基于电子印章的数字水印算法的实现

谭 慧

（湖南汽车工程职业学院，湖南 株洲 412001）

1 设计背景

近年来，从电子商务到共享汽车，从远程教育、网络学习到大数据、云计算等等，“互联网+”新型经济在中国遍地开花。2018年政府工作报告中有7处再次谈及“互联网+”这一经济热词，例如深入开展“互联网+”行动、推行“互联网+政务服务”、发展“互联网+农业”[1]……网络的兴起和迅速发展，促进了社会公众“互联网+政务服务”的需求。为了适应这种背景和经济运行方式的变革，政府大力推动电子政务建设。

电子政务依赖于以互联网为中心的各类硬件设备，例如运算控制设备、加密解密设备、数据存储设备等，同时还需要各类数据库系统、操作系统等系统支撑。其中有一个重要的办公流程就是电子公文。电子公文是一种电子数据，传统的纸质公文通过电子公文传输系统处理后就变成了有规范格式的电子公文[2]。一般电子公文分为两类，一类是规范性公文，即通用公文，俗称“红头文件”[3]；另一类是非规范性公文，主要指通知类、讲话类等公文。为了保证电子公文的准确性和真实性，我们设计出一种基于电子印章的数字水印算法。

2 电子印章系统架构及思路

2.1 印章系统架构

整个电子印章系统从物理结构上来说包括电子印章系统后台和客户端空间访问接口两部分。其中后台由后台数据库、中间转接层和其它模块组成，所有用户通过中间转接层访问后台数据库，所有的访问信息将放在后台数据库中。客户端控件访问接口由第三方提供的模块、核心算法和与用户交互的模块组成，通过Word插件模块与用户交互，利用水印嵌入算法和水印提取算法进行水印嵌入和提取。USBKey开发接口、加密算法类库、解密算法类库是则由第三方提供。

从功能上来说，印章系统由权限设置中心、公文审批中心、制作印章中心三个部分构成。其中，权限设置中心用来负责客户端与后台数据库的通信，设置通过客户端访问的各类用户的权限；制作印章中心负责电子公文数据传输前的准备工作，例如制作印章、审阅印章、查询印章、撤销印章等工作[2]；公文审批中心是印章系统中最核心的部分，因为它可以实现文档的电子签章。

2.2 设计思想

电子公文和传统的纸质公文相比，在查阅、存档等方面，工作成本节省了，办公效率提高了[4]。但是由于网络传输的过程容易出现公文被泄密的情况，因此需要合适的数字水印算法来保证最终接收端收到的公文是真实准确的公文。例如：我们制作一个行政公文，按流程需要领导的逐级批复，但是由于在传输过程中存在着被篡改、伪造等安全问题，因此各部门下载公文后可能会需要验证电子公文的真伪。

在电子公文系统中，基于“用户-网络-多个用户”的形式为例，我们将批文嵌入了公文时间戳信息水印然后将其发布到互联网上，有需要用到此批文的部门下载该文件，下载后通过提取水印来验证公文的真伪。

传统的基于DCT系数特征的盲水印算法没有基于人的视觉和听觉感知模型，水印安全性较差，容量小，鲁棒性差。针对这些问题，本文提出的算法重点从以下方面进行改进：

（1）载体和水印存在形式上。利用变换处理将载体和水印改变其原有的存在形式，水印信息进行去噪、锐化处理后进行A rnold变换，对载体数据进行DCT变换。

（2）为了更准确地判别和提取水印信号，增强算法鲁棒性，用两位中频系数来表征一位水印信号。

（3）增大容量。用增加中频系数的方法来增大水印容量，从传统的两位中频系数增加到四位中频系数，每一小块可以嵌入两位水印信号，达到传统容量的2倍。

3 水印嵌入步骤

（1）预处理

按照办公习惯，纸质公文上要用手写签名或者印章来做批复，相对应的，电子公文上的批复就是电子签名。将手写签名转换为电子签名可以通过拍照、扫描等方式，但是这些方式可能会因为像素等原因导致电子签名不清晰，不易辨认，为了使电子签名更加清晰，我们要先对它进行去噪、锐化等处理。

（2）Arnold变换

俗称猫变换，是将图像拉伸、压缩、折叠及拼接的过程。为了提高水印算法的鲁棒性和抗剪切能力，我们将水印图像进行10次Arnold变换。我们设矩阵中的任意像素位置为（x,y）,将像素点（x,y）按照某种映射变换到另一点（x’,y’）。变换后我们会得到一个水印图像矩阵M*M，运算公式为：

（3）离散余弦变换（DCT变换）

将载体图像分成8*8的块进行DCT变换，会得到与载体图像相同尺寸的DCT域系数矩阵。

（4）嵌入水印

选择四个中频系数来嵌入水印，例如选择坐标(2，3)和(3，2)来嵌入一位水印信号，再选择坐标(6，7)和(7，6)嵌入另一位水印信号。嵌入的水印值S可以改变DCT系数：

1）S=1，两位DCT=b；

2）S=1，DCT＞b，值不变；

3）S=0，两位DCT=-b；

4）S=0，DCT＞-b，值不变。

（5）对新生成的小波系数矩阵做反变换。

（6）不断重复1-5的步骤，可以得到嵌入水印的图像。

4 水印提取的步骤

提取水印需要有密钥，并且要清楚密钥的组成内容。这个算法中密钥由四个中频系数、水印的长度、Arnold变换次数、举证序列四部分组成。按如下步骤进行：

（1）对检测图像分块后再进行DCT变换；

（2）检查该图像块中的下标为(2，3)和(3，2)，(6，7)和(7，6)的DCT系数之和：

1）系数之和＞0，表明S=“1”；

2）系数之和＜0，表明S=“0”。

（3）不断重复以上步骤，直到所有的水印信号被提取出来；

（4）对提取的水印信号进行10次逆Arnold变换，恢复出水印图像。

5 算法实验

实验前提：标志项N取12。

实验载体图像：大小378×378像素；

实验水印图像：二值图像，大小32×32像素。

实验一：JPEG压缩测试

在无任何攻击下的实验结果(PSNR=40.0685，NC=0.9983)，表1为JPEG压缩测试下的实验结果(Q为压缩品质因数，PSNR为峰值信噪比，NC为相似度)。

表1 JPEG压缩测试的实验结果

由测试结果可见，即使Q=45，水印的隐秘性依然很好，而且提取的水印非常清晰，说明这类算法的抗压缩能力强。

实验二：攻击测试

我们对图像进行了各类攻击，从图1的实验结果来看，载体图像的质量在遭受攻击后有一定的降低，但是仍然可以提取出水印。

图1 各种攻击测试后的结果

6 性能测试

测试一：划痕和签字干扰

公文文件要有很多部门审批、查阅人也多，查阅审批多或少会留下相关批阅的痕迹，在办公系统中传输的时候也有可能受到非法修改，这样会干扰验证公文是否真实有效和完整的过程。我们用一个加了签字的公文文件做测试，如图2所示，通过测试可以看出，虽然文件受到了一些破坏，但还是可以从中正确提取出嵌入的水印，图3所示。提取水印的NC系数为0.8367、MSE为0.1326、PSNR为8.7367。

图2 受签字干扰的文件

图3 提取的水印图像

测试二：椒盐噪声干扰

数据在网络传输中很容易信道干扰，其中最常见的信道干扰形式之一就是椒盐噪声干扰。我们模拟噪声干扰，在载体图像中加入方差为0.036的椒盐噪声，如图4所示，我们依然可以提取出较为清晰的水印信息，如图5所示。

图4 受噪声干扰的文件

图5 提取的水印图像

表2 椒盐噪声干扰测试的实验结果

从表2可以看出，椒盐噪声方差可以影响载体图像的NC、PSNR以及提取的水印的NC。从结果可以看出，噪声方差值和载体图像的相似度以及峰值信噪比成反比，噪声方差值越小，所得到水印NC越接近1，也就是说和原电子公文、原水印越相似；噪声的方差值越大得到的水印NC就越小，通过人的视觉可以判断出差异，从而可以肯定载体公文在传输过程中受到了非法攻击，需要提醒接收方验证电子公文的真实性和有效性。

测试三：损坏或脏旧污染

在实际工作中，经过多人传阅的公文，极可能会破损。我们用一个被墨水印记弄脏的公文文件为载体做测试，如图6所示。经测试，所提取水印的NC系数为0.8427、均方误差为0.1478、PSNR为9.1475。说明在应用了这类算法，即使文件已经破损，水印图像还是可以被提取出来，如图7所示。

图6 有污点的文件

图7 提取的水印图像

从实验结果可以看出，这种算法的抗压缩能力较强，水印的隐蔽性较好，鲁棒性较高。性能测试表明，即使载体图像在受到各种恶意攻击和信号处理后造成了一定程度的失真，嵌入的水印仍能被高精度地检测出。结果说明改进后的算法简单实用，比较适合互联网下电子公文的应用环境。