基于字体颜色的文本数字水印算法

基于字体颜色的文本数字水印算法 2005 年 8 月 计 算 机 工 程第 31 卷 第 15 期 August 2005 Computer Engineering Vol.31 ? 15 文章编号:1000—3428(2005)15—0129—03 文献标识码:A 中图分类号:TP391 ?安全技术? 基于字体颜色的文本数字水印算法 刘 豪，孙星明，刘晋飚 ,湖南大学软件学院，长沙 410082, 摘 要:根据人眼对蓝色最不敏感的特性，提出了通过修改文本字符的蓝色成分使其嵌入水印信息的一种文本数字水印算法。理论分析及 实验结果明，该算法具有水印容量大、鲁棒性较强的特点，可以弥补当前文本数字水印算法存在的鲁棒性较差、水印容量小的缺点。它 在电子文档的版权保护等领域有广泛的应用前景。 关键词:数字水印,版权保护,光敏感度,鲁棒性,水印容量,纠错编码 Color-based Watermarking Algorithm for Text Documents LIU Hao, SUN Xingming, LIU Jinbiao (Software School, Hunan University, Changsha 410082) 【Abstract】This article presents the watermarking algorithm for text documents which based on the feature that human's eye has the weakest sensitivity to the blue color by modifying the blue elements of chars to make watermarking information embed in text documents. And this kind of algorithm has the superiorities of huge watermarking capacity and strong robustness which can make up the weakpoints of the current situation of watermarking algorithm for text documents which are weak robustness and small watermarking capacity according to theoretical analysis and the outcome of the test. The algorithm therefore has a promising prospect of wide use in the fields of the copyright protection of the electronic text documents etc. 【Key words】Digital watermarking; Copyright protection; Light sensitivity; Robustness; Watermark capacity; Error-correcting codes 数字水印是嵌入在其它数据,宿主数据,中具有可鉴别 密钥 性的数字信号或模式，它不影响宿主数据的可用性，可以应 用于版权保护、隐藏标识、认证和安全不可见通信等领域。 有意义水印信号 信源编码加密 当数字水印应用于版权保护时，它将代表著作权人身份的特 定信息，按照某种方式嵌入被保护的信息中，在产生版权纠 纠错编码 纷时，通过相应的算法提取出该数字水印，从而验证版权的 预处理嵌入位原始文本 归属，确保著作权人的合法利益，避免非法盗版的威胁。被 选择嵌入位置嵌入信息 保护的信息可以是任何一种数字媒体，如图像、声音、视频 或一般性的电子文档等。数字水印的存在要以不破坏原数据 随机序列水印文本 的欣赏价值、使用价值为原则。 图 1 水印嵌入的流程 人眼的锥状细胞是负责彩色视觉的传感器，详细的实验 结果表明在人眼中的6 ~7 百万锥状细胞中，65%的锥状细胞 提取嵌入的数据 纠错 水印文本 对红光敏感，33%的锥状细胞对绿光敏感，而只2有% 的锥状 [9]细胞对蓝光敏感，也就是人眼队蓝光的敏感度低。本文 密钥 解密 提 出了一种新的文本数字水印算法，该法利用轻微改变文本字 信源解码体颜 色灰度值的蓝 色部分是不易 被人眼察觉的 特性嵌入水 印。经实验验证，该算法可加载水印的容量大，与行移编码、 有意义水印信号字移编码相比，具有更强的隐避性和鲁棒性。 1 水印的图 2 水印提取的流程 本文提出的水印方案包含水印的嵌入和水印的提取两个基金项目:国家自然科学基金资助项目(60373062),湖南省杰出中青 过程。水印的嵌入过程包括水印信号的信源编码、加密、纠 年基金资助项目(02JJYB012),教育部科研重点项目(03092)错编码、嵌入位的预处理、水印的嵌入等。其中随机序列可 作者简介:刘 豪,1975—,，男，硕士生，主研方向:数字水印, 确定嵌入水印的位置，控制嵌入水印的密度。原理如图 1。 孙星明，博士、教授、博导,刘晋飚，工程师 水印的提取包括水印文本的信息提取、编码纠错、解密、 定稿日期:2004-06-21 E-mail:liuhao8848@sina.com 信源解码，最后得到有意义的水印信号，其原理如图 2 所示。 ,0 表示整个文本没有嵌入水印ρ， ,1 表示整个文本的2 算法 2.1 有意义的水印信号的选择及信源编码每 通常，水印信号可以是伪随机实数序列，也可以是有意个字符 p(i)都嵌入了水印信息。文本中嵌入水印的符号数是 总符号数的 ρ 倍。 义的字符串、图片、声音或视频信号。但是，单个水印信号 嵌入信息的位置用下列方法决定:从第一个字符开始按 占用的空间越大，文本需要提供的可加载水印的空间也越大。 顺序扫描，对于每一个字符 p(i)产生一个伪随机数x 。伪随 在相同可加载水印空间下，单个水印信号占用空间越小，系机数 x 的分布 应 该服从 位于 0 和 1 之间 的均 匀分布。若 统的鲁棒性越好。由于文本水印系统中，文本的可加载水印 ，则在该字符嵌入信息,否则，该像素点保持不变。 x < ρ 的空间通常很小，如文本的行移或字移算法中，可加载的 水2.5 水印嵌入算法描述 此 1 1 算法包含以下步骤: 印空间分别小于行数的 和字数的 。本文提出的算法虽然 2 2 (1)从 27 个有效符号构成有意义的水印信号，采用霍夫曼编码， 可将可加载水印的空间提高到文本的字符数，但从提高系 统 将有意义水印信号编码。 的鲁棒性考虑，且从文本水印的用途主要是用于版权保护考 (2)将编码的信号加密，保留密钥。虑，只需要使用水印能够证明版权所有即可，而不需要传输 (3)将加密的编码用汉明码进一步编码。 大量的隐藏信息，所以本文的水印算法采用的水印信号是用(4)预处理嵌入位。从第一个字符开始按顺序扫描，对于每一个 很短的字符串标识的版权保护信息。为了进一步减少水印信 字符 p(i)产生一个伪随机数x。 伪随机数x 的分布应该服从位于0 和 号占用的空间，本文选择 26 个英文字母,不区分大小写,和 1 1 之间的均匀分布。若 ，则在该字符处嵌入1, 否则，在该x < 空格符号作为有意义水印信号的合法使用字符，总27 共个。 2 [11] 引理二元霍夫曼码一定是最佳码，即若是 霍夫曼 C 字符处嵌入0 。 ' ' 码, 是任意其它即时码， 是 的平均码长， 是 CC (5)从第一个字符开始按顺序扫描，对于每一个p字(i符)产生一 L(C) L(C) ' 个伪随机数x 。伪随机数x 的分布应该服从位于0 和 1 之间的均匀 ' C 的平均码长，则有: 。L (C ) ? L (C ) 分布。若 ，则在该字符处嵌入单比特数据,否则，在该字符处x <ρ 本文对有意义的水印信号采用霍夫曼编码进行编码 ，使不嵌入数 据。嵌入位置将 作为提 取水印密 钥的一 部分。将经过纠 错 用这种不定长信道编码可以保证有意义的水印信号占用最小 编码的数据的每 个比特冗余嵌入 到按上面的方法 确定的位置，数 据的水印空间。 。 冗余嵌入的次数控制在 k = 1, 2 , 3, , nL 2 k + 1 , 2.2 单比特信息的嵌入、提取 2.6 水印提取算法描述 设 s 是要嵌入到文本F 的一个水印比特值，s=0 或 s=1。(1)由密钥找到冗余数据嵌入的位置，提取数据。 p(i)是 F 中伪随机选择的可加载信息的i第 个汉 字、字符或标 次的冗余。采用下列方(2)数据包含了 = 1, 2, 3,L , n k 2 k + 1 , 点符号等,后面都简称为符号,。通过修改 p(i)中的蓝色成分 法恢复正确的数据:比较每一个冗余数据的i 位，取占多数第 相 同 B 的值嵌入信息，其修改可以是加性的也可以是减性的，解 比特值的比特值为该位的正确值。 (3)将恢复的 单个数据进行纠错、解密。 (4)进行霍夫曼解码不需要原始文本。嵌入公式如下: ' 码，得到有意义的水印信号。 B = B + ( B + s ) mod 2 ij ij ij ' 3 实验结果其中， 和 是嵌入前和嵌入后颜色的蓝色部分灰度值。B B ij ij 采用大量文本实验，取得了较好的效果。现举例测试， 相应的提取公式如下:采用的文本为wor d 文档，大约有2 000 字。为了能够尽量多 ' s = B mod 2 ij 次冗余嵌入水印，选择较短的英文文本作为水印信号。 2.3 鲁棒性考虑 有意义水印信号为S:oftware Schoolo f Hunan University (1)纠错编码。在数字水印算法中，结合纠错编码可以增ChangSha China，共 50 个字符。取( n, k ) = (7, 4) ，密度参 加检测的可靠性。本文采用了线性分组码，线性分组码中信 数 ρ, 60 , ， 若 通 过 二 元 霍 夫 曼 码 的 压 缩 比 为 息码元和监督码元用线性方程联系起来。对于 汉明码有(n,k) ，则共冗余嵌入水印次数为? 1) α ( 0 < m m 以下特点:码长: , 信息位编码: ,n = 2?1k = 2? m ?1 2000 ×60 % 2000 × 60 % α 19 > =监督码位: , 最小码距: 。 B ?A = Er = n ? k = m 7 7 5 × 50 × × 5 × 50 × E = [ e , e , . ..,e ]4 4 n ?1 n ?2 0 α 图 3 和图 4 是加载水印文本和未加载水印文本的部分对 0 b = a 无错 ? i i e , ? i 比。从结果看，人眼是无法察觉的。被授权者能够正确地提 1 b ? a 有错 ? i i 取有意义水印信号 。提取的有意义水印信号S为oftw are 接收端计算校正子为 School of Hunan University ChangSha Chin，见a图5 。 T T T T S = BH = ( A + E ) H = AH + EH = EH H 为监督矩阵，错误图样与校正子有确定的关系。 (2)冗余嵌入。为了进一步对抗失真和攻击，本文将一个 水印信息冗余地嵌入到文本中。冗余嵌入的次数为 : ，2k + 1 k = 1, 2, 3,L , n k 由文本和水印的大小决定。 2.4 嵌入冗余控制 引入一个密度参数ρ 。这个密度参数给出了文本中每 一图 3 未嵌入水印的部分wor d 文本 个字符p (i)被嵌入水印的可能性。ρ 的值在0 和 1 之间， 3 Brassil J, Low S, Maxemchuk N F, et al. Electronic Marking and Identification Techniques to Discourage Document Copying. IEEE Journal on Sel. Areas in Commun., 1995, 13(8):1495-1504 4 Brassil J T, Low S, Maxemchuk N F. Copyright Protection for the Electronic Distribution of Text Documents. Proceedings of the IEEE, 1999, 87(7) 5 Maxemchuk N F, Low S. Marking Text Documents. International Conference on Image Processing, Santa Barbara, Calif., 1997-10: 26-29 嵌入了水印的部分wor d 文本 图 4 6 Maxemchuk N F. Electronic Document Distribution. AT & T Technical Journal, 1994, 73 (5):73-80 7 Low S H, Maxemchuk N F, Lapone A M. Document Identification for Copyright Protection Using Centroid Detection. IEEE Trans. Communications, 1998,46(3): 372-383 8 黄 华, 齐 春, 李 俊等. 文本数字水印. 中文信息学报, 2002, 15(5):52-57 图 5 实验结果 nd 9 Gonzalez R C, Woods R E. Digital Image Processing (2Edition). 4 结论 Boston, MA, USA: Addison-Wesley Longman Publishing CO., Inc., 本算法的可加载的容量较大，与原先的文本水印算法相1992 比具有更好的鲁棒性。如果能够在水印提取部分进行更进一 10 Atallah M J, Raskin V, Crogan M, et al. Natural Language 步的研究，作些改进，本算法的鲁棒性会更好。 Watermarking: Design, Analysis, and a Proof-of-concept Imple- mentation. In Proc. Int. Workshop on Information Hiding, Volume 参考文献 2137 of Lecture Notes in Computer Science, Springer-verlag, 1 Cox J, Miller M L. The First 50 Years of Electronic Watermarking. Berlin, 2001: 185-199 Applied Signal Processing, 2002, 2:126-132 11 傅祖芸. 信 息论—基础理论与应用 . 北京: 电子工业出版社 , 2 Cox I J, Killian J, Leighton F T, et al. Secure Spread Spectrum 2001 Watermarking for Multimedia. IEEE Transactions on Image Processing, 1997,6 (12):1673-1687 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ ,上接第12 8 页, 再用市教育局的公钥加密。因此该方案的中间过渡成员,市教育 ,， 局2.2 方案分析 [1] 以及 X 市权威机构都无法看到明文信息,如果出现黑客截获了间 中 (1) 签名的可信性分析，因C为A 有信息发送方的公钥证书， 消息，只要相关方的共享密钥或私钥未被盗窃，明文信息依然安公钥和私钥是成对的，只要用公钥能解密信息，就可说明私钥的可 全。 信性。 (3)使用单向散列签名，减少了对文件加密、解密时间。 (2) 签 名 的 不 可 伪 造性分 析，如果 伪造了 签名，通 过解密 ， 只 (4)在传输过程中，使用公钥密码术对签名加密、解密，保证了 能得到一对乱码，因为公钥和私钥的成对性。 签名的传输安全 。同时，因为签 名的内容少，所 以不会耗费太多 的 (3) 签名的不可重用性分析，因为在方案中3第,,步使用了时 时间去加密、解密。间戳证书 Tc，如果把签名重复使用，则会出现时间不一致，从而 声 (5) X 市政府和A 区教育局的共享密钥可以多次重复使用，因为 明签名无效。 有时间戳作保证。 (4) 签 名 的 不 可 更 改性分 析，此方 案采用 了私钥加 密构成 签 名 的方法，所以无法更改签名，只有改动签名后的文件，这样将 3 小结 导致 无法解密，和,2,一样。 随着电子政务和密码学技术的飞速发展，政府在网上办 (5) 签名的不可抵赖性分析，和1,,一致，因为签名者公钥证公已是一种趋势，与此同时，电子政务的安全性也越来越得 书上的公钥和它自己保存的私钥是相对应的，如果用公钥能解密出 到人们的重视。本文是作者结合曾经参与的项目，着重考虑 正确信息，就表明一定有对应私钥的签名者。 了电子政务的安全性和高效性，设计了一种数字签名方案，(6) 接收方不可抵赖性分析，在此方案(中8)~第(10)步就可防止 以达到提高政府办公效率的目的。接收方的抵赖，只有发送方保存 E(M)，一旦纠纷发生，发送方可 A 参考文献 当众用 A 区教育局的公钥解密，就能得到接收方发送的确认消M。息 1 Schneier B. 吴世 忠 , 祝世雄译 . Applied Cryptography, Protocols, 2.3 方案的优点[2,3] Algorithms, and Source Code in C[M]. 北京:机械工业出版社, 2000: (1)使用对称算法D ES，比非对称算法RS A 的速度快。同时 15-31 克服了 1.3 节中方案中明文传输的不安全性。文件很大时，RSA用 2 Atreya M. 贺 军译. Digital Signature[M]. 北京:清华大学出版社,算法解密会耗很长时间，不利于办公效率的提高。 2003:17-118 (2)使用了数字信封技术，保证了文件传输安全性。在协议3 第 3 Goldreich O. 温巧燕, 杨义先译. Foundation of Cryptography[M].步，如果不用A 区教育局的公钥加密，那么市教育局收到加密文件 后用它的私钥解密就能看到时间证书 Tc，再用X 市权威机构的公 钥 北京:人民邮电出版社, 2003: 24-69 解密时间证书，就能看到证书加密前的内容，并有可能修改它，从 4 杨义先, 孙 伟. 现代密码新理论[M].北京: 科学出版社, 2002:而破坏了传输过程的保密性。所以必须先A 区教育局的公钥加用 密 ，79-157