周長(zhǎng)英

（唐山學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，河北 唐山063000）

如何既充分利用因特網(wǎng)提供的便利條件，又能有效地保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，已受到人們的高度重視。特別是電子政務(wù)的廣泛應(yīng)用以來(lái)，數(shù)字產(chǎn)品的安全問(wèn)題日益突出。因此，在電子政務(wù)的建設(shè)中，除了必要的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)以外,還必須加強(qiáng)對(duì)數(shù)字產(chǎn)品的安全保護(hù)問(wèn)題的研究。在多媒體中加入數(shù)字水印可以確立版權(quán)所有者、認(rèn)證多媒體來(lái)源的真實(shí)性、識(shí)別購(gòu)買(mǎi)者、提供關(guān)于數(shù)字內(nèi)容的其它附加信息、確認(rèn)所有權(quán)認(rèn)證和跟蹤侵權(quán)行為。目前也正成為信息領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1]。

1 數(shù)字水印技術(shù)

數(shù)字水印 (Digital Watermarking)技術(shù)是Caronni于1993年正式提出的，是現(xiàn)代信息隱藏技術(shù)的一個(gè)重要分支，是指利用多媒體數(shù)字作品中普遍存在的冗余數(shù)據(jù)與隨機(jī)性，把可鑒別的數(shù)字信息嵌入在數(shù)字作品本身中，而且并不影響這些宿主數(shù)據(jù)的可用性的一項(xiàng)技術(shù)。宿主數(shù)據(jù)加上數(shù)字水印之后，水印信息是不可見(jiàn)的，非法攔截者不容易發(fā)現(xiàn)水印，從而無(wú)法篡改或者刪除水印，而且即使水印被發(fā)現(xiàn)，對(duì)水印信息的任何修改也會(huì)被完全識(shí)別出來(lái)，因此可以起到保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)和信息安全的作用。理想的數(shù)字水印方案應(yīng)該是只有版權(quán)所有者才可以對(duì)其數(shù)字作品加載水印，但任何人都可以對(duì)其驗(yàn)證的水印方案。

1.1 基本特征

1.1.1 安全性:數(shù)字水印的信息應(yīng)是安全的，難以篡改或偽造，同時(shí)，應(yīng)當(dāng)有較低的誤檢測(cè)率，當(dāng)原內(nèi)容發(fā)生變化時(shí)，數(shù)字水印應(yīng)當(dāng)發(fā)生變化，從而可以檢測(cè)原始數(shù)據(jù)的變更；當(dāng)然數(shù)字水印同樣對(duì)重復(fù)添加有較強(qiáng)的抵抗性。

1.1.2 隱蔽性:數(shù)字作品作為水印的載體，在嵌入水印后，不能產(chǎn)生明顯的質(zhì)量降低，即原始作品同嵌入水印版本應(yīng)具有較高的逼真度。

1.1.3 魯棒性:是指在經(jīng)歷多種無(wú)意或有意的信號(hào)處理過(guò)程后，數(shù)字水印仍能保持部分完整性并能被準(zhǔn)確鑒別?？赡艿男盘?hào)處理過(guò)程包括信道噪聲、濾波、數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換、重采樣、剪切、位移、尺度變化以及有損壓縮編碼等。主要用于版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印易損水?。‵ragile Watermarking），主要用于完整性保護(hù)，這種水印同樣是在內(nèi)容數(shù)據(jù)中嵌入不可見(jiàn)的信息。當(dāng)內(nèi)容發(fā)生改變時(shí)，這些水印信息會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，從而可以鑒定原始數(shù)據(jù)是否被篡改。

1.1.4 水印容量:嵌入的水印信息必須足以表示多媒體內(nèi)容的創(chuàng)建者或所有者的標(biāo)志信息，或購(gòu)買(mǎi)者的序列號(hào)，這樣有利于解決版權(quán)糾紛，保護(hù)數(shù)字產(chǎn)權(quán)合法擁有者的利益。尤其是隱蔽通信領(lǐng)域的特殊性，對(duì)水印的容量需求很大。

1.2 分類(lèi)

數(shù)字水印根據(jù)隱藏位置、水印特征、附載媒體、水印用途、檢測(cè)過(guò)程、水印內(nèi)容等分類(lèi)有多種。

（1）按特性劃分:魯棒數(shù)字水印和脆弱數(shù)字水印。（2）按水印所附載的媒體劃分:圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等。（3）按檢測(cè)過(guò)程劃分:明文水印和盲水印。（4）按內(nèi)容劃分:有意義水印和無(wú)意義水印。（5）按用途劃分:票據(jù)防偽水印、版權(quán)保護(hù)水印、篡改提示水印和隱蔽標(biāo)識(shí)水印。（6）按水印隱藏的位置劃分:時(shí)(空)域數(shù)字水印、頻域數(shù)字水印、時(shí)/頻域數(shù)字水印和時(shí)間/尺度域數(shù)字水印?？沼蚍椒ㄊ峭ㄟ^(guò)修改亮度分量的強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)；頻域方法通過(guò)修改圖像的頻域系數(shù)實(shí)現(xiàn)。空域加入的水印在攻擊面前是十分脆弱。

1.3 應(yīng)用領(lǐng)域

數(shù)字水印主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面[2-4]:

1.3.1 版權(quán)保護(hù)

數(shù)字作品的所有者可用密鑰產(chǎn)生水印，并將其嵌入原始數(shù)據(jù)，然后公開(kāi)發(fā)布其水印版本作品。當(dāng)該作品被盜版或出現(xiàn)版權(quán)糾紛時(shí)，所有者即可從被盜版作品中獲取水印信號(hào)作為依據(jù),從而保護(hù)其合法權(quán)益。

1.3.2 數(shù)字指紋

為避免數(shù)字作品未經(jīng)授權(quán)被拷貝和發(fā)行，版權(quán)所有人可以向分發(fā)給不同用戶的作品中嵌入不同的水印以標(biāo)識(shí)用戶的信息。該水印可根據(jù)用戶的序號(hào)和相關(guān)的信息生成，一旦發(fā)現(xiàn)未經(jīng)授權(quán)的拷貝，就可以根據(jù)此拷貝所恢復(fù)出的指紋來(lái)確定它的來(lái)源。

1.3.3 認(rèn)證和完整性校驗(yàn)

通常采用脆弱水印對(duì)插入了水印的數(shù)字內(nèi)容進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，須用惟一的與數(shù)據(jù)內(nèi)容相關(guān)的密鑰提取出水印，然后通過(guò)檢驗(yàn)提取出的水印完整性來(lái)檢驗(yàn)數(shù)字內(nèi)容的完整性。其優(yōu)點(diǎn)在于認(rèn)證同內(nèi)容密不可分，因此簡(jiǎn)化了處理過(guò)程。

1.3.4 訪問(wèn)控制

利用數(shù)字水印技術(shù)可以將訪問(wèn)控制信息嵌入到媒體中，在使用媒體之前通過(guò)檢測(cè)嵌入到其中的訪問(wèn)控制信息，以達(dá)到訪問(wèn)控制的目的,它要求水印具有很高的魯棒性。

2 數(shù)字水印在電子政務(wù)中的應(yīng)用方案

在電子政務(wù)內(nèi)網(wǎng)中，為保護(hù)重要的電子文檔(如使用word文檔的紅頭文件)，可以嵌入安全魯棒的水印已經(jīng)文件的摘要內(nèi)容作為文檔密級(jí)標(biāo)識(shí)信息。同時(shí),在文檔分發(fā)的時(shí)候在所使用的電子印章中嵌入與用戶相關(guān)的水印信息，把該電子文檔的副本與特定用戶聯(lián)系起來(lái)，這種技術(shù)手段將確保終端用戶對(duì)得到的解密之后的秘密文檔副本負(fù)全責(zé)，從而達(dá)到保密的的作用。整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程最關(guān)鍵的部分是數(shù)字水印的嵌入和數(shù)字水印的提取。

2.1 數(shù)字水印的嵌入

數(shù)字水印嵌入的一般過(guò)程就是把水印w經(jīng)過(guò)水印嵌入算法，嵌入到原始載體x中，生成含有水印的數(shù)字產(chǎn)品。有時(shí)候，為了提高安全性，在嵌入算法中包含嵌入密鑰K。嵌入過(guò)程可定義為:

如圖1所示。

圖1 水印的嵌入過(guò)程

本方案使用的編程軟件是Matlab7.0，作為載體的原始JPG圖像為一幅 256×256的yinzhang.jpg灰度圖像，需嵌入的水印圖像為32×32的tsxy.tif二值圖像。為保證印章的魯棒性，需要先對(duì)嵌入的水印進(jìn)行二值化處理，之后作置亂，二值化的目的是對(duì)水印圖像進(jìn)行異或加密，因?yàn)閳D像的二值化處理就是將圖像上的點(diǎn)的灰度置為0或255，也就是將整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果，即將256個(gè)亮度等級(jí)的灰度圖像通過(guò)適當(dāng)?shù)拈y值選取而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的二值化圖像。取加載圖像每個(gè)DCT變換塊的大小為8×8，在載體圖像中嵌入水印信息，方法是將較小的的那個(gè)值減去一個(gè)閾值alpha，使較小的值更小，這樣這兩個(gè)位置差異值將大于alpha。Alpha的值的大小決定了嵌入水印的強(qiáng)度。Alpha值過(guò)大，嵌入后的圖像會(huì)明顯降質(zhì)；alpha值過(guò)小，水印的穩(wěn)健性降低。另外，為了兼顧水印的不可見(jiàn)性和穩(wěn)健性，通常將水印嵌入到DCT系數(shù)的中頻段，宜選擇（5，2）和（4，3）這一對(duì)系數(shù)。

2.2 數(shù)字水印的提取

水印的提取過(guò)程是最為重要的步驟，其過(guò)程可描述為:對(duì)含有水印的數(shù)字產(chǎn)品i作水印提取運(yùn)算。根據(jù)具體算法決定是否需要原始載體x以及是否需要密鑰K，提取出水印w'?？杀硎緸?如圖2所示

圖2 水印的提取過(guò)程

在文件接收方，應(yīng)該有能夠檢測(cè)并提取數(shù)字水印的軟件，在接收到文件后，通過(guò)提取水印的算法能夠識(shí)別出接收到的文件是否被更改過(guò)，是否是真實(shí)的文件。

3 結(jié)論

本文介紹了數(shù)字水印技術(shù)的基本特征、分類(lèi)和應(yīng)用領(lǐng)域，提出了數(shù)字水印技術(shù)在電子政務(wù)安全領(lǐng)域中的應(yīng)用方案。隨著電子政務(wù)建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)字信息在網(wǎng)絡(luò)上存儲(chǔ)和發(fā)布也會(huì)越來(lái)越普遍，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)字信息的安全問(wèn)題也會(huì)受到越來(lái)越多的重視，數(shù)字水印技術(shù)仍將是人們?yōu)榻鉀Q這一難題而進(jìn)行研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

[1]謝文平，曾志文.數(shù)字水印技術(shù)及其在電子政務(wù)信息安全中的應(yīng)用[J].邵陽(yáng)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，4（4）:23～26

[2]張立各，楊義先，鈕心忻等.軟件水印綜述[J].軟件學(xué)報(bào)，2003，14(2):268～277.

[3]向德生，楊格蘭，熊岳山.數(shù)字水印技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2005，6(2):326-328.

[4]尹浩，林闖，邱鋒等.數(shù)字水印技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2005，42(7):1092-1099.