基于多重用戶數(shù)字水印系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

劉枳岑，徐 明

（揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)在人們生活中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，各單位頒布工作文件的方式也漸漸由傳統(tǒng)的紙質(zhì)文件印刷及分發(fā)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮游募魉托问絒1]。文件發(fā)布方式的革新意味著科技的進(jìn)步，但問(wèn)題也隨之而來(lái)。一方面，文件在內(nèi)部流轉(zhuǎn)的過(guò)程中由多人經(jīng)手查閱，文件內(nèi)容容易被泄密，而泄露之后對(duì)于文件泄密過(guò)程的追蹤和相關(guān)人員的定責(zé)往往含糊不清、真?zhèn)坞y辨[2]；另一方面，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步也導(dǎo)致文件造假事件頻頻發(fā)生，網(wǎng)民隨意偽造相關(guān)單位文件，并發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，最終引起軒然大波的案例屢見(jiàn)不鮮?；诋?dāng)今文件發(fā)布的現(xiàn)狀和對(duì)已發(fā)布文件確保真實(shí)性的識(shí)別要求，采用數(shù)字水印方式對(duì)文件加密以及實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的動(dòng)態(tài)跟蹤和溯源，已經(jīng)成為文件安全發(fā)布和文件可靠傳遞的一種必備的重要手段。

數(shù)字水印技術(shù)是由信息隱藏技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，它憑借不可感知性和魯棒性，被廣泛應(yīng)用于防偽溯源、版權(quán)保護(hù)、隱藏標(biāo)識(shí)、認(rèn)證和安全隱蔽通信領(lǐng)域[3]。利用數(shù)字水印隱蔽性強(qiáng)、不易被察覺(jué)的特點(diǎn)，在文件發(fā)布或傳遞過(guò)程中，為每位用戶設(shè)計(jì)生成獨(dú)特的水印圖片，將多張水印圖片嵌入到發(fā)布的圖片文件中，最終形成一個(gè)具有預(yù)防圖片文件泄密、能追蹤管理文件流轉(zhuǎn)過(guò)程、具備文件防偽認(rèn)證功能的多重用戶數(shù)字水印系統(tǒng)。

數(shù)字水印技術(shù)最早出現(xiàn)在1993 年TIRKEL 等撰寫(xiě)的《Electronic Watermark》文章中[3]。該思路一經(jīng)提出，因它在信息安全和經(jīng)濟(jì)上不可估量的地位，在學(xué)術(shù)論壇上風(fēng)靡一時(shí)，從而引起了許多專業(yè)領(lǐng)域杰出人才的興趣，最終推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的研究并取得了優(yōu)異的成果[4]。為了促進(jìn)國(guó)際學(xué)術(shù)界的交流，1996 年，在英國(guó)劍橋召開(kāi)了第一屆國(guó)際信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)（International Information Hiding Workshop，IHW），標(biāo)志著信息隱藏學(xué)的誕生，直至2009 年，該研討會(huì)共舉辦了十一屆[4]。1999 年，國(guó)內(nèi)關(guān)于數(shù)字水印技術(shù)的研究開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，同年舉辦了全國(guó)信息隱藏學(xué)詩(shī)研討會(huì)，作為信息安全領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，一定意義上促進(jìn)了中國(guó)數(shù)字水印技術(shù)的研究與發(fā)展。

當(dāng)今數(shù)字水印處理方式主要采用單重顯式數(shù)字水印處理技術(shù)，即只能對(duì)圖片文件實(shí)施一次水印處理，水印內(nèi)容清晰易讀。但在實(shí)際文件發(fā)布及傳閱過(guò)程中，多用戶閱讀文件更具普遍性和一般性。如何對(duì)圖片文件實(shí)施多重水印處理，最終能夠?qū)Χ嘀厮D片準(zhǔn)確單獨(dú)分離、逆向提取出每個(gè)用戶的個(gè)人信息；為了確保發(fā)布內(nèi)容安全可靠、發(fā)布單位的權(quán)威和可信度，文件的水印標(biāo)識(shí)手段應(yīng)更具隱蔽性和不可閱讀性等，這些正是目前水印處理面臨的技術(shù)難點(diǎn)，也是本文解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

本文提出了一個(gè)基于多重用戶的數(shù)字水印系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)本系統(tǒng)處理后的文件具有以下特性：在文件內(nèi)容發(fā)生泄露時(shí)，能夠識(shí)別出每個(gè)用戶的閱讀痕跡，從而對(duì)文件實(shí)施準(zhǔn)確追蹤并定責(zé)；在文件實(shí)施水印處理后，可以通過(guò)對(duì)水印標(biāo)識(shí)的隱式處理和逆還原，辨別文件真?zhèn)?。由此可知，?duì)文件進(jìn)行不露痕跡的跟蹤標(biāo)記是數(shù)字水印的核心，而多重?cái)?shù)字水印技術(shù)又是實(shí)現(xiàn)多重用戶系統(tǒng)的重中之重[3]。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用MATLAB 和Visual Studio 共同開(kāi)發(fā)，利用MATLAB 對(duì)圖像強(qiáng)大的處理功能設(shè)計(jì)水印模塊處理函數(shù)，生成dll 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，嵌入ASP.NET 中供C#調(diào)用。通過(guò)Visual Studio 搭建系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)基本框架，在網(wǎng)頁(yè)運(yùn)行中，調(diào)用水印處理模塊的dll 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，從而形成基于多重用戶的數(shù)字水印系統(tǒng)。

本系統(tǒng)生成水印圖片時(shí)首先要求用戶輸入姓名，連接數(shù)據(jù)庫(kù)并獲取用戶信息，最終生成包含該用戶信息的水印圖片，然后將水印圖片嵌入文件中。圖片文件要求后綴名是jpg、png、bmp 的格式（單通道、三通道圖均可）。如需嵌入多位用戶水印，重復(fù)上述操作即可。

本系統(tǒng)提取用戶水印，要求輸入同樣是后綴名為jpg、png、bmp 的圖片文件（單通道圖），將圖片分塊提取水印，并將提取出的水印可視化。若提取出的水印與本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的水印相同，則此圖片文件表示已發(fā)布文件，且圖片內(nèi)含有相應(yīng)的用戶信息，可記錄圖片分塊編號(hào)。

本系統(tǒng)水印信息提取時(shí)，要求用戶輸入被嵌入圖片的分塊編號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)提取水印中被嵌入的用戶數(shù)字信息。系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。

圖1 水印系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)流程圖

1.2 功能模塊實(shí)現(xiàn)

1.2.1 水印圖片生成模塊

水印圖片中嵌入的信息包含用戶ID 和username（用戶中文姓名），連接SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)獲取，用戶ID 為十進(jìn)制數(shù)字。這里規(guī)定用戶姓名為二/三/四個(gè)漢字（考慮復(fù)姓）。系統(tǒng)在生成水印時(shí)，將ID 和username 轉(zhuǎn)化為80 位二進(jìn)制字符串生成水印圖片。

具體步驟為：①將十進(jìn)制數(shù)字ID 直接轉(zhuǎn)化為16位二進(jìn)制字符串（即用戶數(shù)容量為256×256）；②username 在轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制過(guò)程中，統(tǒng)一按照4 個(gè)漢字?jǐn)?shù)設(shè)置，若username 不足4 個(gè)漢字，用‘UU’（對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制字符串為‘0101010101010101’）作為1個(gè)漢字?jǐn)?shù)補(bǔ)充，直至username 補(bǔ)齊至4 個(gè)漢字長(zhǎng)度；③將統(tǒng)一長(zhǎng)度的username 轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)ASCII 碼，再將ASCII 碼（4×2=8）轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的64 位（8×8=64）二進(jìn)制字符串；④將得到的80 位二進(jìn)制字符串保存到對(duì)應(yīng)的二維數(shù)組中，利用二維離散余弦變換原理生成水印圖片，像素為（640，640）。

水印圖片生成代碼如下：

shading_img1=double(255*ones(640,640)); %水印分塊，用戶嵌入一個(gè)用戶信息

id_1=allinall; %用戶ID 和username 生成的二進(jìn)制字符串

for ii=1:80

ms=str2double(id_1(ii)); %判斷讀取的那個(gè)bit

for jj=1:80

blocktemp=255*ones(8,8); %每8*8 像素嵌入一個(gè)bit，這里直接每個(gè)bit 水印信息嵌入80 遍

bldct=dct2(blocktemp);

if ms==1

bldct(2,3)=50;

else

bldct(3,2)=50;

end

blockmark=idct2(bldct);

shading_img1(ii*8-7:ii*8,jj*8-7:jj*8)=blockmark;

end

end

shading_img1=uint8(shading_img1); %嵌入結(jié)果

水印樣例如圖2 所示。采用嵌入16 次、每8×8像素嵌入1 bit 的水印圖片樣例，效果圖與系統(tǒng)中嵌入80 次的水印效果圖類似；對(duì)應(yīng)嵌入二進(jìn)制字符串為0101010101010101。

圖2 水印樣例圖

1.2.2 多重?cái)?shù)字水印嵌入模塊

本系統(tǒng)中采用圖片切割分塊，每個(gè)分塊對(duì)應(yīng)用戶ID 編號(hào)，根據(jù)二維離散余弦變換原理在圖片分塊中分別嵌入單重?cái)?shù)字水印，從而實(shí)現(xiàn)多重水印嵌入。

具體步驟為：①用戶上傳載體圖片，系統(tǒng)自動(dòng)將水印圖片進(jìn)行二值化處理、載體圖片灰度化處理；②載體圖片像素設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)為640×4×3，若載體圖片為RGB 圖片，則先轉(zhuǎn)化為灰度圖片再設(shè)置像素大??；③將載體圖片分割為3×3 個(gè)像素為（640×4、640×4）子塊（原則上可以分為N×N（N≤256））個(gè)子塊，這里為了程序運(yùn)行方便快捷，將N設(shè)置為3，即可嵌入用戶為9 位），給9 個(gè)子塊圖片編號(hào)（1－9）；④獲取SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)中要嵌入用戶ID（1－9），讀取用戶ID 對(duì)應(yīng)編號(hào)的子塊圖片，根據(jù)二維離散余弦變換原理嵌入水印，將嵌入水印的子塊塊圖片替代原子塊圖片；⑤將所有子塊圖片無(wú)損合并，生成嵌入多重?cái)?shù)字水印后的圖片。

載體圖片分塊代碼如下：

block1=1;

for i=0:(highsplit-1) %控制行

for j=0:(widesplit-1) %控制列

R1=imcrop(I,[i*wide+1 j*high+1 wide-1 high-1]); %( i*wide+1, j*high+1)為切割起點(diǎn)，(wide-1,high-1)為切割范圍

imwrite(R1,['E:分塊嵌入 ' num2str(block1)'.jpg']); %按編號(hào)保存載體圖片分塊

block1=block1+1;

%disp(block1);

end

end

嵌入數(shù)字水印的代碼，代碼略。

1.2.3 多重?cái)?shù)字水印提取模塊

多重水印提取時(shí)，將圖片文件再次切割分塊，檢測(cè)每一個(gè)分塊能否提取出用戶水印圖片，若含有嵌入水印的分塊，則提取文件為系統(tǒng)使用單位發(fā)布且根據(jù)提取出的水印信息能夠?qū)嵤┪募鬓D(zhuǎn)路徑反向追蹤。

具體步驟為：①用戶上傳嵌入多重?cái)?shù)字水印的圖片，系統(tǒng)讀取圖片；②在確保提取圖片像素（640×4×3、640×4×3）不變的情況下，再次將圖片分割為3×3 的子塊（640×4，640×4）；③分別對(duì)每一個(gè)子塊提取水印，按編號(hào)保存提取出的水印圖像，若各子塊提取出的水印圖片有與本系統(tǒng)生成的水印圖片樣式一致的，則水印圖片提取成功且文件認(rèn)證成功；④記錄嵌入用戶水印的分塊編號(hào)，方便水印信息的提取。

1.2.4 水印信息提取模塊

水印信息提取時(shí)，輸入已知的含有水印信息的圖片子塊編號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)讀取水印中含有的多個(gè)用戶信息。具體步驟如下：①用戶輸入含有水波紋水印的圖片編號(hào)；②系統(tǒng)按次序提取各水印圖片含有的信息，每張水印圖片可提取出80 位二進(jìn)制字符串；③取80位二進(jìn)制字符串的前16 位逆轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制用戶ID，后64 位判斷含有漢字個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)化為用戶姓名，從而得到完整的用戶信息。

2 不可感知性評(píng)價(jià)

本文的不可感知性評(píng)價(jià)主要是從用戶的主觀感受進(jìn)行評(píng)價(jià)的，主觀評(píng)價(jià)指的是參與觀察評(píng)價(jià)的人根據(jù)自身視覺(jué)感官等對(duì)嵌入水印后的圖片文件進(jìn)行評(píng)價(jià)。ITU-R BT.500 建議中對(duì)測(cè)試環(huán)境、測(cè)試素材、測(cè)試條件的范圍和錨定、觀察者的選擇等電視圖像提供了明確的評(píng)價(jià)過(guò)程和標(biāo)準(zhǔn)。其中有一個(gè)分級(jí)量表，采用的是5 級(jí)損傷量表，即：5（不可察覺(jué)的質(zhì)量損傷）、4（可察覺(jué)的質(zhì)量損傷，但不令人討厭）、3（稍微令人討厭的質(zhì)量損傷）、2（令人討厭的質(zhì)量損傷）和1（很令人討厭的質(zhì)量損傷）[5]。由于觀察者本身視力水平等身體素質(zhì)的差異，如果要得到一個(gè)客觀公正的評(píng)價(jià)，就需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究。

經(jīng)多個(gè)用戶使用評(píng)價(jià)，本系統(tǒng)水印的不可感知性評(píng)價(jià)為4。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于多重用戶數(shù)字水印系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)研究中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的背景調(diào)研、需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、代碼編寫(xiě)和系統(tǒng)測(cè)試，已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。目前，系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)水印圖片生成、不可感知多重水印的嵌入、圖片文件中多重?cái)?shù)字水印提取和水印圖片信息讀取4 個(gè)模塊功能，能夠通過(guò)嵌入數(shù)字水印對(duì)發(fā)布文件的用戶經(jīng)手過(guò)程進(jìn)行跟蹤管理及認(rèn)證，基本滿足使用單位的需求。