探究數(shù)字水印技術(shù)在檔案安全保護(hù)中的應(yīng)用

文/山東省菏澤市120急救指揮中心 劉麗

隨著互聯(lián)網(wǎng)的興起、信息技術(shù)的廣泛運(yùn)用以及數(shù)字設(shè)備在世界范圍內(nèi)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(xué)者和檔案工作者追求的目標(biāo)。檔案管理中對信息化的依賴程度越來越大，數(shù)字化形式的檔案作為一種新的檔案形式應(yīng)運(yùn)而生。這些圖文、音視頻等多媒體檔案資料如未經(jīng)任何處理直接保存或者公開，那么一旦有人做了技術(shù)處理，即可偽造、篡改，造成嚴(yán)重的后果。未經(jīng)加密手段處理的數(shù)字化檔案被篡改后無法通過原始載體進(jìn)行鑒別。同時，數(shù)字檔案具有很強(qiáng)的流通性且篡改后不容易察覺，這就迫切需要一種技術(shù)手段來實現(xiàn)數(shù)字檔案資料的安全保護(hù)和管理，這也成為檔案信息化過程中的一個研究熱點(diǎn)。本文探討數(shù)字水印的涵義及主要性能指標(biāo)，并介紹一種最新的數(shù)字水印加密算法——基于奇異值分解的水印算法及相關(guān)魯棒性分析，最后探討數(shù)字水印技術(shù)在檔案安全保護(hù)中的應(yīng)用。

一、數(shù)字水印的涵義和主要性能指標(biāo)

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

魯棒性和不可見性是數(shù)字水印系統(tǒng)中兩個最重要的評價指標(biāo)。不可見性也稱為隱蔽性，指的是數(shù)字水印無法被常規(guī)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(shù)字水印技術(shù)中另一個重要指標(biāo)為魯棒性。魯棒性指在經(jīng)歷多種有意或無意的信號處理過程后，數(shù)字水印仍能保持完整性并能被準(zhǔn)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(shù)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(shù)領(lǐng)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(gòu)成的對角矩陣。奇異值分布滿足，代表矩陣的轉(zhuǎn)置。

奇異值分解技術(shù)因為兩個獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而在數(shù)字水印領(lǐng)域中大放異彩。首先，奇異值代表著圖像內(nèi)在的幾何特性。其次，奇異值矩陣具有很好的穩(wěn)定性，向圖像中加入一點(diǎn)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(tǒng)主要包括兩個部分：水印嵌入和水印提取。作為信息安全領(lǐng)域的一項重要安全手段，數(shù)字水印在版權(quán)保護(hù)、原始性認(rèn)證等方面具有豐碩的研究成果。在不同的應(yīng)用背景下，數(shù)字水印的實現(xiàn)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(yù)處理，將原始水印圖像轉(zhuǎn)換為一段二進(jìn)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(shù)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)個數(shù)，并選擇含有較少邊緣像素點(diǎn)的圖像塊作為水印嵌入?yún)^(qū)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(yīng)用奇異值分解，提取矩陣中兩個系數(shù)，比較它們的大小關(guān)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(shù)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(qiáng)度。數(shù)字水印算法的魯棒性和隱蔽性是相互矛盾的，當(dāng)嵌入強(qiáng)度變大時，水印算法的魯棒性會隨之變好，而隱蔽性則變?nèi)酢?/p>

三、數(shù)字水印技術(shù)在檔案安全保護(hù)中的應(yīng)用及分析

隨著數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字水印的應(yīng)用領(lǐng)域也得到了擴(kuò)展，其基本應(yīng)用領(lǐng)域是版權(quán)保護(hù)、圖像認(rèn)證、隱藏標(biāo)識等方面。數(shù)字水印在數(shù)字檔案安全保護(hù)中的應(yīng)用主要有以下幾個方面：1.數(shù)字水印技術(shù)在數(shù)字檔案的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面發(fā)揮重要作用。文本、圖像、音視頻等多媒體信息數(shù)字化過程產(chǎn)生的便是數(shù)字化的檔案館，在此過程中數(shù)字水印能夠?qū)?shù)字化檔案進(jìn)行版權(quán)及完整性保護(hù)。2.基于圖像認(rèn)證的數(shù)字水印技術(shù)在檔案內(nèi)容認(rèn)證方面發(fā)揮重要作用。本文提出的基于奇異值分解的水印系統(tǒng)的抗攻擊能力很強(qiáng)，算法可以判斷出所嵌入的水印信息是否被改變，進(jìn)而保證檔案系統(tǒng)的安全性、完整性等。3.數(shù)字水印在數(shù)字檔案館的保護(hù)中發(fā)揮重要作用。當(dāng)前數(shù)字檔案館多建設(shè)有門戶網(wǎng)站，在日常使用中，如果門戶網(wǎng)站受到了惡意的攻擊，那么檔案的信息安全勢必會受到嚴(yán)重的威脅。在這種情況下，數(shù)字水印的出現(xiàn)在網(wǎng)站信息安全的保障中發(fā)揮不可低估的作用。當(dāng)基于奇異值分解的水印系統(tǒng)被使用之后，外來攻擊提取相關(guān)信息時就會引起報警。

當(dāng)前我國有專門的法律條文對數(shù)字檔案文檔進(jìn)行保護(hù)，但是水印技術(shù)的發(fā)展是法律法規(guī)保護(hù)的內(nèi)在支持。基于奇異值分解的數(shù)字水印技術(shù)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(shù)能從根本上解決數(shù)字檔案安全管理中的關(guān)鍵問題，有很好的利用前景。

四、結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)環(huán)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(jī)，增加了信息泄漏的風(fēng)險。數(shù)字水印技術(shù)作為保護(hù)數(shù)字檔案的重要手段，在信息科學(xué)技術(shù)高速發(fā)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(xué)者們密切關(guān)注。針對傳統(tǒng)數(shù)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(jié)合奇異值分解設(shè)計了水印算法，并分析算法的魯棒性。該數(shù)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(shù)，克服了傳統(tǒng)數(shù)字水印算法無法有效抵抗幾何攻擊的缺點(diǎn)。方案中充分利用了多種變換的特性來實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)不可知的情況下，該算法仍然具有抗幾何攻擊的能力，在數(shù)字檔案安全保護(hù)中可以發(fā)揮較大優(yōu)勢。