數(shù)字水印技術(shù)在電子簽章中的應(yīng)用

摘 要：數(shù)字水印技術(shù)是目前信息安全技術(shù)領(lǐng)域的一個新方向，是一種可以在開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下保護(hù)版權(quán)和認(rèn)證來源及完整性的新型技術(shù)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對圖像、音頻、視頻等多媒體內(nèi)容的保護(hù)成為迫切需要解決的問題。文章簡要介紹了數(shù)字水印技術(shù)的原理，討論了數(shù)字水印技術(shù)在電子簽章系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字水??；水印嵌入；水印檢測；電子簽章；應(yīng)用

0 引言

數(shù)字水印技術(shù)是目前信息安全技術(shù)領(lǐng)域的一個新方向，是一種可以在開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下保護(hù)版權(quán)和認(rèn)證來源及完整性的新型技術(shù)。創(chuàng)作者的創(chuàng)作信息和個人標(biāo)志通過數(shù)字水印系統(tǒng)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(jī)軟件才可以檢測出隱藏的數(shù)字水印。

在多媒體中加入數(shù)字水印可以確立版權(quán)所有者、認(rèn)證多媒體來源的真實(shí)性、識別購買者、提供關(guān)于數(shù)字內(nèi)容的其它附加信息、確認(rèn)所有權(quán)認(rèn)證和跟蹤侵權(quán)行為。它在數(shù)據(jù)的分級訪問、數(shù)據(jù)跟蹤和檢測、商業(yè)和視頻廣播、Internet數(shù)字媒體的服務(wù)付費(fèi)、電子商務(wù)認(rèn)證鑒定等方面具有十分廣闊的應(yīng)用前景。自1993年以來，該技術(shù)已經(jīng)引起業(yè)界的濃厚興趣，并成為國際上非?；钴S的研究領(lǐng)域。

1 數(shù)字水印技術(shù)原理及特征

數(shù)字水印技術(shù)是通過一定的算法將一些標(biāo)志性信息直接嵌到多媒體內(nèi)容中。目前大多數(shù)數(shù)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(qiáng)保護(hù)，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(shù)字作品嵌入數(shù)字水印不應(yīng)引起明顯的降質(zhì)，并且不易被察覺。水印信息隱藏于數(shù)據(jù)而非文件頭中，文件格式的變換不應(yīng)導(dǎo)致水印數(shù)據(jù)的丟失。

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

在數(shù)字水印技術(shù)中，水印的數(shù)據(jù)量和魯棒性構(gòu)成了一對基本矛盾。從主觀上講，理想的水印算法應(yīng)該既能隱藏大量數(shù)據(jù)，又可以抗各種信道噪聲和信號變形。然而在實(shí)際中，這兩個要求往往不能同時實(shí)現(xiàn)。不過這并不會影響數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用一般只偏重其中的一個方面。

2 數(shù)字水印技術(shù)在電子簽章中的應(yīng)用

2．1 電子印章的原理

電子印章是在電子政務(wù)或電子商務(wù)實(shí)施中使用計算機(jī)技術(shù)添加在電子文件的文字內(nèi)容上面的印章圖像。經(jīng)過這種技術(shù)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(jī)控制下的文件印制設(shè)備輸出有效的紙質(zhì)蓋章文件。作為現(xiàn)代密碼學(xué)與東方印鑒文化相結(jié)合的產(chǎn)物，電子印章實(shí)際上就是數(shù)字簽名加印章圖片，數(shù)字簽名是安全的保證，而印鑒則是權(quán)威的象征。電子印章技術(shù)要求電子印章和紙質(zhì)蓋章文件緊密結(jié)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(zhì)蓋章文件的犯罪行為。然而，電子印章技術(shù)普及使用的前提條件是電子印章必須能被相關(guān)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(quán)威的證明。

通過數(shù)字水印技術(shù)的使用，能實(shí)現(xiàn)電子印章的防偽性和不可否認(rèn)性。所謂數(shù)字水印技術(shù)，是指采用信息處理技術(shù)把版權(quán)信息、認(rèn)證信息等秘密信息(這些信息即數(shù)字水印)，嵌入到原始數(shù)據(jù)中去，但不影響原內(nèi)容的價值和使用。數(shù)字水印信息可以是產(chǎn)品的序列號、版權(quán)所有者的標(biāo)志等認(rèn)證信息。通過特定的算法恢復(fù)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(quán)所有者提供信息被盜版的有利證據(jù)。因此，實(shí)用的數(shù)字水印技術(shù)必須具有較強(qiáng)的魯棒性、安全性和不可見性。

基于數(shù)字水印的電子印章將數(shù)字簽名技術(shù)與數(shù)字水印技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起。其中數(shù)字簽名技術(shù)主要是對電子文檔進(jìn)行驗(yàn)證；而數(shù)字水印技術(shù)則側(cè)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(dāng)蓋有電子印章的電子文件發(fā)送到收文方時，接收方通過電子印章中所含的數(shù)字簽名，以驗(yàn)證電子文檔的完整性和真實(shí)性。驗(yàn)證通過后，文件可以被打印在紙質(zhì)材料上。通過手持式水印檢測儀對紙質(zhì)文件中水印的檢測，可以實(shí)現(xiàn)對文件的真實(shí)性、有效性的鑒別，以達(dá)到防偽的目的。如果沒有手持式水印檢測儀此類專用設(shè)備，也可以將打印出來的印章掃描進(jìn)電腦，通過水印提取軟件提取水印信息來鑒別印章的真實(shí)性。

2．2 電子簽章應(yīng)用

基于數(shù)字水印技術(shù)的電子印章可實(shí)現(xiàn)文檔簽章、手寫簽名、簽章驗(yàn)證、身份認(rèn)證、撤銷簽章、證書查看、移動簽章的功能。電子印章在應(yīng)用時，具有以下技術(shù)特點(diǎn)：①利用PKI技術(shù)，保證了電子印章中的數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性(抗否認(rèn)性)；②通過采用數(shù)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(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的散列算法(HASH)產(chǎn)生文件內(nèi)容數(shù)字摘要，確保電子簽章和被簽文件的緊密綁定；⑤采用標(biāo)準(zhǔn)的RSA、DES算法加密電子簽章實(shí)體數(shù)據(jù)，加強(qiáng)了簽名信息的安全；⑥通過數(shù)字水印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了簽章的不可復(fù)制性，即使對整篇文檔進(jìn)行復(fù)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(shù)字水印技術(shù)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(shù)字水印技術(shù)實(shí)際上是通過對水印載體媒質(zhì)的分析、嵌入信息的預(yù)處理、信息嵌入點(diǎn)的選擇、嵌入方式的設(shè)計、嵌入調(diào)制的控制等幾個相關(guān)技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行合理優(yōu)化，使得數(shù)字水印具有不可感知性、安全可靠性、穩(wěn)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(yùn)用數(shù)字水印技術(shù)的設(shè)計方案的重要特色所在。在各種相關(guān)的技術(shù)方案中，可以在信息預(yù)處理、嵌入點(diǎn)的選擇和調(diào)制控制等不同環(huán)節(jié)中實(shí)施密鑰的嵌入。

2．3 數(shù)字水印的生成

數(shù)字水印嵌入的一般過程如圖5所示。系統(tǒng)的輸入是水印信息w、原始載體數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，如隨機(jī)序列或偽隨機(jī)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(yīng)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(jī)數(shù)發(fā)生器生成，采用基于混沌的水印生成方法，數(shù)字水印具有很好的保密特性。密鑰的使用加強(qiáng)了數(shù)字水印的安全性，可避免未授權(quán)的恢復(fù)和修復(fù)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(shù)據(jù)(即水印載體數(shù)據(jù))，I表示原始載體數(shù)據(jù)，w表示水印集合，K表示密鑰集合。這里密鑰K是可選項(xiàng)，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(shù)據(jù)。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(guān)性驗(yàn)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(shè)檢驗(yàn)等。如果信號為隨機(jī)信號或偽隨機(jī)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(yàn)。水印相似度檢驗(yàn)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(tǒng)的功能和特點(diǎn)

一個完整的電子簽證系統(tǒng)分為電子簽章制作部份、電子簽章加密部份和電子簽章網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行原始印章的制作(即：生成各種印章圖像，如BMP文件)，并應(yīng)用MicrosoftPhotoshop等圖形處理軟件，對生成的各種印章圖像進(jìn)行相關(guān)處理，得到直觀的、符合相關(guān)要求的印章圖像。按數(shù)字水印生成過程原理，對原始印章圖像進(jìn)行相關(guān)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(yīng)用系統(tǒng)(如OA辦公自動化系統(tǒng)等)的相關(guān)文檔中。

3．1 三大功能

電子簽章系統(tǒng)具有文檔電子簽章、文檔驗(yàn)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(jìn)行防篡改處理，并將產(chǎn)生的防篡改信息、證書信息、數(shù)字水印和印章圖像嵌入到電子文件中，實(shí)現(xiàn)對電子文件加蓋電子簽章標(biāo)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(zhì)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(tǒng)灌入到Ekey(電子鑰匙)中，其他任何人都無法進(jìn)行偽造。數(shù)字簽名私鑰存放于Ekey中，數(shù)字簽名運(yùn)算也在Ekey內(nèi)運(yùn)行，可保證私鑰無法被Ekey以外的系統(tǒng)讀取，從而保證了數(shù)字簽名的安全性。對文檔進(jìn)行簽署時要求簽署人提供自己的Ekey。文檔簽署后對文檔進(jìn)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(jìn)行重新簽署。

文檔驗(yàn)證 能對所簽文檔內(nèi)容進(jìn)行完整性認(rèn)證，確定其是否被篡改并顯示證書和簽章信息。授權(quán)閱讀文件的人可以對文檔的完整性進(jìn)行驗(yàn)證，而不管它是否持有Ekey。如果簽署后的文檔發(fā)生了變更，驗(yàn)證時會提示文檔驗(yàn)證不通過(即文檔驗(yàn)證失敗)。簽署的結(jié)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(yīng)用的要求，確保電子簽章的打印可控，在未安裝相關(guān)應(yīng)用軟件的機(jī)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??；打印份數(shù)設(shè)置的控制權(quán)采用令牌傳送方式，只有持有簽章Ekey的人才能夠設(shè)置打印份數(shù)，且由先簽署者優(yōu)先決定是否獲得令牌或?qū)⒖刂茩?quán)交給下一個簽署者。一旦某一個簽署者設(shè)置了打印份數(shù)(獲取令牌)，其他人將無權(quán)再設(shè)置打印份數(shù)；只有在所有電子簽章的文檔驗(yàn)證通過情況下才能按打印份數(shù)打印含電子簽章的文檔。

3．2 五大特點(diǎn)

基于數(shù)字水印的電子印章系統(tǒng)，就是在電子印章中嵌入了不可見的水印信息，當(dāng)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(jìn)電腦，利用水印提取軟件提取水印信息，從而達(dá)到印章防偽的目的?；跀?shù)字水印的印章打印防偽技術(shù)是目前最可靠的防偽技術(shù)，且使用成本低，同時具有以下五大特點(diǎn)。

嚴(yán)密性 所有電子簽章軟件在簽章時都通過驗(yàn)證服務(wù)器軟件來驗(yàn)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(tài)的電子簽章也可以加蓋印章的非安全蓋章行為。

實(shí)用性 實(shí)現(xiàn)多個簽章部分重疊時的透明顯示?？梢栽谝延须娮雍灻厦婕由w電子印章，如同傳統(tǒng)方式一樣將印章加蓋在領(lǐng)導(dǎo)簽名上。在加蓋第一個印章后，文檔自動處于鎖定狀態(tài)，并且在文檔處于鎖定狀態(tài)下可以進(jìn)行會簽，實(shí)現(xiàn)在同一個文件上加蓋多個印章。

防復(fù)制性 印章無法通過Microsoft Word和Excel及永中Office的復(fù)制功能進(jìn)行復(fù)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(fù)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(shù)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(dá)到同紙質(zhì)蓋章或紙質(zhì)手寫簽名相同的效果。

4 數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用展望

數(shù)字水印技術(shù)作為一種新興的應(yīng)用技術(shù)，一個尚未完善的科學(xué)領(lǐng)域，在對研究者提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的同時，也帶來了難得的機(jī)遇。因?yàn)樵谝环N理論及技術(shù)趨于成熟的階段，正是各種觀點(diǎn)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(shù)字水印技術(shù)將向如下幾個方面發(fā)展：

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

(2)采用非對稱(公鑰)數(shù)字水印系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(fā)。

(3)嵌入的水印信號將使用具有實(shí)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(shí)現(xiàn)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(shí)用化有重要意義。

(4)針對實(shí)際應(yīng)用提出適合的算法和應(yīng)用系統(tǒng)框架，一個理想的數(shù)字產(chǎn)品保護(hù)方案應(yīng)該同時實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)與內(nèi)容認(rèn)證，甚至注釋功能。