一種基于PDF字符顏色的文本水印算法

陳　青,黃鵬波

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上?！?00093)

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一種基于PDF字符顏色的文本水印算法

陳青,黃鵬波

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)

摘要針對(duì)目前PDF文檔頻繁使用程度與其數(shù)字水印技術(shù)發(fā)展緩慢之間的鮮明反差,提出了一種基于PDF字符顏色的文本水印算法。該算法通過(guò)修改PDF文檔中字符顏色操作符的操作數(shù),將預(yù)處理后的水印信息嵌入至載體PDF文檔。在水印嵌入的預(yù)處理過(guò)程中,采用的信道編碼和循環(huán)加密算法以及水印提取后處理過(guò)程中,采用的多數(shù)投票算法,有效地提高了水印信息的安全性和魯棒性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法具備高隱蔽性、強(qiáng)魯棒性、大容量的特點(diǎn),且算法與PDF文檔之間的兼容性較好。

關(guān)鍵詞PDF文檔;文本水印;字符顏色編碼;隱蔽性;魯棒性

隨著公司、政府機(jī)構(gòu)和教育機(jī)構(gòu)利用電子文檔交換信息取代紙質(zhì)文檔進(jìn)行業(yè)務(wù)精簡(jiǎn)帶來(lái)的影響和機(jī)遇,PDF文檔以其優(yōu)越的跨平臺(tái)、跨媒體、文檔保護(hù)特性迅速成為了電子文檔流通過(guò)程中的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。然而,伴隨互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,信息傳播過(guò)程中諸如盜版等問(wèn)題時(shí)刻威脅著原創(chuàng)作者的權(quán)益,因此PDF文檔相關(guān)數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展是當(dāng)今重要的研究課題。

目前針對(duì)PDF水印技術(shù)的主流算法主要分為3類(lèi)[3]:基于PDF文檔格式編碼算法、基于PDF文檔屬性編碼算法、基于PDF文檔內(nèi)容編碼算法。第一類(lèi)算法主要有HuangSi-min等人提出的新建對(duì)象算法[4]和鐘征艷及顧艷春等人提出的參照表空白字符算法[5-6],二者在隱蔽性,魯棒性及容量取得了較好的效果,但新建對(duì)象算法PDF內(nèi)部復(fù)雜的對(duì)象流關(guān)系容易造成文檔崩潰;參照表空白字符算法局限于PDF1.5以下版本使用。第二類(lèi)算法主要有李計(jì)勇和Bhattacharyya D等人提出的基于特征編碼算法[7-8]以及Brassil和Walid Alakk等人提出的基于字移[9]、行移算法[10],二者在隱蔽性和魯棒性取得了較好的效果,但是容量方面并不理想而且算法復(fù)雜。第三類(lèi)算法主要有林建新等人提出的基于漢字語(yǔ)法語(yǔ)義算法[11],算法對(duì)文檔進(jìn)行了可見(jiàn)性破壞且算法容量有限。本文利用字符顏色操作符(g,rg,sc,scn)對(duì)文本字符顏色的微調(diào)操作,通過(guò)解壓PDF文檔的內(nèi)容流進(jìn)而編碼字符顏色操作符的操作數(shù)完成水印信息的嵌入。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法的水印隱蔽性較好、容量較大、魯棒性較高、操作簡(jiǎn)單,能切實(shí)有效的達(dá)到對(duì)PDF文檔的版權(quán)保護(hù)作用。

1水印算法

1.1水印預(yù)處理

水印預(yù)處理是水印信息被嵌入載體信息前確保水印信息安全性的關(guān)鍵步驟,而實(shí)現(xiàn)該關(guān)鍵步驟的手段主要有加密和編碼技術(shù)。首先,加密技術(shù)可有效地確保信息被截獲時(shí),截獲者不能輕易獲得信息的真實(shí)內(nèi)容或者意義;其次,編碼技術(shù)可有效地保證信息被攻擊后,收信者依然可以根據(jù)編碼規(guī)則還原原始信息。二者的結(jié)合既保證了水印系統(tǒng)的安全性,又保證了水印系統(tǒng)的魯棒性。為了提高安全性和魯棒性,本算法結(jié)合了循環(huán)加密和信道編碼這兩大關(guān)鍵技術(shù)。具體步驟如下:

步驟1ASCII碼值轉(zhuǎn)換。獲取用戶輸入的水印信息和密鑰,按照ANSI編碼標(biāo)準(zhǔn),將水印信息轉(zhuǎn)換為8位的二進(jìn)制序列,記作w,即w=w1w2…wM,其中wI=0/1,1≤I≤M。將密鑰轉(zhuǎn)換為8位的二進(jìn)制序列,記作k,即k=k1k2…kn,其中,kI=0/1,1≤I≤n。

步驟2循環(huán)加密。將水印二進(jìn)制序列w和密鑰二進(jìn)制序列k進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)的循環(huán)取模加密,得到加密后的二進(jìn)制序列,記作x。即x=x1x2…xM,其中xI=wI⊕kI,1≤I≤L。其中,L=max(M,n)。若M>n,則先對(duì)密鑰二進(jìn)制序列k進(jìn)行補(bǔ)0到長(zhǎng)度L;若M

步驟3信道編碼。首先依次從x中取出4位二進(jìn)制序列,記作xI,即xI=x4jx(4j+1)x(4j+2)x(4j+3),其中0≤I≤(L/4-1),0≤j≤(L/4-1)。然后依次對(duì)xI進(jìn)行(7,4)漢明碼編碼,得到(7,4)漢明碼編碼后的二進(jìn)制序列,記作yI,即yI=x4jx(4j+1)x(4j+2)x(4j+3)zjz(j+1)z(j+2),其中,1≤I≤L/4,0≤j≤(L/4-1)。最后依次將yI連接成信道編碼后的二進(jìn)制序列,記作y,即y=y1y2…yj。

步驟4同步編碼[12]。在水印信道編碼后的二進(jìn)制序列y的頭部加入同步標(biāo)識(shí)f以及長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)n,得到待嵌入二進(jìn)制序列,記作M。同步標(biāo)識(shí)為8 bit二進(jìn)制序列,即f=f1f2f3…f8;長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)n為16位二進(jìn)制序列,即n=n1n2n3…n16。最終生成待嵌入二進(jìn)制序列M,即M=f1f2…f8n1n2…n16y1y2y3…yL/4。

1.2PDF文檔字符屬性截取

根據(jù)文獻(xiàn)[13]所述,PDF文檔中所有的對(duì)象流(Object Stream)均通過(guò)加密字典(Encryption Dictionary)進(jìn)行加密處理。加密后的對(duì)象流如圖1所示。正是Adobe公司提供的加密處理,其有效限制了應(yīng)用程序使用者直接對(duì)對(duì)象流的修改,從而提高了PDF文檔的安全性能。盡管所有的對(duì)象流都經(jīng)過(guò)加密處理,Adobe公司同時(shí)也為PDF應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員提供了對(duì)象流的解密方式,即加密字典。通過(guò)對(duì)加密字典中各項(xiàng)條目的解析并采用相應(yīng)的解密方法即可還原對(duì)象流的原始信息[14]。

如圖1所示,PDF文檔采用的主流加密方式為Flate Encode,因此采用相同的Flate Decode解密方式即可獲得對(duì)象流中格式化的原始信息,其中包括各種標(biāo)識(shí)符、操作符、操作數(shù)以及字符編碼。解密后的對(duì)象流如圖2所示。

圖1　加密后的對(duì)象流

圖2　解密后的對(duì)象流

PDF字符顏色屬性由內(nèi)容流中的3種操作符控制,包括DeviceGray操作符g、DeviceRGB操作符rg以及DeviceCMYK操作符sc和scn,其相應(yīng)取值范圍均為[0.0,1.0]。每組文本標(biāo)識(shí)內(nèi)容包含一個(gè)字符顏色操作符以及其對(duì)應(yīng)的操作數(shù),由于BT-ET對(duì)的數(shù)目取決于文檔內(nèi)容。因此,這將導(dǎo)致算法的水印容量不可確定。本算法在字符顏色編碼算法中有效地解決了此問(wèn)題。

1.3字符顏色編碼

本算法通過(guò)修改字符顏色操作符相應(yīng)的操作數(shù)作為嵌入水印信息的手段,記該操作符和操作數(shù)分別為P和P。其中P的取值范圍為:[0,1]。一般情況下,P的默認(rèn)為g,P默認(rèn)值為0。根據(jù)人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)特點(diǎn)可知,若顏色分量的每個(gè)數(shù)值的變化量<0.004(約1/256),肉眼是幾乎無(wú)法識(shí)別字符顏色的變化。由于BT-ET對(duì)的數(shù)目取決于文檔內(nèi)容,因此算法的水印容量是不可確定,本算法通過(guò)對(duì)每組BT-ET對(duì)進(jìn)行單個(gè)字符拆分以保證水印容量足夠大。其中,英文字母和數(shù)字體現(xiàn)為一個(gè)TJ操作符控制一個(gè)字母或數(shù)字;中文字符體現(xiàn)為一個(gè)TJ操作符控制一個(gè)中文字符。拆分字符以及字符編碼過(guò)程的具體步驟如下:

步驟1檢索當(dāng)前BT-ET對(duì)的顏色操作符P并記錄操作數(shù)P;

步驟2修改或者寫(xiě)入當(dāng)前字符的顏色操作數(shù)P并寫(xiě)入顏色操作符P。若P為g,則根據(jù)嵌入的二進(jìn)制序列修改或?qū)懭隤的千分位數(shù)值;若P為rg,則根據(jù)嵌入的二進(jìn)制序列依次修改或?qū)懭隤1、P2、P3的千分位數(shù)值;若P為sc或者scn,則根據(jù)嵌入的二進(jìn)制序列依次修改或?qū)懭隤1,P2,…,Pn的千分位數(shù)值;

步驟3拆分TJ的操作數(shù)。按照TJ操作數(shù)的格式依次從TJ操作數(shù)中拆分出一個(gè)字符并加上操作符TJ寫(xiě)入新BT-ET對(duì)中。若TJ的操作數(shù)為中文字符,則拆分出4位16進(jìn)制字符;若TJ的操作數(shù)為英文字母或者數(shù)字,則拆分出1位字符。重復(fù)步驟3直到TJ的所有操作數(shù)被拆分完全。

步驟4重復(fù)步驟1,步驟2,步驟3直到所有BT-ET對(duì)被拆分完全。

拆分完成后的對(duì)象流如圖3所示。

圖3　拆分完成之后的對(duì)象流

1.4水印嵌入和提取

水印嵌入模型和水印提取模型如圖4所示。

圖4　水印嵌入模型和水印提取模型

結(jié)合圖4(a),水印嵌入的具體步驟如下:

步驟1按照ANSI標(biāo)準(zhǔn),分別轉(zhuǎn)換水印信息w和密鑰信息k為二進(jìn)制序列。

步驟2對(duì)水印信息w和密鑰信息k的二進(jìn)制序列進(jìn)行循環(huán)加密,得到二進(jìn)制序列x。

步驟3對(duì)二進(jìn)制序列x進(jìn)行信道編碼,生成新的二進(jìn)制序列y。

步驟4對(duì)二進(jìn)制序列y進(jìn)行同步編碼,生成新的二進(jìn)制序列M。

步驟5以二進(jìn)制文本形式打開(kāi)原始PDF載體文檔,遍歷文本,解析文檔,先定位字符顏色操作符P,再逐次定位字符顏色操作數(shù)P。

步驟6采用字符顏色編碼的方式,對(duì)PDF文檔進(jìn)行二進(jìn)制序列M中0、1比特的循環(huán)嵌入。

步驟7生成嵌入水印后的PDF文檔。

結(jié)合圖1(b),水印提取的具體步驟如下:

步驟1以二進(jìn)制文本形式打開(kāi)待檢測(cè)PDF文檔,遍歷文本,解析文檔,先定位字符顯示操作符P,再逐次定位字符間距操作數(shù)P。

步驟2對(duì)PDF文檔字符顏色解碼,提取出內(nèi)嵌的水印二進(jìn)制0、1 bit流M′。

步驟3對(duì)比特流M′進(jìn)行同步解碼,提取出循環(huán)嵌入的多個(gè)水印二進(jìn)制序列y′。

步驟4對(duì)比特流y′進(jìn)行信道解碼,提取出循環(huán)嵌入的多個(gè)水印二進(jìn)制序列x′。

步驟5根據(jù)長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)對(duì)各個(gè)水印二進(jìn)制序列x′進(jìn)行多數(shù)投票運(yùn)算,得出水印信息的有效長(zhǎng)度,并提取出準(zhǔn)確的水印二進(jìn)制序列x″。

步驟6按照ANSI標(biāo)準(zhǔn),轉(zhuǎn)換密鑰信息k為二進(jìn)制序列。

步驟7對(duì)水印二進(jìn)制序列x″和密鑰信息k的二進(jìn)制序列進(jìn)行循環(huán)解密,得到最終的二進(jìn)制序列w′。

步驟8按照ANSI標(biāo)準(zhǔn),將最終水印二進(jìn)制序列w′轉(zhuǎn)換為水印字符串,并以此作為水印信息輸出。

2實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

本算法在Visual C++ 6.0軟件環(huán)境下,使用C語(yǔ)言搭建了PDF文本水印嵌入和提取平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了將任意文本作為水印信息嵌入PDF文檔以及相應(yīng)的水印提取。選取含有中文和英文的PDF文檔作為實(shí)驗(yàn)文檔,對(duì)水印隱蔽性、容量和魯棒性、安全性進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)及結(jié)論如下。

(1)隱蔽性。本次實(shí)驗(yàn)選取的載體PDF文檔如圖5(a)所示。嵌入水印后的PDF文檔如圖5(b)所示。

圖5　原始PDF文檔和嵌入水印后的PDF文檔比較

對(duì)比載體文本和嵌入水印后文本,可以看出,人眼直接觀察,難以察覺(jué)二者間的細(xì)微差別;但通過(guò)對(duì)字符顏色的讀取對(duì)比可以看出字符顏色的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本算法具有較好的隱蔽性。

(2)魯棒性。根據(jù)文本水印的魯棒性評(píng)價(jià)方法[15]可知,文本水印的攻擊方式一般包括噪聲、注釋、剪切、替換、增刪等攻擊。由于PDF文檔本身具備防編輯防替換和防剪裁等保護(hù)功能,因此具備一定的抗攻擊性。此外根據(jù)文獻(xiàn)所述,PDF文檔中文本、表格、圖像等都被封裝至不同的對(duì)象中,內(nèi)容經(jīng)注釋、剪切、替換、增刪等攻擊后的內(nèi)容都將被更新封裝在新的對(duì)象中,不會(huì)對(duì)本算法使用的字符間距編碼造成影響。實(shí)驗(yàn)中采用添加高斯白噪聲背景圖對(duì)嵌入水印后的PDF進(jìn)行攻擊,攻擊后的PDF文檔及其提取結(jié)果如圖6所示。

圖6　噪聲攻擊后的PDF文檔及其提取結(jié)果

對(duì)嵌入水印后的PDF文檔進(jìn)行高亮攻擊,具體包括加高亮、下劃線、刪除線、替換、標(biāo)注等。高亮攻擊后的PDF文檔及其提取結(jié)果如圖7所示。

圖7　高亮攻擊后的PDF文檔及其提取結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本算法對(duì)噪聲、注釋、剪切、替換、增刪等攻擊后的PDF文檔仍能完整的提取出水印信息,因此本算法具有較好的魯棒性。

(1)容量。選取8個(gè)PDF載體文檔進(jìn)行算法容量測(cè)試實(shí)驗(yàn),得出的容量測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1可看出,本算法的容量和載體文檔字符數(shù)有關(guān),字符數(shù)越多,嵌入容量越大。ASNI編碼標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:一個(gè)中文字符對(duì)應(yīng)2 Byte,一個(gè)英文字符對(duì)應(yīng)1 Byte。根據(jù)測(cè)試結(jié)果中的平均水印嵌入比率可得出,要嵌入10個(gè)中文字符即20 Byte的水印信息僅需304個(gè)字符,這完全滿足日常生活中版權(quán)保護(hù)的要求。

表1　容量測(cè)試數(shù)據(jù)表

對(duì)于水印系統(tǒng)來(lái)說(shuō),隱蔽性、容量和魯棒性三者之間存在相互抑制的關(guān)系。本算法中,對(duì)PDF載體文檔嵌入最大容量的水印信息后,水印系統(tǒng)依然能保持較好的隱蔽性。因此,本算法在保證隱蔽性的情況下仍具有較大的容量。同時(shí),本實(shí)驗(yàn)還對(duì)嵌入最大容量后的PDF文檔進(jìn)行噪聲攻擊,攻擊后仍可以提取出完整的水印信息,算法在隱蔽性、容量和魯棒性中能達(dá)到一個(gè)較好的平衡。

(2)安全性。本算法采用了循環(huán)加密以及同步編碼算法,對(duì)水印信息進(jìn)行了加密編碼預(yù)處理,所以即使攻擊者破解了嵌入算法得到所嵌水印,在沒(méi)有密鑰的情況下還是無(wú)法提取到正確的水印信息。此外,本算法的密鑰空間足夠大,理論上而言密鑰的長(zhǎng)度可與水印容量一致。

輸入錯(cuò)誤的密鑰信息,其對(duì)應(yīng)的提取結(jié)果如圖8所示。

圖8　錯(cuò)誤密鑰的提取結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,錯(cuò)誤的密鑰無(wú)法提取出正確的水印信息,因此本算法具有較高的安全性。

3結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)目前現(xiàn)有PDF文本水印算法存在的缺點(diǎn),提出了一種基于PDF字符顏色的文本水印算法。通過(guò)修改PDF文檔中字符顏色操作符的操作數(shù)并拆分TJ操作符的操作數(shù)的方式,實(shí)現(xiàn)了PDF文檔中水印信息的嵌入和提取且該算法具備無(wú)PDF版本約束,不破壞PDF文檔本身結(jié)構(gòu),無(wú)需進(jìn)行PDF與PS文件間的格式轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本算法具有較好的隱蔽性、魯棒性、安全性和較大的容量且與PDF格式文檔具有良好的兼容性,在中英文PDF文檔保護(hù)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

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A Text Watermarking Algorithm Based on Character Color of PDF

CHEN Qing,HUANG Pengbo

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractFor the current significant contrast between the active usage rate of PDF documents and the slow development of their digital watermarking technology,a text watermarking algorithm based on character color of PDF is proposed.The algorithm embeds the pre-processed watermark into PDF carrier document by modifying the operand of character color operator of PDF.The security and robustness are enhanced by using channel coding and cycle encryption in pre-processing of watermark insertion as well as majority voting in post-processing of watermark extraction.Experiments show that the algorithm has good transparency,strong robustness,high capacity and good compatibility with PDF.

KeywordsPDF document;text watermarking;character color coding;transparency;robustness

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.026

收稿日期:2015-09-29

基金項(xiàng)目:上海自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(12ZR1420800)

作者簡(jiǎn)介:陳青(1962—),女,副教授。研究方向:數(shù)字水印技術(shù),圖像編碼等。黃鵬波(1989—),男,碩士研究生。研究方向:數(shù)字水印技術(shù),圖像編碼等。

中圖分類(lèi)號(hào)TP309.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)05-096-05