

7、人们已经尝试开发理论模型，从中可以推断出优化cdp区分原件和副本的能力的参数值。该问题可以决策理论的方式进行建模，并假设输入信号、攻击渠道(如何制造仿冒品)和打印通道。例如，在4中，信号输入(cdp)是二进制的，打印通道输出也是二进制的，在打印和复制期间像素翻转的概率为p。该概率描述了打印通道的噪声。基于该模型，发现检测性能在大约19.1％的概率下最大化。在5和专利申请wo2009004172a2中，信号输入也是二进制和等概率的，除了打印通道被建模为用代表打印通道噪声水平的一个参数描述的加性高斯白噪声。伪造者必须对每个信号元素的二进制值做出二进制判定。假设伪造者在选择使副本中的错误最小化的信号值的意义上做出最佳决策，则发现在snr约为0.562的情况下，检测性能是最佳的。

8、

9、

10、这些模型提供了对于什么使得cdp对复制敏感的深入了解(例如，通道中需要特定量的噪声或信息丢失)，但它们也具有误导性。一个问题是，应用该模型需要打印通道的噪声水平理想地接近最佳值。在实践中，文件或包装的生产商无法选择打印通道：在大多数情况下，该通道是根据打印机、墨水和纸张的规格给定的。但即使可以控制这些规格，伪造者也没有理由使用相同的参数。特别地，如果这些规格导致打印的质量比利用标准打印操作所能达到的更低，那么伪造者将简单地使用比原件所用更好的打印质量，增加他获得成功副本的机会。

11、这些模型没有指示如何对源信号进行建模(生成数字cdp)，以接近该信噪比或错误率。事实上，它假设(即黑色和白色像素的)二值等概率值。wo2009004172a2中提出，通过调整像元尺寸(2x2黑色像素、3x3黑色像素等)来接近目标snr，并使用两种尺寸，使得如果伪造者试图确定使用了何种点结构，打印噪声将导致错误。

12、这些打印模型导致了关于如何设计cdp的错误结论。首先，他们假设打印对黑色(打印)像素和白色(未打印)像素具有相同的效果。实际上，打印是相当不对称的，因为黑色像素在打印后很少会变成白色，而由于网点增大和墨水涂抹，白色像素更频繁地变成黑色。

13、其次，他们假设打印通道可以通过噪声通道被正确地建模。事实上，与网点增大和墨水涂抹的大多数确定性效应相比，打印cdp中的噪声部分相对非常小，可以通过低通滤波器和最终阈值化的组合来对其更好地建模。

14、第三，应用该模型来获得更有效的cdp生成并不理想。在us8593696b2中，为了以最佳通道噪声因子为目标，建议使用打印的黑色像素的像元尺寸，例如2x2或3x3像素。由于打印差异，确定打印的是2x2还是3x3像元存在不确定性。值得注意的是，对于较低分辨率的打印(例如在1200像素及以下)，这种方法不起作用，因为使用超过1像素的像元尺寸将导致可忽略的信息丢失，因此近乎完美的复制将是可能的。

15、在大多数现有技术以及该领域的许多研究中，使用二值等概率信号，这意味着平均有50％的黑色像素，或50％的黑色像元。在us9594993b2中，提出使用明显不同于50％的密度，例如40％的黑色像素和60％的白色像素。根本目标是最大化原始打印中的信息密度，从而增加复制时的劣化率，即最大化原始二维条码复制过程中的信息丢失。虽然这解决了前面提到的一些缺点，但所提出的方法中没有任何内容可以证明或至少肯定生成了在检测复制方面最有效的cdp。

16、最后，现有技术都没有考虑到扫描设备可能产生的影响。事实上，可能的是，如果使用最佳的扫描设备(例如显微镜)，某种具有非常精细结构的cdp可能会非常有效。然而，如果使用质量较差的扫描设备(例如成本较低的移动相机)扫描，相同的cdp可能完全无效，因为精细结构可能在扫描中被完全擦除(可能看起来像纯灰色)。对于这样的设备，更粗糙的结构(可能能够识别影印件)可能更适合。然而，现有技术并没有提出任何确定这种结构的方法。

17、利用cdp通常很容易地检测到影印件、甚至是使用同一台打印机通过高分辨率扫描制作的副本。我们在这里寻求解决的问题是检测优质副本，这些副本是通过应用允许预补偿在副本的打印期间发生的网格增大的高通滤波器制成的。复制的cdp可能会危险地接近原件，虽然复制的cdp和原始cdp之间可能仍然存在一些统计上的显著差异，但在考虑自然打印和扫描变化后，以非常高的可靠性区分原件和副本可能变得困难。

18、除了使用标准图像处理(例如高通滤波器、二值化)之外，关于使用机器学习技术(特别是深度学习)来制作更精确的副本的研究也越来越多。例如，在2019年12月在荷兰代尔夫特的关于信息取证和安全的ieee研讨会中的r.yadav、i.tkachenko、a.trémeau和t.fournel的“copy sensitive graphical code estimation:physical vs numericalresolution”中，使用自动编码器开发了一种有效的估计攻击，自动编码器是一种特殊类型的神经网络。虽然通过这种方法不能完美地复制cdp，但与原件的差异相对较小，从而，在打印和检测扫描的质量变化很大的应用中检测此类副本可能会出现问题。现有技术没有提供对这种复杂副本的检测进行改进的方法。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是提供一种生成用于打印在物品上的cdp的方法，以及提供由此生成的cdp，其允许非常可靠地检测复制企图。

2、有利地，提供一种生成用于打印在物品上的cdp的方法，以及提供由此生成的cdp，其允许非常可靠地检测用于各种打印的复制企图。

3、有利地，提供一种生成用于打印在物品上的cdp的方法，以及提供由此生成的cdp，其允许非常可靠地检测使用各种扫描技术和各种扫描仪的复制企图。

4、技术和各种打印机。

5、有利地，提供一种生成用于打印在物品上的cdp的方法，以及提供由此生成的cdp，其实施起来经济并且易于使用。

6、本发明的目的已经通过提供根据权利要求1的方法来实现。从属权利要求阐述了有利实施方式的一些特征。

7、本文公开了一种生成用于打印在基材上的复制检测图案(cdp)或cdp的一部分的方法，包括：

8、-生成多个数字文件，每个图像包括暗像素和亮像素的至少部分随机的二维(2d)分布，和

9、-应用优化过程，所述优化过程被配置为提高对由该方法输出的所得数字文件的复制检测性能。

10、所述优化过程包括：

11、a)将构成测试数字文件的所述多个数字文件中的第一个的复制检测性能与构成修改的数字文件的相对于所述测试数字文件修改的所述多个数字文件中的另一个的复制检测性能进行比较，

12、b)如果所述修改的数字文件的复制检测性能大于测试数字文件的复制检测性能，则用所述修改的数字文件替换测试数字文件，在这种情况下，修改的数字文件变为测试数字文件，并且

13、重复步骤a)和b)，直到满足终止条件。

14、具有最高复制检测性能的数字文件可以被保留作为该方法输出的所得数字文件。如果采用迭代过程，则这尤其可以是过程终止时的最后测试或修改的数字文件。

15、对于每个所述测试数字文件和修改的数字文件，比较复制检测性能的步骤包括：

16、-应用第一打印模拟滤波器，其被配置为生成模拟所述图像在基材上的原始打印的第一打印图像文件，

17、-将第二打印模拟滤波器应用于所述第一打印图像文件，以生成模拟所述原始打印的打印副本的第二打印图像文件，和

18、-计算数字文件的复制检测性能，其指示打印的副本和原始打印之间的差异的度量。

19、在有利实施方式中，所述计算复制检测性能包括为第一打印图像文件和第二打印图像文件中的每一个计算一个分数，该分数表示数字文件与所述第一打印图像文件和第二打印图像文件中的每一个之间的差异。

20、在有利的实施方式中，计算分数包括测量皮尔逊相关系数。

21、在有利的实施方式中，第一打印模拟滤波器是高斯滤波器。

22、在实施方式中，所述第二打印模拟滤波器与所述第一打印模拟滤波器相同。在另一个实施方式中，所述第二打印模拟滤波器不同于所述第一打印模拟滤波器。

23、在有利的实施方式中，第二打印模拟滤波器包括高斯非锐化滤波器。

24、在有利的实施方式中，生成多个数字文件的步骤包括：通过将一个或多个像素从暗变为亮或从亮变为暗，修改所述测试数字文件的当前一个文件，以形成所述修改的数字文件的当前一个文件。

25、在有利的实施方式中，该方法包括，通过将一个或多个像素从暗变为亮或从亮变为暗来修改所述数字文件是随机执行的。

26、在有利的实施方式中，通过将一个或多个像素从暗变为亮或从亮变为暗来修改所述数字文件是基于相对于形成所述cdp的像素总量的像素百分比来执行的，所述像素百分比不超过10％、优选地不超过5％，优选地在0.5％至2％之间。

27、在有利的实施方式中，多个数字文件的生成是迭代的。

28、在有利的实施方式中，暗像素是黑色像素。

29、在有利的实施方式中，亮像素是白色像素。

30、在有利的实施方式中，使用密码密钥来生成暗像素和亮像素的至少部分随机的二维(2d)分布。

31、在有利的实施方式中，密码密钥可以是随机生成的。

32、在有利的实施方式中，该方法包括分别使用上述方法生成cdp的多个部分，以及组装所述多个部分以形成所述cdp。

33、终止条件可以是，分数差异高于预设值，或者一定次数的迭代，或者检测性能的变化率低于某个阈值，或者经过设定的计算时间。

34、根据本发明的优选方面，本文还公开了一种生成用于打印在基材上的复制检测图案(cdp)或cdp的一部分的方法，包括：

35、a)生成包括暗像素和亮像素的至少部分随机二维(2d)分布的图像的测试数字文件，

36、b)将第一打印模拟滤波器应用到所述数字文件，其被配置为生成模拟所述图像在基材上的原始打印的第一打印图像文件，

37、c)将第二打印模拟滤波器应用于所述第一打印图像文件，以生成模拟所述原始打印的打印副本的第二打印图像文件，

38、d)计算所述数字文件的复制检测性能，其指示打印的副本与原始打印之间的差异的度量，

39、e)通过将一个或多个像素从暗变为亮或从亮变为暗来修改所述测试数字文件，以创建修改的数字文件，

40、f)对修改的数字文件应用步骤b)至d)，

41、g)将测试数字文件的复制检测性能与修改的数字文件的复制检测性能进行比较，

42、h)如果修改的数字文件的复制检测性能表明打印的副本和原始打印之间的差异大于测试数字文件的复制检测性能，则用修改的数字文件替代测试数字文件，修改的数字文件现在变为测试数字文件，

43、i)如果修改的数字文件的复制检测性能表明打印的副本与原始打印之间的差异小于数字文件的复制检测性能，则重复步骤e)至h)，

44、j)重复步骤b)至i)，直到满足终止条件，

45、k)在步骤j)之后，从测试数字文件形成所述cdp或所述cdp的一部分。

46、上述优选方面还可以包括上述有利实施方式的附加特征。

47、在一个有利实施方式中，所述第二打印模拟滤波器与所述第一打印模拟滤波器相同。

48、在一个有利实施方式中，所述第二打印模拟滤波器不同于所述第一打印模拟滤波器。

49、在一个有利实施方式中，所述第二打印模拟滤波器包括高斯非锐化滤波器。

50、在一个有利实施方式中，计算复制检测性能的步骤包括，为第一和第二打印图像文件中的每一个计算一个分数，所述分数表示数字文件与所述第一和第二打印图像文件中的每一个之间的差异。

51、在一个有利实施方式中，计算分数的步骤包括，测量皮尔逊相关系数。

52、在一个有利实施方式中，所述第一打印模拟滤波器是高斯滤波器。

53、在一个有利实施方式中，通过将一个或多个像素从暗变为亮或从亮变为暗来修改所述数字文件的步骤是基于相对于形成所述cdp或所述cdp的一部分的像素总量的像素百分比来执行的，所述像素百分比不超过10％，优选不超过5％。

54、在一个有利实施方式中，通过将一个或多个像素从暗变为亮或从亮变为暗来修改所述数字文件的步骤是基于相对于形成所述cdp或所述cdp的一部分的像素总量的像素百分比来执行的，所述像素百分比在0.2％和2％之间。

55、在一个有利实施方式中，相对于形成所述cdp或所述cdp的一部分的像素总量的所述像素百分比在稍后的迭代中减小。

56、在一个有利实施方式中，暗像素是黑色像素，和/或亮像素是白色像素。

57、在一个有利实施方式中，暗像素和亮像素的所述至少部分随机的二维(2d)分布是使用密码密钥生成的，并且可选地，所述密码密钥是随机生成的。

58、本文还公开了一种生成复制检测图案(cdp)的方法，包括，分别使用根据前述任一方面或实施方式的方法生成cdp的多个部分，以及组装所述多个部分以形成所述cdp。

59、本发明的实施方式还包括根据上述方法中任一种生成的cdp以及承载打印的根据上述方法中任一种生成的cdp的产品。

60、在一个有利实施方式中，所述第一和所述第二打印模拟滤波器可以是神经网络。

61、传统的cdp是随机生成的，通常是由本身随机生成的密码密钥伪随机生成的。然而，发明人已经认识到，并非所有随机生成的安全图形都具有将原件与副本分开的基本相同的能力，而是一些cdp可能比其他cdp更有效。

62、发明人特别观察到，当打印二值cdp时，存在倾向于大部分变成黑色的区域和倾向于大部分变成白色的区域。图1包含一个50x50像素的数字cdp以及该cdp的600ppi打印的扫描件(以高分辨率扫描)。区域1显示在打印后变成大部分黑色的许多区域中的一个，而区域2显示变成大部分白色的区域。从数字cdp中可以看出，区域1中黑色像素的密度比平均密度要高一些，而区域2中白色像素的密度比通常密度要高一些。当然，对于具有利用特定分布伪随机确定的像素的cdp来说，黑色像素对白色像素的局部密度自然变化。

63、变成大部分黑色或变成大部分白色的区域实际上已经失去了区分原件和副本的能力，因为在生成副本时它们很可能不再被修改：原始打印中的白色区域将保持白色，黑色区域将保持黑色。另一方面，从黑色到白色(反之亦然)的过渡区域以及原始打印中黑白像素平衡的区域通常在复制过程中更有可能被更改。因此，优选地生成cdp，使得这些cdp的原始打印具有尽可能多的过渡区域。

64、发明人的另一个观察结果是，通过打印的信息丢失仅部分归因于随机效应，更显著的效应似乎是cdp的确定性变换。对于同一cdp的两次打印来说，这种变换的变化不显著，如图2所示，图2示出了同一数字cdp(其是在hp indigo打印机上以812ppi打印的)的两个不同的打印cdp的两次扫描。可以看出，两幅图像非常相似。出于说明目的，指出了一个小差异，但它基本上突出了两次打印基本是相同的。关键要点是，在打印是一个噪声过程的前提下，cdp可以安全地防止复制的这一假设并不完全正确，因为打印变换大多是确定性的。事实上，打印原始cdp，或从原始cdp的扫描件打印副本，更类似于确定性变换，而不是插入噪声。因此，如现有技术中所做的那样，使用其中打印被描述为噪声过程的打印模型将导致关于应该如何设计cdp以具有抵抗复制的最佳鲁棒性的误导性结论。

65、本发明的一个特征是使用打印过程和复制过程的数学模型，以在cdp生成过程中搜索优化的cdp结构。寻找优化的cdp的过程是用非优化的cdp初始化的，然后将使用下面描述的方法对其进行优化。基于上面的观察和讨论，下面对根据本发明的实施方式的检测性能、生成、打印和复制的建模的示例进行描述。