張蕊怡，袁 嵩

（武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430065）

0 引言

在當(dāng)前高速發(fā)展的信息化時(shí)代，電子文件形式的資料已經(jīng)成為眾多公司或者企業(yè)發(fā)展不可或缺的一部分。并且這一部分電子資料作為公司生存發(fā)展的關(guān)鍵所在，一旦泄露甚至擴(kuò)散往往會(huì)給公司帶來(lái)較大甚至難以衡量的損失，因此，內(nèi)部電子文件資料的安全性問(wèn)題被眾多公司或者企業(yè)投以大量關(guān)注。

傳統(tǒng)方法的核心思想是：借助明水印技術(shù)，給用戶所查看的資料附上標(biāo)明用戶賬戶、簽名、IP 地址、日期等信息的明水印，一旦發(fā)生資料泄露等惡性事件時(shí)，這些明水印便可以用于解決版權(quán)糾紛問(wèn)題，并同時(shí)追溯尋找資料泄露的源頭。但是該方法明顯會(huì)過(guò)度干擾用戶的視覺(jué)體驗(yàn)，而暗水印技術(shù)秉持著盡最大可能不破壞原數(shù)據(jù)欣賞、使用價(jià)值原則［1］，恰好有效地避免了這一點(diǎn)。

但在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，如何根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景研發(fā)出更具針對(duì)性和實(shí)用性的系統(tǒng)是一個(gè)較為關(guān)鍵的問(wèn)題。

1 需求分析

首先，在實(shí)際公司應(yīng)用中，常見(jiàn)情形中的泄露渠道是員工散播了含有公司內(nèi)部文件的截圖。因而想要溯源到最初泄露資料的源頭，就需要在水印中帶有諸如員工ID、IP 地址、操作時(shí)間等與員工個(gè)人或操作相關(guān)的信息。但由于水印可攜帶的信息往往有限，故而實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)對(duì)此需要進(jìn)行一定的取舍和處理。

其次，在實(shí)際傳播的過(guò)程中有很大可能會(huì)出現(xiàn)對(duì)原圖片進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)、裁剪和涂抹攻擊的情況，原本嵌入圖像中的水印會(huì)隨著圖像信息的損失一并受損。而隨著圖片受損程度的提高，便越加難以提取水印中的有效信息，最終失去解決版權(quán)問(wèn)題和追溯泄露源頭的功能。因此，實(shí)際應(yīng)用的水印需要具有一定的魯棒性，同時(shí)系統(tǒng)所提供的提取水印的手段還需要有能力處理一部分圖片遭受攻擊的情況。

最后，還需要考慮到水印中的信息是否會(huì)被提取甚至篡改的情況，即對(duì)水印信息的加密也是在實(shí)際開(kāi)發(fā)中需要被納入考慮的重要一環(huán)，主要考慮以下三個(gè)問(wèn)題：水印中是否需要包含一部分敏感信息；如何處理因水印中的敏感信息被他人提取而導(dǎo)致的額外信息泄露問(wèn)題；水印信息是否會(huì)被篡改導(dǎo)致溯源錯(cuò)誤反而被不法分子利用。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Hough變換

為了有效解決實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中會(huì)發(fā)生的旋轉(zhuǎn)攻擊問(wèn)題，本系統(tǒng)選擇使用Hough 變換對(duì)圖像進(jìn)行幾何形狀檢測(cè)。由于本文所涉及的水印圖片實(shí)際上是二值圖像，每個(gè)像素僅分為有效信息和無(wú)效信息，所以使用Hough 變換速度相對(duì)較快，其中本文使用了Canny算子實(shí)現(xiàn)圖片中邊緣的檢測(cè)與邊緣的提取流程。

Hough算法從核心思想上來(lái)看，是使用表決方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種參數(shù)估計(jì)技術(shù)，其中的原理借助了Hough 參數(shù)空間與圖像空間的點(diǎn)線對(duì)偶性，將圖像空間中的檢測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)換到參數(shù)空間中進(jìn)行。在使用該算法的過(guò)程中，將Hough 參數(shù)空間分割為多個(gè)patch。分別為每個(gè)區(qū)間計(jì)算累積矩陣，最終計(jì)算的結(jié)果如果能夠大于最初設(shè)定的閾值，便認(rèn)為這個(gè)區(qū)間的交點(diǎn)存在公共直線，反之則舍棄［2］，具體流程如圖1所示。

圖1 Hough變換實(shí)現(xiàn)傾斜校正流程

2.2 Arnold置亂

在水印嵌入之前，為了增強(qiáng)水印圖像安全性，防止水印被提取，要對(duì)嵌入水印的圖像進(jìn)行置亂［3］。

本文所使用的Arnold 變換（貓臉變換）主要是通過(guò)一種裁剪錯(cuò)切后再取模拼接的過(guò)程達(dá)到置亂的效果。與其他的置亂算法相比，Arnold變換與其逆變換計(jì)算開(kāi)銷相對(duì)較小。

同時(shí)由于置亂之后水印的信息在理論上是相對(duì)離散的，在遭受攻擊時(shí)水印損失相對(duì)更加均勻，從而使得提取結(jié)果在同樣的損失率下具有更高的辨識(shí)度?；谝陨峡紤]，本項(xiàng)目對(duì)水印圖像的置亂變換采用Arnold 變換，全體像素移動(dòng)距離的期望值計(jì)算方式如公式（1）所示。

2.3 DCT變換

離散余弦變換（DCT）是一種特殊的離散傅里葉變換（DFT），該變換在保持精度的情況下更加高效［4］。圖像經(jīng)過(guò)8 × 8 分塊后再進(jìn)行DCT變換，此時(shí)進(jìn)行水印的嵌入操作，最后DCT 反變換得到所需要的圖片［5］。

一維DCT變換公式（其二）：

二維DCT的公式：

其矩陣形式：

其逆變換公式為：

3 系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要使用Java 語(yǔ)言和Python 語(yǔ)言進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)，其中系統(tǒng)并不包含提供可視化的前端，而是主要編寫后臺(tái)代碼以提供一系列便于嵌入其他系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用之中的API。

本系統(tǒng)的Java 后臺(tái)代碼主要分為Controller層、Service層、DAO 層、Entity類以及其他便于系統(tǒng)運(yùn)行的工具等部分。系統(tǒng)主要采用了Spring Boot框架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配置以降低搭建項(xiàng)目的復(fù)雜程度，應(yīng)用了控制反轉(zhuǎn)（IOC）和面向切面編程（AOP）的思想。

3.1 生成水印圖片

首先在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)需要提供依照公司需求生成水印圖片的功能，本系統(tǒng)提供兩種規(guī)格的水印，每一個(gè)規(guī)格可選擇提供員工的ID、IP 地址、時(shí)間等信息。這些參數(shù)信息可以選擇不由人工輸入，而由系統(tǒng)自主檢測(cè)信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)全參數(shù)，本文涉及的生成水印流程如圖2所示。

圖2 生成水印流程

其中，系統(tǒng)提供了3種不同精確度的日期表示方式，考慮到通常的時(shí)間表示方式中部分?jǐn)?shù)字的位數(shù)進(jìn)制小，位數(shù)利用率低，故在最高精度的情況下使用基于格林日期的毫秒表示方式進(jìn)行存儲(chǔ)，合理地節(jié)省了信息存儲(chǔ)空間，盡可能地減小了數(shù)字水印的添加給用戶造成的視覺(jué)干擾。

隨后在確認(rèn)參數(shù)的情況下自動(dòng)判斷對(duì)應(yīng)規(guī)格下文字應(yīng)有的大小，最終生成并提供一張合格的水印圖片用以完成后續(xù)的嵌入功能。

實(shí)際系統(tǒng)中該模塊主要使用Java 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，首先通過(guò)攔截器提前處理空白參數(shù)和用戶登錄的安全性驗(yàn)證，其中使用了JWT 機(jī)制實(shí)現(xiàn)token令牌存儲(chǔ)用戶的賬戶基礎(chǔ)信息，便于自動(dòng)補(bǔ)全用戶的ID，然后將攔截器作為bean寫入配置中。

在后臺(tái)Controller 層中判斷是否需要自動(dòng)填入IP 地址并視情況自主填入?yún)?shù)，調(diào)用Service層提供的函數(shù)。

其中，在生成正常的水印圖片后，對(duì)水印圖片使用了Arnold 置亂實(shí)現(xiàn)混沌加密，以此保證水印的抗提取性和抗篡改性。同時(shí)也因?yàn)橹脕y的效果，使得圖片遭受攻擊后，損失的水印有效像素位置相對(duì)分散，從而盡可能地保證整體的可讀性。

3.2 嵌入水印

本系統(tǒng)首先將等待嵌入水印圖像的原始圖片分為RGB 三個(gè)通道，在得到RGB 圖像的三層矩陣表示后，每個(gè)通道依次進(jìn)行8 × 8 的分塊與DCT 變換處理。再將之前工作步驟中生成的已混沌加密水印圖像嵌入圖片子塊，最終生成所需密鑰圖像。對(duì)三個(gè)通道的操作使得水印具有魯棒性，針對(duì)圖片顏色通道的攻擊在這一操作下將會(huì)失去其效用，其具體流程如圖3所示。

圖3 嵌入水印流程

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，公司或者企業(yè)所提供的原始圖片往往不能完全進(jìn)行8 × 8 的分塊，本文所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中對(duì)最后無(wú)法分割的邊緣子塊進(jìn)行了舍棄。在嵌入水印時(shí)采用了陽(yáng)水印的實(shí)現(xiàn)方式，以減少水印信息對(duì)用戶視覺(jué)的干擾。

3.3 提取水印

本系統(tǒng)針對(duì)已嵌入水印的圖片提供水印提取功能，其中根據(jù)圖片的不同受損情況分別提供三種提取手段，具體流程如圖4所示。

圖4 三種水印提取處理方式流程

第一種情況針對(duì)被旋轉(zhuǎn)圖片進(jìn)行水印信息的提取，首先通過(guò)Canny算子實(shí)現(xiàn)邊緣提取，再使用Hough 變換對(duì)圖像進(jìn)行幾何形狀檢測(cè)，通過(guò)合理設(shè)置閾值篩選出合適的旋轉(zhuǎn)角度并將其恢復(fù)水平。最后裁剪掉無(wú)效的圖像邊框得到的圖片即可進(jìn)行提取水印操作。

第二種情況針對(duì)被裁剪圖片進(jìn)行水印信息的提取，將被裁剪后的圖片與不包含水印的原始圖片計(jì)算截圖匹配，使用OpenCV 所提供的matchTemplate（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，找出二者最大匹配位置后，將待檢測(cè)圖片恢復(fù)拼接。最后得到的圖片即可進(jìn)行提取水印操作。

第三種情況針對(duì)被縮放的圖片，通過(guò)不斷縮放圖片并與原始圖片進(jìn)行匹配檢測(cè)，找到最合適的縮放比例，最后使用OpenCV 的擴(kuò)展庫(kù)cv2所提供的zoom操作函數(shù)得到的圖片即可進(jìn)行提取水印操作。

提取水印的過(guò)程中，首先需要將圖片再次進(jìn)行8 × 8 分塊，再對(duì)子塊進(jìn)行水印的提取。由于在之前的操作中對(duì)水印圖片進(jìn)行了加密置亂，故在此處需要進(jìn)行Arnold 逆變換來(lái)實(shí)現(xiàn)水印信息的解密復(fù)原，最終提取出一張水印圖片返回給用戶。

3.4 成果展示

本文使用峰值信噪比（PSNR）來(lái)檢測(cè)嵌入水印圖像后對(duì)用戶視覺(jué)的干擾效果，使用結(jié)構(gòu)相似性（SSIM）來(lái)檢測(cè)水印提取效果。嵌入水印后的圖片與原圖片的對(duì)比如圖5 所示，含水印圖片被攻擊后進(jìn)行提取水印操作的結(jié)果對(duì)比如表1 所示。

圖5 嵌入水印后的圖片與原圖片對(duì)比

表1 遭受攻擊的圖片所提取水印與原水印對(duì)比

4 系統(tǒng)接口說(shuō)明

4.1 水印嵌入功能接口

接口URL：域名/watermark/add。

請(qǐng)求類型：Get請(qǐng)求。

必選參數(shù)說(shuō)明：File 類型的pic 參數(shù)，上傳等待被添加水印的原始圖片。int 類型的time-Type 參數(shù)，‘0’表示時(shí)間信息精確至日，格式為“YYYYMMDD”，‘1’表示時(shí)間信息精確至小時(shí)，距 離2022 年1 月1 日0 時(shí)0 分0 秒所 過(guò) 去的小時(shí)數(shù)，‘2’表示時(shí)間信息精確至秒，距離2022年1月1日0時(shí)0分0秒所過(guò)去的秒數(shù)。

非必選參數(shù)說(shuō)明：String 類型的IP 參數(shù)，代表水印信息中所要包含的用戶的12 位IP 地址，如果該參數(shù)未勾選，則后續(xù)自動(dòng)檢測(cè)請(qǐng)求方IP地址信息并填入。String 類型的time 參數(shù)，可指定為時(shí)間或者其他字符，最高8位，如果該參數(shù)未勾選，則自動(dòng)根據(jù)timeType 參數(shù)指定的時(shí)間格式填入當(dāng)前時(shí)間。String類型的ID參數(shù)，最多可包含16 位長(zhǎng)度的字符，如果該參數(shù)未勾選，則在后續(xù)生成的水印中舍去該部分信息。

接口功能說(shuō)明：本系統(tǒng)提供兩種規(guī)格的水印，每一個(gè)規(guī)格可選擇提供員工的ID、IP地址、時(shí)間等信息。這些參數(shù)信息可以選擇不由人工輸入，而由系統(tǒng)自主檢測(cè)信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)全參數(shù)，最終返回給用戶一張嵌入了上述自定義水印信息的圖片。

4.2 水印提取功能接口

接口URL：域名/watermark/extract。

請(qǐng)求類型：Get請(qǐng)求。

必選參數(shù)說(shuō)明：File 類型的resource 參數(shù)，需要上傳不包含水印的原始圖片。File 類型的target參數(shù)，需要上傳等待被提取水印的圖片。

非必選參數(shù)說(shuō)明：int 類型的type 參數(shù)，可根據(jù)圖片受損情況指定水印提取的操作流程種類；‘0’表示圖片僅僅受到普通攻擊，比如截圖、拉曲線、模糊、噪聲等攻擊方式；‘1’表示用戶判斷圖片可能受到了旋轉(zhuǎn)攻擊；‘2’表示用戶判斷圖片可能受到了裁剪攻擊；‘3’表示用戶判斷圖片可能受到了縮放攻擊；如果該參數(shù)未勾選，則后續(xù)操作中默認(rèn)等同于type 為‘0’的情況。

接口功能說(shuō)明：本系統(tǒng)針對(duì)已嵌入水印的圖片提供水印提取功能，根據(jù)圖片的不同受損情況分別提供三種特殊提取手段。

第一種提取手段適用于從被旋轉(zhuǎn)圖片中提取水印的情況；第二種提取手段適用于從被裁剪圖片中提取水印的情況；第三種提取手段適用于從被縮放圖片中提取水印的情況，最終返回一張進(jìn)行提取操作得到的水印圖片給用戶。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了一種基于DCT 變換的數(shù)字水印技術(shù)，提出了一種兼顧實(shí)際生產(chǎn)需求和風(fēng)險(xiǎn)的暗水印應(yīng)用方案，實(shí)現(xiàn)了能夠輔助用戶對(duì)圖片資料進(jìn)行水印簽名的系統(tǒng)，在監(jiān)控諸如辦公云桌面的場(chǎng)景下提供合適水印的嵌入與提取功能。

該系統(tǒng)能在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)中生成不嚴(yán)重干擾用戶視覺(jué)，又能夠抗提取、抗旋轉(zhuǎn)、抗裁剪等一系列攻擊的暗水印，還一并對(duì)水印信息進(jìn)行了加密，在保障公司內(nèi)部電子文件不泄露的同時(shí)也兼顧了個(gè)人信息的安全性問(wèn)題，滿足當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用中公司或者企業(yè)需求。