CN104376236A

CN104376236A - 基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法及提取方法

Info

Publication number: CN104376236A
Application number: CN201410720402.9A
Authority: CN
Inventors: 陈青; 黄鹏波; 卢宇鹏; 周广州; 王飞; 熊蒙; 柯婷婷
Original assignee: Shanghai Publishing and Printing College
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2034-12-02
Also published as: CN104376236B

Abstract

本发明提供基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法算法的水印嵌入方法和提取方法，主要步骤具有：构建多组兼有伪装属性和标识属性的相关操作的子方案；为每组子方案设置一个索引号并按升序排列得到一个初始方案序列；计算密钥信息的BKDR哈希值并且将其对初始子方案序列进行排序运算得到自适应方案序列；根据自适应方案序列表来顺序循环嵌入水印信息。优点在于具有篡改定位的功能，以及应用伪装技术实现了增强格式化文本文档水印的鲁棒性安全性目标，解决了格式化文本水印普遍存在的通过调整格式嵌入水印的方法所导致的水印信息易被非法提取进而被破解的问题。

Description

基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法及提取方法

技术领域

本发明属于计算机信息安全领域，用于对文本文档的数字版权保护、数据完整性鉴别以及安全的隐蔽通信。特别涉及一种基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法及提取方法。

背景技术

随着计算机信息技术的发展，大量的信息数据需要借助网络传输，有研究表明，在传播的信息量中有80％以上是通过文字承载的，国家安全部门、企事业单位等将有大量的文字材料，比如一些重要文件、军事机密、商业机密、电子合同等，也是以各种方式与互联网连接，可以实现企业用户和互联网用户资源的互访与某些开放资源的共享。网络在给我们带来的方便的同时，也带来了数据安全方面的新危险和新挑战。互联网上的某些用户出于不良动机，入侵各重要部门、企事业单位与网络连接的计算机系统和设备，盗取国家机密信息和企业的商业秘密，非法使用网络资源等，给国家和企业造成巨大的损失。数字水印，作为知识产权保护和信息安全维护的一种重要技术近几年发展迅速。数字水印技术利用数字产品存在的冗余度来嵌入信息，达到信息安全保护的目的。

目前，人们对数字水印的研究主要集中在图像水印、视频水印、音频水印等。然而，由于文本中存在的冗余信息较少，在进行算法设计时有很大的局限性，故文本水印的研究相对而言比较落后，成果数量有限。但是，文字在人类所有的传播媒介中占据着极为重要的地位，而且，随着电子商务和电子政务的出现，一些重要的信息、文件甚至是机密等都通过网上传输。这些文本信息可能涉及到个人和集体的利益甚至是国家的安危，因此，对这些文本信息进行安全保护极为重要。目前，尽管文本水印技术的研究滞后于数字水印技术的其他领域，但是也取得了一些进展。

1994年，Maxemchuk N.F提出了文本数字水印的思想(MaxemchukN.F.Electronic Document Distribution[J].AT&T Technical Journal,1994,73(5):73-80.)，在此之后，Brassil.J等人发表多篇文章，进一步扩展了文本数字水印的概念，并且提出了多种文本数字水印算法(Brassil J,Low SH,Maxemchuk N F.Copyright Protection for the Electronic Distribution ofText Documents[J].Proceedings of the IEEE,1999,87(7):1181–1196.Maxemchuk N F,Low S.Marking Text Documents[C].InternationalConference on Image Processing,Santa Barbara Calif,1997,26-29.Brassil.J,L.O'Gorman.Watermarking document images with bounding boxexpansion[C].Information Hiding of Lecture Notes in Computer Science,Sprinter-Verlag,1996,Vol.1174:227-235.)。如今，对文本水印的研究吸引了越来越多的人。在中国，许多大学(如北京邮电大学、清华大学等)也对数字水印技术进行了比较深入的研究。此外，湖南大学也在该领域组建了有规模的研究团队，开展了一些具有特色的研究工作，并承担了很多相关的科研项目，如国家自然科学基金等。近年来，美国的普渡大学以及韩国的Chonbuk国立大学在文本数字水印技术上进行了一些独特的研究，并取得相应的研究成果(Atallah M J,Raskin V,Hempelmann C.Natural Language Watermarking and Tamper proofing[C].In 5th informationHiding Workshop(IHW)2002,USA,2002,196-212.Atallah M J,McDonough C J,Raskin V.Natural Language Processing for InformationAssurance and Security,An Overview and Implementations[C].NSPW'2000,51-65.Young-Won Kim,Kyung-Ae Moon,II-Seok Oh.WatermarkingAlgorithm based on Word Classification and Inter-word space statistics[C].Proceedings of the Seventh International Conference on Document Analysisand Recognition,Edinburgh:IEEE Computer Society,2003,775-779.)。已有的文本水印研究提出了不少文本数字水印系统，但是还存在一些问题，如隐蔽性较差、容量较小、鲁棒性不强等问题。目前提出的文本数字水印方法多是停留在文本的版面布局上，如调整一下文档中文档格式或内容，包括：垂直移动行距、水平调整字距、调整文本特性(如字体)，拆分汉语文字结构，这些方法的鲁棒性较差，只需随机化调整字间距、行间距即可破坏水印。除此，还有如分词、句法分析、改写技术等语言处理技术的水印算法，但都还不是很完善。

Brassil等人提出的经典的行间距编码和字间距编码算法，以及此后研究者以此为基础对基于格式编码的文本水印算法进行的各种优化或者创新，仍然存在同一个明显的缺点，即算法中围绕各种字符属性进行相关操作所设置的参数数值与二进制流水印信息存在着一一映射关系(即某个固定参数数值标识字符“0”，另一个固定参数数值标识字符“1”)，而字符属性的参数值非法用户可以利用应用程序轻而易举地提取得到。随着计算机处理能力的快速提升，破解提取到的二进制流水印信息也变得越来越容易，这在很大程度上限制了基于格式编码的文本水印算法的应用和发展。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种基于伪装学的方案自适应数字水印算法，以克服上述现有技术的存在缺陷。

本发明提供一种基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法，包括以下步骤：

步骤A1：输入载体文档T，水印信息W，密钥信息K；将水印信息W和密钥信息K分别转化成二进制流水印信息Wb和二进制流密钥信息Kb；

步骤A2：将二进制流水印信息Wb和二进制流密钥信息Kb进行加密处理得到加密后的二进制流水印信息Wkb；

步骤A3：将加密后的二进制流水印信息Wkb进行纠错编码处理得到编码后的二进制流水印信息Wkcb；

步骤A4：用N种标识属性来构建子方案，每种子方案包含一个标识属性和N-1个伪装属性，为每组子方案设置一个索引号并按升序排列得到一个初始方案序列；

步骤A5：根据密钥信息K和初始方案序列计算其BKDR哈希值h并进行排列运算得到自适应方案序列表T；

步骤A6：嵌入同步头信息S，并设初值n＝0，i＝0；

步骤A7：依次从自适应方案序列表T中取出一种方案Ti；

步骤A8：依次选定载体文档T中的每一个字符c并从二进制流水印信息Wkcb取出1bit编码，计数n++；若n等于二进制流水印信息Wkcb的长度，进入步骤A5且设置n＝0；否者进入步骤A9；

步骤A9：将方案Ti作用于字符c，若方案Ti作用的时间长度等于该方案设定的作用时间长度li，进入步骤A6且i＝(i++％N)；否则进入步骤A7；直至完成所有自适应方案序列表T的所有Ti；

步骤A10：载体文档T嵌入完毕，保存嵌入水印信息后的文档Tw。

进一步，本发明提供一种基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法，还可以具有这样的特征：步骤A3中纠错编码处理为(7,4)汉明码编码处理。

进一步，本发明提供一种基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法，还可以具有这样的特征：步骤A4中，将N种透明属性分别作为N组子方案中的标识属性并加入其对应的操作来构建N组初始子方案，在N组初始子方案中分别加入与本组中标识属性相对的其余N-1种作为伪装属性的透明属性的相关操作来构建N组最终子方案。根据密钥信息K计算其BKDR哈希值h并进行相关运算得到自适应方案序列表T。

进一步，本发明提供一种基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法，还可以具有这样的特征：步骤A4中，构建子方案的标识属性必须确保标识属性相关操作的参数数值与二进制流水印信息中编码“1”和“0”之间是一一映射的关系；而伪装属性的相关操作的参数数值与二进制流水印信息中编码“1”和“0”之间的关系是任意的。

进一步，本发明提供一种基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法，还可以具有这样的特征：步骤5中，按下列公式计算密钥信息K的BKDR哈希值h：

h_{i} = Σ_{i = 1}^{n} h_{i - 1} \times s + k_{i} .

进一步，本发明提供一种基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法，还可以具有这样的特征：步骤A7-A9中，顺序从自适应方案序列T中选择各个T1,T2,…Tj…TN子方案，对应于选中的第j种子方案，修改文本的第j个字符属性，嵌入nj比特水印信息，直到所有的水印信息按此方式嵌入完成。接着对水印信息进行循环嵌入，直到达到载体文档字符数M。

另外，本发明还提供一种基于伪装学的方案自适应数字水印提取方法，包括以下步骤：

步骤B1:输入待检测文档Tw，密钥信息K；

步骤B2:将密钥信息K转化成二进制流密钥信息Kb；二进制流密钥信息Kb进行解密处理；

步骤B3：用N种标识属性来构建子方案，每种子方案包含一个标识属性和N-1个伪装属性，为每组子方案设置一个索引号并按升序排列得到一个初始方案序列；

步骤B4:根据密钥信息K初始方案序列计算其BKDR哈希值h并进行排列运算得到自适应方案序列表T；

步骤B5:依次选定待检测文档Tw中的每一个字符c，若字符c为同步头位，重复步骤B5；否则，进入步骤B6。

步骤B6:提取同步头信息S，定义i＝0；若同步头被破坏，光标跳至下一同步头位置，重复步骤B5；

步骤B7:依次从自适应方案序列表T中取出一种方案Ti。

步骤B8:将方案Ti作用于字符c提取并保存1bit编码，若方案Ti作用的时间长度等于该方案设定的作用时间长度li，进入步骤B6且i＝(i++％N)；否则进入步骤B4；直至完成所有自适应方案序列表T的所有Ti；

步骤B9:利用大数定理，对每一个水印的长度进行统计，确认概率最大的长度为水印最终长度，并提取长度匹配的水印信息内容，得出一组正确的二进制流水印信息Wkcb；

步骤B10:将得到的二进制流水印信息Wkcb进行解码处理，得到解码后的二进制流水印信息Wkb；

步骤B11:将解码后的二进制流水印信息Wkb与二进制流密钥信息Kb进行解密处理得到解密后的二进制流水印信息Wb并其转化成字符形式W’，即提取到的水印信息。输出W’。

进一步，本发明还提供一种基于伪装学的方案自适应数字水印提取方法，还可以具有这样的特征：解密处理为为(7,4)汉明码编码处理。

发明的有益效果

本发明针对现有的基于格式编码的文本水印算法普遍存在水印信息易被非法提取进而被破解的缺点，发明了一种基于伪装学的方案自适应数字水印算法，利用伪装混淆水印检测信息，并且将伪装置于自适应框架内，使得提取的水印信息难以破解。本发明除了具有一般水印系统文档隐蔽性好、水印容量较高的特点以外，还具有篡改定位的功能，以及应用伪装技术实现了增强格式化文本文档水印的鲁棒性安全性目标，解决了格式化文本水印普遍存在的通过调整格式嵌入水印的方法所导致的水印信息易被非法提取进而被破解的问题。本发明属于计算机信息安全领域。用于对文本文档的数字版权保护、数据完整性鉴别以及安全的隐蔽通信。

附图说明

图1是本发明的水印字符属性伪装方案子方案的构造图。

图2是水印嵌入过程自适应子方案的产生图。

图3是基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法过程框图。

图4是基于伪装学的方案自适应数字水印提取方法过程框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。

为了便于说明本发明，给出以下相关术语的定义：

定义1透明属性是指在水印信息的嵌入过程中，对载体文档中每个字符的当前状态所产生的视觉影响可以控制在人眼不可分辨的范围之内的字符属性。

定义2标识属性是指在水印信息的嵌入过程中，字符属性相关操作的参数数值与二进制流水印信息中编码“1”和“0”之间唯一存在一一映射关系的字符属性；在水印信息的提取过程中，有且只有根据该字符属性相关操作的参数数值才能提取到正确的二进制流水印信息。

定义3伪装属性是指在水印信息的嵌入过程中，字符属性相关操作的参数数值是任意设置的，其与二进制流水印信息中编码“1”和“0”之间不存在唯一关系的字符属性；在水印信息提取过程中，根据该字符属性相关操作的参数数值也不能提取到正确的二进制流水印信息。

图1是本发明的水印字符属性伪装方案子方案的构造图。

子方案的构建：

假设算法中共使用N种标识属性来嵌入及提取水印信息，可按以下方法进行子方案构建。

首先，将N种透明属性分别作为N组子方案中的标识属性并加入其对应的操作来构建N组初始子方案，其中必须确保标识属性相关操作的参数数值与二进制流水印信息中编码“1”和“0”之间是一一映射的关系。

其次，在N组初始子方案中分别加入与本组中标识属性相对的其余N-1种作为伪装属性的透明属性的相关操作来构建N组最终子方案，其中伪装属性相关操作的参数数值与二进制流水印信息中编码“1”和“0”之间的关系是任意的。

图3是基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法过程框图。

读取需要嵌入的数字水印信息W(如版权信息)和密钥K，将待隐藏的有效水印信息W根据ANSI编码规则转换为二进制序列

Wb＝wb1w b2...wbs...wbg，其中wbs∈{0,1}，1≤s≤g。

二进制流水印信息Wb与二进制流密钥Kb进行循环取模，得到加密后的二进制序列Wkb。

将二进制水印信息Wb和二进制密钥信息Kb进行循环取模加密处理得到加密后的二进制水印信息Wkb。

w_{kbi} = \{\begin{matrix} w_{bi} &CircleTimes; k_{b ((i - 1) \mod (g - 1)} & p > g \\ k_{bi} &CircleTimes; k_{b ((i - 1) \mod (p + 1)} & p < g \end{matrix}, w_{kbi} &Element; {0,1}, 1 \leq i \leq n, n = \max {p . g}

步骤A3：将加密后的二进制流水印信息Wkb进行纠错编码处理得到编码后的二进制流水印信息Wkcb。

将加密后的二进制水印信息Wkb进行(7,4)汉明码编码处理得到编码后的二进制水印信息Wckb。生成的序列具有纠错能力，可以检测两个错码，并可一个一个纠正错码。

步骤A4：用N种标识属性来构建子方案，每种子方案包含一个标识属性和N-1个伪装属性及相关操作，为每组子方案设置一个索引号并按升序排列得到一个初始方案序列。

将N种透明属性分别作为N组子方案中的标识属性并加入其对应的操作来构建N组初始子方案，在N组初始子方案中分别加入与本组中标识属性相对的其余N-1种作为伪装属性的透明属性的相关操作来构建N组最终子方案。根据密钥信息K计算其BKDR哈希值h并进行相关运算得到自适应方案序列表T。

构建子方案的标识属性必须确保标识属性相关操作的参数数值与二进制流水印信息中编码“1”和“0”之间是一一映射的关系；而伪装属性的相关操作的参数数值与二进制流水印信息中编码“1”和“0”之间的关系是任意的。

步骤A5：根据密钥信息K和初始方案序列计算其BKDR哈希值h并进行排列运算得到自适应方案序列表T。

按下列公式计算密钥信息K的BKDR哈希值h：

h_{i} = Σ_{i = 1}^{n} h_{i - 1} \times s + k_{i} .

步骤A6：嵌入同步头信息S，并设初值n＝0，i＝0；

在进行循环嵌入水印信息前，可以对分档进行分析，具体如下操作：

读取载体文档，统计载体文档字符数M，在嵌入水印信息前先嵌入同步头S。判断水印容量能否足以嵌入待嵌入的水印信息，如果水印容量不足以嵌入待嵌入的水印信息，系统报错。

步骤A7：依次从自适应方案序列表T中取出一种方案Ti；

步骤A7-步骤A9中，顺序从自适应方案序列T中选择各个T1,T2,…Tj…TN子方案，对应于选中的第j种子方案，修改文本的第j个字符属性，嵌入nj比特水印信息，直到所有的水印信息按此方式嵌入完成。接着对水印信息进行循环嵌入，直到达到载体文档字符数M。

图4是基于伪装学的方案自适应数字水印提取方法过程框图。

本发明还提供一种基于伪装学的方案自适应数字水印提取方法，包括以下步骤：

步骤B1:输入待检测文档Tw，密钥信息K；

步骤B7:依次从自适应方案序列表T中取出一种方案Ti。

Claims

1.一种基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法，其特征在于：

步骤A6：嵌入同步头信息S，并设初值n＝0，i＝0；

步骤A7：依次从自适应方案序列表T中取出一种方案Ti；

2.根据权利要求1所述的基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法，其特征在于：

步骤A3中纠错编码处理为(7，4)汉明码编码处理。

3.根据权利要求1所述的基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法，其特征在于：

步骤A4中，将N种透明属性分别作为N组子方案中的标识属性并加入其对应的操作来构建N组初始子方案，在N组初始子方案中分别加入与本组中标识属性相对的其余N-1种作为伪装属性的透明属性的相关操作来构建N组最终子方案；根据密钥信息K计算其BKDR哈希值h并进行相关运算得到自适应方案序列表T。

4.根据权利要求3所述的基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法，其特征在于：

步骤A4中，构建子方案的标识属性必须确保标识属性相关操作的参数数值与二进制流水印信息中编码“1”和“0”之间是一一映射的关系；而伪装属性的相关操作的参数数值与二进制流水印信息中编码“1”和“0”之间的关系是任意的。

5.根据权利要求1所述的基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法，其特征在于：

步骤5中，按下列公式计算密钥信息K的BKDR哈希值h：

h_{i} = Σ_{i = 1}^{n} h_{i - 1} \times s + k_{i} .

6.根据权利要求1所述的基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法，其特征在于：

步骤A7-步骤A9中，顺序从自适应方案序列T中选择各个T1，T2，...Tj...TN子方案，对应于选中的第j种子方案，修改文本的第j个字符属性，嵌入nj比特水印信息，直到所有的水印信息按此方式嵌入完成；接着对水印信息进行循环嵌入，直到达到载体文档字符数M。

7.一种基于伪装学的方案自适应数字水印提取方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤B1：输入待检测文档Tw，密钥信息K；

步骤B2：将密钥信息K转化成二进制流密钥信息Kb；二进制流密钥信息Kb进行解密处理；

步骤B4：根据密钥信息K初始方案序列计算其BKDR哈希值h并进行排列运算得到自适应方案序列表T；

步骤B5：依次选定待检测文档Tw中的每一个字符c，若字符c为同步头位，重复步骤B5；否则，进入步骤B6；

步骤B6：提取同步头信息S，定义i＝0；若同步头被破坏，光标跳至下一同步头位置，重复步骤B5；

步骤B7：依次从自适应方案序列表T中取出一种方案Ti；

步骤B8：将方案Ti作用于字符c提取并保存1bit编码，若方案Ti作用的时间长度等于该方案设定的作用时间长度li，进入步骤B6且i＝(i++％N)；否则进入步骤B4；直至完成所有自适应方案序列表T的所有Ti；

步骤B9：利用大数定理，对每一个水印的长度进行统计，确认概率最大的长度为水印最终长度，并提取长度匹配的水印信息内容，得出一组正确的二进制流水印信息Wkcb；

步骤B10：将得到的二进制流水印信息Wkcb进行解码处理，得到解码后的二进制流水印信息Wkb；

步骤B11：将解码后的二进制流水印信息Wkb与二进制流密钥信息Kb进行解密处理得到解密后的二进制流水印信息Wb并其转化成字符形式W’，即提取到的水印信息，输出W’。

8.根据权利要求7所述的基于伪装学的方案自适应数字水印嵌入方法，其特征在于：

步骤B2中，解密处理为为(7，4)汉明码编码处理。