CN116228507A

CN116228507A - 一种数字文本水印溯源方法及系统

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Publication number: CN116228507A
Application number: CN202310241832.1A
Authority: CN
Inventors: 叶春霖; 张鑫旭; 丁黄法; 徐宁; 刘鹏; 龚佳毅; 马宇峰; 陈炜于
Original assignee: Shanghai Yuewen Information Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Yuewen Information Technology Co Ltd
Priority date: 2023-03-14
Filing date: 2023-03-14
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2043-03-14
Also published as: CN116228507B

Abstract

本发明公开了一种数字文本水印溯源方法，所述方法包括水印添加和水印解码两个部分，所述水印添加通过将水印信息通过组合算法转换叠加至原始用户界面上，并分为可见部分和不可见部分，实现水印信息的嵌入；所述水印解码通过将已添加过水印的图片转换为矩阵并对矩阵进行计算变换，对变换后的矩阵解码后，获得水印信息。本发明还公开了一种实现上述水印溯源方法的系统，所述系统包括水印添加模块、水印解码模块；所述水印添加模块安装在手机系统或者计算机上，用于为待添加水印的用户界面添加可见和不可见的水印；所述水印解码模块运行于服务器上，用于对添加的水印进行解码，显示添加的水印。本发明所述的方法鲁棒性高、性能好、隐匿性强。

Description

一种数字文本水印溯源方法及系统

技术领域

本发明属于数字水印技术领域，涉及一种数字文本水印溯源方法及系统。

背景技术

信息隐藏是信息安全领域的一个新的研究热点，信息隐藏为在开放的网络环境下进行涉密的数据通信、数字产品的知识产权保护、重要文件和数字签名的真实性鉴别以及机密文件泄密后的消息源头追踪提供了可靠的信息安全保障。数字水印和图像隐写是信息隐藏技术的两大分支。

数字水印技术从上世纪九十年代初诞生以后，近十几年的时间得到了长足和迅猛的发展。关于灰度图像、音频和视频水印技术的研究方兴未艾并取得了很好的成果，研究人员提出了很多针对不同载体不同目的的有效算法。但是对于多平台，尤其是目前的移动客户端中的用户界面中的数字水印，尤其是界面通过各种操作系统支持的截图，或者逆向工具操作下的界面爬取后的信息源头追踪，传播溯源，版权保护，研究还处于空白。

随着社交平台的发展，用户将版权内容截屏并分享在社交化网络变得非常容易，同时各社交平台本身自带的对于上传图片的压缩也对数字水印的可靠性产生了挑战，因此设计并实现用于实时动态界面版权内容的溯源数字水印是必要也是重要的。

对于传统图像，目前已知的技术有以下几种：频域隐写技术，基于调色板的隐写术，最低有效位算法。

射频隐写技术：将图像伪随机分块，这些分块后用于嵌入比特值，对分块做DCT(离散余弦变换)，DCT后的结果，伪随机选择2个数字，b1，b2，如果要嵌入的比特值是0，确保b1小于b2；如果要嵌入的比特值是1，确保b2小于b1。如果不满足，用交换的办法来满足。加入随机性，使|b1-b2|>x这里面的x越大，算法抵抗JPEG压缩的能力越强，但是图像的质量就越差，逆向DCT变化，回到空域。即生成新图像。这种方法可以满足隐藏信息肉眼不可见，同时对于裁剪等情况都有较好适应性，但经过测试发现，生成的图像通过多平台操作系统直接完整截图或部分截图，则隐藏的水印将会直接丢失。究其原因应为该方法隐藏信息的方法为对数据做变换，而操作系统截图实际上截取的并非数据本身，而是数据解码后产生的bitmap在显存中的buffer，所以经过这一转换，原始水印信息丢失。所以该方法在用户界面条件下不可用。图6展示了射频隐写技术截图后的观察效果。

基于调色板的隐写术：GIF和BMP的调色板索引是可以随意交换顺序的，如果有N种颜色，就可以有N！种组合，因此可以用调色板的顺序来埋入信息。现代用户界面的色域远远超过GIF和BMP原始定义的有限色域，默认RGB可得的色域范围为1677万色，对此采取N！组合不可取，计算复杂度也是实时用户界面所难以接受的。

最低有效位算法：LSB(最低有效位，Least Significant Bit)利用人类视觉的一个特点，即对在某一阈值之下的变化感知不明显。LSB算法比较简单，就是把载体的二进制低位替换为密文。用公式写，就是用无符号整数运算执行下面的运算：

核心原理是，对于8比特图像，最低阶比特对我们感知图像是没有效果的。LSB同样能够隐藏信息，肉眼无法察觉图像变化。但是缺点也很明显，易受裁切和压缩影响，图片格式进行转换时，密文就会丢失，截屏同样会产生密文丢失。所以对于用户界面来说该方法同样不可用。

现有的用于图像的数字水印嵌入方法都不能同时满足以下要求：

1.鲁棒性高：抗截屏，抗一定程度图片压缩，抗涂抹，抗拍照；

2.性能高：计算复杂度低，时延小，多平台易部署；

3.隐匿性好：不可见或低可见。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种数字文本水印溯源方法及系统。

本发明提供了一种数字文本水印溯源方法，包括水印添加和水印解码两个部分，水印添加方法包括：将目标信息通过组合算法转换叠加至原始文本界面顶部，并分为可见部分及不可见部分，实现水印信息的嵌入。水印解码方法包括获取用户以各种形式截取阅读器界面后在互联网上传播的图像，经过算法转换后可解析原信息，水印解码时不需要原始界面参与，同时可抵抗合理范围(在本发明中，对原图像进行低于原面积40％范围的修改均能够通过本发明的方法进行溯源)内的涂抹，截屏，拍照，图像压缩，及互联网平台所添加的针对图像的转换操作等。

具体地，

添加水印操作步骤：

1.获取待添加水印的用户界面S，获取待添加的水印信息I；一般可以将ASCII编码下的有限文本作为水印信息添加到界面上，例如可以将用户ID作为水印；

2.提取用户界面S的屏幕主色值a3；

3.将水印信息I基于Code 128条形码标准进行可见水印的绘制，水印信息I的色值为以a3进行变换，获得的第一色值c；水印信息I的色值还可以由使用者进行输入，在由使用者进行输入的情况下，无法保障最终的鲁棒性；

可见水印一般可以绘制于用户界面S的左上角，可见水印的大小为：宽度为界面宽度的一半左右，高度为1-3个像素；具体的大小可以根据实际情况进行修改；

其中，Code 128是ISO/IEC 15417:2007定义的条形码规范。Code 128条码指定相互间隔的3个条形和3个空白(共六个单元)代表一个字符，每个字符由一个条形开始，以一个空白结束；

通过色值变换能够加大可见水印的颜色与用户界面的颜色的区分度。

第一色值的计算方法如下：

c＝a3*0.8

若

abs(c-a3)＜0.1

则还需要对c取反相颜色，取反相还能够解决由于例如夜间模式等产生的用户界面色值a3和可见水印颜色c过于相近的问题。

将基于Code 128条形码标准绘制完成的可见水印的条形码缩放至当前屏幕宽度的一定比例，例如宽度为0.5，高度设为2个像素，置于用户界面中；对色值取反的目的为若色值距离过于接近，则可见水印可能不够清晰，因此直接取反减小后续传播过程中图片压缩对于可见水印的损害。0.1只是一个实践得出的数字，为在实践中获得的较好的对色值取反的阈值，因实际需要可以进行调整。

4.获取不可见水印的第二色值a4：对a3进行以下计算取得l，l表示用户界面的luminance亮度，若l小于0.5则设a4为(1，1，1)，l大于0.5则设a4为(0，0，0)，此处绘制的为不可见水印，需要取屏幕主色a3的亮度l进行二值化操作，以最大化减小不可见水印在后续传播中经过各种压缩的损失。下述公式中的r,g,b代表色值a3的r gb通道值。

max＝max(a3.r,a3.g,a3.b)

min＝min(a3.r,a3.g,a3.b)

l＝(max+min)/2

5.将水印信息I基于code 128条形码标准进行不可见水印的绘制，采用色值为a4，透明度设为1/255，以当前用户界面宽高w，h为例，绘制的条形码宽为w/3，高为根据实际情况预先设定的值bar_h，实践中采用30像素，绘制为循环平铺操作，在宽和高上均铺满整个用户界面，伪代码如下：

int count＝floor(h/bar_h)；//设置h高下所需绘制的数量

for(int i＝0；i＜count；i+＝2){

Rect target＝RectMake(random()*(width-w/3-40)+20,i*bar_h,width,bar_h)；/设置绘制的矩形范围

barcodeImage.drawInRect(target)；//绘制于矩形范围内

}

6.将绘制结果覆盖至原有用户界面之上，完成水印添加步骤。

解码水印步骤：

1.获取待分析的截屏图片；

2.采用通用映射操作将图片转化为矩阵mat₀；矩阵的大小为w*h*4，其中，w表示用户界面的宽，h为用户界面的高，4代表为每像素的RGBA值；

3.对图像转化后的矩阵mat₀进行计算：

mat₁＝mat₀*a

mat₂＝mat₁*mat₁+b

对矩阵进行计算操作的本质上为压缩像素色域范围，a,b为用于压缩像素色域范围的超参数，在实践中可以取211，56，以此对应常见的明暗色调界面图片，也可以根据其他可用的情形进行修改，转换后效果见图5。

4.将mat₂调用常见条形码解析工具进行解码。本发明实践中选取zxingcpp进行图片中条形码识别(https://github.com/zxing-cpp/zxing-cpp)。

本发明水印生成综合利用了不同图像压缩算法(jpg，png等)在低熵情况下的信息保留能力，以及人类对于色彩变化的心理盲区，创新的实现了在大规模覆盖水印的情况下对于用户界面进行了最低限度的侵入和干扰，同时保证了在截图分享这一必经途径上水印信息最大程度的保留。同时基于非常可靠的编解码以及绘制原理，实现了与业务方极低的接入成本与实践中的高性能，保障了用户界面的正常响应以及知识产权的保护及溯源。

本发明还提供了一种实现上述方法的数字文本水印溯源系统，所述系统包括：

水印添加模块、水印解码模块；

其中水印添加模块基于平台区分为Android版，iOS版，web版，可以安装在不同手机系统或者计算机上，水印解码模块运行于服务器上，目前已有python版本，后续还可以开发C、JAVA等其他版本。

其中，所述水印添加模块用于为待添加水印的用户界面添加可见和不可见的水印；

所述水印解码模块用于将添加到用户界面的水印显示出来以供常见条形码解析工具解码。

具体地，所述水印添加模块进一步包括用户界面及水印信息获取模块、用户界面色值提取模块、水印绘制模块、水印色值获得模块、水印覆盖模块；

所述用户界面及水印信息获取模块用于获得待添加水印的用户界面和待添加的水印信息；

所述用户界面色值提取模块用于提取用户界面的主色值；

所述水印绘制模块用于将水印信息利用Code 128条形码标准绘制成条形码；

所述水印色值获得模块用于通过计算分别获得可见是因和不可见水印的色值；

所述水印覆盖模块用于将水印叠加于原有用户界面上，完成水印添加；

所述水印解码模块进一步包括图片读取模块、图片转换计算模块、水印解码模块；

所述图片读取模块用于读取待分析的带水印的图片；

所述图片转换计算模块用于将图片转换为矩阵，并通过矩阵运算压缩像素色域范围；

所述水印解码模块用于对转换后的矩阵进行解码，获得预先添加的水印。

本发明还提供了一种实现本发明水印溯源方法的硬件系统，所述硬件系统包括：存储器和处理器；所述存储器上存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理器执行时，实现本发明所述的水印溯源方法。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现本发明所述的水印溯源方法。

本发明的有益效果包括：与现有的水印生成相关技术相比，本发明的水印生成方法同时满足了鲁棒性高、性能好、隐匿性好的特点；具体地，鲁棒性好体现在本发明使用了利用了不同图像压缩算法(jpg，png等)在低熵情况下的信息保留能力，同时利用了显示设备显存层面对于图像色彩信息的部分保留能力，使得本发明生成的水印具有抗截屏，抗一定程度图片压缩，抗涂抹，抗拍照的特点；性能高体现在本发明在水印生成过程中时计算复杂度低、时延小，多平台易部署；隐匿性好体现在本发明生成的水印只有顶部可见水印是可见的，其余部分只有在解码环节才能看到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明水印添加流程图。

图2是本发明水印解码流程图。

图3是本发明未添加水印的用户界面示意图。

图4是本发明中添加了本发明的水印后的用户界面示意图。

图5是本发明中对添加过本发明的水印进行解码后的用户界面示意图。

图6是本发明对比例中基于频域隐写技术添加水印的用户界面图和在手机端截屏进行解码操作所得结果截图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明提供了一种数字文本水印溯源方法，所述方法包括水印添加和水印解码两个部分，所述水印添加包括如下步骤：

步骤一、获取待添加水印的用户界面S，获取待添加的水印信息I；

步骤二、获取用户界面的屏幕主色值a3，将水印信息转换为Code 128条形码；

步骤三、计算获得步骤二中Code 128条形码的第一色值c，将第一色值赋予转换获得的Code 128条形码作为可见水印；

步骤四、计算获得步骤二中Code 128条形码的第二色值a4，将第二色值赋予转换获得的Code 128条形码作为不可见水印；

步骤五、将步骤三获得的可见水印和步骤四获得的不可见水印叠加于原有用户界面上，完成水印添加；

所述水印解码包括如下步骤：

步骤I、获取已添加过水印的图片；

步骤II、将图片转换为矩阵并对矩阵进行计算变换；

步骤III、调用条形码解析工具解码计算变换后的矩阵，获得解码后的带水印的图片。

如图3所示为未添加水印的用户界面示意图。所述用户界面中只显示文本和按钮。当按照上述添加水印的步骤对图3中的用户界面进行处理后，在未进行水印解码时，与图3中未添加水印的用户界面示意图相比，用户界面的顶部出现了可见水印，如图4所示，同时还有不可见水印叠加在用户界面上。

当对图4已经添加水印的用户界面示意图进行解码后，图中原先不可见的粗细不一、间隔不定的条形码水印会显现出来，如图5所示。

图6为基于频域隐写技术处于用户界面图，并在手机端截屏进行解码操作所得结果截图，右侧上图为调用工具进行隐写操作的截图，可见内容写入成功，右侧下图为对上图结果图片传入手机后获得的截图进行重新解码，可见解码失败，并未获得右侧上图所写入的内容，经过截图操作后，原先写入的内容信息丢失，且基于频域隐写技术实现的用户界面有极大的可见噪声背景，在产品使用场景中是不可接受的。

本发明的方法具有鲁棒性好、性能好、隐匿性好的特点；

具体地，鲁棒性好体现在本发明经大量研究综合利用了不同图像压缩算法(jpg，png等)在低熵情况下的信息保留能力，同时利用了显示设备显存层面对于图像色彩信息的部分保留能力。例如jpg，其压缩算法主要依赖于人类对于亮度差异敏感度高于色彩变化，因此压缩算法在离散余弦(dct)变换后的量化压缩阶段时，会在高频率亮度成分上降低信息的数量，本发明基于此特性，将信息以低亮度同色彩空间方式藏于界面之中，实现了对压缩的对抗。对于截屏，本发明在色彩空间上只做最基本的二值化操作，即每个像素要么包含条形码的一个低透明度像素或不包含，最大程度避免了显示设备都必然包含的对于数据至可视图像之间的对色彩的偏好误差。对于抗涂抹及拍照主要是利用了用户界面上可视的极小条形码，在对用户界面最小程度干扰的情况下在拍屏图片上留下了信息。以上这些使得本发明生成的水印具有抗截屏，抗一定程度图片压缩，抗涂抹，抗拍照及用户难以察觉的特点；

性能高体现在本发明实现了最低的计算复杂度(添加：O(1)，解码:O(n))，对于用户界面不需反复重复计算，在水印生成过程中时计算复杂度低、时延小，多平台易部署(该发明实践中应用于Android、iOS、PC、Mac、Web等多个不同平台，单次水印界面生成不超过1ms)；

表1为以iPhone 14图片截图为样例的单次性能数据(尺寸为1179 ×2556的png图片，运行环境为2.6GHz六核Intel Core i7，内存16GB 2667MHz DDR4操作系统macOSMonterery)，从表中看，本发明相较于基于频域隐写的工具，在添加水印耗时和解码水印耗时上效率均有极大的提高。

表1本发明与基于频域隐写的工具单次性能数据比较

隐匿性好体现在本发明人类对于色彩极低变化下的心理盲区，具体地说，人眼对亮度的响应具有对数非线性性质，以达到其亮度的动态范围。由于人眼对亮度响应的这种非线性，在平均亮度大的区域，人眼对灰度误差不敏感。同时本发明的使用场景大多数情况都有极多文字覆盖，对于微小的水印变化对于用户更不敏感，因此生成的水印只有顶部可见水印是可见的，其余部分只有在解码环节才能看到。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离本发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims

1.一种数字文本水印溯源方法，其特征在于，所述方法包括水印添加和水印解码两个部分，所述水印添加通过将水印信息通过组合算法转换叠加至原始用户界面上，并分为可见部分和不可见部分，实现水印信息的嵌入；所述水印解码通过将已添加过水印的图片转换为矩阵并对矩阵进行计算变换，对变换后的矩阵解码后，获得水印信息。

2.如权利要求1所述的水印溯源方法，其特征在于，所述水印添加包括如下步骤：

所述水印解码包括如下步骤：

步骤I、获取已添加过水印的图片；

步骤II、将图片转换为矩阵并对矩阵进行计算变换；

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤一中，所述水印信息选用通过ASCII编码的文本信息；

步骤二中，通过将水印信息通过ISO/IEC 15417:2007定义的条形码规范，将水印信息中的每个字符转换成由指定相互间隔的3个条形和3个空白，每个字符由一个条形开始，以一个空白结束。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤三中，所述第一色值c通过以下公式获得：

c＝a3*0.8，

其中，a3为用户界面的屏幕主色值；

若abs(c-a3)＜0.1时，还需要对c取反相颜色，获得第一色值c。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤四中，计算用户界面的luminance亮度l，其中l通过以下公式获得：

max＝max(a3.r,a3.g,a3.b)，

min＝min(a3.r，a3.g，a3.b)，

l＝(max+min)/2,

其中，a3.r、a3.g、a3.b分别表示色值a3在rgb通道上的值；

当计算获得的l小于0.5则设a4为(1，1，1)，当计算获得的l大于0.5则设a4为(0，0，0)；

将第二色值a4的透明度设置为1/255。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤II中，通过通用映射操作将图片转换成大小为w*h*4的矩阵mat₀；

对矩阵mat₀进行以下变换：

mat₁＝mat₀*a，

mat₂＝mat₁*mat₁+b，

其中，w表示用户界面的宽，h为用户界面的高，4代表为每像素的RGBA值；a、b为用于压缩像素色域范围的超参数。

7.一种实现如权利要求1-6之任一项所述方法的系统，其特征在于，所述系统包括水印添加模块、水印解码模块；

所述水印添加模块安装在手机系统或者计算机上，用于为待添加水印的用户界面添加可见和不可见的水印；

所述水印解码模块运行于服务器上，用于对添加的水印进行解码，显示添加的水印。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述水印添加模块进一步包括用户界面及水印信息获取模块、用户界面色值提取模块、水印绘制模块、水印色值获得模块、水印覆盖模块；

所述用户界面色值提取模块用于提取用户界面的主色值；

所述图片读取模块用于读取待分析的带水印的图片；

9.一种实现如权利要求1-6之任一项所述方法的硬件系统，其特征在于，所述硬件系统包括：存储器和处理器；所述存储器上存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-6任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-6任一项所述的方法。