数字水印技术及其在电子政务中的应用

周长英

（唐山学院计算机科学与技术系，河北 唐山063000）

如何既充分利用因特网提供的便利条件，又能有效地保护知识产权，已受到人们的高度重视。特别是电子政务的广泛应用以来，数字产品的安全问题日益突出。因此，在电子政务的建设中，除了必要的网络安全技术以外,还必须加强对数字产品的安全保护问题的研究。在多媒体中加入数字水印可以确立版权所有者、认证多媒体来源的真实性、识别购买者、提供关于数字内容的其它附加信息、确认所有权认证和跟踪侵权行为。目前也正成为信息领域的一个研究热点[1]。

1 数字水印技术

数字水印 (Digital Watermarking)技术是Caronni于1993年正式提出的，是现代信息隐藏技术的一个重要分支，是指利用多媒体数字作品中普遍存在的冗余数据与随机性，把可鉴别的数字信息嵌入在数字作品本身中，而且并不影响这些宿主数据的可用性的一项技术。宿主数据加上数字水印之后，水印信息是不可见的，非法拦截者不容易发现水印，从而无法篡改或者删除水印，而且即使水印被发现，对水印信息的任何修改也会被完全识别出来，因此可以起到保护数字产品版权和信息安全的作用。理想的数字水印方案应该是只有版权所有者才可以对其数字作品加载水印，但任何人都可以对其验证的水印方案。

1.1 基本特征

1.1.1 安全性:数字水印的信息应是安全的，难以篡改或伪造，同时，应当有较低的误检测率，当原内容发生变化时，数字水印应当发生变化，从而可以检测原始数据的变更；当然数字水印同样对重复添加有较强的抵抗性。

1.1.2 隐蔽性:数字作品作为水印的载体，在嵌入水印后，不能产生明显的质量降低，即原始作品同嵌入水印版本应具有较高的逼真度。

1.1.3 鲁棒性:是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持部分完整性并能被准确鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数/模与模/数转换、重采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。主要用于版权保护的数字水印易损水印（Fragile Watermarking），主要用于完整性保护，这种水印同样是在内容数据中嵌入不可见的信息。当内容发生改变时，这些水印信息会发生相应的改变，从而可以鉴定原始数据是否被篡改。

1.1.4 水印容量:嵌入的水印信息必须足以表示多媒体内容的创建者或所有者的标志信息，或购买者的序列号，这样有利于解决版权纠纷，保护数字产权合法拥有者的利益。尤其是隐蔽通信领域的特殊性，对水印的容量需求很大。

1.2 分类

数字水印根据隐藏位置、水印特征、附载媒体、水印用途、检测过程、水印内容等分类有多种。

（1）按特性划分:鲁棒数字水印和脆弱数字水印。（2）按水印所附载的媒体划分:图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。（3）按检测过程划分:明文水印和盲水印。（4）按内容划分:有意义水印和无意义水印。（5）按用途划分:票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。（6）按水印隐藏的位置划分:时(空)域数字水印、频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印。空域方法是通过修改亮度分量的强度实现；频域方法通过修改图像的频域系数实现。空域加入的水印在攻击面前是十分脆弱。

1.3 应用领域

数字水印主要应用在以下几个方面[2-4]:

1.3.1 版权保护

数字作品的所有者可用密钥产生水印，并将其嵌入原始数据，然后公开发布其水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者即可从被盗版作品中获取水印信号作为依据,从而保护其合法权益。

1.3.2 数字指纹

为避免数字作品未经授权被拷贝和发行，版权所有人可以向分发给不同用户的作品中嵌入不同的水印以标识用户的信息。该水印可根据用户的序号和相关的信息生成，一旦发现未经授权的拷贝，就可以根据此拷贝所恢复出的指纹来确定它的来源。

1.3.3 认证和完整性校验

通常采用脆弱水印对插入了水印的数字内容进行检验时，须用惟一的与数据内容相关的密钥提取出水印，然后通过检验提取出的水印完整性来检验数字内容的完整性。其优点在于认证同内容密不可分，因此简化了处理过程。

1.3.4 访问控制

利用数字水印技术可以将访问控制信息嵌入到媒体中，在使用媒体之前通过检测嵌入到其中的访问控制信息，以达到访问控制的目的,它要求水印具有很高的鲁棒性。

2 数字水印在电子政务中的应用方案

在电子政务内网中，为保护重要的电子文档(如使用word文档的红头文件)，可以嵌入安全鲁棒的水印已经文件的摘要内容作为文档密级标识信息。同时,在文档分发的时候在所使用的电子印章中嵌入与用户相关的水印信息，把该电子文档的副本与特定用户联系起来，这种技术手段将确保终端用户对得到的解密之后的秘密文档副本负全责，从而达到保密的的作用。整个实现过程最关键的部分是数字水印的嵌入和数字水印的提取。

2.1 数字水印的嵌入

数字水印嵌入的一般过程就是把水印w经过水印嵌入算法，嵌入到原始载体x中，生成含有水印的数字产品。有时候，为了提高安全性，在嵌入算法中包含嵌入密钥K。嵌入过程可定义为:

如图1所示。

图1 水印的嵌入过程

本方案使用的编程软件是Matlab7.0，作为载体的原始JPG图像为一幅 256×256的yinzhang.jpg灰度图像，需嵌入的水印图像为32×32的tsxy.tif二值图像。为保证印章的鲁棒性，需要先对嵌入的水印进行二值化处理，之后作置乱，二值化的目的是对水印图像进行异或加密，因为图像的二值化处理就是将图像上的点的灰度置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果，即将256个亮度等级的灰度图像通过适当的阀值选取而获得仍然可以反映图像整体和局部特征的二值化图像。取加载图像每个DCT变换块的大小为8×8，在载体图像中嵌入水印信息，方法是将较小的的那个值减去一个阈值alpha，使较小的值更小，这样这两个位置差异值将大于alpha。Alpha的值的大小决定了嵌入水印的强度。Alpha值过大，嵌入后的图像会明显降质；alpha值过小，水印的稳健性降低。另外，为了兼顾水印的不可见性和稳健性，通常将水印嵌入到DCT系数的中频段，宜选择（5，2）和（4，3）这一对系数。

2.2 数字水印的提取

水印的提取过程是最为重要的步骤，其过程可描述为:对含有水印的数字产品i作水印提取运算。根据具体算法决定是否需要原始载体x以及是否需要密钥K，提取出水印w'。可表示为:如图2所示

图2 水印的提取过程

在文件接收方，应该有能够检测并提取数字水印的软件，在接收到文件后，通过提取水印的算法能够识别出接收到的文件是否被更改过，是否是真实的文件。

3 结论

本文介绍了数字水印技术的基本特征、分类和应用领域，提出了数字水印技术在电子政务安全领域中的应用方案。随着电子政务建设的进一步发展，数字信息在网络上存储和发布也会越来越普遍，网络环境下的数字信息的安全问题也会受到越来越多的重视，数字水印技术仍将是人们为解决这一难题而进行研究的热点和重点。

[1]谢文平，曾志文.数字水印技术及其在电子政务信息安全中的应用[J].邵阳学院学报(自然科学版)，2007，4（4）:23～26

[2]张立各，杨义先，钮心忻等.软件水印综述[J].软件学报，2003，14(2):268～277.

[3]向德生，杨格兰，熊岳山.数字水印技术研究[J].计算机工程与设计，2005，6(2):326-328.

[4]尹浩，林闯，邱锋等.数字水印技术综述[J].计算机研究与发展，2005，42(7):1092-1099.