CN1758585A - 数字水印认证签章的方法 - Google Patents

Abstract

数字水印认证签章的方法，涉及用计算机软件，在Word、Excel、PDF和影像、图形、CAD设计图等各类电子文档内嵌入数字认证签章，以便实现防止窜改、防伪保真和认证。其中包括在电子文档中插入数字认证签章的方法和验证数字认证签章的方法。插入方法包括：通过SHA、SHA－1、MD5、CRC16/32等数字摘要算法计算出文档内容摘要值，将计算的摘要值嵌入数字认证签章图像中，并将其插入到电子文档中。验证方法包括：通过相应的数字摘要算法计算出文档内容的摘要值、从文档中的数字签章图像提取隐藏的文档内容摘要、比较两个内容摘要值，得出验证结论。本发明通过数字摘要算法及数字水印技术，实现了在电子文档中插入数字水印认证签章，从而验证电子文档的任何微小改动。

Description

数字水印认证签章的方法

技术领域

本发明涉及用计算机软件，在Word、Excel、PDF和影像、图形、CAD设计图等各类电子文档内嵌入数字认证签章，以便实现防止窜改、防伪保真和认证的功能。本发明“数字水印认证签章的方法”中的“数字水印”是一种数据隐藏技术，嵌入数据前后图像的大小一样，且肉眼不能分辨出嵌入前后图像的差别。“认证签章”表示了发明的功能，表示了该发明是在电子文档内插入一个签章图像，来实现对文档的认证功能。

背景技术

在网络环境中，文件的传递采取电子的方式，比如E-mail。这种方式最大的优点就是速度快。网络中文件的传递是通过计算机进行的，所有电子信息经过各个网络、服务器或通信线路等传输。而网络环境是开放的空间，再加上，电子文件易于编辑、修改、复制和传播的特点，因此，电子文件的安全受到极大的威胁。电子文档在传送过程中是否已遭窃读、窜改、增删、冒名传送，诸如此类问题便引出了网络传输中电子文件的安全性课题。我们解决这个问题的一个办法就是通过数字签章的方式来认证电子文档的真实性和完整性。

数字签章技术泛指所有以电子形式存在，依附在电子文件并与其逻辑关联，可用以辨识电子文件签署者身份，保证文件的完整性，并表示签署者同意电子文件所陈述事实的内容的技术。由于数字签章可以解决身份认定、信息来源认定、信息完整性和安全性确认等诸多问题，所以数字签章基本上解决了电子商务和电子政务中最关键的问题——安全问题。无论是电子支付、网上证券、网上交易、电子合同、网上知识产权还是网上办公，在安全性方面，数字签章成为更好的技术手段选择。我们还可以从法律的角度来看，由于在网络环境下，行为主体的身份难以确定，由此造成相应的权利和义务也无法落实，从而也就失去了法律规范的基础。而数字签章对于电子商务和电子政务的意义，也恰恰是明确主体身份，以使法律实施有明确的主体。我国第一部《电子签章条例》有望在年内出台，这解决了数字签章合法性的问题。可以预见，我国数字签章的“1.0时代”已为期不远。

本文中的数字水印认证签章是通过数字摘要算法提取电子文档内容内码的数字特征值，得到内容摘要值，再利用数字水印技术将计算出的内容摘要值嵌入到数字签章中去。当需要验证电子文档的真实完整性时，我们可以通过相应的数字摘要算法重新计算电子文档内容的摘要值，再根据数字水印算法提取出数字签章中嵌入的内容摘要值，比较二者，如果二者相等，说明电子文档是真实没有被窜改过的，否则说明电子文档被窜改过了。从而完成了电子文档的认证功能。相关的技术可参阅以下几篇描述论文。

[1]CHEN Tao，WANG Jingchun，ZHOU Yonglei.Combined Digital Signature and DigitalWatermarking Scheme for Image Authentication[C].In：Proceedings of IEEE InternationalConference on Info-tech & Info-net(ICII2001)，2001；5

[2]周永磊 王京春，“结合数字水印和签名的二值图像内容验证”，计算机工程与应用，2004.15

本文以MD5算法为例说明数字摘要算法的使用。关于MD5算法的描述和C语言源代码再internetrfcs1321中有详细的描述(http：//www.ietf.org/rfc/rfc1321.txt)，这是一份最权威的文档，由RonaldI.Rivest在1992年8月向ietf提交。

发明内容

本发明“数字水印认证签章的方法”的目的在于：公开一种在电子文档中嵌入数字认证签章的计算机处理方法。用这种技术制作的数字水印认证签章，当电子文档的内容经过了任何改动后，通过提取隐藏在数字签章中的信息，可以知道电子文档已经被窜改。从而实现了电子文档防止窜改、防伪保真和认证的功能。

为了达到上述目的，本发明是这样进行的。通过SHA、SHA-1、MD5、CRC16/32等数字摘要算法提取电子文档内容内码的数字特征值，得到内容摘要值，再利用数字水印技术将计算出的内容摘要值嵌入到数字签章中去。当需要验证电子文档的真实完整性时，我们可以通过相应的数字摘要算法重新计算电子文档内容的摘要值，再根据数字水印算法提取出数字签章中嵌入的内容摘要值，比较二者，如果相等，说明电子文档是真实没有被窜改过的，否则说明电子文档被窜改过了。从而完成了电子文档的认证功能。

本发明包括嵌入数字签章的方法和验证数字签章的方法。嵌入数字签章的过程，包括：电子文档内容内码的读取、通过数字摘要算法得到内容内码的内容摘要值、将内容摘要值嵌入到数字签章中、将隐藏了内容摘要值的数字签章插入到电子文档中。验证数字签章的过程，包括电子文档内容内码的读取、通过数字摘要算法得到内容内码的内容摘要值、提取数字签章中隐藏的内容摘要值，比对两个内容摘要值，如果一致，说明电子文档是真实没有被窜改过的，否则说明电子文档被窜改过了。现详细说明如下：

本发明嵌入数字签章的方法，包括下面四个步骤：

第一步是电子文档内容内码的读取：读取电子文档的内容内码，以字节的形式存储，以便后面对文档的内容加以保护。

第二步是通过数字摘要算法得到内容内码的内容摘要值。将读取的表示电子文档内容的字节型数组作为数字摘要算法的输入项。通过数字摘要算法，得到电子文档内容内码的唯一的摘要值。

第三步是将内容摘要值嵌入到数字签章中。我们嵌入的数字签章源图象是一个二值图像。利用二值图像的数字水印方法，将内容摘要值隐藏在1bit的数字签章图像中。之后再将得到的1bit黑白二值签章图像中的黑色变为纯红色，使签章图像与现实中的印章更相象。

第四步是将得到的隐藏了电子文档摘要值的24bit数字签章图像插入到电子文档中，以便日后验证电子文档的真实完整性。

验证数字签章的方法，可以看成与嵌入数字签章的步骤相反的操作：

第一步为电子文档内容内码的读取，读取电子文档的内容内码，以便后面的比对工作，实现对电子文档的验证功能。注意读取文档内容的时候，要把插入其中的数字水印认证签章除去，读出的电子文档内容长度要做减1的操作。

第二步通过数字摘要算法得到内容内码的内容摘要值。将读取的内容摘要值通过数字摘要算法得到唯一的摘要值。

第三步是提取数字签章中隐藏的内容摘要值。我们从电子文档中获取插入的数字认证签章图像，由于诸如WORD等软件会对插入其中的图片进行一些处理，所以我们在把得到的24bit签章图像还原成1bit图像的过程中，并非把纯红点映射成黑点，把纯白点映射成白点，而是把点的RGB象素值满足R＞250并且G＜10并且B＜10的点映射成黑点，其余的点都认为是白点。这样我们就得到了一个黑白二值的数字认证签章图像。我们利用相同的二值图像数字水印算法提取出隐藏在这个1bit的二值数字签章图像中的电子文档内容的摘要值。

第四步是比对两个内容摘要值，得出验证结论。如果计算出的电子文档的内容摘要值和从数字签章中提取的内容摘要值一致，说明电子文档没有被窜改过，是真实的，否则说明文档被改动过。

本发明“数字水印认证签章的方法”的优点如下：

1.由于本发明采用了数字摘要值的哈希(Hash)算法，根据数字摘要算法的唯一性，保证了由算法计算出的摘要值的唯一性。我们把想要保护的电子文档的内容内码输入数字摘要算法，然后计算出电子文档内容的唯一摘要值，这就保证了电子文档的微小改动都能够被检测出米。这为电子文档的保真效果提供了很好的保证。

2.本发明采用了二值图像作为嵌入的数字签章，防止了插入WORD文档的数字签章经过WORD的处理改动较大，影响隐藏的内容摘要值的提取。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是普通WORD文档；

图3是插入WORD文档的二值签章源图像；

图4是在图2所示的WORD文档中插入数字签章的电子文档；

图5是验证图4所示的插入数字签章以后的电子文档的结果；

图6是窜改后的含有数字签章的电子文档；

图7是验证图6的电子文档的结果；

图8是二值图像中心象素可翻的合理模式集；

图9是16个定义的不可嵌入数据点的模板；

图10是4个定义的不可嵌入数据点的模板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，并请参阅附图。图1中嵌入数字签章的操作可以分成4个步骤，验证数字签章的操作可以看成相反的4个步骤。

嵌入数字签章的操作的步骤如下：首先，读取文档内容的内码，得到需要保护的电子文档的内容；第二步，为了提供嵌入数字签章的内容摘要值，需要通过数字摘要算法，得到电子文档的内容内码的内容摘要值，这里我们选用的数字摘要算法是MD5算法；第三步，为了得到二值的签章图像，需要将内容摘要值利用二值图像的水印算法嵌入到二值的数字签章中；第四步，将得到的签章图像中表示前景色的黑色变为红色，然后将此24bit的bmp图像插入到电子文档中，其中，用红色表示签章，更和现实生活中的签章相象，这样就得到了含有数字签章的文档。

验证数字签章的操作的步骤如下：第一步，读取文档内容的内码，得到需要保护的电子文档的内容；第二步，为了获取现在电子文档内容内码的摘要值，需要通过相应的数字摘要算法MD5算法得到电子文档内容内码的内容摘要值；第三步，获取电子文档中的数字签章，然后利用相应的规则转化为黑白的二值图像；之后利用相应的二值图像水印提取算法，提取出隐藏在数字签章图像中的内容摘要值，从而获取数字签章图像中隐藏的电子文档未被窜改的情况下应有的内容内码的摘要值；第四步，比对两个内容摘要值，得出验证结论。如果计算出的电子文档的内容摘要值和从数字签章中提取的内容摘要值一致，说明电子文档没有被窜改过，是真实的，否则说明文档被改动过。

具体流程，参见附表1和附表2。

                 表1嵌入数字签章方法的步骤

步骤	操作	作用
			1	读取电子文档内容的内码	得到需要保护的电子文档的内容
2	通过数字摘要算法得到电子文档的内容内码的内容摘要值	提供嵌入数字签章的内容摘要值
			3	将内容摘要值利用二值图像的水印算法嵌入到二值的数字签章中	得到二值的签章图像
4	将得到的签章图像中表示前景色的黑色变为红色，然后将此24bit的bmp图像插入到电子文档中	使签章用红色表示，更和现实生活中的签章相象，将签章插入电子文档得到含有数字签章的文档

                  表2验证数字签章方法的步骤

步骤	操作	作用
			1	读取电子文档的内容内码	得到需要验证的电子文档的内容内码
2	通过数字摘要算法得到电子文档的内容内码的内容摘要值	获取现在电子文档内容内码的摘要值
			3	获取电子文档中的数字签章，然后利用相应的规则转化为黑白的二值图像。之后利用相应的二值图像水印提取算法提取出隐藏在数字签章图像中的内容摘要值	获取数字签章图像中隐藏的电子文档未被窜改的情况下应有的内容内码的摘要值
4	比对两个内容摘要值。	得出验证结论

图2是一个普通的WORD文档，我们用它来做数字认证签章的例子。

图3是一幅1bit的二值签章源图像。

图4是图2所示的WORD文档插入由图3所示图像生成的数字认证签章的例子。首先，我们读取WORD文档的内容内码，以一个字节一个字节的形式存储。然后把这个字节型的数组作为MD5算法的输入项。利用MD5算法，得到电子文档内容内码的唯一的128位摘要值，以16进制表示，为“CF123BFFC94F31CBD861D6E8E0C2330F”。然后将这128位摘要值利用二值图像的数字水印算法隐藏在图3所示的1bit二值签章图像中。具体选用的二值图像的数字水印嵌入算法的详细操作步骤见表3。之后将得到的1bit黑白二值签章图像中的黑色变为纯红色，使签章图像与现实中的印章更相象。再把变化后的24bit图像插入到WORD文档中。

步骤	操作
		1	确定欲隐藏信息的区域，区域是包含了所有黑点的最小矩形区域，以后的处理都是在这个区域内进行的；
2	将二值图像转换为一个一维数组，若图像中为黑点，则相应的数组元素值为1，若为白点，则相应的数组元素值为0；
		3	统计图像中符合中心可翻模式的网格的个数。中心可翻模式集如图8所示。注意统计网格时是不重叠的统计的，也就是行列值的步长为3。如果统计出的个数不小于128的话，则选择在这些点中重复的嵌入摘要值，我们令白点代表嵌入数据0，黑点代表嵌入数据1，将点的象素值实行强制转换；如果个数小于128的话，再计算除去定义的16个模板外的网格的个数。定义的16个模板见图9。如果除去定义的16个模板外的网格的个数不小于128的话，则在这些网格中按照扫描顺序以相同的间隔选取128个点来嵌入数据；如果小于128的话，则计算除去定义的4个模板外的网格的个数。定义的4个模板见图10。如果除去定义的4个模板外的网格的个数不小于128的话，则在这些网格中按照扫描顺序以相同的间隔选取128个点来嵌入数据；如果小于128的话，结束程序，返回错误码；
4	根据上面嵌入点的选择，把选择的128个点相应的一维数组中的元素值全部置1；
		5	把得到的一维数组用MD5算法进行哈希变换，得到128位摘要值信息；
6	对得到的128位摘要值利用密钥进行置乱；
		7	将置乱后的128位摘要值嵌入到刚才选择的嵌入信息点中。如果摘要值的数据位为1，令相应的嵌入数据点为黑点，反之为白点。

                              表3

图5是图4所示含有数字签章的电子文档的验证结果。验证的时候，从当前电子文档中读取内容内码，然后通过MD5算法计算出电子文档内容的128位摘要值，用16进制表示，为“6329309A2B271D4A5E30AFBB3B75F17B”。注意在读取电子文档内容内码时，要把插入的数字签章除去，不计算在内，要把文件的长度做减1的操作。然后，我们从WORD文档中获取插入的数字认证签章图像，由于WORD对插入其中的图片进行了一些处理，所以我们在把得到的24bit签章图像还原成1bit图像的过程中，并非把纯红点映射成黑点，把纯白点映射成白点，而是把点的RGB象素值满足R＞250并且G＜10并且B＜10的点映射成黑点，其余的点都认为是白点。这样我们就得到了一个黑白二值的数字认证签章图像。我们利用相同的二值图像数字水印算法提取出隐藏在这个1bit的二值数字签章图像中的电子文档内容的128位摘要值，用16进制表示，为“6329309A2B271D4A5E30AFBB3B75F17B”。具体的二值图像的数字水印提取算法的详细操作步骤见表4。我们可以看出，计算出的电子文档的内容内码的摘要值和提取出的隐藏在数字认证签章中的128位摘要值是相同的，这说明文档是没有被窜改过的。这时候返回的验证对话框提示我们“文档内容完整无损”。

步骤	操作
		1	首先确定隐藏摘要值的区域，区域是包含了所有黑点的最小矩形区域，以后的处理都是在这个区域内进行的；如果发现图像是全白区域，即所有点是白点的话，那么程序结束，直接返回图像被窜改的信息；
2	将二值图像转换为一个一维数组，若图像中为黑点，则相应的数组元素值为1，若为白点，则相应的数组元素值为0；
		3	统计图像中符合中心可翻模式的网格的个数。如果个数不小于128的话，则选择在这些点中提取嵌入数据；如果个数小于128的话，再计算除去定义的16个模板外的网格的个数。如果除去定义的16个模板外的网格的个数不小于128的话，则在这些网格中按照扫描顺序以相同的间隔选取128个点来提取嵌入数据；如果小于128的话，则计算除去定义的4个模板外的网格的个数。如果除去定义的4个模板外的网格的个数不小于128的话，则在这些网格中按照扫描顺序以相同的间隔选取128个点来提取嵌入数据；如果小于128的话，结束程序，返回错误码；
4	根据上面提取数据点的选择，把选择的128个点相应的一维数组中的元素值全部置1；
		5	把得到的一维数组用MD5算法进行哈希变换，得到128位摘要信息；
6	对得到的128位摘要值利用密钥进行置乱；
		7	从刚才选择的提取数据点提取嵌入数据，将提取的数据和得到的128位的置乱摘要值相比较，如果相同，说明图像是真实的，否则，说明图像被窜改过。

                              表4

图6是一个窜改图4所示的电子文档的实例。在实例中，我们把图4所示的电子文档中最后1行的“8月1日起执行”改成了“10月1日起执行”。这种改动对于WORD文档来说是非常简便易行，容易实现的，但是对于诸如政府文件、合同等不可伪造的重要电子文档，它的真实性是我们迫切需要知道的问题。

图7是图6所示的窜改后的电子文档的验证结果。验证的时候，从当前电子文档中读取内容内码，然后通过MD5算法计算出电子文档内容的128位摘要值，用16进制表示，为“E5442CC3B4281EAAAAFBAD00BECAB7C9”。注意在读取电子文档内容内码时，要把插入的数字签章除去，不计算在内，要把文件的长度做减1的操作。然后，我们从WORD文档中获取插入的数字认证签章图像，由于WORD对插入其中的图片进行了一些处理，所以我们在把得到的24bit签章图像还原成1bit图像的过程中，把点的RGB象素值满足R＞250并且G＜10并且B＜10的点映射成黑点，其余的点都认为是白点。这样我们就得到了一个黑白二值的数字认证签章图像。我们利用相同的二值图像数字水印算法提取出隐藏在这个1bit的二值数字签章图像中的电子文档内容的128位摘要值，用16进制表示，为“6329309A2B271D4A5E30AFBB3B75F17B”。我们可以看出，计算出的电子文档的内容内码的摘要值和提取出的隐藏在数字认证签章中的128位摘要值不尽相同，说明此电子文档已经被窜改过了。这时候返回的验证对话框提示我们“文档内容已被窜改”。

图8是二值图像中心象素可翻的合理模式集。如果图像中某个3×3的网格是这个集合中的某一个模式，那么这个网格的中心象素就是可以嵌入数据的点。

图9是16个定义的不可嵌入数据点的模板。如果符合中心象素可翻的合理模式的点的个数不够嵌入数据的话，就试图在除去这16个定义的不可嵌入数据点的模板外寻找可嵌入数据点。

图10是4个定义的不可嵌入数据点的模板。如果除去16个定义的不可嵌入数据点的模板的点的个数不够嵌入数据的话，就试图在除去这4个定义的不可嵌入数据点的模板外寻找可嵌入数据点。

至此，本发明中已经描述了用于在电子文档内嵌入数字水印认证签章，从而防止窜改电子文档，实现防伪保真的方法。对本领域普通技术人员米说，在不脱离本发明所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以作出各种改变和变形。

Claims (9)

1.在电子文档中嵌入数字水印认证签章的方法，其特征在于：通过SHA、SHA-1、MD5、CRC16/32等数字摘要算法，得到电子文档的内容摘要值，将得到的唯一的摘要值通过数字水印算法嵌入在签章图像中，之后将数字签章图像嵌入到电子文档中。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述得到电子文档的内容摘要值的步骤包括：

第一步是电子文档内容内码的读取：读取电子文档的内容内码，以字节的形式存储，以便后面对文档的内容加以保护；

第二步是通过数字摘要算法得到内容内码的数字特征值：将读取的表示电子文档内容的字节型数组作为数字摘要算法的输入项，通过数字摘要算法，得到电子文档内容内码的唯一的摘要值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：得到电子文档的内容摘要值后，将摘要值嵌入数字签章中，并将含有摘要值信息的签章插入到电子文档中的步骤包括：

第一步是将内容摘要值嵌入到数字签章中：我们嵌入的数字签章源图象是一个二值图像，利用二值图像的数字水印方法，将内容摘要值隐藏在1bit的数字签章图像中，之后再将得到的1bit黑白二值签章图像中的黑色变为纯红色，使签章图像与现实中的印章更相象；

第二步是将得到的隐藏了电子文档摘要值的24bit数字签章图像插入到电子文档中，以便日后验证电子文档的真实完整性。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：将电子文档里的文字信息通过数字摘要算法提取文字信息的数字特征值；然后，把数字特征值作为数字水印信息按照易损型模式嵌入到数字签章，所谓易损型模式，就是指图像受到任何处理攻击后，水印信息都会改变；最后将嵌入了数字水印信息的数字签章插入到文档中。

5.在电子文档中验证数字水印认证签章的方法，其特征在于：通过数字摘要算法，得到电子文档的内容摘要值，然后根据插入的数字认证签章，提取图片中数字签章里的内容摘要值，并与当前电子文档的内容摘要值做比较，如果二者相等，说明电子文档是真实没有被窜改过的，否则说明电子文档被窜改过了。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述得到电子文档的内容摘要值的步骤包括：

第一步为电子文档内容内码的读取，读取电子文档的内容内码，以便后面的比对工作，实现对电子文档的验证功能，注意读取文档内容的时候，要把插入其中的数字水印认证签章除去，读出的电子文档内容长度要执行减1的操作；

第二步通过数字摘要算法得到内容内码的内容摘要值：将读取的内容内码通过数字摘要算法得到唯一的数字特征值。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述提取图片中数字签章里的内容摘要值的步骤包括：

电子文档中获取插入的数字认证签章图像，由于诸如WORD等软件会对插入其中的图片进行一些处理，所以我们在把得到的24bit签章图像还原成1bit图像的过程中，并非把纯红点映射成黑点，把纯白点映射成白点，而是把点RGB象素值满足R＞250并且G＜10并且B＜10的点映射成黑点，其余的点都认为是白点，这样我们就得到了一个黑白二值的数字认证签章图像，我们利用相同的二值图像数字水印算法提取出隐藏在这个1bit的二值数字签章图像中的电子文档内容的摘要值。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述比较步骤包括：

比对两个内容摘要值，从而得出验证结论：如果计算出的电子文档的内容摘要值和从数字签章中提取的内容摘要值一致，说明电子文档没有被窜改过，是真实的，否则说明文档被改动过。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于：将电子文档里的文字信息通过数字摘要算法提取文字信息的数字特征值；然后，根据插入的数字签章，提取嵌入在数字签章里的信息，与当前文档里的文字信息做比较，如果二者相等，说明电子文档是真实没有被窜改过的，否则说明电子文档被窜改过了。

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