CN1759406A - 利用半色调对二元文档加数字水印 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种用于在文档内容中隐藏数据的方法(图1)。该方法包括：接收与文档内容有关的信息(102)，其中文档内容的至少一部分具有二元性；根据与半色调像素的组合相关的预定义二元分类，将数据转换成半色调像素组(104)；将半色调像素组嵌入到文档内容的二元部分中(104和114)。此外，本发明是一种用于提取出文档内容中所隐藏的数据的方法(图7)。该方法包括：接收与文档内容有关的信息(702)，其中文档内容包括半色调像素组；从文档内容中提取出半色调像素组(712)；根据与半色调像素的组合相关的预定义二元分类，将半色调像素组转换成数据(714)。

Description

利用半色调对二元文档加数字水印
技术领域
本发明一般涉及数字信息处理，尤其涉及利用数字水印技术的文档鉴认和加密。
背景技术
如今，人们对鉴认文档和数字水印技术非常关注，并且已开发了各种各样的系统和方法，利用数字水印将信息隐藏在文档内容中。然而，与数据隐藏有关的大多数努力都是针对如图像之类的非二元文档内容。
对于灰度和彩色图像(以下称为图像)，鉴于这种文档内容的非二元性，大大提高了用于数据隐藏的容量。例如，图像的每一像素通常以数字形式通过其长度为多个比特的一个数来表示。要表示彩色图像中的多种色调以及灰度图像中的多种阴影，就必须增加这个数的长度。因此，数字形式的非二元数据的最低有效位调制可以实现数据的隐藏，这只会在所显示或打印的文档中使像素的色调或阴影出现察觉不到的偏移。然而，这种技术一般不适用于二元性的文档内容。
在二元性的文档内容(比如图形或文本)中隐藏数据的主要困难在于数据的二元性。换言之，这些文档内容每个像素只有1比特。因此，数据的数字形式的数字的调制无论调制在哪出现都将导致数据内容的反转。结果，二元图形中的比特的最小改变都能例如导致图形的外观和内容的显著变化。总之，一般难以将数据隐藏在这类文档内容中，但已开发出在文本中隐藏数据的一些方法。
在文本中隐藏数据的方法利用如下事实：二元文本中的比特的最小改变不会如图形中那样严重改变文本的外观和内容。因此，可以利用改变竖笔划的长度以及改变字间距和/或行间距的方式在文本中隐藏数据。例如，在J.Brassil，S.Low，N.Maxemchuk和L.O’Gorman发表的“Electronic Marking and Identification Techniques to DiscourageDocument Copying”(IEEE Infocom’94)中以及在S.H.Low，N.F.Maxemchuk，J.T.Brassil和L.O’Gorman发表的“Document Markingand Identification using Both Line and Word Shifting”(Infocom’95)中提出了常规空间移位方法和衬线修改方法，这两种方法在此作为参考。然而，这些方法不能成功地应用于图形，这是因为图形即使是像素级往往也不具备与文本一样的特性。因此，需要一种解决办法来解决涉及在二元性的文档内容中隐藏数据尤其在图形中隐藏数据的问题。提供这样一种解决办法正是本发明的任务。
发明内容
第一方面，本发明提供一种用于在文档内容中隐藏数据的方法。该方法包括：接收与文档内容有关的信息，其中文档内容的至少一部分具有二元性；根据与半色调像素的组合相关的预定义二元分类，将数据转换成半色调像素组；和用半色调像素组来替换文档内容的二元部分。
第二方面，本发明提供一种用于提取出文档内容中所隐藏的数据的方法。该方法包括：接收与文档内容有关的信息，其中文档内容包括半色调像素组；从文档内容中提取出半色调像素组；和根据与半色调像素的组合相关的预定义二元分类，将半色调像素组转换成数据。
从下文的详细描述中可以看到本发明的适用性的另外一些领域。应当理解，这些详细描述以及特例尽管说明了本发明的优选实施方式，但仅旨在举例说明而并不是要限定本发明的范围。
附图说明
下面，根据详细描述及其附图可以充分地理解本发明，其中：
图1是根据本发明的隐藏数据的方法的流程图；
图2是与说明本发明所用的条形图相应的样本图；
图3是描述根据本发明的具有相关二元分类定义的样本半色调像素组的框图；
图4是描述根据本发明的另一种二元分类定义的框图；
图5是描述根据本发明的所嵌入的半色调像素组的样本图；
图6是描述根据本发明的所隐藏数据的样本图；和
图7是描述采用根据本发明的提取所隐藏数据的方法的文档鉴认方法的流程图。
具体实施方式
以下优选实施方式的描述实际上只不过是为了举例说明，而决非为了限定本发明及其应用或用法。
参照图1，图中示出了一种用于在二元性的文档内容中隐藏数据或数字水印信息的目前优选的方法。这种方法包括若干个步骤，其中某些步骤对本发明而言并不必要，将它们列入只不过是为了说明目前优选的实施方式。另外，还用本例来说明该方法。
从步骤100开始进至步骤102，接收与文档内容有关的信息，该信息可以采取若干种形式。按所举例的形式，该信息与作为电子文件的数字形式的文档相应，该文件可以构成文档的原始形式、物理文档的扫描位图或文档的类似体现。本例中，所接收的信息与含有图形和文本的文档的位图相应，该位图全都是二元内容，但该信息除了二元内容以外可能还含有非二元性的内容。
在步骤104中，将文档分割成文本和图形内容，在文档中分割出图形和文本区是一项相当大的研究课题。例如，授权给Cullen等人的美国专利号5,465,304和美国专利号5,335,290论述了文档图像的文本、图片和行的分割，在此作为参考。此外，授权给Westdijk的美国专利号5,073,953公开了自动文档分割的系统和方法，在此也作为参考。此外，在授权给Zhou等人的美国专利号5,892,843中，论述了从文档的其他区域中分离出主体文本，在此作为参考。此外，在授权给Wang等人的美国专利号5,379,130中，公开了从文本中分离出图像的方法和系统。任何这些技术或其他众所周知的方法都能容易地用于执行分割步骤104。在某些状况下，即使是在优选实施方式中，步骤102也是可以选择的。这些状况在如下情况下发生：例如，在文档只含有图形的情况下；在建立数字文档的过程中，在步骤102中接收到的信息包括分割过程中所提取的一部分文档内容的情况下；以及在类似的情况下。
在步骤106中，建立文本的图形部分的目标级表示，这一数字形式的目标级表示与数字水印信息或数据相应。进一步的实施方式可以使用数字水印信息的其他种类或组合，比如，检测版权侵权所用的出版源和/或文档出版日期。然而，利用图形的目标级表示使得可以检测到如下进一步所述的原始文档的改变。建立图形的目标级表示所用的目前优选的过程涉及：定义图形的节点和行的特性，包括节点的形状、尺寸、颜色、位置以及注释；以及利用规格符号来描述它们。该过程还涉及：利用关系符号定义这些节点之间的条件和族关系。这一过程可以被计算机化，不过，还可以被脱机实现和/或定制，以反映与图形的特定部分相关的视觉和/或认知意义。
此外，本例中还将参照图2进一步说明步骤106，图2中示出了一例图形。值得注意的是，目标的重要特性取决于图形的类型。因此，在图2的条形图200的情况下，重要信息是每一条形所示的实际值(即每一单个条形的相对高度所包含的信息)而不是图形的总高度。同样，饼形图中的重要信息包含在每一单个饼块所示的表示实际值的相对弧长中，而不是饼的总半径。无论在条形图还是饼形图中，也可以用注解作为重要信息。此外，其他类型的图形在步骤106(图1)中还有同样可决定的另外的和/或不同的重要特性。不过，本例中，步骤104的处理结果相应于最简单的例子，其中第一条形202(图2)和第二条形204各自用相对于纵轴206的值来表示。因此，第一条形202的值为4，而第二条形204的值为9。熟练技术人员可以理解，数4和9可以用4比特二元数来表示。因此，条形图200的举例的目标级表示相当于数4(即0100)与数9(即1001)相关，因为第一条形202与第二条形204相关。一旦建立这一目标级表示，处理过程就可以继续。
回到图1，进至步骤108，利用许多众所周知的散列技术中的任意一种技术将步骤106中所建立的数据散列，然后，在步骤110中最好标记该散列值以增加安全性。应当理解，利用众所周知的视内容而定的单向散列函数可提供更高的安全等级，并且利用公钥和私钥的加密在技术上是众所周知的。然而，值得注意的是，除此之外还可以采用其他合适的密码协议。例如，在C.W.Wu，D.Coppersmith，F.C.Mintzer，C.P.Tresser和M.M.Yeung的论文“Fragile imperceptible digitalwatermark with privacy control”(IS&T/SPIE Conference on Securityand Watermarking of Multimedia Content，SPIE 3657，Jan，1999)中，就图像鉴认方面论述了利用单向散列算法MD5的一种编码过程，在此作为参考。利用通过“异或”运算所作的验证，解码过程与编码过程类似。如下所进一步描述，无论如何，一旦数据被散列和被标记，就可以将所散列的被标记的数据插入到图形的相关部分中。
进至步骤112，根据与半色调像素的组合相关的预定义二元分类，将数据转换成半色调像素组。预定义二元分类可以作为一种密钥，这样，只有具有该密钥才可以将水印解码。在该优选实施方式中，无论预散列的不被标记的目标级表示数据还是散列的(即为目标级表示与版权及其他信息一起的散列函数)被标记的数据，都要根据本发明的系统和方法被转换成半色调像素组。现将这种编码的例子参照图3作进一步的描述，其中示出了符合本发明的样本二元半色调编码。为了更容易说明，半色调像素组300被放大了，图中示出了每个组都与样本相关，样本与二元分类302相应，其中，每个二元分类都在其相关的像素组300之下。为了说明像素组300中可能的组合，用排列来表示像素位置。本例中，样本像素组300通常用每个像素组的4个像素位置上有和/或没有像素来定义，并且通常得到16种组合。然而，值得注意的是，在每个像素组内，半色调像素可能会有不同的尺寸，因此，有和/或没有像素并不是产生像素组300内的像素的组合的唯一方式。因此，存在附加的安全级，其中，如何产生组合并不能轻易地从表面上看出。例如，一个像素尺寸的减小可达到与没有像素同样的目的，同样，还可以用不同的英文字母或图案达到同样的目的。此外，还可以产生多于16种组合的许多种组合，在这些组合中可以使用不同尺寸的像素或其他图案。然而，这种附加的安全级并不是半色调像素组的可变特性所固有的唯一安全级；像素组300的二元分类有关的形状、尺寸和定义的可变性还固有另外的一些安全级。
像素组300的形状的可变性提供了附加的安全级。例如，在一种优选实施方式中，像素组300通常具有统一的形状，但并不需要具有统一的形状。不过，统一的形状可以简化下述嵌入过程，本发明所用的可想像的更多类型的统一形状还包括矩形、六边形、八边形、十边形等，但并不局限于这些形状。此外，还可以使用L形、T形、H形结构的半色调像素，还可以从上述所列形状中推断出更多类型的形状。因此，形状的可变性和形状的选择可用来提高安全性。例如，即使知道方法的过程，也必须知道像素组300的形状的选择才能解码。本例中选择了方形，以便于插入范围更广的可能组合和相关隐蔽特性。
像素组的尺寸的可变性增加了又一安全级。本例中的方形像素组只包含每个像素组4个像素位置，而不是例如16个或256个像素位置。像素组300的这些增长尺寸的其他和更多的选择可以用来进一步降低隐藏数据的可见性，而且还可用来减少可能嵌入到一部分图形中的像素组的个数。再者，尺寸的可变性和尺寸的选择可用来提高安全性。例如，即使知道像素组的形状，也可能不会立刻得知像素组的尺寸。此外，在既不知道像素组的尺寸又不知道像素组的形状的情况下，想发现隐藏数据并将其解码的难度增加了。
此外，在与半色调像素组300的特定组合相关的二元分类302的定义的可变性和定义的选择方面，还存在进一步的安全级。例如，图3的像素组300具有与图4的像素组300不同的二元分类定义。因此，即使事先知道道像素组300的尺寸和形状，也不可能成功地将数据解码，除非能识别出每个像素组300的正确的二元分类302。当一起采用这些变量时，在事先不知道其选择的情况下，检测和/或解码隐藏数据的难度增加了。总之，将数据转换成半色调像素组使得可以将数据嵌入到图形中。
回到图1，进至步骤114，通过用这些半色调像素组替换至少一部分图形的方式，将与数据相应的像素组嵌入到到图形中。参照图5，本例中的条形图500具有第一条形502，该条形嵌有相当于4比特二元数4(即0100)的像素组(如504所示)；同样，还嵌有其被标记的散列值为5(即0101)的像素组(如506所示)。对于这一过程，本例中使用了图3中的二元分类定义。与第一条形502(图5)类似，第二条形508嵌有相当于4比特二元数9(即1001)的像素组(如510所示)；同样，还嵌有其被标记的散列值为3(即0011)的像素组(如512所示)。注意，上述例子只不过是本发明的处理过程的实例。在实际系统中，散列值应为计算上可行的128比特或更长，以防止强力攻击。在某些应用或实际系统中，为安全起见，最好只嵌入被标记的散列值。在其他应用中，上述双重嵌入方法将提供恢复修改的能力以及检测修改的能力。这些修改包括无意的修改和故意攻击。然后，处理过程在116终止，由此所创建的文档内容可以保存在数据处理系统可操作的存储器中和/或嵌入到数据处理系统中所用的传播波中。这种系统可以是文档产生系统和/或数据隐藏系统，比如，数字加水印系统。
可以理解，本例中的数据的每个4比特数可以自上而下地被转换成像素组，这样，像素组可以沿页面向下进行。还可以理解，像素组群可以自下而上地嵌入到图形中，这样，像素组群可以沿页面向上进行。还可以理解，数据流可以从左到右地嵌入到图形中。还可以理解，条形508中的像素组的第一行含有冗余数据。还可以理解，无论在502还是在508中，都可以按各种不同次数重复使用代码。例如，502的重复特征是，原始值一次而被标记的散列值零次；而508的重复特征是，原始值三次而被标记的散列值一次。这些嵌入方式每一种都是可选的，并且在许多组合中的任一组合中，嵌入过程可以从左到右或从右到左。代码的重复也是可选的。尽管数据隐藏容量有上限，然而重复的次数可以改变。在许多应用中，最好还可以只嵌入被标记的散列值。因此，与嵌入的方式有关的可变性增加了附加的安全级，因为解码器为了反转这一过程必须知道或能够确定嵌入的方式。结果，所得到的图形包含了具有许多安全级的隐藏数据。可以根据128比特或更长的密钥来指定上述各个方面/变量的选择，以便进行编码和解码。
参照图6，图中示出了所得到的条形图600，其中，表示像素位置的界线已被去掉，从而更精确地描述了该图形的最终外观。重要的是，为了说明本发明，我们看到条形图600的像素被大大地放大了，并且嵌入到真实尺寸的图形中的半色调像素组实现了数据的隐藏。我们还应当理解，第一条形602中所用的像素组达到了比第二条形604的像素组更浅的阴影效果；并且还应当理解，为了达到最终满意的外观，必须进行与像素组有关的选择。
可以使用本发明的进一步的方式包括将信息嵌入到文本中。例如，可以利用单向散列函数来鉴认文本字符的ASCII或Unicode标准的等价码，而被标记的散列值可以嵌入到文档的文本字符序列中或文档的图形中。可以利用半色调像素组将水印(比如被标记的散列值)只嵌入到一部分二元文本内容(比如题目行或标题行)中。还可以利用半色调像素组将水印(比如被标记的散列值)只嵌入到图形的一部分二元内容中。然而，目前最好将半色调像素组嵌入到整个图形中以达到外观的一致性，此外，最好按类似和/或同一性定义节点之间的关系。在实际系统中，最好将水印多次嵌入到节点自身中和交叉嵌入到图形中。这样确保防止节点修改和节点删除的攻击。如果数据隐藏容量小而不允许进行多次嵌入，那么，应当根据应用需求选择自嵌入和交叉嵌入。此外，如果散列值是基于图形的而不是基于节点的，那么可以进一步减小数据隐藏容量需求。再者，如果不嵌入每个节点的原始值，那么只需要较小的数据隐藏容量。特定系统的设计应当根据应用需求和每个图形或文档的数据隐藏容量来进行。结果，条形图600具有表示图形的鉴认值的隐藏数据，并且，利用本发明的鉴认方法可以检测到图形中的任何修改。
参照图7，图中示出了一种用于鉴认文档内容的方法，该方法是根据从文档内容中提取隐藏数据的本发明的方法进行操作的。该方法从700开始进至步骤702，在该步骤中，接收到与文档内容有关的信息，其中文档内容包括半色调像素组。与步骤102(图1)一样，该信息可以采取若干种形式。按所举例的形式，该信息与数字形式的文档(比如电子文件)相应，该文件可以构成文档的原始形式、物理文档的扫描位图或文档的类似体现。本例中，所接收的信息与含有图形和文本的文档的位图相应，其中图形至少部分由半色调像素组成。
进至步骤704(图7)，将文档内容分割成图形和文本。该步骤基本上与步骤104(图1)相同，并根据应用类型是可选的。在另外一些实施方式中，步骤704(图7)是可选的，并且该步骤可选与否主要取决于随后的在文档内容中隐藏信息的步骤。重点在于，提取隐藏数据的方法必须与隐藏信息的方法配套，并且，一旦分割出图形，就可以如步骤106(图1)中那样，在步骤706中建立图形的目标级表示。步骤108和步骤110同样可分别用于步骤708(图7)和步骤710的式样，并且，在文档内容中隐藏数据时，必须采用其中所用的相同的目标级表示技术、散列技术和标记技术。因此，可能必须具有适当的密钥来执行散列和标记功能。
此外，还从步骤704进至步骤712，从文档内容的分割部分中提取半色调像素组。在适当的组合中提取正确像素组的技术必须与嵌入像素组的技术方法配套，并且还必须具有与像素组有关的二元分类、尺寸、形状、嵌入方向和重复次数的相同定义。这些定义可以用作长度为128比特或更长的密钥K，并通过安全通信信道安全地发送到接收者。
一旦适当地提取了像素组，就可以在步骤714中根据与半色调像素的组合相关的预定义二元分类，将半色调组转换成数据。因此，必须具有与数据隐藏过程中所用的相同像素组的相同二元分类定义。于是，所得到的提取数据可以保存在数据处理系统可操作的存储器中和/或嵌入到数据处理系统中所用的传播波中。这种系统可以是文档鉴认系统和/或隐藏数据的提取系统。
一旦完成了目标级表示，对所重建的数据进行了散列和标记，并将所提取的像素组转换成了所提取数据，就可以在步骤716中对所重建数据的形式与所提取数据的形式进行比较以检验真实性，然后，在718结束。
利用该优选实施方式，常常可以判定原始文档看起来似乎何处有明显修改。此外，本发明的隐藏和提取数据的方法其强壮性通常在于，尽管文档可能被再生多次，仍能检测到轻微的修改。其强壮性还在于，可以抗击某些几何变形比如缩放和旋转，甚至非线性几何变形。进行了拷贝的情况下再生其强壮性较小，并且第一百次生成拷贝也不可能以可靠提取方式保留隐藏信息。另一方面，在不妨碍可提取性的情况下，还可以无限地进行电子再现。
此外，还可以进行本发明的变形，以进一步补充与本公开相符的用法。例如，本发明还可以用于嵌入其他类型的数字水印(例如ID或时间戳)。在这种情况下，步骤106、108和110(图1)应当用步骤“产生水印数据”来代替，而步骤706、708、710和716应当删除。
以上实际上只不过举例说明了本发明，因此，不背离本发明的要点的变型都在本发明的范围内。因此，不能认为这些变型背离了本发明的精神和范围。

Claims (15)

1.一种用于在文档内容中隐藏数据的方法，该方法包括：
接收与文档内容有关的信息，其中文档内容的至少一部分具有二元性；
根据与半色调像素的组合相关的预定义二元分类，将数据转换成半色调像素组；和
用半色调像素组来替换文档内容的二元部分。
2.权利要求1的方法，该方法还包括：
分析文档内容；
建立文档内容的目标级表示；和
根据目标级表示产生所述数据。
3.权利要求2的方法，该方法还包括：根据该数据计算散列值。
4.权利要求3的方法，该方法还包括：标记该散列值。
5.一种用于通过数据处理系统传输的传播波，该波含有利用权利要求1的方法所创建的文档内容。
6.保存在数据处理系统可操作的存储器中的信息，该信息与利用权利要求1的方法所创建的文档内容相应。
7.一种数字加水印系统，该系统根据权利要求1的方法进行操作。
8.一种用于提取文档内容中所隐藏的数据的方法，该方法包括：
接收与文档内容有关的信息，其中文档内容包括半色调像素组；
从文档内容中提取出半色调像素组；和
根据与半色调像素的组合相关的预定义二元分类，将半色调像素组转换成数据。
9.一种传播波，该波含有根据权利要求8的方法所提取的数据。
10.保存在数据处理系统可操作的存储器中的信息，该信息与根据权利要求8的方法所提取的数据相应。
11.一种用于鉴认文档内容的方法，该方法根据权利要求8的方法进行操作，该方法还包括：
分析文档内容；
建立文档内容的目标级表示；和
根据目标级表示产生附加数据。
12.权利要求11的方法，该方法还包括：根据该附加数据计算散列值。
13.权利要求12的方法，该方法还包括：标记该散列值。
14.权利要求11的方法，该方法还包括：将所述数据与附加数据进行比较。
15.一种文档鉴认系统，该系统根据权利要求11的方法进行操作。
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