基于文本特征的水印算法設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

陳翔

0 引言

探尋最適當(dāng)?shù)乃∏度胨惴?，是?shù)字文本水印首要去解決的。目前看來，市面上還沒有任一種技術(shù)同時(shí)具備著良好的魯棒性、較好的視覺體驗(yàn)、較高的抗攻擊性以及大容量水印信息的存儲等。

本文提及的文本水印研究的原理是對字符或字符串的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，對語義相符的字符進(jìn)行不同字形的設(shè)計(jì)，并按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作出相應(yīng)的編碼設(shè)置，通過相應(yīng)的編碼將數(shù)字水印信息逐一進(jìn)行嵌入，從而實(shí)現(xiàn)新型文本數(shù)字水印技術(shù)。借助此種文本數(shù)字水印，能夠更有利地對目前的文本數(shù)字水印技術(shù)中無法攻克的，比如水印給視覺上造成的影響，只能承載較少容量的文件，沒有良好的魯棒性等難題，這對那些印刷品及電子文件都能適用。

1 字形設(shè)計(jì)方法

字符的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一直以來都沒有一個(gè)明確的界定。在這同時(shí)，人們對字符意思的辨識中能自行對不同的變化做出調(diào)整。相同文字的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能隨著字體的差別或者人寫字手法的特點(diǎn)進(jìn)行改變，縱使拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多少變化，人們都能夠根據(jù)語義進(jìn)行辨認(rèn)。根據(jù)此特性，進(jìn)行字符拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的變化，即可以實(shí)現(xiàn)多種字符形式的同一字符（串）。

1.1 字符字形的設(shè)計(jì)方法

調(diào)整并更改字符的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是字形設(shè)計(jì)的主體思想所在，通過此來獲取到多種字符外形的同一性。在設(shè)計(jì)過程中主要把握的是比較小的細(xì)部，這都將隨之改變字符的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不論是何種改變字符拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形式，只要在人的視覺能正常分辨的范圍之內(nèi)就是可取的。在此之內(nèi)，對字符完整的筆劃作出連斷關(guān)系的調(diào)整，是比較常見的一種改變字符的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式。設(shè)計(jì)思路，如表1所示：

表1 漢字字符的多種字形

如上圖所示，對字符“在，這，里”改變其筆劃的連斷關(guān)系，進(jìn)而得到了多種不同的字形。不同的字形同時(shí)能夠準(zhǔn)確表達(dá)出同一個(gè)字符，但其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)卻又存在著差異。其差異性體現(xiàn)在某些局部筆劃的變動，筆劃的調(diào)整則同時(shí)改變了筆劃間的連斷性，進(jìn)而就直接影響到了字符的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，看似微小的筆劃變化卻構(gòu)成較多的字符拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化。圖中不難發(fā)現(xiàn)，相同字符的不同字形設(shè)計(jì)能在某一單獨(dú)風(fēng)格中實(shí)現(xiàn)，比如說：字符“在”中的230和231。不同種字符的字形設(shè)計(jì)同樣能在單個(gè)風(fēng)格中得以實(shí)現(xiàn)，比如說：字符“在”中的230同字符“這”中的231。另外，同種字符的多種字形也能體現(xiàn)不同的風(fēng)格，比如說：漢子“在”相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)230和232能夠?qū)?yīng)“宋體”和“隸書”兩種不同的字體風(fēng)格。

1.2 字符串字形的設(shè)計(jì)方法

在字符串的字形設(shè)計(jì)上，通過對單一字符拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生外邊以外，還能利用字符串之間的連斷關(guān)系的變化進(jìn)行字符串拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整，同時(shí)還能結(jié)合起來進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如在英語單詞上，改變其字符間的連斷關(guān)系，進(jìn)而達(dá)到改變整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的目的，設(shè)計(jì)形式，如圖1所示：

圖1 字符串的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

把字符作為基本單位的數(shù)字水印算法時(shí)，單個(gè)字符作為了最小的存儲單位。實(shí)際上，若想將字符串作為文本數(shù)字水印的基本單位，在此筆者推薦使用多個(gè)字符結(jié)合成一個(gè)單詞作為其基本的單位組成，字符串的字形設(shè)計(jì)同樣如此。特別的，拉丁字母為基礎(chǔ)的方式能更加地為字符串?dāng)y帶文本數(shù)字水印信息帶來了便捷。

1.3 字形設(shè)計(jì)的影響因素

1.3.1 字形編碼的影響因素

在使用字形編碼時(shí)，應(yīng)將字符的字形同此融匯起來進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用此種方法設(shè)計(jì)字形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)著重把握：調(diào)整字形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，能夠產(chǎn)生出編碼的變化。多樣的字形設(shè)計(jì)過程中，首要把握的就是更多的進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，以此就能有大量編碼的獲取，進(jìn)而可以使數(shù)字水印的存儲量大大提升。

1.3.2 人視覺的影響因素

在設(shè)計(jì)字形的過程中，還應(yīng)當(dāng)考慮盡可能避免對人視覺所產(chǎn)生的阻礙作用，在設(shè)計(jì)字形時(shí)不妨通過人自身心理上的感官認(rèn)識和視覺習(xí)慣結(jié)合進(jìn)行。比方說：要同字符固有的特性相關(guān)聯(lián)，更可能的把筆劃間連斷關(guān)系作出調(diào)整，此種方式要優(yōu)越于將單個(gè)字形的筆劃分組來進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。字符在進(jìn)行調(diào)整時(shí)要注重到字符的外觀不能有明顯變化，只可在內(nèi)部做適當(dāng)?shù)母淖?。同樣的道理，在字符中筆劃的表現(xiàn)較粗時(shí)，則盡可能的對細(xì)筆劃的連斷關(guān)系作出調(diào)整。

1.3.3 字體風(fēng)格的影響因素

在設(shè)計(jì)字形的過程中，還要對字體風(fēng)格上有所注重。其一，作為載體，一般都會對數(shù)字水印信息存儲的字體風(fēng)格有著統(tǒng)一性的規(guī)定，因而能夠盡可能避免由于水印的附加給人的視覺帶來的不便，這就強(qiáng)調(diào)了字符的不同字形要具備類似的寬高以及字體的自身風(fēng)格。其二，因?yàn)橐话闱闆r下原文件中就存儲了多樣的字體風(fēng)格，因此同樣要根據(jù)字體風(fēng)格的差異性，設(shè)計(jì)出一致的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)于同一字符之上，具備了字體風(fēng)格的變化，就很好的延伸出字形設(shè)計(jì)的拓展性，在不調(diào)整數(shù)字水印檢測方式的前提之下。

實(shí)際的數(shù)字水印系統(tǒng)內(nèi)，還要按照實(shí)際的需求情況對以上因素綜合分析來作出字形的最終設(shè)計(jì)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

如圖2所示：

圖2 水印加載示例圖

x代表的是原有的載體文本文件，共計(jì)55字符，講所有字符按照不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，再按照它們表現(xiàn)出的圖象做編碼設(shè)置，基本單位以字符的方式把隱藏的數(shù)字水印信息帶入。水印總量共計(jì)115字節(jié)，嵌入ASC碼在前96字節(jié)當(dāng)中，剩余的位數(shù)用0進(jìn)行填充，所得圖象如圖Y。通過對比研究，不難看出x和Y中相對照字符有很大程度上的差異，是由于添加了水印所產(chǎn)生的作用?；締挝灰宰址姆绞桨央[藏的數(shù)字水印信息帶入，所得到圖像如z所示，此組文本是利用字符間連斷性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整所形成的，而且還在涵蓋的獨(dú)立性封閉區(qū)域、連通區(qū)域作奇偶關(guān)系的編碼設(shè)置，嵌入的數(shù)據(jù)是水印x。

把圖中嵌入水印后的字符的圖像（Y）作為實(shí)驗(yàn)對象，分別作魯棒性以及對人體視覺產(chǎn)生影響的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

文本水印研究的原理是對字符或字符串的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，對語義相符的字符進(jìn)行不同字形的設(shè)計(jì)，并按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作出相應(yīng)的編碼設(shè)置，通過相應(yīng)的編碼將數(shù)字水印信息逐一進(jìn)行嵌入，從而實(shí)現(xiàn)新型文本數(shù)字水印技術(shù)。

文本水印研究的原理是對字符或字符串的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，對語義相符的字符進(jìn)行不同字形的設(shè)計(jì)，并按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作出相應(yīng)的編碼設(shè)置，通過相應(yīng)的編碼將數(shù)字水印信息逐一進(jìn)行嵌入，從而實(shí)現(xiàn)新型文本數(shù)字水印技術(shù)。

2.1 魯棒性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)對象展開一下形式的操作：使用800dpi分辨率的掃描儀作掃描，再按1.4、1.1、0.7、0.5、0.2對圖像進(jìn)行縮放處理，把等比得到的電子圖像存儲后再按照85%、75%、55%、25%的壓縮比例進(jìn)行縮放處理，把等比得到的電子圖像存儲后再按照15度，45度，90度以及180度做旋轉(zhuǎn)。然后使用800dpi分辨率分辨率的復(fù)印機(jī)作復(fù)印，在使用等比例方式進(jìn)行掃描，使用3000000dpi的數(shù)碼相機(jī)拍攝圖像。在縮放時(shí)使用的是Matlab2012b軟件imresize()函數(shù)進(jìn)行的操作方法，用rotate()函數(shù)輔助圖像的旋轉(zhuǎn)。通過以上步驟獲取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在水印數(shù)據(jù)的誤碼率上獲取的數(shù)據(jù)，如表2所示：

表2 魯棒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

很直觀的可以發(fā)現(xiàn):在對圖像進(jìn)行放大、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)和拍照等的時(shí)候，水印數(shù)據(jù)沒有什么顯著的變化，在縮小和壓縮時(shí)水印還有魯棒性的出現(xiàn)。

(二)視覺影響實(shí)驗(yàn)

抽取120名高中以上程度的人員，進(jìn)行試驗(yàn)項(xiàng)目的測試。開始先讓每位測試員以平常的閱讀方式對圖4（Y）進(jìn)行閱讀，將每人的閱讀時(shí)間做好筆記，并分析出最大閱讀時(shí)間以及平均值。然后再把這些人劃成三組，每60人為一個(gè)小組，每人小組按照下面敘述的三個(gè)方法逐一參加實(shí)驗(yàn)：（1）先不透漏給參與測試的人員圖像中是否有水印信息的存在，并于指定內(nèi)的（10s，30s，60s及90s）發(fā)現(xiàn)對象中存在的差異性；（2）透漏給參與測試的人員圖像中確有水印信息的存在，并且水印信息是附加于字符字形之內(nèi)的，要求參與測試的人員在指定時(shí)間發(fā)現(xiàn)此組數(shù)據(jù)信息同常規(guī)狀態(tài)下的信息有何差異之處；（3）把圖3（x）一并給參與測試的人員觀看，并要求在指定時(shí)間內(nèi)比較出兩者間存在的差異性。把全部的實(shí)驗(yàn)條件下能夠徐找出實(shí)驗(yàn)對象的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有調(diào)整的人員作出百分比方式的呈現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示：

圖3 視覺影響實(shí)驗(yàn)百分比圖

很直觀的能夠發(fā)現(xiàn)：與無原載體的文本進(jìn)行比較，調(diào)整后的字符拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)給參與測試的人員帶來的影響是輕微甚至不存在的，就算是為其做了原載體文件的參考，一般情況下的閱讀內(nèi)也幾乎察覺不到明顯的異常。造成視覺的影響程度和閱讀時(shí)間的長短成正比，時(shí)間越短，影響就更小。

3 抗攻擊性能分析

水印系統(tǒng)的攻擊方式千變?nèi)f化。單獨(dú)地簡約進(jìn)行分類，可以將水印的攻擊分成無意性攻擊，即魯棒性攻擊及惡意性攻擊，即安全性、系統(tǒng)的攻擊。本文數(shù)字水印具備良好魯棒性已在之前的實(shí)驗(yàn)中論證，攻擊水印系統(tǒng)不再水印技術(shù)自身的領(lǐng)域之內(nèi)，故本文不做出探討。下面就常見的一些安全攻擊展開研究，它大致包含修改、檢測攻擊及非授權(quán)去除等方式。

字符間存在較為顯著的差別，通過人工智能方法對字符的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做出改變的可能性是微乎其微的。所以以不對人的視覺造成影響和不對字符語義有所變動的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)的攻擊方式則為人工修改。不難發(fā)現(xiàn)，采用人工的方式，對每個(gè)字符字形一一更改的代價(jià)是極其高昂的，它同人工錄入的方式存在著懸殊的等級。按照有效的攻擊準(zhǔn)則來說，這種攻擊不會被有經(jīng)驗(yàn)的攻擊者采納，它往往起不到實(shí)際性的作用。

局部的去除性攻擊才是攻擊者常用的方法，攻擊者對

其中的一段字符拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，試圖讓全部水印失去作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水印去除的最終目的。通過擴(kuò)頻等技術(shù)制作出的水印，是能夠在這種局部性水印數(shù)據(jù)攻擊中起到一定的防護(hù)作用的，而決定其防范能力和糾錯(cuò)的準(zhǔn)確與否，是同文本水印中誤碼率的多少密不可分的。

設(shè)修改一個(gè)字符拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的平均時(shí)間為TI,錄入一個(gè)字符的平均時(shí)間是TZ,攜帶了水印的文本總字符數(shù)為N,/部分0去除攻擊者可能修改的字符個(gè)數(shù)為n,字符平均水印容量為W,根據(jù)“有效攻擊原則”:

把對某一字符拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的平均時(shí)間設(shè)置為T1,字符的單個(gè)錄入時(shí)間為T2，文本總數(shù)的攜帶數(shù)量為N，局部性去除攻擊者修改字符總數(shù)為n，水印的容量為W，按照有效供給原則：

攻擊者要修改的字符數(shù)Max(n)=N*T2/T1,可以獲得最大水印誤碼率為：

以此可以再深層的按照“最佳防范準(zhǔn)則”做出水印的設(shè)計(jì)和糾正錯(cuò)誤、進(jìn)行選擇性擴(kuò)頻等。

4 結(jié)束語

數(shù)字水印技術(shù)是涉及多個(gè)研究領(lǐng)域的交叉學(xué)科,有很強(qiáng)的理論性,學(xué)術(shù)界對該技術(shù)的研究方興未艾。數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用性也非常強(qiáng),工業(yè)界對其解決現(xiàn)實(shí)中的版權(quán)保護(hù)等問題充滿期待。對比圖像水印技術(shù)來講,目前文本數(shù)字水印技術(shù)的研究與應(yīng)用處于一種較為滯后的狀態(tài)。該算法的原理是通過適當(dāng)改變字符拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出語義上相同的字符(串)的多種字形,并將這些字形的關(guān)鍵特征進(jìn)行恰當(dāng)?shù)木幋a,利用這些編碼來表示數(shù)字水印信息。

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