石紅芹， 王 艷， 余 鷹

(華東交通大學(xué) 軟件學(xué)院，南昌 330013)

基于可逆可見水印的文獻(xiàn)電子文檔版權(quán)系統(tǒng)

石紅芹， 王 艷， 余 鷹

(華東交通大學(xué) 軟件學(xué)院，南昌 330013)

設(shè)計(jì)了一種魯棒性和實(shí)時(shí)性兼具的可逆可見水印算法，以保護(hù)大量館藏珍貴圖書電子文檔的版權(quán)。首先，將電子文檔的掃描圖像作為載體圖像，二值圖片作為水印圖像。在載體圖像上選擇嵌入?yún)^(qū)域，將該區(qū)域進(jìn)行顏色空間轉(zhuǎn)換得Y分量，對(duì)Y分量進(jìn)行2級(jí)非下采樣Contourlet變換，對(duì)得到的高頻子帶和低頻子帶分別按照不同的嵌入強(qiáng)度進(jìn)行水印嵌入，經(jīng)過一系列逆變換得到含水印圖像。其次，使用Rijndael算法完成電子文檔的加解密。最終，系統(tǒng)能為授權(quán)用戶清除水印并提供加密的高清版本下載，用戶在注冊(cè)終端可自動(dòng)解密文檔。有助于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下電子文獻(xiàn)資源的版權(quán)保護(hù)，促進(jìn)館藏?cái)?shù)字信息資源的共享，很好地解決了電子文檔的流通與版權(quán)保護(hù)之間的矛盾。

可逆可見水印； 電子文檔； Rijndael算法； 實(shí)時(shí)性

0 引 言

圖書館、檔案館、博物館中存在著大量書籍的珍本、善本、孤本，將其整理掃描成電子文檔供讀者瀏覽、下載，一方面可以減少這些書籍在流通中人為的破壞;另一方面也有利于文檔的長(zhǎng)期保存。隨著科技的發(fā)展，對(duì)電子文檔的非法復(fù)制、拷貝、傳播行為也越來越普及。鑒于圖書文獻(xiàn)的流通特性[1-2]，在有效區(qū)域內(nèi)加入可見水印，可以防止電子文檔的非授權(quán)使用及傳播;采用可逆可見水印技術(shù)[3-4]，可以確保授權(quán)用戶在移除水印后能無損恢復(fù)電子文檔。朱光等設(shè)計(jì)了一種針對(duì)圖像、音頻、視頻的數(shù)字水印版權(quán)管理系統(tǒng)[5]，通過嵌入水印來加強(qiáng)對(duì)多媒體文件的版權(quán)保護(hù)和盜版追蹤。文獻(xiàn)[6]中通過將QR碼嵌入到載體圖像中，當(dāng)成功掃描QR碼后可解碼其內(nèi)信息用來恢復(fù)出原始圖像。Agarwal等通過尋找最佳嵌入子圖和最佳嵌入強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)可見水印的嵌入[7]。文獻(xiàn)[8]中開發(fā)了一種在一副載體圖像中嵌入多張不同水印圖片的系統(tǒng)。本文根據(jù)圖書館、博物館、檔案館電子文檔的流通特性，開發(fā)了一種既適用于版權(quán)保護(hù)又能讓授權(quán)用戶瀏覽、下載使用的可逆可見水印系統(tǒng)，很好地促進(jìn)了電子文檔的版權(quán)保護(hù)和可靠流通。

1 系統(tǒng)功能需求

本系統(tǒng)以高校圖書館珍貴書籍電子文檔的版權(quán)保護(hù)為例，系統(tǒng)包括用戶模塊、管理員模塊和后臺(tái)服務(wù)器模塊，圖1為系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖，展示了本系統(tǒng)的主要功能。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

(1)后臺(tái)服務(wù)器模塊。后臺(tái)服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子文檔添加可見水印，對(duì)用戶付費(fèi)的文檔加密的功能。圖2為服務(wù)器工作流程圖。

(2)用戶模塊。用戶可以對(duì)館內(nèi)數(shù)字資源進(jìn)行瀏覽、查看各類資源簡(jiǎn)介，注冊(cè)用戶可以試讀，對(duì)電子書籍等資源可以清晰地閱讀前2頁，2頁之后的頁面添加了可見水印，內(nèi)容無法全面清晰地呈現(xiàn)在讀者面前。用戶可以申請(qǐng)購買使用該電子文檔，考慮到現(xiàn)在個(gè)人常常擁有多個(gè)終端，在不同時(shí)間、地點(diǎn)可能會(huì)使用不同終端欣賞數(shù)字產(chǎn)品，用戶在申請(qǐng)購買時(shí)可提供最多3個(gè)注冊(cè)終端(i=1,2,3))，一旦用戶的設(shè)備損壞或者丟失可以申請(qǐng)更改dev_idi信息，考慮到版權(quán)保護(hù)的需求，每個(gè)用戶的更改次數(shù)最多不允許超過2次，用戶收到加密文檔后可以用注冊(cè)設(shè)備id解密數(shù)據(jù)，圖3為用戶模塊功能流程圖。

圖2 服務(wù)器工作流程圖

圖3 用戶模塊功能流程圖

(3)管理員模塊。管理員要對(duì)館內(nèi)數(shù)字資源進(jìn)行分類整理，審核用戶注冊(cè)信息，對(duì)會(huì)員及臨時(shí)付費(fèi)用戶信息管理，對(duì)用戶提交的dev_id信息進(jìn)行存儲(chǔ)，一旦用戶申請(qǐng)下載，要核對(duì)所提交的dev_idi是否為事先存儲(chǔ)的信息，不一致則拒絕下載，如果用戶申請(qǐng)更改備注dev_idi，核對(duì)信息無誤后可修改數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的用戶dev_idi信息，將被更改終端id寫入黑名單，不允許再用此id下載資源。

2 相關(guān)研究

2.1 NSCT變換

NSCT變換(Nonsubsampled Contourlet Transform)即非下采樣Contourlet變換[9-10]。NSCT變換的過程是:首先通過非抽樣金字塔濾波器NSP分解，將輸入圖像分解為低頻子帶和高頻子帶，然后用非抽樣方向?yàn)V波器組NSDFB將高頻子帶分解為多方向子帶，對(duì)每一層低頻子帶重復(fù)上述操作，就可得到圖像的多尺度、多方向分解。NSCT圖像分解得到的所有子帶的尺寸與原始圖像尺寸相同。圖4給出了NSCT變換的分解結(jié)構(gòu)示意圖。在NSCT分解的各子帶中，低頻子帶主要集中了宿主圖像的大部分能量，而高頻子帶包含了原始圖像的紋理和邊緣信息，文中選擇將水印圖像按照不同的調(diào)制系數(shù)分別嵌入到高頻和低頻子帶中。

圖4 NSCT變換

2.2 水印圖像的嵌入

對(duì)珍貴圖書資料的電子掃描文件可理解為以電子圖書的格式保存，圖書的每一頁為一張電子圖像，可作為嵌入水印的載體圖像，記為O；二值水印圖像為W。水印的嵌入位置為載體主對(duì)角線上隨機(jī)選擇的坐標(biāo)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)輸入：電子掃描文檔O，大小為p×p的水印圖像W。

數(shù)據(jù)輸出：含水印圖像Ow。

2.2.1 彩色圖像的水印嵌入

步驟1：將電子掃描文件每張作為一副彩色圖像記為載體O，大小為m×n。

步驟2：隨機(jī)在載體的主對(duì)角線上選擇嵌入點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)，且滿足(x+p≤m)&(y+p≤n)，從點(diǎn)(x,y)開始獲取p×p的載體子圖像作為水印嵌入?yún)^(qū)域記為I。

步驟3：將I由RGB空間轉(zhuǎn)換為YUV空間:

YUV= 0.299 0.587 0.114-0.148-0.289 0.437 0.615-0.515-0.100é?êêêêù?úúúúRGBé?êêêêù?úúúú

(1)

分別對(duì)載體子圖I的Y分量YI和水印圖像W作二層NSCT變換各獲得低頻子帶、二層4方向子帶和一層8方向子帶。

步驟4：將水印圖像的低頻、高頻子帶按下式一一對(duì)應(yīng)嵌入到Y(jié)I的相應(yīng)子帶中,

YIW=αYI+βW

(2)

式中:YIW為載體子圖I的嵌入水印后的Y分量頻域子帶;α、β為水印嵌入的調(diào)制系數(shù)?？紤]到載體圖像NSCT分解的主要能量都集中在低頻子帶中，為了減少對(duì)載體的干擾，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證α的取值在(0.9，0.98)、β的取值在(0，0.1)范圍內(nèi)時(shí)，效果較好；而高頻子帶(二層4方向子帶和一層8方向子帶)中包含了原始圖像的紋理和邊緣信息，高頻子帶的調(diào)制系數(shù)由載體子圖像I的Y分量和水印圖像W相應(yīng)的高頻系數(shù)的噪聲可見函數(shù)確定[11]:

(3)

式中:nvf1指載體圖像的噪聲可見性函數(shù)的取值;nvf2是水印圖像的噪聲可見性函數(shù)的取值。

步驟5：將得到的各疊加子帶進(jìn)行逆NSCT變換，得到含水印子圖亮度分量Y′，用Y′替換Y進(jìn)行顏色空間轉(zhuǎn)換，將含水印載體子圖I′由YUV空間轉(zhuǎn)換到RGB空間后替換原始載體子圖I，得到含水印圖像Ow，重復(fù)步驟1～5，依次為電子文檔的每頁添加可見水印。

2.2.2 灰度圖像的水印嵌入

步驟1：若載體圖像為灰度圖像，則嵌入子圖I也為灰度圖像。分別對(duì)嵌入子圖I和水印圖像W作二層NSCT變換各獲得低頻子帶、二層4方向子帶和一層8方向子帶。

步驟2：將水印圖像的低頻、高頻子帶按式(2)一一對(duì)應(yīng)嵌入到I的相應(yīng)子帶中。水印嵌入的調(diào)制系數(shù)α、β取值與2.2.1節(jié)中彩色圖像低頻、高頻子帶的調(diào)制系數(shù)取值一致。

步驟3：將得到的各疊加子帶進(jìn)行逆NSCT變換得到含水印子圖I′，用I′替換載體圖像O中的I子圖，得到含水印圖像Ow。

重復(fù)步驟1～3，依次為電子文檔的每頁添加可見水印。

水印去除為水印嵌入的逆過程，這里不再贅述。

2.3 Rijndael加密算法

本系統(tǒng)中，一旦會(huì)員或者付費(fèi)用戶要求下載電子文檔時(shí)，后臺(tái)服務(wù)器需從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用電子文檔傳輸給用戶。而明文傳輸?shù)奈募型竞芸赡鼙粩r截，后臺(tái)服務(wù)器負(fù)責(zé)把文件加密后傳輸給用戶，用戶解密后才能使用該文件，本系統(tǒng)中文件采用Rijndael算法進(jìn)行加解密[12-13]。

Rijndael算法主要包括輪變化、圈數(shù)和密鑰擴(kuò)展3個(gè)方面[14]。Rijndael算法是分組密鑰，用Nr表示對(duì)1個(gè)數(shù)據(jù)分組加密的輪數(shù)，算法的輪數(shù)依賴于密鑰的大小和分組的大小，由下式計(jì)算輪數(shù)Nr的值:

Nr=(密鑰長(zhǎng)度(位))/32+6=Nk+6

(4)

式中，Nk表示密鑰所含的數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)，若密鑰長(zhǎng)度為256位，則輪數(shù)Nr=256/32+6=14次。

設(shè)電子文檔的一頁可以作為一副圖像，可用矩陣表示為(aij)m×n，圖像的大小為m×n個(gè)像素，aij表示圖像在第i行第j列的像素值。

本系統(tǒng)的密鑰包括：256位數(shù)據(jù)加密密鑰cipher key，輪密鑰round key，用來對(duì)用戶申請(qǐng)下載的電子文檔進(jìn)行加解密。電子文檔的加密代碼如下：

Encryption(State,CipherKey)

{ KeyExpansion(CipherKey, RoundKey)

AddRoundKey(State, RoundKey)//第0輪只做

AddRoundKey

For(i=1;i

Round(State, RoundKey)

{ByteSub(State);

ShiftRow(State);

MixColumn(State);

AddRoundKey(State, RoundKey)}

FinalRound(State, RoundKey)//最后一輪不做 mixcolumn

{ ByteSub(State);

ShiftRow(State);

AddRoundKey(State, RoundKey)；}

}

解密是加密的逆過程，本文設(shè)計(jì)了專門的客戶端軟件來對(duì)加密的文件進(jìn)行解密。客戶端軟件采用雙緩沖機(jī)制，文件加解密以圖片為單位，一般5張圖片為一組，一個(gè)空閑緩沖區(qū)可存放一組圖片，另一個(gè)固定大小的緩沖區(qū)抽取解密后的圖片文件進(jìn)行閱讀。當(dāng)需要使用下一組圖片時(shí)，用后一組的內(nèi)容覆蓋前一組的內(nèi)容。由于緩沖區(qū)采用了安全存儲(chǔ)機(jī)制，用戶無法得到緩沖區(qū)中解密后的圖片內(nèi)容，從而保護(hù)了數(shù)字文檔的版權(quán)。

2.4 權(quán)利證書

服務(wù)器為用戶生成基于XML的權(quán)利證書，證書直接與會(huì)員或者付費(fèi)用戶的注冊(cè)設(shè)備唯一識(shí)別碼dev_id綁定，證書發(fā)放時(shí)產(chǎn)生一條發(fā)放記錄存儲(chǔ)于服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫中；用戶有下載需求時(shí)，先選擇一個(gè)已注冊(cè)設(shè)備用于承載該權(quán)利證書和加密文檔，該權(quán)利證書在生成過程中將與選中的設(shè)備唯一綁定。用戶在客戶端欲使用電子文檔時(shí)，只有被選中設(shè)備的dev_id與權(quán)利證書一致時(shí)，才能成功解密。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試中用512×512的數(shù)字圖像作為測(cè)試用圖，256×256的二值圖像作為水印圖像。圖5所示為系統(tǒng)后臺(tái)處理子系統(tǒng)界面截圖。圖6、圖7分別為系統(tǒng)中示例所用水印圖像和載體圖像。

3.1 水印可逆性

為了客觀地驗(yàn)證本算法的性能，引入峰值信噪比PSNR，用來客觀反映圖像視覺特性的指標(biāo)，嵌入水印的圖像可以用PSNR驗(yàn)證水印的不可見性，PSNR的值越大說明算法的魯棒性越好[15]。

圖5 后臺(tái)處理系統(tǒng)

圖6 水印圖像

圖7 載體圖像(PSNR=49.662 0)

3.2 水印魯棒性

取6幅不同的電子文檔，圖片1～6根據(jù)本文算法嵌入水印，在沒有正確密鑰的情況下，去除水印，嵌入可見水印后的圖像與去除水印的恢復(fù)圖像，其峰值信噪比如表1所示。

表1 無密鑰恢復(fù)圖像質(zhì)量對(duì)比數(shù)值

由表1數(shù)據(jù)可知，在沒有正確密鑰的情況下，恢復(fù)圖像的PSNR值與含水印圖像數(shù)值相差不大，本文算法表現(xiàn)出了較好的魯棒性。

圖8、9分別為含水印載體圖像及去除水印后恢復(fù)載體圖像及其對(duì)應(yīng)的PSNR值。

圖8 含水印載體圖像(PSNR=20.517 4)

圖9 恢復(fù)圖像(PSNR=48.998 1)

3.3 實(shí)時(shí)性評(píng)估

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，版權(quán)管理系統(tǒng)需要對(duì)電子文檔添加水印供前臺(tái)展示，需對(duì)用戶提交了下載申請(qǐng)的文件從數(shù)據(jù)庫提取后加密傳輸給用戶終端，對(duì)所有這些操作要進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，系統(tǒng)應(yīng)具有較短的響應(yīng)時(shí)間。對(duì)數(shù)字圖像嵌入水印所需的時(shí)間進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10所示。評(píng)估結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高的計(jì)算效率，可以達(dá)到實(shí)時(shí)處理的目的。

圖10 水印添加實(shí)時(shí)性評(píng)估圖

4 結(jié) 語

可逆可見水印技術(shù)在數(shù)字圖像版權(quán)保護(hù)和質(zhì)量敏感圖像隱私保護(hù)中發(fā)揮著越來越重要的作用，本文提出了一種基于可逆可見水印技術(shù)的電子文檔保護(hù)算法。設(shè)計(jì)了電子文檔版權(quán)管理系統(tǒng)，有效地保護(hù)了圖書館、檔案館、博物館電子媒體資源的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，促進(jìn)了信息資源的合理流通。在系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用中，基本能夠滿足用戶和版權(quán)單位對(duì)多媒體資源版權(quán)保護(hù)的需求，具有良好的可靠性、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

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Copyright Protection System for Electronic Documents of Resource Based on Reversible and Visible Watermarking

SHI Hongqin, WANG Yan， YU Ying

(School of Software, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

A reversible and visible watermarking algorithm which has superior performance on robustness and real-time is designed to protect the copyright of electronic scanning for libraries, museums. Firstly, every original image is one page of electronic picture and binary image is made as watermark. The chosen embedding areas of original image are made color space conversion to getYcomponent, which is applying NSCT with two levels on them to get low and high frequency sub-bands. Each frequency sub-bands of watermark image is embedded into the corresponded low and high sub-bands of selected area of original image with different adjustment coefficients. Then, Rijndael algorithm is used to encrypt and decrypt in document pictures. The system can remove the visible watermark from watermarked document image for only the authorized user, so that user can download the encrypted one and decrypt it on the register terminal. The study is helpful to the protection of electric scanning for libraries, museums.

reversible and visible watermarking; electronic documents; Rijndael algorithm; real-time

2016-12-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61365008，61563016);教育部人文社科基金項(xiàng)目(15YJA860013);江西省科技廳工業(yè)支撐項(xiàng)目(20161BBE50092)；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20151BAB217011)

石紅芹(1970-) ，女，河北滄人，副教授，研究方向：數(shù)字水印，信息安全。

Tel.:18970841977； E-mail：87735907@qq.com

TN 911.73

A

1006-7167(2017)08-0014-05