探究數字水印技術在檔案安全保護中的應用

文/山東省菏澤市120急救指揮中心 劉麗

隨著互聯網的興起、信息技術的廣泛運用以及數字設備在世界范圍內的普及，信息安全的重要性日益凸顯，安全高效的圖像加密算法成為廣大學者和檔案工作者追求的目標。檔案管理中對信息化的依賴程度越來越大，數字化形式的檔案作為一種新的檔案形式應運而生。這些圖文、音視頻等多媒體檔案資料如未經任何處理直接保存或者公開，那么一旦有人做了技術處理，即可偽造、篡改，造成嚴重的后果。未經加密手段處理的數字化檔案被篡改后無法通過原始載體進行鑒別。同時，數字檔案具有很強的流通性且篡改后不容易察覺，這就迫切需要一種技術手段來實現數字檔案資料的安全保護和管理，這也成為檔案信息化過程中的一個研究熱點。本文探討數字水印的涵義及主要性能指標，并介紹一種最新的數字水印加密算法——基于奇異值分解的水印算法及相關魯棒性分析，最后探討數字水印技術在檔案安全保護中的應用。

一、數字水印的涵義和主要性能指標

隨著信息技術的迅速發展和數字化產品的快速普及，人們對個人數字內容的安全性和真實性也有了越來越嚴格的要求。與此同時，一些信息安全方面的關鍵性問題也暴露了出來，比如對數字檔案的非法拷貝、篡改和傳播等。針對這些問題，數字水印技術以其特定的優勢被視為一種較有潛力的解決方案。數字水印技術利用人類視覺感知系統的不敏感和數字信號存在的冗余，將諸如作者姓名、版權圖標等用于識別的標志信息以隱蔽的方式嵌入圖文、音視頻數據中。國內很多學者也在數字水印領域作出極大貢獻。陳明奇等的《數字水印的研究進展和應用》及孫圣和等著的《數字水印處理技術》為現在數字水印研究奠定了堅實的理論基礎。

魯棒性和不可見性是數字水印系統中兩個最重要的評價指標。不可見性也稱為隱蔽性，指的是數字水印無法被常規手段檢測和提取，并且通過人眼視覺無法分辨出原始圖像和含水印圖像之間的差別。數字水印技術中另一個重要指標為魯棒性。魯棒性指在經歷多種有意或無意的信號處理過程后，數字水印仍能保持完整性并能被準確鑒別。這些信號處理包括有損壓縮、信道噪聲、濾波、位移、尺度變換和剪切等。

二、基于奇異值分解的數字水印算法及魯棒性分析

奇異值分解(Singular Value Decomposition,SVD)是線性代數領域中一個重要的矩陣分解手段。一個矩陣可被分解，其中，U是mxm階酉矩陣，∑是矩陣的奇異值構成的對角矩陣。奇異值分布滿足，代表矩陣的轉置。

奇異值分解技術因為兩個獨特的優點而在數字水印領域中大放異彩。首先，奇異值代表著圖像內在的幾何特性。其次，奇異值矩陣具有很好的穩定性，向圖像中加入一點小的擾動后，圖像的奇異值變化很小。因此將水印信息嵌入到宿主圖像奇異值矩陣中能提高算法的魯棒性。

一般來說，水印系統主要包括兩個部分：水印嵌入和水印提取。作為信息安全領域的一項重要安全手段，數字水印在版權保護、原始性認證等方面具有豐碩的研究成果。在不同的應用背景下，數字水印的實現方法具有極大的多樣性，但是也具有共同的基本模型。首先水印預處理，將原始水印圖像轉換為一段二進制序列；接著輪廓波變換，利用一級輪廓波變換將宿主圖像分解為1個低頻子帶和4個高頻方向子帶。為了確保所提出數字水印算法的魯棒性，將選擇含有大部分圖像信息的低頻子帶進行水印嵌入；接著邊緣檢測和圖像分塊。利用Canny邊緣檢測對低頻子帶進行分析，并將其分解成互不重疊的子塊，計算每個子塊的邊緣像素點個數，并選擇含有較少邊緣像素點的圖像塊作為水印嵌入區域。這些圖像塊的索引將作為密鑰保存起來；然后水印嵌入，對于圖像塊應用奇異值分解，提取矩陣中兩個系數，比較它們的大小關系，計算差值，通過修改兩個值來嵌入水印，通過奇異值分解逆變換生成修改后矩陣；接著是水印提取和閾值選擇，為了提高本文所提出的數字水印算法的魯棒性，水印嵌入過程中可以采用一個額外的閾值來控制水印嵌入強度。數字水印算法的魯棒性和隱蔽性是相互矛盾的，當嵌入強度變大時，水印算法的魯棒性會隨之變好，而隱蔽性則變弱。

三、數字水印技術在檔案安全保護中的應用及分析

隨著數字水印技術的發展，數字水印的應用領域也得到了擴展，其基本應用領域是版權保護、圖像認證、隱藏標識等方面。數字水印在數字檔案安全保護中的應用主要有以下幾個方面：1.數字水印技術在數字檔案的知識產權保護方面發揮重要作用。文本、圖像、音視頻等多媒體信息數字化過程產生的便是數字化的檔案館，在此過程中數字水印能夠對數字化檔案進行版權及完整性保護。2.基于圖像認證的數字水印技術在檔案內容認證方面發揮重要作用。本文提出的基于奇異值分解的水印系統的抗攻擊能力很強，算法可以判斷出所嵌入的水印信息是否被改變，進而保證檔案系統的安全性、完整性等。3.數字水印在數字檔案館的保護中發揮重要作用。當前數字檔案館多建設有門戶網站，在日常使用中，如果門戶網站受到了惡意的攻擊，那么檔案的信息安全勢必會受到嚴重的威脅。在這種情況下，數字水印的出現在網站信息安全的保障中發揮不可低估的作用。當基于奇異值分解的水印系統被使用之后，外來攻擊提取相關信息時就會引起報警。

當前我國有專門的法律條文對數字檔案文檔進行保護，但是水印技術的發展是法律法規保護的內在支持。基于奇異值分解的數字水印技術中水印的不可見性和魯棒性都較高，因此本文提出的基于奇異值分解的水印技術能從根本上解決數字檔案安全管理中的關鍵問題，有很好的利用前景。

四、結語

網絡環境的開放性為信息交流帶來了便利，但也給不法分子提供了可乘之機，增加了信息泄漏的風險。數字水印技術作為保護數字檔案的重要手段，在信息科學技術高速發展的今天，越來越受到重視。因此，圖像信息在傳輸過程中的安全問題引起了學者們密切關注。針對傳統數字水印算法在魯棒性、隱蔽性和實用性尚不完善或者完美的問題，本文結合奇異值分解設計了水印算法，并分析算法的魯棒性。該數字水印方案，借助加速魯棒特征提取算法估計幾何失真參數，克服了傳統數字水印算法無法有效抵抗幾何攻擊的缺點。方案中充分利用了多種變換的特性來實現魯棒性高、隱蔽性好的效果。在水印提取階段，不需要依賴原始宿主圖像信息和原始水印圖片就可以實現水印的提取。該水印方案對于大部分攻擊具有很好的魯棒性，在幾何失真參數不可知的情況下，該算法仍然具有抗幾何攻擊的能力，在數字檔案安全保護中可以發揮較大優勢。