數字水印技術在電子簽章中的應用

摘 要：數字水印技術是目前信息安全技術領域的一個新方向，是一種可以在開放網絡環境下保護版權和認證來源及完整性的新型技術。隨著網絡技術的飛速發展和廣泛應用，對圖像、音頻、視頻等多媒體內容的保護成為迫切需要解決的問題。文章簡要介紹了數字水印技術的原理，討論了數字水印技術在電子簽章系統中的應用。

關鍵詞：數字水印；水印嵌入；水印檢測；電子簽章；應用

0 引言

數字水印技術是目前信息安全技術領域的一個新方向，是一種可以在開放網絡環境下保護版權和認證來源及完整性的新型技術。創作者的創作信息和個人標志通過數字水印系統以人所不可感知的水印形式嵌入在多媒體中，人們無法從表面上感知水印，只有專用的檢測器或計算機軟件才可以檢測出隱藏的數字水印。

在多媒體中加入數字水印可以確立版權所有者、認證多媒體來源的真實性、識別購買者、提供關于數字內容的其它附加信息、確認所有權認證和跟蹤侵權行為。它在數據的分級訪問、數據跟蹤和檢測、商業和視頻廣播、Internet數字媒體的服務付費、電子商務認證鑒定等方面具有十分廣闊的應用前景。自1993年以來，該技術已經引起業界的濃厚興趣，并成為國際上非常活躍的研究領域。

1 數字水印技術原理及特征

數字水印技術是通過一定的算法將一些標志性信息直接嵌到多媒體內容中。目前大多數數字水印制作還采用加密(包括公開密鑰、私有密鑰)體系來加強保護，在水印的嵌入、提取時采用一種密鑰，甚至幾種密鑰。水印的嵌入和提取方法分別如圖1和圖2所示。

數字作品嵌入數字水印不應引起明顯的降質，并且不易被察覺。水印信息隱藏于數據而非文件頭中，文件格式的變換不應導致水印數據的丟失。

魯棒性是指在經歷多種無意或有意的信號處理過程后，數字水印仍能保持完整性或仍能被準確鑒別。可能的信號處理過程包括信道噪聲、濾波、數／模與模／數轉換、重采樣、剪切、位移、尺度變化以及有損壓縮編碼等。

在數字水印技術中，水印的數據量和魯棒性構成了一對基本矛盾。從主觀上講，理想的水印算法應該既能隱藏大量數據，又可以抗各種信道噪聲和信號變形。然而在實際中，這兩個要求往往不能同時實現。不過這并不會影響數字水印技術的應用，因為實際應用一般只偏重其中的一個方面。

2 數字水印技術在電子簽章中的應用

2．1 電子印章的原理

電子印章是在電子政務或電子商務實施中使用計算機技術添加在電子文件的文字內容上面的印章圖像。經過這種技術處理的有電子印章圖像的電子文件，可以在本地或異地直接使用計算機控制下的文件印制設備輸出有效的紙質蓋章文件。作為現代密碼學與東方印鑒文化相結合的產物，電子印章實際上就是數字簽名加印章圖片，數字簽名是安全的保證，而印鑒則是權威的象征。電子印章技術要求電子印章和紙質蓋章文件緊密結合，同時使用電子印章不能引起本單位蓋章印件的混亂。電子印章的使用，可防止偽造紙質蓋章文件的犯罪行為。然而，電子印章技術普及使用的前提條件是電子印章必須能被相關法律賦予合法性，同時在法院案件審理時能為印章持有人提供有效和權威的證明。

通過數字水印技術的使用，能實現電子印章的防偽性和不可否認性。所謂數字水印技術，是指采用信息處理技術把版權信息、認證信息等秘密信息(這些信息即數字水印)，嵌入到原始數據中去，但不影響原內容的價值和使用。數字水印信息可以是產品的序列號、版權所有者的標志等認證信息。通過特定的算法恢復和檢測被嵌水印后，可有效地分析信息失真的情況，判斷信息是否被篡改，為版權所有者提供信息被盜版的有利證據。因此，實用的數字水印技術必須具有較強的魯棒性、安全性和不可見性。

基于數字水印的電子印章將數字簽名技術與數字水印技術有機地結合在一起。其中數字簽名技術主要是對電子文檔進行驗證；而數字水印技術則側重于解決電子印章打印出來之后印章的防偽問題，其基本原理是，在印章圖片中嵌入不可見的水印信息，通過電子印章軟件將含有水印信息的印章加蓋到文件中。帶水印的電子印章的生成和檢測如圖3和圖4所示。

當蓋有電子印章的電子文件發送到收文方時，接收方通過電子印章中所含的數字簽名，以驗證電子文檔的完整性和真實性。驗證通過后，文件可以被打印在紙質材料上。通過手持式水印檢測儀對紙質文件中水印的檢測，可以實現對文件的真實性、有效性的鑒別，以達到防偽的目的。如果沒有手持式水印檢測儀此類專用設備，也可以將打印出來的印章掃描進電腦，通過水印提取軟件提取水印信息來鑒別印章的真實性。

2．2 電子簽章應用

基于數字水印技術的電子印章可實現文檔簽章、手寫簽名、簽章驗證、身份認證、撤銷簽章、證書查看、移動簽章的功能。電子印章在應用時，具有以下技術特點：①利用PKI技術，保證了電子印章中的數據的完整性和真實性(抗否認性)；②通過采用數字證書和電子印章或手寫簽名信息的綁定，確保簽章信息來源可靠；③系統為每一個電子印章生成惟一序列編號，并與證書綁定，即使是同一個簽章圖片在不同的時刻生成的電子印章，其序列編號也不一樣，從而防止印章位圖的非法制作拷貝；④采用標準的散列算法(HASH)產生文件內容數字摘要，確保電子簽章和被簽文件的緊密綁定；⑤采用標準的RSA、DES算法加密電子簽章實體數據，加強了簽名信息的安全；⑥通過數字水印技術，實現了簽章的不可復制性，即使對整篇文檔進行復制，粘貼到新文檔中的簽章也將顯示無效，徹底杜絕利用已有電子簽章仿造新的文件。

數字水印技術一般包括三個基本方面：水印的生成、水印的嵌入和水印的提取與檢測。數字水印技術實際上是通過對水印載體媒質的分析、嵌入信息的預處理、信息嵌入點的選擇、嵌入方式的設計、嵌入調制的控制等幾個相關技術環節進行合理優化，使得數字水印具有不可感知性、安全可靠性、穩健性等必需特征。密鑰，作為水印信息的重要組成部分，是所有運用數字水印技術的設計方案的重要特色所在。在各種相關的技術方案中，可以在信息預處理、嵌入點的選擇和調制控制等不同環節中實施密鑰的嵌入。

2．3 數字水印的生成

數字水印嵌入的一般過程如圖5所示。系統的輸入是水印信息w、原始載體數據I和一個可選的私鑰／公鑰K。其中水印信息可以是任何形式的數據，如隨機序列或偽隨機序列、字符或柵格、二值圖像、灰度圖像或彩色圖像以及3D圖像等等。水印生成算法G應保證水印的惟一性、有效性、不可逆性等屬性。水印信息w可由偽隨機數發生器生成，采用基于混沌的水印生成方法，數字水印具有很好的保密特性。密鑰的使用加強了數字水印的安全性，可避免未授權的恢復和修復水印。密鑰的使用往往采用多密鑰組合的方法。盡管水印的嵌入算法很多，但大體可以分為空間域算法和變換域算法兩種。定義水印嵌入過程的通用公式為：

I_w=E(I，W，K) (1)其中I_w表示嵌入水印后的數據(即水印載體數據)，I表示原始載體數據，w表示水印集合，K表示密鑰集合。這里密鑰K是可選項，一般用于水印信號的再生。

其中，w表示估計水印，D為水印檢測算法，I_w表示在傳輸過程中受到攻擊后的水印載體數據。檢測水印的手段可以分為兩種：一是在有原始信息的情況下，可以做嵌入信號的提取或相關性驗證；二是在沒有原始信息情況下，必須對嵌入信息做全搜索或分布假設檢驗等。如果信號為隨機信號或偽隨機信號，證明檢測信號是水印信號的方法一般就是做相似度檢驗。水印相似度檢驗的通用公式為：

其中w表示估計水印，w表示原始水印，Sim表示不同信號的相似度。

3 電子簽章系統的功能和特點

一個完整的電子簽證系統分為電子簽章制作部份、電子簽章加密部份和電子簽章網絡管理等三部份。在制作電子簽章過程中，可采用目前流行的印章制作軟件進行原始印章的制作(即：生成各種印章圖像，如BMP文件)，并應用MicrosoftPhotoshop等圖形處理軟件，對生成的各種印章圖像進行相關處理，得到直觀的、符合相關要求的印章圖像。按數字水印生成過程原理，對原始印章圖像進行相關的加密處理，從而形成所需要的加密電子簽章，并將其嵌入到Microsoft Word和Excel文檔中，也可以嵌入到其它應用系統(如OA辦公自動化系統等)的相關文檔中。

3．1 三大功能

電子簽章系統具有文檔電子簽章、文檔驗證和打印控制等三大功能。

文檔電子簽章 能夠在Microsoft Word和Excel及永中Office電子文檔上的任意地方簽署并顯示電子單位公章或電子個人手寫簽名，且可對電子文件進行防篡改處理，并將產生的防篡改信息、證書信息、數字水印和印章圖像嵌入到電子文件中，實現對電子文件加蓋電子簽章標記，使其成為電子信證文件，電子簽章上浮透明顯示，效果如同紙質蓋章或簽名。能支持多個單位或個人會簽，簽章前電子簽章可以移動，一旦簽章后則電子簽章不能移動。印章或手寫簽名通過制證系統灌入到Ekey(電子鑰匙)中，其他任何人都無法進行偽造。數字簽名私鑰存放于Ekey中，數字簽名運算也在Ekey內運行，可保證私鑰無法被Ekey以外的系統讀取，從而保證了數字簽名的安全性。對文檔進行簽署時要求簽署人提供自己的Ekey。文檔簽署后對文檔進行重新簽署時，必須提供原始簽署者的Ekey，否則不允許對文檔進行重新簽署。

文檔驗證 能對所簽文檔內容進行完整性認證，確定其是否被篡改并顯示證書和簽章信息。授權閱讀文件的人可以對文檔的完整性進行驗證，而不管它是否持有Ekey。如果簽署后的文檔發生了變更，驗證時會提示文檔驗證不通過(即文檔驗證失敗)。簽署的結果和簽署者的證書及簽章信息在簽署后保存在Microsoft Word和Excel及永中Office的電子文檔中。

打印控制 為了適用各種應用的要求，確保電子簽章的打印可控，在未安裝相關應用軟件的機器上，電子簽章將不能顯示與打印。如安裝時未選打印控件，則電子簽章能顯示但不能打印；打印份數設置的控制權采用令牌傳送方式，只有持有簽章Ekey的人才能夠設置打印份數，且由先簽署者優先決定是否獲得令牌或將控制權交給下一個簽署者。一旦某一個簽署者設置了打印份數(獲取令牌)，其他人將無權再設置打印份數；只有在所有電子簽章的文檔驗證通過情況下才能按打印份數打印含電子簽章的文檔。

3．2 五大特點

基于數字水印的電子印章系統，就是在電子印章中嵌入了不可見的水印信息，當含有水印信息的電子印章打印出來之后，利用便攜的激光檢測儀就可以檢測出嵌入的水印信息，也可以通過掃描儀將印章圖片掃描進電腦，利用水印提取軟件提取水印信息，從而達到印章防偽的目的。基于數字水印的印章打印防偽技術是目前最可靠的防偽技術，且使用成本低，同時具有以下五大特點。

嚴密性 所有電子簽章軟件在簽章時都通過驗證服務器軟件來驗證電子簽章的有效性，避免證書被廢止的電子簽章或者處于無效狀態的電子簽章也可以加蓋印章的非安全蓋章行為。

實用性 實現多個簽章部分重疊時的透明顯示。可以在已有電子簽名上面加蓋電子印章，如同傳統方式一樣將印章加蓋在領導簽名上。在加蓋第一個印章后，文檔自動處于鎖定狀態，并且在文檔處于鎖定狀態下可以進行會簽，實現在同一個文件上加蓋多個印章。

防復制性 印章無法通過Microsoft Word和Excel及永中Office的復制功能進行復制，以防止利用已有電子簽章仿造新的文件，即使是在同一文檔中也不可以利用復制功能加蓋印章。

防偽造性 為使簽章不可仿造，簽章圖像與數字證書(即CA證書)綁定在一起，具有惟一性，即使是同一個簽章圖像在不同的時刻生成的電子簽章也不一樣。

直觀性嵌入到Microsoft Word和Excel及永中Office文檔中的簽章或手寫簽名可以達到同紙質蓋章或紙質手寫簽名相同的效果。

4 數字水印技術應用展望

數字水印技術作為一種新興的應用技術，一個尚未完善的科學領域，在對研究者提出嚴峻挑戰的同時，也帶來了難得的機遇。因為在一種理論及技術趨于成熟的階段，正是各種觀點百家爭鳴的時候，面對這樣一個開放的研究體系，真正的突破者往往屬于勇往直前的先行者。未來的數字水印技術將向如下幾個方面發展：

(1)第二代的數字水印技術是基于內容特征的數字水印算法，以及基于內容的圖像檢索的新技術。同時，將對數字水印攻擊方法展開研究，分析算法的抗攻擊性和穩健性等性能。這有利于促進研制更好的數字水印算法。

(2)采用非對稱(公鑰)數字水印系統，該系統的檢測端可以通過一公開密鑰來檢測水印信號，以方便密鑰的管理和分發。

(3)嵌入的水印信號將使用具有實用價值的信息，例如一幅圖片、所有者簽名、文字信息等；且水印檢測時能實現水印的盲檢測，即不利用原始圖像就能檢測出嵌入的水印信息，這對于水印的實用化有重要意義。

(4)針對實際應用提出適合的算法和應用系統框架，一個理想的數字產品保護方案應該同時實現版權保護與內容認證，甚至注釋功能。