基于可逆可見水印的文獻電子文檔版權系統

石紅芹， 王 艷， 余 鷹

(華東交通大學 軟件學院，南昌 330013)

基于可逆可見水印的文獻電子文檔版權系統

石紅芹， 王 艷， 余 鷹

(華東交通大學 軟件學院，南昌 330013)

設計了一種魯棒性和實時性兼具的可逆可見水印算法，以保護大量館藏珍貴圖書電子文檔的版權。首先，將電子文檔的掃描圖像作為載體圖像，二值圖片作為水印圖像。在載體圖像上選擇嵌入區域，將該區域進行顏色空間轉換得Y分量，對Y分量進行2級非下采樣Contourlet變換，對得到的高頻子帶和低頻子帶分別按照不同的嵌入強度進行水印嵌入，經過一系列逆變換得到含水印圖像。其次，使用Rijndael算法完成電子文檔的加解密。最終，系統能為授權用戶清除水印并提供加密的高清版本下載，用戶在注冊終端可自動解密文檔。有助于網絡環境下電子文獻資源的版權保護，促進館藏數字信息資源的共享，很好地解決了電子文檔的流通與版權保護之間的矛盾。

可逆可見水印； 電子文檔； Rijndael算法； 實時性

0 引 言

圖書館、檔案館、博物館中存在著大量書籍的珍本、善本、孤本，將其整理掃描成電子文檔供讀者瀏覽、下載，一方面可以減少這些書籍在流通中人為的破壞;另一方面也有利于文檔的長期保存。隨著科技的發展，對電子文檔的非法復制、拷貝、傳播行為也越來越普及。鑒于圖書文獻的流通特性[1-2]，在有效區域內加入可見水印，可以防止電子文檔的非授權使用及傳播;采用可逆可見水印技術[3-4]，可以確保授權用戶在移除水印后能無損恢復電子文檔。朱光等設計了一種針對圖像、音頻、視頻的數字水印版權管理系統[5]，通過嵌入水印來加強對多媒體文件的版權保護和盜版追蹤。文獻[6]中通過將QR碼嵌入到載體圖像中，當成功掃描QR碼后可解碼其內信息用來恢復出原始圖像。Agarwal等通過尋找最佳嵌入子圖和最佳嵌入強度來實現可見水印的嵌入[7]。文獻[8]中開發了一種在一副載體圖像中嵌入多張不同水印圖片的系統。本文根據圖書館、博物館、檔案館電子文檔的流通特性，開發了一種既適用于版權保護又能讓授權用戶瀏覽、下載使用的可逆可見水印系統，很好地促進了電子文檔的版權保護和可靠流通。

1 系統功能需求

本系統以高校圖書館珍貴書籍電子文檔的版權保護為例，系統包括用戶模塊、管理員模塊和后臺服務器模塊，圖1為系統的功能結構圖，展示了本系統的主要功能。

圖1 系統功能結構圖

(1)后臺服務器模塊。后臺服務器可以實現對電子文檔添加可見水印，對用戶付費的文檔加密的功能。圖2為服務器工作流程圖。

(2)用戶模塊。用戶可以對館內數字資源進行瀏覽、查看各類資源簡介，注冊用戶可以試讀，對電子書籍等資源可以清晰地閱讀前2頁，2頁之后的頁面添加了可見水印，內容無法全面清晰地呈現在讀者面前。用戶可以申請購買使用該電子文檔，考慮到現在個人常常擁有多個終端，在不同時間、地點可能會使用不同終端欣賞數字產品，用戶在申請購買時可提供最多3個注冊終端(i=1,2,3))，一旦用戶的設備損壞或者丟失可以申請更改dev_idi信息，考慮到版權保護的需求，每個用戶的更改次數最多不允許超過2次，用戶收到加密文檔后可以用注冊設備id解密數據，圖3為用戶模塊功能流程圖。

圖2 服務器工作流程圖

圖3 用戶模塊功能流程圖

(3)管理員模塊。管理員要對館內數字資源進行分類整理，審核用戶注冊信息，對會員及臨時付費用戶信息管理，對用戶提交的dev_id信息進行存儲，一旦用戶申請下載，要核對所提交的dev_idi是否為事先存儲的信息，不一致則拒絕下載，如果用戶申請更改備注dev_idi，核對信息無誤后可修改數據庫中存儲的用戶dev_idi信息，將被更改終端id寫入黑名單，不允許再用此id下載資源。

2 相關研究

2.1 NSCT變換

NSCT變換(Nonsubsampled Contourlet Transform)即非下采樣Contourlet變換[9-10]。NSCT變換的過程是:首先通過非抽樣金字塔濾波器NSP分解，將輸入圖像分解為低頻子帶和高頻子帶，然后用非抽樣方向濾波器組NSDFB將高頻子帶分解為多方向子帶，對每一層低頻子帶重復上述操作，就可得到圖像的多尺度、多方向分解。NSCT圖像分解得到的所有子帶的尺寸與原始圖像尺寸相同。圖4給出了NSCT變換的分解結構示意圖。在NSCT分解的各子帶中，低頻子帶主要集中了宿主圖像的大部分能量，而高頻子帶包含了原始圖像的紋理和邊緣信息，文中選擇將水印圖像按照不同的調制系數分別嵌入到高頻和低頻子帶中。

圖4 NSCT變換

2.2 水印圖像的嵌入

對珍貴圖書資料的電子掃描文件可理解為以電子圖書的格式保存，圖書的每一頁為一張電子圖像，可作為嵌入水印的載體圖像，記為O；二值水印圖像為W。水印的嵌入位置為載體主對角線上隨機選擇的坐標點。

數據輸入：電子掃描文檔O，大小為p×p的水印圖像W。

數據輸出：含水印圖像Ow。

2.2.1 彩色圖像的水印嵌入

步驟1：將電子掃描文件每張作為一副彩色圖像記為載體O，大小為m×n。

步驟2：隨機在載體的主對角線上選擇嵌入點坐標(x,y)，且滿足(x+p≤m)&(y+p≤n)，從點(x,y)開始獲取p×p的載體子圖像作為水印嵌入區域記為I。

步驟3：將I由RGB空間轉換為YUV空間:

YUV= 0.299 0.587 0.114-0.148-0.289 0.437 0.615-0.515-0.100é?êêêêù?úúúúRGBé?êêêêù?úúúú

(1)

分別對載體子圖I的Y分量YI和水印圖像W作二層NSCT變換各獲得低頻子帶、二層4方向子帶和一層8方向子帶。

步驟4：將水印圖像的低頻、高頻子帶按下式一一對應嵌入到YI的相應子帶中,

YIW=αYI+βW

(2)

式中:YIW為載體子圖I的嵌入水印后的Y分量頻域子帶;α、β為水印嵌入的調制系數。考慮到載體圖像NSCT分解的主要能量都集中在低頻子帶中，為了減少對載體的干擾，實驗驗證α的取值在(0.9，0.98)、β的取值在(0，0.1)范圍內時，效果較好；而高頻子帶(二層4方向子帶和一層8方向子帶)中包含了原始圖像的紋理和邊緣信息，高頻子帶的調制系數由載體子圖像I的Y分量和水印圖像W相應的高頻系數的噪聲可見函數確定[11]:

(3)

式中:nvf1指載體圖像的噪聲可見性函數的取值;nvf2是水印圖像的噪聲可見性函數的取值。

步驟5：將得到的各疊加子帶進行逆NSCT變換，得到含水印子圖亮度分量Y′，用Y′替換Y進行顏色空間轉換，將含水印載體子圖I′由YUV空間轉換到RGB空間后替換原始載體子圖I，得到含水印圖像Ow，重復步驟1～5，依次為電子文檔的每頁添加可見水印。

2.2.2 灰度圖像的水印嵌入

步驟1：若載體圖像為灰度圖像，則嵌入子圖I也為灰度圖像。分別對嵌入子圖I和水印圖像W作二層NSCT變換各獲得低頻子帶、二層4方向子帶和一層8方向子帶。

步驟2：將水印圖像的低頻、高頻子帶按式(2)一一對應嵌入到I的相應子帶中。水印嵌入的調制系數α、β取值與2.2.1節中彩色圖像低頻、高頻子帶的調制系數取值一致。

步驟3：將得到的各疊加子帶進行逆NSCT變換得到含水印子圖I′，用I′替換載體圖像O中的I子圖，得到含水印圖像Ow。

重復步驟1～3，依次為電子文檔的每頁添加可見水印。

水印去除為水印嵌入的逆過程，這里不再贅述。

2.3 Rijndael加密算法

本系統中，一旦會員或者付費用戶要求下載電子文檔時，后臺服務器需從數據庫中調用電子文檔傳輸給用戶。而明文傳輸的文件中途很可能被攔截，后臺服務器負責把文件加密后傳輸給用戶，用戶解密后才能使用該文件，本系統中文件采用Rijndael算法進行加解密[12-13]。

Rijndael算法主要包括輪變化、圈數和密鑰擴展3個方面[14]。Rijndael算法是分組密鑰，用Nr表示對1個數據分組加密的輪數，算法的輪數依賴于密鑰的大小和分組的大小，由下式計算輪數Nr的值:

Nr=(密鑰長度(位))/32+6=Nk+6

(4)

式中，Nk表示密鑰所含的數據字數，若密鑰長度為256位，則輪數Nr=256/32+6=14次。

設電子文檔的一頁可以作為一副圖像，可用矩陣表示為(aij)m×n，圖像的大小為m×n個像素，aij表示圖像在第i行第j列的像素值。

本系統的密鑰包括：256位數據加密密鑰cipher key，輪密鑰round key，用來對用戶申請下載的電子文檔進行加解密。電子文檔的加密代碼如下：

Encryption(State,CipherKey)

{ KeyExpansion(CipherKey, RoundKey)

AddRoundKey(State, RoundKey)//第0輪只做

AddRoundKey

For(i=1;i

Round(State, RoundKey)

{ByteSub(State);

ShiftRow(State);

MixColumn(State);

AddRoundKey(State, RoundKey)}

FinalRound(State, RoundKey)//最后一輪不做 mixcolumn

{ ByteSub(State);

ShiftRow(State);

AddRoundKey(State, RoundKey)；}

}

解密是加密的逆過程，本文設計了專門的客戶端軟件來對加密的文件進行解密。客戶端軟件采用雙緩沖機制，文件加解密以圖片為單位，一般5張圖片為一組，一個空閑緩沖區可存放一組圖片，另一個固定大小的緩沖區抽取解密后的圖片文件進行閱讀。當需要使用下一組圖片時，用后一組的內容覆蓋前一組的內容。由于緩沖區采用了安全存儲機制，用戶無法得到緩沖區中解密后的圖片內容，從而保護了數字文檔的版權。

2.4 權利證書

服務器為用戶生成基于XML的權利證書，證書直接與會員或者付費用戶的注冊設備唯一識別碼dev_id綁定，證書發放時產生一條發放記錄存儲于服務器端數據庫中；用戶有下載需求時，先選擇一個已注冊設備用于承載該權利證書和加密文檔，該權利證書在生成過程中將與選中的設備唯一綁定。用戶在客戶端欲使用電子文檔時，只有被選中設備的dev_id與權利證書一致時，才能成功解密。

3 系統實現

實驗測試中用512×512的數字圖像作為測試用圖，256×256的二值圖像作為水印圖像。圖5所示為系統后臺處理子系統界面截圖。圖6、圖7分別為系統中示例所用水印圖像和載體圖像。

3.1 水印可逆性

為了客觀地驗證本算法的性能，引入峰值信噪比PSNR，用來客觀反映圖像視覺特性的指標，嵌入水印的圖像可以用PSNR驗證水印的不可見性，PSNR的值越大說明算法的魯棒性越好[15]。

圖5 后臺處理系統

圖6 水印圖像

圖7 載體圖像(PSNR=49.662 0)

3.2 水印魯棒性

取6幅不同的電子文檔，圖片1～6根據本文算法嵌入水印，在沒有正確密鑰的情況下，去除水印，嵌入可見水印后的圖像與去除水印的恢復圖像，其峰值信噪比如表1所示。

表1 無密鑰恢復圖像質量對比數值

由表1數據可知，在沒有正確密鑰的情況下，恢復圖像的PSNR值與含水印圖像數值相差不大，本文算法表現出了較好的魯棒性。

圖8、9分別為含水印載體圖像及去除水印后恢復載體圖像及其對應的PSNR值。

圖8 含水印載體圖像(PSNR=20.517 4)

圖9 恢復圖像(PSNR=48.998 1)

3.3 實時性評估

在網絡環境下，版權管理系統需要對電子文檔添加水印供前臺展示，需對用戶提交了下載申請的文件從數據庫提取后加密傳輸給用戶終端，對所有這些操作要進行實時處理，系統應具有較短的響應時間。對數字圖像嵌入水印所需的時間進行分析，結果如圖10所示。評估結果表明，系統具有較高的計算效率，可以達到實時處理的目的。

圖10 水印添加實時性評估圖

4 結 語

可逆可見水印技術在數字圖像版權保護和質量敏感圖像隱私保護中發揮著越來越重要的作用，本文提出了一種基于可逆可見水印技術的電子文檔保護算法。設計了電子文檔版權管理系統，有效地保護了圖書館、檔案館、博物館電子媒體資源的知識產權，促進了信息資源的合理流通。在系統的實踐應用中，基本能夠滿足用戶和版權單位對多媒體資源版權保護的需求，具有良好的可靠性、實時性和穩定性。

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Copyright Protection System for Electronic Documents of Resource Based on Reversible and Visible Watermarking

SHI Hongqin, WANG Yan， YU Ying

(School of Software, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

A reversible and visible watermarking algorithm which has superior performance on robustness and real-time is designed to protect the copyright of electronic scanning for libraries, museums. Firstly, every original image is one page of electronic picture and binary image is made as watermark. The chosen embedding areas of original image are made color space conversion to getYcomponent, which is applying NSCT with two levels on them to get low and high frequency sub-bands. Each frequency sub-bands of watermark image is embedded into the corresponded low and high sub-bands of selected area of original image with different adjustment coefficients. Then, Rijndael algorithm is used to encrypt and decrypt in document pictures. The system can remove the visible watermark from watermarked document image for only the authorized user, so that user can download the encrypted one and decrypt it on the register terminal. The study is helpful to the protection of electric scanning for libraries, museums.

reversible and visible watermarking; electronic documents; Rijndael algorithm; real-time

2016-12-12

國家自然科學基金項目(61365008，61563016);教育部人文社科基金項目(15YJA860013);江西省科技廳工業支撐項目(20161BBE50092)；江西省自然科學基金項目(20151BAB217011)

石紅芹(1970-) ，女，河北滄人，副教授，研究方向：數字水印，信息安全。

Tel.:18970841977； E-mail：87735907@qq.com

TN 911.73

A

1006-7167(2017)08-0014-05