基于電子印章的數(shù)字水印算法的實現(xiàn)

譚 慧

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

1 設(shè)計背景

近年來，從電子商務(wù)到共享汽車，從遠程教育、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)到大數(shù)據(jù)、云計算等等，“互聯(lián)網(wǎng)+”新型經(jīng)濟在中國遍地開花。2018年政府工作報告中有7處再次談及“互聯(lián)網(wǎng)+”這一經(jīng)濟熱詞，例如深入開展“互聯(lián)網(wǎng)+”行動、推行“互聯(lián)網(wǎng)+政務(wù)服務(wù)”、發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”[1]……網(wǎng)絡(luò)的興起和迅速發(fā)展，促進了社會公眾“互聯(lián)網(wǎng)+政務(wù)服務(wù)”的需求。為了適應(yīng)這種背景和經(jīng)濟運行方式的變革，政府大力推動電子政務(wù)建設(shè)。

電子政務(wù)依賴于以互聯(lián)網(wǎng)為中心的各類硬件設(shè)備，例如運算控制設(shè)備、加密解密設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備等，同時還需要各類數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、操作系統(tǒng)等系統(tǒng)支撐。其中有一個重要的辦公流程就是電子公文。電子公文是一種電子數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的紙質(zhì)公文通過電子公文傳輸系統(tǒng)處理后就變成了有規(guī)范格式的電子公文[2]。一般電子公文分為兩類，一類是規(guī)范性公文，即通用公文，俗稱“紅頭文件”[3]；另一類是非規(guī)范性公文，主要指通知類、講話類等公文。為了保證電子公文的準確性和真實性，我們設(shè)計出一種基于電子印章的數(shù)字水印算法。

2 電子印章系統(tǒng)架構(gòu)及思路

2.1 印章系統(tǒng)架構(gòu)

整個電子印章系統(tǒng)從物理結(jié)構(gòu)上來說包括電子印章系統(tǒng)后臺和客戶端空間訪問接口兩部分。其中后臺由后臺數(shù)據(jù)庫、中間轉(zhuǎn)接層和其它模塊組成，所有用戶通過中間轉(zhuǎn)接層訪問后臺數(shù)據(jù)庫，所有的訪問信息將放在后臺數(shù)據(jù)庫中。客戶端控件訪問接口由第三方提供的模塊、核心算法和與用戶交互的模塊組成，通過Word插件模塊與用戶交互，利用水印嵌入算法和水印提取算法進行水印嵌入和提取。USBKey開發(fā)接口、加密算法類庫、解密算法類庫是則由第三方提供。

從功能上來說，印章系統(tǒng)由權(quán)限設(shè)置中心、公文審批中心、制作印章中心三個部分構(gòu)成。其中，權(quán)限設(shè)置中心用來負責(zé)客戶端與后臺數(shù)據(jù)庫的通信，設(shè)置通過客戶端訪問的各類用戶的權(quán)限；制作印章中心負責(zé)電子公文數(shù)據(jù)傳輸前的準備工作，例如制作印章、審閱印章、查詢印章、撤銷印章等工作[2]；公文審批中心是印章系統(tǒng)中最核心的部分，因為它可以實現(xiàn)文檔的電子簽章。

2.2 設(shè)計思想

電子公文和傳統(tǒng)的紙質(zhì)公文相比，在查閱、存檔等方面，工作成本節(jié)省了，辦公效率提高了[4]。但是由于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程容易出現(xiàn)公文被泄密的情況，因此需要合適的數(shù)字水印算法來保證最終接收端收到的公文是真實準確的公文。例如：我們制作一個行政公文，按流程需要領(lǐng)導(dǎo)的逐級批復(fù)，但是由于在傳輸過程中存在著被篡改、偽造等安全問題，因此各部門下載公文后可能會需要驗證電子公文的真?zhèn)巍?/p>

在電子公文系統(tǒng)中，基于“用戶-網(wǎng)絡(luò)-多個用戶”的形式為例，我們將批文嵌入了公文時間戳信息水印然后將其發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，有需要用到此批文的部門下載該文件，下載后通過提取水印來驗證公文的真?zhèn)巍?/p>

傳統(tǒng)的基于DCT系數(shù)特征的盲水印算法沒有基于人的視覺和聽覺感知模型，水印安全性較差，容量小，魯棒性差。針對這些問題，本文提出的算法重點從以下方面進行改進：

（1）載體和水印存在形式上。利用變換處理將載體和水印改變其原有的存在形式，水印信息進行去噪、銳化處理后進行A rnold變換，對載體數(shù)據(jù)進行DCT變換。

（2）為了更準確地判別和提取水印信號，增強算法魯棒性，用兩位中頻系數(shù)來表征一位水印信號。

（3）增大容量。用增加中頻系數(shù)的方法來增大水印容量，從傳統(tǒng)的兩位中頻系數(shù)增加到四位中頻系數(shù)，每一小塊可以嵌入兩位水印信號，達到傳統(tǒng)容量的2倍。

3 水印嵌入步驟

（1）預(yù)處理

按照辦公習(xí)慣，紙質(zhì)公文上要用手寫簽名或者印章來做批復(fù)，相對應(yīng)的，電子公文上的批復(fù)就是電子簽名。將手寫簽名轉(zhuǎn)換為電子簽名可以通過拍照、掃描等方式，但是這些方式可能會因為像素等原因?qū)е码娮雍灻磺逦灰妆嬲J，為了使電子簽名更加清晰，我們要先對它進行去噪、銳化等處理。

（2）Arnold變換

俗稱貓變換，是將圖像拉伸、壓縮、折疊及拼接的過程。為了提高水印算法的魯棒性和抗剪切能力，我們將水印圖像進行10次Arnold變換。我們設(shè)矩陣中的任意像素位置為（x,y）,將像素點（x,y）按照某種映射變換到另一點（x’,y’）。變換后我們會得到一個水印圖像矩陣M*M，運算公式為：

（3）離散余弦變換（DCT變換）

將載體圖像分成8*8的塊進行DCT變換，會得到與載體圖像相同尺寸的DCT域系數(shù)矩陣。

（4）嵌入水印

選擇四個中頻系數(shù)來嵌入水印，例如選擇坐標(2，3)和(3，2)來嵌入一位水印信號，再選擇坐標(6，7)和(7，6)嵌入另一位水印信號。嵌入的水印值S可以改變DCT系數(shù)：

1）S=1，兩位DCT=b；

2）S=1，DCT＞b，值不變；

3）S=0，兩位DCT=-b；

4）S=0，DCT＞-b，值不變。

（5）對新生成的小波系數(shù)矩陣做反變換。

（6）不斷重復(fù)1-5的步驟，可以得到嵌入水印的圖像。

4 水印提取的步驟

提取水印需要有密鑰，并且要清楚密鑰的組成內(nèi)容。這個算法中密鑰由四個中頻系數(shù)、水印的長度、Arnold變換次數(shù)、舉證序列四部分組成。按如下步驟進行：

（1）對檢測圖像分塊后再進行DCT變換；

（2）檢查該圖像塊中的下標為(2，3)和(3，2)，(6，7)和(7，6)的DCT系數(shù)之和：

1）系數(shù)之和＞0，表明S=“1”；

2）系數(shù)之和＜0，表明S=“0”。

（3）不斷重復(fù)以上步驟，直到所有的水印信號被提取出來；

（4）對提取的水印信號進行10次逆Arnold變換，恢復(fù)出水印圖像。

5 算法實驗

實驗前提：標志項N取12。

實驗載體圖像：大小378×378像素；

實驗水印圖像：二值圖像，大小32×32像素。

實驗一：JPEG壓縮測試

在無任何攻擊下的實驗結(jié)果(PSNR=40.0685，NC=0.9983)，表1為JPEG壓縮測試下的實驗結(jié)果(Q為壓縮品質(zhì)因數(shù)，PSNR為峰值信噪比，NC為相似度)。

表1 JPEG壓縮測試的實驗結(jié)果

由測試結(jié)果可見，即使Q=45，水印的隱秘性依然很好，而且提取的水印非常清晰，說明這類算法的抗壓縮能力強。

實驗二：攻擊測試

我們對圖像進行了各類攻擊，從圖1的實驗結(jié)果來看，載體圖像的質(zhì)量在遭受攻擊后有一定的降低，但是仍然可以提取出水印。

圖1 各種攻擊測試后的結(jié)果

6 性能測試

測試一：劃痕和簽字干擾

公文文件要有很多部門審批、查閱人也多，查閱審批多或少會留下相關(guān)批閱的痕跡，在辦公系統(tǒng)中傳輸?shù)臅r候也有可能受到非法修改，這樣會干擾驗證公文是否真實有效和完整的過程。我們用一個加了簽字的公文文件做測試，如圖2所示，通過測試可以看出，雖然文件受到了一些破壞，但還是可以從中正確提取出嵌入的水印，圖3所示。提取水印的NC系數(shù)為0.8367、MSE為0.1326、PSNR為8.7367。

圖2 受簽字干擾的文件

圖3 提取的水印圖像

測試二：椒鹽噪聲干擾

數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中很容易信道干擾，其中最常見的信道干擾形式之一就是椒鹽噪聲干擾。我們模擬噪聲干擾，在載體圖像中加入方差為0.036的椒鹽噪聲，如圖4所示，我們依然可以提取出較為清晰的水印信息，如圖5所示。

圖4 受噪聲干擾的文件

圖5 提取的水印圖像

表2 椒鹽噪聲干擾測試的實驗結(jié)果

從表2可以看出，椒鹽噪聲方差可以影響載體圖像的NC、PSNR以及提取的水印的NC。從結(jié)果可以看出，噪聲方差值和載體圖像的相似度以及峰值信噪比成反比，噪聲方差值越小，所得到水印NC越接近1，也就是說和原電子公文、原水印越相似；噪聲的方差值越大得到的水印NC就越小，通過人的視覺可以判斷出差異，從而可以肯定載體公文在傳輸過程中受到了非法攻擊，需要提醒接收方驗證電子公文的真實性和有效性。

測試三：損壞或臟舊污染

在實際工作中，經(jīng)過多人傳閱的公文，極可能會破損。我們用一個被墨水印記弄臟的公文文件為載體做測試，如圖6所示。經(jīng)測試，所提取水印的NC系數(shù)為0.8427、均方誤差為0.1478、PSNR為9.1475。說明在應(yīng)用了這類算法，即使文件已經(jīng)破損，水印圖像還是可以被提取出來，如圖7所示。

圖6 有污點的文件

圖7 提取的水印圖像

從實驗結(jié)果可以看出，這種算法的抗壓縮能力較強，水印的隱蔽性較好，魯棒性較高。性能測試表明，即使載體圖像在受到各種惡意攻擊和信號處理后造成了一定程度的失真，嵌入的水印仍能被高精度地檢測出。結(jié)果說明改進后的算法簡單實用，比較適合互聯(lián)網(wǎng)下電子公文的應(yīng)用環(huán)境。