CN110796586A

CN110796586A - 一种基于数字点阵的盲水印方法、系统及可读存储介质

Info

Publication number: CN110796586A
Application number: CN201911036028.XA
Authority: CN
Inventors: 贺赞贻; 张潇潇; 吴熙曦; 王海滨; 朱青
Original assignee: Chinese People's Liberation Army 63850
Current assignee: Chinese People's Liberation Army 63850
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2039-10-29
Also published as: CN110796586B

Abstract

本发明公开了一种基于数字点阵的盲水印方法、系统及可读存储介质，该方法在计算机正式使用前建立用户信息档案，包括水印信息的生成方法、水印嵌入方式、水印检测方法。在点阵码表中通过随机编码的方式，形成唯一标识相关信息的点阵水印，模仿能力较低，能够抵御他人恶意陷害，保证任何第三方都不能伪造水印，安全性较好。在视觉上不影响现有计算机的使用功能的基础上通过嵌入的点阵水印锁定计算机，以及涉密敏感信息被拍照的时间，最终锁定信息泄露嫌疑人。

Description

一种基于数字点阵的盲水印方法、系统及可读存储介质

技术领域

本发明属于信息处理领域，特别涉及一种基于数字点阵的盲水印方法、系统及可读存储介质。

背景技术

目前，计算机可通过安装标签水印系统的方法对涉密敏感信息的打印输出进行较好的管控。该系统主要利用汉子本身的结构差异进行特征注入，结合汉字点阵位图技术，用信号处理的方法将计算机编码转换为数字水印编码嵌入至打印的数据文件中，然后打印出水印材料。这种水印标记常态下是不可见的，只有将打印后的文件经过扫描输入计算机，通过专用的识别软件，可迅速将计算机的编码输出，由此可以根据编码追溯到打印此文件的源计算机。

数字水印技术是当前应用较多的多媒体作品版权保护技术，基本思想是将多媒体作品的版权信息作为水印信号，嵌入到相应的多媒体作品当中，在需要时通过特定的技术手段提取水印信息从而确定版权归属。当前的数字水印技术，按照水印的检测过程可以分为盲水印和非盲水印。盲水印指的是不需要原始数据的参与，只需要密钥，非盲水印是指需要原始数据的参与。目前，数字水印技术研究主要集中在非盲水印方面，然而当军队通过屏幕拍照、摄像等方式发生涉密敏感信息泄露时，不容易或不可能获得原始数据，盲水印更符合军队实际情况和应用前景。

然而，随着互联网大数据的爆炸式增长，个人及单位的关键信息及涉密敏感信息泄漏问题越来越严重，相应的保护措施及技术手段则越来越重要。涉密计算机设备中存放的大量单位内部资料等涉密敏感信息，随着具有拍照、摄像功能的智能设备的不断增多，这些涉密敏感信息通过屏幕拍照、录像等方式把重要电子数据外泄出去成为了计算机的一大隐患。一旦发生涉密信息泄露事件，受害者往往很难查找到泄密的源头，给单位及用户的信息安全带来极大的安全威胁，如何防止通过屏幕拍照、摄像等方式将涉密敏感信息泄露出去是保密工作中急需解决的问题之一。

发明内容

本发明提供了一种基于数字点阵的盲水印方法、系统及可读存储介质，其目的在于，克服现有技术中计算机信息容易被拍摄，形成泄密后，在无法获取原始数据时，无法确定泄密源的问题。

一种基于数字点阵的盲水印方法，包括：

点阵水印生成阶段，依据待编码的计算机数量选择对应大小的点阵，并利用所选点阵构建点阵数据库；基于点阵数据库中的码字对应的编号，对计算机的版权信息和实时使用时间进行编码，获得对应码字，再随机选择未选的码字作为起始位，按照预设的水印生成排列方式，生成计算机的一组点阵水印单元；

点阵水印嵌入阶段，将点阵水印单元按照预设的点阵嵌入顺序，嵌入至计算机整个待处理界面上；其中，每个点阵水印单元中的水印点的颜色为待处理界面中该点的8近邻点的颜色均值；

点阵水印提取阶段，按照预设的点阵嵌入顺序，以起始位码字对应的点阵开始，从图片中提取一组点阵水印单元，并依据点阵数据库的码字编号，读取出计算机版权信息和图片拍摄时的计算机使用时间，获得图片对应的版权信息。

通过将版权信息转化为点阵信息嵌入至计算机的待处理界面上，再利用点阵上的水印点的颜色取8近邻点的颜色均值，从而淡化点阵水印，降低水印对待处理界面的显示效果；提取出的点阵水印若能够从点阵数据库中寻找到匹配的码字，则可以断定图片版权信息，获取图片拍摄来源。

该方法在计算机正式使用前建立用户信息档案，在计算机正式使用中嵌入包含了用户信息档案和涉密信息的拍摄时间通过码表转换后的数字点阵水印。用户信息档案是固态信息，包括用户名、使用单位、计算机编号、计算机秘级(其中计算机密级由计算机处理的涉密信息等级确定，一般可分为绝密级、机密级、秘密级和非密级)。涉密信息的拍摄时间是动态信息，主要由日期和时间组成。现版权保护技术的关键是如何确定版权归属人，计算机处理界面数字点阵盲水印嵌入方法最大的不同是在视觉上不影响现有计算机的使用功能的基础上通过嵌入的点阵水印锁定计算机，以及涉密敏感信息被拍照的时间，最终锁定信息泄露嫌疑人。

进一步地，所选点阵中点的不同排列方式构成的码字的数量大于用户数量。

进一步地，所述点阵的大小为3*3。

进一步地，所述计算机的版权信息包括用户名、使用单位、计算机编号以及计算机秘级，所示计算的实时使用时间包括实时使用日期和时刻。

进一步地，所述点阵水印单元中每个水印点的颜色需满足以下公式：

其中，R′_(x,y)、G′_(x,y)和B′_(x,y)表示计算机屏幕中的点(x，y)为点阵水印单元中的水印点时的R、G、B值，表示计算机屏幕中的点(x，y)为点阵水印单元中的水印点时，该点的8邻域点的R、G、B均值；a、b、c、n均为非零整数，a＝1或-1；b＝1或-1；c＝1或-1；0≤n≤255；

在水印提取阶段，若从图片中提取的某点(x，y)的像素RGB(R_(x,y),G_(x,y),B_(x,y))满足

则记录点(x,y)为点阵水印中的点。

通过对水印点的颜色进行n的加密处理，使得水印不容易被破解。

一组点阵水印图案根据点阵图案的数量和水印生成排列方式有不同的组合排列方式。横向式排列是指以横向方向依次排列起始位图案、用户信息编码图案和计算机开启时间编码图案。竖向式排列是指以竖向方向依次排列起始位图案、用户信息编码图案和计算机开启时间编码图案。方阵式排列是指以方阵的形式在首位写入起始位图案，在末位写入计算机开启时间编码图案，在所有剩余位写入用户信息编码图案。横向式排列和竖向式排列主要针对用户数量较少的情况，方针式排列主要针对用户数量较多的情况。为增加鲁棒性，比如可以在3*3的点阵中固定选取点的数目，增加用户信息编码图案的数量，达到同时满足用户数量和加强点阵水印安全性的需求。

一种基于数字点阵的盲水印系统，包括：

点阵水印生成模块，依据待编码的计算机数量选择对应大小的点阵，并利用所选点阵构建点阵数据库；基于点阵数据库中的码字对应的编号，对计算机的版权信息和实时使用时间进行编码，获得对应码字，再随机选择未选的码字作为起始位，按照预设的水印生成排列方式，生成计算机的一组点阵水印单元；

点阵水印嵌入模块，将点阵水印单元按照预设的点阵嵌入顺序，嵌入至计算机整个待处理界面上；其中，每个点阵水印单元中的水印点的颜色为待处理界面中该点的8近邻点的颜色均值；

点阵水印提取模块，按照预设的点阵嵌入顺序，以起始位码字对应的点阵开始，从图片中提取一组点阵水印单元，并依据点阵数据库的码字编号，读取出计算机版权信息和图片拍摄时的计算机使用时间，获得图片对应的版权信息。

在水印提取阶段，若从图片中提取的某点(x，y)的像素RGB(R_(x,y),G_(x,y),B_(x,y))满足则记录点(x,y)为点阵水印中的点。

一种计算机可读存储介质，包括计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理终端执行时使所述处理终端执行一种基于数字点阵的盲水印方法。

有益效果

本发明提供了一种基于数字点阵的盲水印方法、系统及可读存储介质，该方法在计算机正式使用前建立用户信息档案，包括水印信息的生成方法、水印嵌入方式、水印检测方法。在点阵码表中通过随机编码的方式，形成唯一标识相关信息的点阵水印，模仿能力较低，能够抵御他人恶意陷害，保证任何第三方都不能伪造水印，安全性较好。在视觉上不影响现有计算机的使用功能的基础上通过嵌入的点阵水印锁定计算机，以及涉密敏感信息被拍照的时间，最终锁定信息泄露嫌疑人。相对于现有技术而言，具有以下优点：

1)逼真度高，嵌入水印后不影响原始矢量数据的读取。

2)易检测，对待检测的矢量数据进行检测即可获得嵌入的水印信息，或显示为非嵌入水印数据。

3)安全性较好，数字水印能抵抗各种蓄意的攻击，能够唯一标示水印的相关信息，保证任何第三方都不能伪造水印。

4)简便快捷，在对数据进行水印信息嵌入时水印信息生成便捷，以及进行数据中水印检测时系统运算处理快捷。

附图说明

图1为点阵水印单元图案的排列方式示意图，其中，(a)为横向式排列，(b)为竖向式排列，(c)为2*2方阵式排列，(d)为3*3方阵式排列；

图2为计算机屏幕中点阵水印中水印点的布局示意图；

图3为未嵌入点阵水印的计算机屏幕；

图4为采用本发明实例所述方法嵌入点阵水印后的计算机屏幕；

图5为采用单一颜色的点阵水印嵌入计算机屏幕后的示意图；

图6为一组3*3的点阵水印单元示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明做进一步的说明。

屏幕点阵水印指的是通过一定的编码规则将用户名、使用单位、计算机编号、计算机密级、日期时间等信息对应成一组点阵码字，并将这一组对应的点阵码字重复排列在计算机屏幕上。屏幕点阵水印亦可视为由一组组点阵图案构成。

计算机数量决定了点阵的大小，即点阵中点的不同排列方式构成的码字的数量必须大于用户数量。

若采取3*3的点阵形成码表时，设选取点的数目为正整数n，在点阵中选取n点的组合方式的数目为N_n。

当选择1个点时，有

种组合方式。

当选择2个点时，有

种组合方式。

当选择3个点时，有

种组合方式。

当选择4个点时，有

种组合方式。

当选择5个点时，有

种组合方式。

当选择6个点时，有种组合方式。

当选择7个点时，有

种组合方式。

当选择8个点时，有

种组合方式。

当选择9个点时，有

种组合方式。

在3*3的点阵中，根据选取点的数目的不同总共N₁+N₂+N₃+N₄+N₅+N₆+N₇+N₈+N₉＝511有组合方式，即在3*3的点阵码表中可表示511种码字。

通过计算3*3的点阵可形成的点阵码表中的码字总数的方法，可获得其他不同点阵大小对应的可形成的码字总数，如表1所示。通过计算1*1、2*2、3*3和4*4的点阵对应的可形成码字总数得出，点阵越大，可形成的码字总数越大，即码表越大。

表1点阵的大小与可形成的码字总数举例

假设现有计算机400台，分析点阵的大小与可形成的码字总数得，大小为2*2的点阵可形成15种码字，大小为3*3的点阵可形成511种码字，大小为4*4的点阵可形成65535种码字，则最合适的点阵大小为3*3。

点阵水印的安全性指的是水印能够抵御恶意陷害的能力，点阵越大，码表越大，可形成的码字越多，第三方成功伪造点阵水印的能力越低，安全性越好。然而，点阵越大，屏幕覆盖率越大，一组完成的点阵水印需要的范围越大，因此需要选择合适的点阵大小。

一组点阵水印图案包括起始位图案、用户信息对应的编码图案和最近一次计算机开启日期时间对应的编码图案。起始位图案是表示在点阵水印中该图案为嵌入水印的起始位，起始位图案一般在可形成的码字中选择某一个码字为特定水印图案，其他信息针对码表进行水印编码对应时不选择与起始位图案相同的水印图案。

一种基于数字点阵的盲水印方法，包括：

在计算机使用过程中，在每帧画面中同步加载计算机时间对应的码字，最终生成一组针对用户的实时的点阵水印图案。

水印信息主要包含两个方面，为固态信息和动态信息。固态信息是用户信息档案，包括用户名、使用单位、计算机编号、计算机秘级(其中计算机密级由计算机处理的涉密信息等级确定，一般可分为绝密级、机密级、秘密级和非密级)。动态信息是涉密信息的拍摄时间，主要由日期和时间组成。该水印信息的生成方法便于涉密信息经过计算机屏幕拍摄方式泄露之后能通过水印信息锁定泄密计算机和泄密时间段。

对3*3的矩形点阵进行举例分析，根据选取点的数目和排列方式的不同，在该点阵中可表示511种码字。因此，在1个3*3的点阵中，可在511种不同的码字中选择其中一个作为起始位图案，对用户信息进行编码时在剩下的510种码字中选择，或者表示为一个3*3的点阵可表示510组用户信息编码。

一组点阵水印图案根据点阵图案的数量和排列方向有不同的组合排列方式，如图1所示，其中，①表示起始位码字图案，②表示用户信息编码码字图案，③表示计算机时间编码码字图案。横向式排列是指以横向方向依次排列起始位图案、用户信息编码图案和计算机开启时间编码图案。竖向式排列是指以竖向方向依次排列起始位图案、用户信息编码图案和计算机开启时间编码图案。方阵式排列是指以方阵的形式在首位写入起始位图案，在末位写入计算机开启时间编码图案，在所有剩余位写入用户信息编码图案。横向式排列和竖向式排列主要针对用户数量较少的情况，方针式排列主要针对用户数量较多的情况。为增加鲁棒性，可以在3*3的点阵中固定选取点的数目，增加用户信息编码图案的数量，达到同时满足用户数量和加强点阵水印安全性的需求。

屏幕点阵水印的嵌入是指将生成的一组点阵水印图案按自定义规则依次重复排列在计算机屏幕上。涉密敏感信息可能包含在OFFICE组件如WORD、EXCEL、POWERPOINT内，也可能包含在TXT、PDF、图片、视频中，甚至在文件夹目录里也可能包含涉密敏感信息，因此，计算机的嵌入水印最好做到计算机屏幕全覆盖。

计算机颜色模式有多种，包括RGB、CMYK、HSB、位图模式等，本文采用RGB模式对屏幕进行颜色取色。RGB模式是将红(RED)、绿(GREEN)、蓝(BLUE)3种基本颜色进行颜色加法，配置出绝大部分肉眼能看到的颜色，在编码中通常用RGB(R,G,B)表示，其中R、G、B均为0至255范围内的非负整数。

当水印嵌入时，逼真度高是指水印颜色与背景色的像素差值不能过大，即计算机的水印嵌入不能严重影响现有计算机的使用功能，因此需采用颜色选择机制以获得更高的逼真度。在待嵌入点阵水印的计算机屏幕上，以左上角为坐标原点，以2个像素单位为最小单位长度建立直角坐标系。假设坐标系中有某点(x,y)，记该处的颜色为RGB(R_(x,y),G_(x,y),B_(x,y))，以m个像素点为边长画网格(其中m为正整数)，则点(x,y)周边共8个网格点，坐标分别为(x-m,y+m)、(x,y+m)、(x+m,y+m)、(x-m,y)、(x+m,y)、(x-m,y-m)、(x,y-m)、(x+m,y-m)。为防止点阵水印嵌入后在视觉上严重影响用户对计算机的使用，当点(x,y)嵌入水印后，周边8个网格点均不参与水印的嵌入，如图2所示，实心黑点表示参与了水印的嵌入，空心黑点表示没有参与水印的嵌入。

令

为点(x,y)周边8个网格点颜色RGB值的均值，则有

为避免点(x,y)与周边8个网格点的颜色RGB一致，使得

与RGB(R_(x,y),G_(x,y),B_(x,y))值一致，影响水印信息的提取，令

其中a、b、c、n均为非零整数。

在颜色RGB(R,G,B)中，R、G、B均为0至255范围内的非负整数，则RGB(R′_(x,y),G′_(x,y),B′_(x,y))有限定条件R′_(x,y)、G′_(x,y)和B′_(x,y)均为0至255范围内的非负整数，即

其中a、b、c、n均为非零整数。为满足不等式组，同时满足图片的水印检测性，为a、b、c均默认赋值为正整数1，为当R′_(x,y)、G′_(x,y)和B′_(x,y)数中某一不等式不成立时，相应的a或b或c取相反数，即取值负1，保证该不等式组的成立。

所述计算机的版权信息包括用户名、使用单位、计算机编号以及计算机秘级，所示计算的实时使用时间包括实时使用日期和时刻。

具有拍照、摄像功能的智能设备通过屏幕拍照的方式把重要电子数据外泄出去时，主要是以图片和视频的方式，而视频是由一帧帧的图片组成，因此，对图片和视频的检测方法归结于图片中嵌入水印的读取方法。

假设图片中有某点(x,y)，记该处的颜色为RGB(R_(x,y),G_(x,y),B_(x,y))，以水印嵌入前设定的正整数m个像素点为边长画网格，则点(x,y)周边共8个网格点，坐标分别为(x-m,y+m)、(x,y+m)、(x+m,y+m)、(x-m,y)、(x+m,y)、(x-m,y-m)、(x,y-m)、(x+m,y-m)。

令

为点(x,y)周边8个网格点颜色RGB值的均值，则有

若RGB(R_(x,y),G_(x,y),B_(x,y))满足

则记录点(x,y)为点阵水印中的点。

检测图片中水印信息是指在嵌入了点阵水印图案的图片中，根据默认的点阵水印排列方式，提取一组完整的原始点阵水印图案。根据点阵码表查找起始位图案之后的点阵水印图案对应的点阵编码，获得一组完整的原始点阵水印图案，根据一定的点阵水印排列方式，读取用户信息图案编码和计算机开启时间图案编码，最终获得对应的用户信息和拍摄照片时最近的一次计算机时间，确定信息泄露嫌疑人。

本文采用Matlab进行实验仿真，主要验证该算法水印颜色选择机制的有效性、实时加载计算机时间的有效性，同时与只采用同一颜色的屏幕点阵水印算法进行对比。

假设现有需编码的计算机400台，需编码信息包括起始位、用户名、使用单位、计算机编号、计算机密级、日期、时间。大小为3*3的点阵可形成511种码字，因此现合适的点阵大小为3*3。对511种码字随机排序，序号为0至510。选择随机排序后的0号码字作为起始位图案，在剩余的正整数码字中，对用户信息进行相互对应编码，其中用户信息包括用户名、使用单位、计算机编号、计算机密级、日期、时间。现要求计算机的实时日期时间精确到分，为精确表示且用较少的位数，现采用两位码字表示日期，分别表示年份和天数；为较精确表示且用较少的位数，现采用两位码字表示时间，分别表示时和分。

假设现有张三的一台编号为OABB100的秘密级计算机，使用单位为数据信息室。对用户张三的该台计算机信息根据码表进行对应编码。水印信息的固态信息为用户名、使用单位、计算机编号和计算机密级，动态信息为日期时间。

选择3*3的顺时针排序为水印排列方式，顺时针排序用户名、使用单位、计算机编号、计算机密级、日期、时间。在计算机使用过程中，在每帧画面中同步加载计算机时间对应的码字，最终生成一组针对用户的实时的点阵水印图案。

未嵌入点阵水印的图片如图3所示，在不考虑拍摄畸变的情况下，嵌入采用点阵水印颜色选择机制的水印图片如图4所示，嵌入单一颜色的屏幕点阵水印算法的图片如图5所示。经过对比发现，本文算法的水印颜色选择机制的水印图片在水印嵌后没有影响现有计算机的使用功能，有较高的逼真度，而只采用单一颜色的屏幕点阵水印算法较影响现有计算机的使用功能，本文算法的水印颜色选择机制是有效的。

对嵌入采用点阵水印颜色选择机制的图片进行水印检测，根据起始位图案和水印排列方式，获得一组水印点阵水印图案，如图6所示。经过查询点阵码表，获得用户的固态信息和动态信息，如表2所示，嵌入了点阵水印的图片是从张三的一台编号为OABB100的秘密级计算机中获得，使用单位为数据信息室，计算机的实时时间为2019年9月22日8时25分。

表2编号为OABB100计算机的点阵码表

一种基于数字点阵的盲水印系统，包括：

应当理解，本发明各个实施例中的功能单元模块可以集中在一个处理单元中，也可以是各个单元模块单独物理存在，也可以是两个或两个以上的单元模块集成在一个单元模块中，可以采用硬件或软件的形式来实现。

本发明实施例还提供一种可读存储介质，包括计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理终端执行时使所述处理终端执行所述一种基于数字点阵的盲水印，其有益效果参见方法部分的有益效果，在此不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种基于数字点阵的盲水印方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所选点阵中点的不同排列方式构成的码字的数量大于用户数量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述点阵的大小为3*3。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算机的版权信息包括用户名、使用单位、计算机编号以及计算机秘级，所示计算的实时使用时间包括实时使用日期和时刻。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述点阵水印单元中每个水印点的颜色需满足以下公式：

其中，R′_(x,y)、G′_(x,y)和B′_(x,y)表示计算机屏幕中的点(x，y)为点阵水印单元中的水印点时的R、G、B值，

表示计算机屏幕中的点(x，y)为点阵水印单元中的水印点时，该点的8邻域点的R、G、B均值；a、b、c、n均为非零整数，a＝1或-1；b＝1或-1；c＝1或-1；0≤n≤255；

则记录点(x,y)为点阵水印中的点。

6.一种基于数字点阵的盲水印系统，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述点阵水印单元中每个水印点的颜色需满足以下公式：

则记录点(x,y)为点阵水印中的点。

8.一种计算机可读存储介质，包括计算机程序指令，其特征在于，所述计算机程序指令被处理终端执行时使所述处理终端执行权利要求1至5任一项所述的方法。