CN113506206B - 一种适用于档案图像的具有纠错机制的隐形数字水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于档案图像的具有纠错机制的隐形数字水印方法。该方法中，首先需要设定数字水印方法需要隐藏的秘密信息；然后根据秘密信息的数值特征，自适应地计算出需要嵌入地完整数字水印信息，其中设置了纠错码机制，可以将水印信息的误检测率降到最低水平；最后运用数字水印技术将水印信息嵌入到电子档案扫描图像中，平铺满整个图像，实现对于电子档案扫描图像的版权保护、泄密追踪。

Description

一种适用于档案图像的具有纠错机制的隐形数字水印方法

技术领域

本发明研究的是隐形数字水印这一领域，提出了一种适用于档案图像的具有纠错机制的隐形数字水印方法，该方法将水印信息嵌入到电子档案扫描图像中，可以用于档案图像的版权保护、泄密追踪。

背景技术

随着信息化时代的到来，传统的纸质档案管理方法已经满足不了现实的需求。随着档案文件的增加和集中化管理，档案工作者的负担也变得十分沉重。因此，档案数字化建设已渐成趋势，其重要内容是将纸质档案扫描成图像档案、电子文档并归档，方便日后查看、调用和转档等工作。一般来说，档案是部门、组织在运作过程中的事实记录，对于国家和相关机构具有保存价值，在日常活动中需要频繁地查看使用，其泄露和篡改会视档案本身的价值造成一定的风险和损害。尤其是对于一些涉及公司核心利益、或是涉及国家安全的敏感部门，其档案的泄露和篡改，更可能会引起巨大的安全威胁、信任危机，引发社会问题。

数字化后的电子档案与传统的纸质档案有着本质区别，电子档案载体与内容是分离的，它具有易复制、流通快且篡改后不易察觉的特点，通过简单的复制操作就可以得到一份与原始档案相同的文件，通过目前常见的各种处理软件就可以对其任意修改。电子档案的窃取与篡改成本小、难度低，这导致档案的真实性难以鉴别，档案的安全性受到极大的挑战。在网络环境下，电子档案的生成是虚拟的过程，人们难以分辨出电子档案的原件和复制件。当档案在网络环境下被复制分发到多个接收者时，由于内容相同，档案的原始性无法进行认定。在这种情况下，电子档案是否可信也就成为了一个重大的问题。在传统意义上，档案是人们从事工作过程中所形成的有价值的记录。如果缺乏原始凭证性，那么档案就失去了其本质意义。

针对数字图像的数据安全问题，一种常用的方法就是嵌入数字水印。水印主要分为鲁棒水印和脆弱水印，鲁棒水印的特点主要有：水印在通常或特定视觉条件下具有不可感知性；嵌入水印的图像在一定的图像处理后，水印信息仍然完整留存在图像中；非产权拥有者很难从图像中检测出有意义的水印信息，而经过授权的用户能快速、准确地提取出水印信息；嵌入水印的图像在通过印刷或扫描后，水印信息仍然能被完整地提取出来。这即是鲁棒水印的几个特征：不可感知性；冗余性；安全性；鲁棒性。

因此，在档案数字化建设的关键时刻，针对目前电子档案面临的严峻安全问题，亟需将数字水印技术引入到电子档案的保护中，对档案篡改、泄密等问题进行溯源追踪。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种适用于档案图像的具有纠错机制的隐形数字水印方法。

本发明的技术方案步骤如下：

一种适用于档案图像的具有纠错机制的隐形数字水印方法，其步骤如下：

S1：针对使用电子档案扫描图像的用户生成一个二进制秘密信息串；

S2：根据二进制秘密信息串，通过带有纠错机制的水印自适应生成方法生成需要嵌入的完整数字水印信息，所述水印自适应生成方法的步骤如S21～S25所示：

S21：将二进制秘密信息串作为一个二进制数转换成一个11位的X进制数N＝(n1,n2,…,n11)，X为任意正整数；

S22：利用数值取余方法分别将该X进制数N对于数B1、数B2进行取余运算，得到余数值M1、M2；其中B1＝X²，而B2为小于B1的最大质数；

S23：将M1、M2分别转换为2位的X进制数，转换结果记为M1＝(m11,m12)，M2＝(m21,m22)；

S24：将X进制数N每一位的数值、M1每一位上数值以及M2每一位上数值进行相加求和，并求得16位数值之和对于数X-1进行取余运算，得到的余数值m3；

S25：将计算得到的m11,m12,m21,m22,m3五个数值隔空插入到11位的X进制数N中，得到最终的完整数字水印信息；

S3：将得到的完整数字水印信息按每4位为一组顺次分为四组，每一组的4位数值作为一个水印块；

S4：将整个电子档案扫描图像分割成一系列512像素*512像素的图像块，每个图像块作为嵌入完整数字水印信息的一个最小载体单元，进一步分割为不重叠的4个256像素*256像素的子图像块，采用数字水印技术将完整数字水印信息对应的4个水印块以一一对应的形式分别嵌入4个子图像块中；所有图像块均嵌入完整数字水印信息后，得到带有数字水印的档案图像。

作为优选，所述S1中，为每个使用电子档案扫描图像的用户创建一个具有唯一性的二进制秘密信息串。

作为优选，所述二进制秘密信息串对应的10进制值不高于X的11次方。

作为优选，所述S21中，将二进制秘密信息串作为一个二进制数转换成一个11位的X进制数N时，若二进制数转换成X进制后得到的位数不足11位，则通过对高位进行补0操作得到11位的X进制数N。

作为优选，所述S21中，X为6。

作为优选，所述S23中，将M1、M2分别转换为2位的X进制数时，若被转换数转换成X进制后得到的位数不足2位，则通过对高位进行补0操作得到2位的X进制数。

作为优选，所述S24中，m3＝S％(X-1)，其中％代表求余运算，

作为优选，所述S25中，数值隔空插入后的16位完整数字水印信息表示为M＝(n1,n2,n3,m11,n4,n5,n6,m12,m21,n7,n8,n9,m22,n10,n11,m3)。

相对于现有技术而言，本发明的有益效果如下：

对于数字化建设中电子档案扫描图像的安全问题，本发明提出引入数字水印技术，用于将秘密信息嵌入到电子档案扫描图像中，实现对档案图像的全面保护。在这一创新性的应用场景中，水印信息的准确性尤其重要，一旦在泄密、篡改等事件中，将误检测的水印信息作为“电子指纹”证据，指认了错误的当事人，那将会造成非常恶劣的影响。基于此，本发明设计了一种纠错码机制，用于将检测水印信息的误码率降到最低水平，以期于平衡电子档案水印图在显示质量、水印容量、水印误码率三者之间的矛盾。同时，对于整个受保护的电子档案扫描图像，本发明方法提出制定最小载体单元，每个最小单元都拥有完整的水印信息，将最小单元平铺满整个图像，以对抗局拍、篡改等攻击，提升水印系统的鲁棒性。

附图说明

图1为适用于档案图像的具有纠错机制的隐形数字水印方法的流程图。

图2为嵌入数字水印后的一个电子档案扫描图像效果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方案作进一步详细描述。

在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种适用于档案图像的具有纠错机制的隐形数字水印方法，其实现步骤如S1～S4所示。下面对各步骤的具体实现形式进行展开描述。

S1：根据业务逻辑需要，设定数字水印方法需要隐藏的秘密信息，即针对每一个使用电子档案扫描图像的用户生成一个专属的二进制秘密信息串。这相当于该用户使用该档案图像的一个“电子指纹”，而且这个“电子指纹”具有唯一性，确定性，指向性

S2：根据S1中生成的二进制秘密信息串，通过带有纠错机制的水印自适应生成方法生成需要嵌入的完整数字水印信息。其中带有纠错机制的水印自适应生成方法的具体步骤如S21～S25所示：

S21：将二进制秘密信息串视为一个二进制数，将这个二进制数转换成一个11位的X进制数N，该X进制数N表示为N＝(n1,n2,…,n11)，ni代表X进制数N的第i位。需要说明的是，该X进制为任意进制，即X为任意正整数。

在该二进制与X进制数的转换过程中，需要保证能够形成一个11位的X进制数N，因此对于二进制秘密信息串的取值是有要求的，该二进制秘密信息串对应的10进制值不能高于X的11次方。由此，二进制秘密信息串转换成X进制后，其不会多余11位。但是将二进制秘密信息串作为一个二进制数转换成一个11位的X进制数N时，假如二进制数转换成X进制后得到的位数不足11位，则需要通过对高位进行补0操作进行补全，即在转换得到的数值前不断补上0，直至得到11位的X进制数N。

S22：利用数值取余方法分别将该X进制数N对于数B1、数B2进行取余运算，得到余数值M1、M2，即M1＝N％B1，M2＝N％B2。其中数B1、数B2均与进制X有关，具体的：B1＝X²，而B2为小于B1的最大质数。

S23：然后将M1、M2分别转换为2位的X进制数，M1转换成2位数值m11和m12，M2转换成2位数值m21和m22，由此转换结果记为M1＝(m11,m12)，M2＝(m21,m22)。

同样的，将M1、M2分别转换为2位的X进制数时，若被转换数转换成X进制后得到的位数不足2位，则通过对高位进行补0操作，即在转换得到的数值前不断补上0，得到2位的X进制数。

S24：将X进制数N每一位的数值(即n1，n2，…，n11)、M1每一位上数值(即m11,m12)，以及M2每一位上数值(即m21,m22)进行相加求和，并求得16位数值之和对于数X-1进行取余运算，得到的余数值m3。该过程通过公式表达如下：

m3＝S％(X-1)

其中％代表求余运算。S为16位数值之和，表达式为：

S25：将计算得到的m11,m12,m21,m22,m3五个数值隔空插入到11位的X进制数N中，即这五个数值不能完全连续地插入X进制数N中，得到最终的完整数字水印信息，该信息一共具有16位。具体的插入位置与最终的水印效果存在一定的影响。本发明中通过试验，确定了最佳的隔空嵌入规则，数值隔空插入后的16位完整数字水印信息表示为：

M＝(n1,n2,n3,m11,n4,n5,n6,m12,m21,n7,n8,n9,m22,n10,n11,m3)

在上述S2中，实际的秘密信息是11位的X进制数n1，n2，…，n11，但是由于本发明引入了纠错机制，因此通过这11位的X进制数m11,m12,m21,m22,m3，我们能够算出唯一对应的5位X进制数。把这16位数作为水印信息嵌入图像中后，在后续提取水印的过程中，我们也可以重新得到了这个16位数。进而把提取到的这个16位数根据隔空嵌入规则分成相应的11位数和5位数两部分，对其中的11位数这部分，重新计算它对应的5位数，并与之前提取得到的5位数比较。若不相同，则说明水印提取过程出错；若相同则说明水印提取过程未出错。由此，其可以用于对提取的水印进行纠错。

S3：将得到的完整数字水印信息按每4位为一组顺次分为四组，每一组的4位数值视作一个整体，作为一个水印块，因此一组完整数字水印信息一共得到了4个水印块。

在具体的水印嵌入过程中，每个水印小块分别嵌入到一个256像素*256像素的小图像块中，则4个水印小块就嵌入到一个512像素*512像素的大图像块中，4个小图像块的组合方式为正方形即2*2排列，而非长方形即1*4或4*1排列。这个大图像块就作为完整数字水印信息的一个最小载体单元。在该做法下，可以将完整数字水印信息的最小载体单元平铺在整个电子档案扫描图像上，具体做法如后续S4所示。

S4：将整个电子档案扫描图像分割成一系列512像素*512像素的图像块。然后每个图像块作为嵌入完整数字水印信息的一个最小载体单元，进一步分割为不重叠的4个256像素*256像素的子图像块，采用数字水印技术将完整数字水印信息对应的4个水印块以一一对应的形式分别嵌入4个子图像块中，即每一个水印块嵌入有且仅有一个子图像块中。本发明中，具体采用的数字水印技术不限，只要能够将水印块中的水印信息嵌入图像即可。

整个电子档案扫描图像分割成的所有图像块均需要嵌入一组完整数字水印信息，全部嵌入完毕后即可得到带有数字水印的档案图像。由于本发明中整个电子档案扫描图像中的每一个图像块均为一个最小载体单元，这些最小载体单元平铺在整个电子档案扫描图像上并被嵌入了相同的水印，因此这样可以进一步提升本水印策略的鲁棒性，并有效对抗局部拍摄，裁剪攻击，模糊锐化等影响手段，提升本水印系统的实现效果。

为了具体展示上述S1～S4所述的水印方法的具体效果，我们将其应用于具体实例中进行验证。

首先我们定义如下：

1)误码，是指提取的16位水印信息中有一位或者多位上的数与嵌入的水印信息不同。

2)误检测，是指提取的水印信息明明发生了误码，但却依旧认为其是有效的，并从中提取了错误的秘密信息。

对于16位的水印信息，我们希望它能无损地被提取，但在实际应用中难免出现误码。我们希望，在出现误码的情况下，这16位水印信息会因不满足纠错机制而被筛查出来，不至于误检测，或者至少，它在误检测的情况下，误码的位数尽可能地多，因为这也意味着误检测发生的条件更严苛，可能性更低。

本实施例中设计了碰撞实验，来分析纠错机制的效果。每次随机产生两个符合纠错规则的水印信息A和B，并计算这两个水印信息之间对应位数上的值不同的个数C，这代表了：一个水印信息A，在误码C位数的情况下，有可能碰巧变为B，此时会发生误检测。我们认为，当C在等于3或4时，这表示误检测概率值得警惕，我们会记录它发生的数量。特别的，如果C小于等于2，那是我们绝不可以接受的，这意味着有相对较大的误检测概率。

类似抛硬币一样，当经过足够数量的实验次数之后，其发生相应事件的统计概率无限逼近于真正的概率。所以，对本发明设计的水印方法(记为MOD3631)，分别进行了20亿次的碰撞实验，统计C小于等于4的各情况下发生碰撞的次数，在实验时设置进制X为6，即二进制需转换为六进制。同时作为对比，本实施例也用传统的Hash和CRC16校验算法进行了同步实验。三种方法的具体结果如下：

表1三种方法的具体碰撞实验结果

算法	C＝0	C＝1	C＝2	C＝3	C＝4
						MOD3631	2	0	0	460	4414
Hash	0	0	81	1870	24992
						CRC16	1	0	80	672	5648

C＝0表示随机生成的两个水印信息A和B正好相等，代表没有误码的情况，这并不属于误检测。表1的碰撞实验结果表明，本发明带有纠错机制的数字水印方法MOD3631效果明显好于另外两种方法，MOD3631不会在误码位数小于等于2的情况下发生误检测，且误码位数为3或4的时候，误检测概率也是相对低的。

而且，图2为嵌入数字水印后的一个电子档案扫描图像效果图，从中可以看出本发明对图像效果的影响较小，肉眼基本无法分辨，因此本发明可用于实现对于电子档案扫描图像的版权保护、泄密追踪。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种适用于档案图像的具有纠错机制的隐形数字水印方法，其特征在于，步骤如下：

S1：针对使用电子档案扫描图像的用户生成一个二进制秘密信息串；

S2：根据二进制秘密信息串，通过带有纠错机制的水印自适应生成方法生成需要嵌入的完整数字水印信息，所述水印自适应生成方法的步骤如S21～S25所示：

S21：将二进制秘密信息串作为一个二进制数转换成一个11位的X进制数N＝(n1,n2,…,n11)，X为任意正整数；

S22：利用数值取余方法分别将该X进制数N对于数B1、数B2进行取余运算，得到余数值M1、M2；其中B1＝X²，而B2为小于B1的最大质数；

S23：将M1、M2分别转换为2位的X进制数，转换结果记为M1＝(m11,m12)，M2＝(m21,m22)；

S24：将X进制数N每一位的数值、M1每一位上数值以及M2每一位上数值进行相加求和，并求得16位数值之和对于数X-1进行取余运算，得到的余数值m3；

S25：将计算得到的m11,m12,m21,m22,m3五个数值隔空插入到11位的X进制数N中，得到最终的完整数字水印信息；

S3：将得到的完整数字水印信息按每4位为一组顺次分为四组，每一组的4位数值作为一个水印块；

S4：将整个电子档案扫描图像分割成一系列512像素*512像素的图像块，每个图像块作为嵌入完整数字水印信息的一个最小载体单元，进一步分割为不重叠的4个256像素*256像素的子图像块，采用数字水印技术将完整数字水印信息对应的4个水印块以一一对应的形式分别嵌入4个子图像块中；所有图像块均嵌入完整数字水印信息后，得到带有数字水印的档案图像。

2.根据权利要求1所述的适用于档案图像的具有纠错机制的隐形数字水印方法，其特征在于，所述S1中，为每个使用电子档案扫描图像的用户创建一个具有唯一性的二进制秘密信息串。

3.根据权利要求1所述的适用于档案图像的具有纠错机制的隐形数字水印方法，其特征在于，所述二进制秘密信息串对应的10进制值不高于X的11次方。

4.根据权利要求3所述的适用于档案图像的具有纠错机制的隐形数字水印方法，其特征在于，所述S21中，将二进制秘密信息串作为一个二进制数转换成一个11位的X进制数N时，若二进制数转换成X进制后得到的位数不足11位，则通过对高位进行补0操作得到11位的X进制数N。

5.根据权利要求1所述的一种适用于档案图像的具有纠错机制的隐形数字水印方法，其特征在于，所述S21中，X为6。

6.根据权利要求1所述的适用于档案图像的具有纠错机制的隐形数字水印方法，其特征在于，所述S23中，将M1、M2分别转换为2位的X进制数时，若被转换数转换成X进制后得到的位数不足2位，则通过对高位进行补0操作得到2位的X进制数。

7.根据权利要求1所述的适用于档案图像的具有纠错机制的隐形数字水印方法，其特征在于，所述S24中，m3＝S％(X-1)，其中％代表求余运算，

8.根据权利要求1所述的适用于档案图像的具有纠错机制的隐形数字水印方法，其特征在于，所述S25中，数值隔空插入后的16位完整数字水印信息表示为M＝(n1,n2,n3,m11,n4,n5,n6,m12,m21,n7,n8,n9,m22,n10,n11,m3)。