陳 翔

(長沙師范學(xué)校教育技術(shù)中心，湖南 長沙 410100)

用于文本認(rèn)證的脆弱水印研究綜述*

陳 翔

(長沙師范學(xué)校教育技術(shù)中心，湖南 長沙 410100)

用于文本認(rèn)證的數(shù)字水印技術(shù)是數(shù)字水印核心技術(shù)之一.首先總結(jié)了當(dāng)前用于認(rèn)證的文本水印技術(shù)的分類、基本特征以及文本認(rèn)證系統(tǒng)模型，然后分析了脆弱文本水印的算法和研究現(xiàn)狀，最后指出用于文本認(rèn)證的數(shù)字水印技術(shù)未來發(fā)展的方向.

數(shù)字水印;文本認(rèn)證;脆弱文本水印;篡改檢測

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字文本信息在計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的應(yīng)用達(dá)到前所未有的深度.具有特殊含義的數(shù)字文本信息，如果遭到惡意攻擊，很可能造成不良的社會影響或較大經(jīng)濟(jì)損失.然而，傳統(tǒng)密碼學(xué)理論的加解密系統(tǒng)在解決數(shù)字文本信息安全問題中受到質(zhì)疑.因此，對數(shù)字文本內(nèi)容的真實(shí)性、完整性實(shí)施有效認(rèn)證已成為一個嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)問題.數(shù)字水印就是在這樣的背景下提出，開始在數(shù)字作品的保護(hù)、票據(jù)防偽、內(nèi)容認(rèn)證、拷貝控制等方面發(fā)揮著重要作用［1］.用于文本認(rèn)證水印是在不影響數(shù)字文本原始信息質(zhì)量的前提下將與媒體內(nèi)容提要相關(guān)或不相關(guān)的標(biāo)志信息作為水印直接嵌入數(shù)字文本內(nèi)容中，當(dāng)數(shù)字文本內(nèi)容需要認(rèn)證時，根據(jù)提取的水印信息來判斷其是否真實(shí)完整［2，3］.

本文首先對用于文本認(rèn)證系統(tǒng)的分類及基本特征進(jìn)行了敘述，然后對文本認(rèn)證系統(tǒng)模型進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，對脆弱水印技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了討論.最后展望了用于文本水印認(rèn)證技術(shù)未來的發(fā)展方向.

1 文本認(rèn)證系統(tǒng)分類

用于文本認(rèn)證的數(shù)字水印的分類按其性質(zhì)可分為魯棒文本水印和脆弱/半脆弱文本水印，魯棒水印用于數(shù)字文本的版權(quán)保護(hù);脆弱/半脆弱水印用于數(shù)字文本的內(nèi)容認(rèn)證［4，5］.根據(jù)文本認(rèn)證目的也可以分為非惡意篡改和惡意篡改.而文本認(rèn)證系統(tǒng)的主要目的是實(shí)現(xiàn)對惡意篡改的檢測，因此可以把現(xiàn)有的文本認(rèn)證系統(tǒng)主要分為如下二類∶(1)完全級認(rèn)證.注重數(shù)字文本數(shù)據(jù)的整體性，水印隨載體作品形式或內(nèi)容改變而改變，它是基于用戶的需要，用于判斷其獲得的數(shù)字作品的完整性，包括作品的來源是否合法有效以及內(nèi)容是否被篡改等，通常采用脆弱水印來實(shí)現(xiàn)［6］.(2)選擇級認(rèn)證.注重保護(hù)數(shù)字文本內(nèi)容傳遞的信息，而不是數(shù)字文本內(nèi)容的具體表示形式［7］.檢測時被認(rèn)可接受的改動，通常使用半脆弱水印技術(shù)實(shí)現(xiàn).這類水印能夠容忍一定程度的信號處理失真，又具備較強(qiáng)的敏感性，能夠判斷載體產(chǎn)品是否被惡意篡改和篡改的程度，并進(jìn)行定位.

2 脆弱文本水印特征及認(rèn)證模型

2.1 脆弱文本水印特征

脆弱文本水印也具有數(shù)字水印的一些通用特性，例如不可感知性、水印的安全性、一定程度的魯棒性.同時也具有以下一些特殊的基本特征.

(1)檢測篡改.可靠地檢測篡改是脆弱性水印基本功能之一，最理想的算法是能夠計算修改的位置和破壞量，甚至能夠分析篡改的類型，并且對被篡改的內(nèi)容進(jìn)行有效恢復(fù);(2)盲檢測性.水印提取不需要原始載體數(shù)字文本.在一些特定應(yīng)用或特殊場合中，并無可利用的原始數(shù)字文本，嵌入后的數(shù)字文本提取水印時正好不需要原始文本;(3)脆弱性.用于數(shù)字文本的內(nèi)容篡改鑒別時，需要滿足在一定魯棒性下的脆弱，在一些特殊場合中，水印能抵抗非惡意篡改，并且能檢測出惡意篡改;(4)隱蔽性.脆弱文本水印也屬于不可見水印，嵌入水印后的數(shù)字文本，人眼無法感知;(5)安全性.如果密鑰未知，即使水印算法已知，作品中的水印不可能被檢測出，即便部分密鑰被篡改者得知也不可能在保持完好水印作品的前提下成功去除水印.

2.2 脆弱文本水印認(rèn)證模型

用于文本認(rèn)證的脆弱水印，其主要認(rèn)證模型如圖1和圖2所示，其中普通文本就是我們需要嵌入水印和需要保護(hù)的文本，并且文本僅限于文本文檔，即不包含視頻、圖像、聲音的數(shù)字文檔.文本特征則主要指文本的內(nèi)部特征，或者其它外延特征.特征與密鑰的結(jié)合通常需要加密運(yùn)算，所以，結(jié)合的通常方法為密鑰與文本特征的邏輯運(yùn)算.

圖1 脆弱文本水印嵌入與檢測模型

3 脆弱文本水印算法和研究現(xiàn)狀

3.1 基于二值圖像的文本脆弱水印算法

基于二值圖像的文本脆弱水印通常有三個代表算法［8，9］.Zhao和 Koch提出設(shè)“1”表示黑像素，“0”表示白像素，P(b)為8×8圖像塊 b中黑像素的比例，即 P(b)=N(b)/64，等式中N(b)是黑像素的個數(shù).該算法可以調(diào)整它的魯棒性，可以抵抗通常的圖象處理引起的破壞.但是它嵌入容量小，視覺隱蔽性差.當(dāng)圖像塊中黑像素所占百分比太高或是太低時，該塊就無法嵌入信息.Lu提出在變換域嵌入水印時，先將二值圖像經(jīng)模糊預(yù)處理轉(zhuǎn)換為灰度圖像，然后對灰度圖像進(jìn)行DCT變換，通過修改灰度圖像的DC系數(shù)來嵌入水印.該算法對局部噪聲具有一定的魯棒性，但提取水印時需原始圖像，應(yīng)用受到限制.Min Wu提出水印的嵌入和提取是根據(jù)在每塊圖像塊中的黑像素個數(shù)的奇偶性來確定，若黑像素數(shù)為某個數(shù)的奇數(shù)倍，則認(rèn)為嵌入了1，若為偶數(shù)倍，則認(rèn)為嵌入了0.該算法基于人眼的視覺模型，置亂操作提高嵌入容量，算法視覺隱蔽性好，實(shí)現(xiàn)盲檢測，魯棒性差.

3.2 基于同義詞替換的文本脆弱水印算法

該算法源于信息隱藏技術(shù).Bender［10，11］提出了對文本中特定的單詞進(jìn)行同義詞替換的方法.將一組同義詞編為不同的隱藏代碼，在文本中根據(jù)水印信息將原有的詞匯進(jìn)行的同義詞替換，使得這些同義詞對應(yīng)的隱藏編碼與水印信息匹配，實(shí)現(xiàn)文本水印的嵌入.水印容量與文本中同義詞詞組出現(xiàn)的頻率一致.該方法也同樣適用于中文.這種方法魯棒性較好，不依賴于特定的文本格式.但是，這種該方法要求原始文本不可任意，而且在提取和檢測水印時需要同義詞替換表作為參考.

3.3 基于格式文檔的文本脆弱水印算法

該算法的思想是基于人眼視覺誤差范圍內(nèi)微調(diào)文本的格式來嵌入水印.Brassil和Maxemchuk等人提出三種方法∶行(字)間距編碼、特征編碼［12，13］.孫星明等人又把這一算法應(yīng)用到 WORD文本中［14－16］，并擴(kuò)展其它特征編碼.在此基礎(chǔ)上有人提出了基于正弦波的字間平均間距文本數(shù)字水印算法、基于云模型的文本數(shù)字水印算法、基于字符間距寬度序列編碼的文本數(shù)字水印算法.這類算法由于完全依賴于文本格式，抗攻擊性不強(qiáng)，魯棒性較差.但是，這類算法不修改水印文本的內(nèi)容，復(fù)制后的文檔依然能檢測水印.

3.4 基于特殊格式的文本脆弱水印算法

HTML網(wǎng)頁也是一種文本，但它有著與普通文本文件不同的特點(diǎn)，可以利用這些特點(diǎn)嵌入文本水印.WbStego、Steganos等軟件將水印信息加密后再嵌入［17－19］，每個字節(jié)的“0”和“1”分別用0x20和0x09表示，然后將這樣的8個字節(jié)嵌入到HTML文件中每一行的行尾，而且嵌入文件的名稱、大小、屬性等.這種方法不會給用戶帶來任何視覺上的影響，但與此同時，惡意攻擊者可以直接用文本編輯器打開網(wǎng)頁查找與修改信息，水印的抗攻擊性能很弱.RTF格式是一類ASCII碼形式的文件，鄒昕光［20］等人提出RTF格式的文本中嵌入一些控制字段，使得在文本閱讀器中不顯示嵌入的控制字段，但RTF格式進(jìn)行另存或拷貝時，嵌入的字段不被丟失.嵌入文本的水印，可以對文本進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn).

4 展望

用于文本認(rèn)證的脆弱水印技術(shù)作為數(shù)字水印技術(shù)的核心技術(shù)之一，目前尚有許多問題有待進(jìn)一步深入地研究，未來的文本認(rèn)證水印技術(shù)在如下幾個方面需要深入地展開∶

(1)脆弱文本水印信息的理論問題.對水印信息與人的眼生理特性之間的精確數(shù)學(xué)關(guān)系還未能找出合適的方法.在水印嵌入與數(shù)據(jù)加密的合成技術(shù)中，數(shù)據(jù)安全與水印容量的關(guān)系的復(fù)雜度未進(jìn)行規(guī)范，這也是一個有待研究的問題.只有水印信息加密復(fù)雜度達(dá)到一定程度，才能在提取后進(jìn)行有說服力的版權(quán)辨別.

(2)脆弱文本數(shù)字水印標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的研究問題.現(xiàn)在脆弱文本數(shù)字水印的研究缺乏一個統(tǒng)一的檢測標(biāo)準(zhǔn)，難以做一個客觀的比較.以致對于抗攻擊能力等性能不能做定量分析和比較，從而使理論與實(shí)際應(yīng)用有相當(dāng)程度的脫節(jié).所以，尋找一套脆弱文本數(shù)字水印的定量評價標(biāo)準(zhǔn)將會有效地加速理論向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化.

(3)脆弱文本數(shù)字水印新思路的研究問題.現(xiàn)在水印信息主要在視覺敏感部位和冗余位置上加載，如果要突破的話，還是得發(fā)掘新的思路，促使脆弱文本數(shù)字水印技術(shù)走向更高層次的發(fā)展階段.

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(責(zé)任編校:晴川)

TP391

A

1008－4681(2011)05－0035－02

2011－07－02;

2011－07－22

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(批準(zhǔn)號∶09C123);長沙師范科研基金(批準(zhǔn)號∶KYYB201007)資助項(xiàng)目.

陳翔(1980－)，男，湖南 長沙 人，長沙師范學(xué)校教育技術(shù)中心實(shí)驗(yàn)師，碩士.研究方向∶信息與網(wǎng)絡(luò)安全.