基于信息隐藏技术的电子商务票据的网上安全传输方法①

余桂贤 盛建瓴 薛 阳 刘保金 程裕斌 周文豪

(1.北京兆方投资控股股份有限公司,北京,100028;2.华北科技学院计算机系,北京东燕郊 101601; 3.北京政治职业学院,北京 102600;4.山西潞安环保能源开发股份有限公司,山西长治 221000)

基于信息隐藏技术的电子商务票据的网上安全传输方法①

余桂贤1②盛建瓴2薛 阳3刘保金4程裕斌4周文豪4

(1.北京兆方投资控股股份有限公司,北京,100028;2.华北科技学院计算机系,北京东燕郊 101601; 3.北京政治职业学院,北京 102600;4.山西潞安环保能源开发股份有限公司,山西长治 221000)

为了保证电子商务中票据的在网络中的安全传输,本文提出把票据隐藏于一幅风景图中,但又不明显改变该风景图的视觉效果,起到迷惑黑客和攻击者的目的,增大被破解的难度。本文利用小波变换把电子票据嵌入到中频带中。实验结果表明该方法(信息隐藏或信息伪装)效果好且可用性强。

电子商务票据;小波变换;鲁棒性;不可见性;信息隐藏

0 引言

基于计算机网络的电子商务交易给人们带来很大的方便,但是其安全性是没有保障的。因为现在的计算网络普遍使用的是IPV4协议,这种协议是没有增加安全性的一种协议,对一般的计算机管理者来说是透明的,对黑客来说,更如我们一般人看电视那样,是完全公开的。如何在计算机网络上安全的传输电子商务票据,成为人们研究的热点。目前人们通常采用加密的方法来完成本项任务,但是加密后的票据是一串乱码,这种乱码更容易引起黑客的好奇和注意,诱使其怀着强烈的好奇心和成就感去破解该密码。本文给出一个基于信息隐藏技术的电子商务票据的网上安全传输方法。这种方法把电子商务票据隐藏在一幅风景画片中,但又不会引起该幅风景图的明显变化,即一般人用肉眼分辨不出这种变化,从而不会引起黑客或攻击者的注意,达到安全传输的电子商务票据的目的。与加密不同的是加密保护的是信息内容本身,而信息隐藏则掩盖它们的存在。

嵌入数字风景图片中的电子商务票据须具备以下特性[1]：

1)不可见性( Imperceptibility)或隐蔽性,不易被察觉,既添加电子商务票据后的数字风景图片与原风景图片(载体)对人的感觉器官应当是一样的。或者说,添加的电子商务票据不会引起原来数字风影图片的图像质量下降,即看不到电子商务票据的存在。

2)鲁棒性(Robustness)也称稳健性,即当被保护的信息经过某种改动后,比如在传输、压缩、滤波,图像的几何变换如平移、伸缩、旋转、剪裁等处理下,电子商务票据不容易被破坏。或者说,给定一个嵌入有电子商务票据的数字风景图片,非授权的个人或团体在使数字风景图片可用的情况下无法剔除电子商务票据。

3)低复杂性,嵌入电子商务票据的算法容易实现。

4)秘密性,嵌入过程是秘密的,电子商务票据是统计上不可检测的,如果用户试图删除电子商务票据,对原始数字风景图片的质量将产生巨大的破坏。

为了达到上述目的,本文给出了基于小波变换域的电子商务票据嵌入算法。下面比较详细地介绍这些工作。

1 基于小波变换域的数字电子商务票据嵌入算法

二维小波变换只是一维小波变换的重复使用。小波变换把待分析的信号f(x)用基小波的Ψ(x)伸缩尺寸和位移来处理,信号f(x)的一维连续小波变换定义为[2,3]：

对一幅风景图像来说,小波变换构成了对它的多尺度时频分解。电子商务票据应放在视觉系统感觉上最重要的分量上。感觉上最重要的分量是图像信号的主要成分,携带较多的信号能量。图像经过小波分解后生成的小波图像,能量主要集中在低频部分,即低频部分是图像的主要部分,也是视觉重要部分;

此外,图像的低频部分一般变化比较缓慢,抗干扰性强(即鲁棒性也称稳健性好)。例如,一个低频成分持续2cm,如果有人剪裁掉0.5cm,那么,我们根据剩下的那1.5cm图像还可较准确地恢复出整个2cm的原图像。相反,图像的高频部分一般变化比较快,抗干扰性差。例如,一个高频成分持续0.5cm,如果有人恰好剪裁掉这0.5cm,那么,我们根据剩下的图像根本无法恢复出剪裁掉的那0.5cm长的原图象。

因此,从抗干扰性角度讲,应该选择将电子商务票据嵌入到小波图像低频系数(即低频成分)中。但是,研究者对人类的视觉特性进行研究后表明[4],人眼对图像中平滑区域(低频成分)的变化一般比较敏感,在这一部分嵌入电子商务票据可能会引起原始图像质量下降。本文的实验结果证明低频部分虽然具有很强的抗干扰能力,但嵌入的电子商务票据容易引起图像模糊,所以,从不可见性角度讲,数字电子商务票据不应该嵌入这一区域。

图像的高频部分只是图像的细节部分。高频成分易受外来噪声、常规图像处理等因素影响,其稳定性较差,因此,作为数字电子商务票据不应嵌入在这一区域。

从抗干扰性(即鲁棒性)和不可见性两个方面综合考虑,本文将数字电子商务票据嵌入到中频与中低频区域。

用小波变换(本文用Mallet变换)可把原图象(载体图象)进行五级分解。第一、二级为高频成分,第三为中频成分(嵌入电子商务票据),第四为中低频成分(嵌入电子商务票据),第五级为低频成分。

1.1 电子商务票据的嵌入

1)选择待嵌入的二值数字电子商务票据图像,对其进行“之”字形扫描将其转化为一维数据,那么可以将它看作为一个二进制电子商务票据序列,即w={xi},0＜i＜k,k为电子商务票据序列的长度。

2)对原始图像进行五级小波分解,得到不同分辩率级别下的细节子图。

3)设原灰度图像(载体)为A=(aij)m×n;嵌入数字电子商务票据后的载体图像为B= (bij)m×n,其中,aij、bij分别表示原始图像象素(或从原始图像中提取的特征)和嵌入电子商务票据的图像象素(或改变后的图像特征)。

我们按如下的公式将电子商务票据序列嵌入到第三级中频成分和第四级中低频成分的小波系数中,bij=aij(1+α×xi)

对灰度图象而言,bij的一半嵌入到第三级中频成分的小波系数中;而另一半嵌入到第四级中低频成分的小波系数中。上式中,xi为电子商务票据信号分量,即w={xi},0＜i＜k,k为电子商务票据序列的长度;α为位伸因子,用于控制嵌入电子商务票据强度,在电了商务票据的不可见性和鲁棒性之间进行折衷。α的最佳值的确定下面再叙述。

4)对修改后的小波系数进行小波反变换,便得到含有电子商务票据信息的图像。

1.2 控制嵌入电子商务票据强度的α最佳值的确定

根据Weber定律[5],α理论上应小于0.01。也就是说,α的变化空间为0～0.01。在一个实际的电子商务票据嵌入过程中究竟α取何值较为合适呢?目前,通常的做法是通过人工多次取不同的α值来试验。本文利用基因算法来比较自动地确定α的最佳值。

1.3 电子商务票据检测

1)对原始图像和待检测图像分别进行小波变换,得到它们的小波分析图像。

2)通过计算处理得到xi信息。

3)将检测出的电子商务票据图像W′与原电子商务票据W进行比较,可以判别电子商务票据的直伪。具体做法是计算提取出的电子商务票据W′和原始电子商务票据W的相关性系数,如果得到的相关性系统值大于事先设定的阈值,就可以认为电子商务票据是存在的;如果相关性系数值小于阈值,就可以认为载体图像中不含电子商务票据信息,或者电子商务票据信息已经被破坏。

2 实验结果

测试实验原始图像(载体)如图1是一幅风景图。图2是一幅电子商务票据。图3为最优α值下风景图像嵌入了电子商务票据后的实验图像结果。从图3中的电子商务票据与图2差别非常微小,在此省略。实验也说明用方法可在图像(载体)不可见性与鲁棒性之间达到较好的平衡。同时也表明利用基因算法能很快并且比较准确地确定嵌入电子商务票据的最佳能量,自动并智能化地选择出适合特定图像的电子商务票据嵌入强度,使其在不可见性与鲁棒性之间达到平衡。

图1 一幅普通的风景图

图2 电子商务中使用的一张电子票据

图3 嵌入了图2中的电子票据后的风景图

3 结论

为了保证电子商务中票据的在网络中的安全传输,本文提出把票据隐藏于一幅风景图中,但又不明显改变该风景图的视觉效果,起到迷惑黑客和攻击者的目的,增大被破解的难度。本文利用小波变换把电子票据嵌入到中频带中。利用基因算法快速且比较准确地确定嵌入电子商务票据的最佳能量,自动并智能化地选择出适合特定图像的电子商务票据嵌入强度,使其在不可见性与鲁棒性之间达到平衡。用这种方法能使嵌入的数字电子商务票据具有理想的鲁棒性,常规的图像处理方法对其影响很小。实验结果表明该方法(信息隐藏或信息伪装)效果好且可用性强。

[1] 李鑫,余生晨.基于小波变换域的数字图像水印算法的研究[J].贵州工业大学学报(自然科学版),2004,33(1)：70-71

[2] 王锡梅,余生晨.自动调和小波变换域嵌入数字水印的鲁棒性和不可见性的方法[J].华北科技学院学报,2009,33(1)：70-71

[3] 陈武凡.小波分析及其在图像处理中的应用[M].北京：科学出版社,2002

[4] 郭磊,郭宝龙.小波域数字图像水印算法的研究[J].计算机工程与应用,2002,13(2)：6-8

[5] Cox,J,Leighton,T.Secure spread spectrum watermarking formultimedia[J].IEEE Transactions on I mage Proceedings,2007,6(12)：1673-1687

M ethod of Transferring Securely Electron ic Transaction Tickets in Network Based on Information Hiding

YU Guixiang1,SHENG Jianling2,XUE Yang3,CHEN Yubin4,ZHOU W enhao4
(1.Beijing Zhao Fang Investiment Trust Co.,Ltd.Beijing 100028;2.Computer Science Depar tment ofNorth China University of Science&Technology,Yanjiao Beijing-East 101601; 3.College of Policy Law Career ofDaxing,Beijing 100083;4.ShanxiLuan Good-Environment Energy Co.Ltd,Chanzhi Shanxi 234000)

For transfering securely electronic transaction tickets in network,the method based on information hiding is developed in the paper.Electronic transaction tickets are hidden to image in the method,to cause not attention of hacker and attacker.The tickets are embedded to middle-frequency bywavelet transfor m.Robustness and imperceptibility of embedded tickets is reconciled automatically in wavelet transfor m domain.Experiment results shown that this method(infor mation hiding,or,steganography)was useful and applicable.

Electronic transaction ticket;Discrete wavelet transfor m(DWT);Robustness; Imperceptibility;Infor mation hiding

TP391.41

A

1672-7169(2010)04-0084-04

2010-10-14

余桂贤(1973—),女,硕士,现在北京兆方投资控股股份有限公司工作,研究方向：电子商务、企业管理。