楊永生

(長春工程學(xué)院，長春 130012)

0 引言

檔案是國家機(jī)構(gòu)、社會組織和個人在社會活動中直接形成的對國家和社會具有保存價值的文字、圖表、聲像等不同形式的歷史記錄。隨著國家法制建設(shè)的不斷完善、經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步運(yùn)行以及科技的不斷進(jìn)步，檔案工作在國家的整個發(fā)展過程中起著越來越重要的作用，與我們的生活也聯(lián)系越來越密切，如社會信用體系的建設(shè)、民生工程的保障等都需要有現(xiàn)代化的檔案管理作為支撐[1]。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展以及辦公自動化的應(yīng)用，檔案管理已全面實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化管理模式，這使得檔案管理的歸檔、查詢及應(yīng)用更加便捷、快速和高效。然而秘密檔案數(shù)字化管理的安全性問題仍然是我們需要進(jìn)一步深入研究的課題。而數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展為我們提供了一個新思路，我們可以借用數(shù)字水印技術(shù)的思想將秘密檔案的信息通過隱秘的技術(shù)嵌入到非秘密檔案中，以達(dá)到保護(hù)秘密檔案不被侵犯的目的。

1 數(shù)字水印技術(shù)

人類視覺系統(tǒng)通常無法設(shè)別物體細(xì)小的變化，這是人眼對隨機(jī)噪聲或者細(xì)小差別的誤差冗余，數(shù)字水印技術(shù)就是利用了人類視覺系統(tǒng)的這種漏洞[2]，將秘密的信息嵌入到載體中，在保證載體的使用價值不被破壞的前提下達(dá)到隱秘秘密信息的目的。

1.1 信息隱秘技術(shù)

信息隱秘技術(shù)與傳統(tǒng)的密碼學(xué)不同，它是利用人類在識別物體上的漏洞以及數(shù)字信息的數(shù)字冗余，在不影響公開載體的正常使用的前提下，將秘密的信息嵌入到公開載體中[3]，以達(dá)到保護(hù)秘密信息的目的，同時完成安全傳輸?shù)哪康摹?/p>

用信息隱秘技術(shù)加密的信息即使被盜取者盜取成功，如果沒有正確的秘鑰，也無法從公開的載體中將秘密信息提取出來，如果將公開載體破壞，秘密信息也將隨之遭到破壞，使得盜取者無法得到想獲得的秘密信息，從而提高了秘密信息的安全級別。

信息隱秘技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣，如軍事、經(jīng)濟(jì)、文化等方面，而且有很多分支，隱寫術(shù)、可視密碼技術(shù)、數(shù)字水印技術(shù)、隱匿協(xié)議等，都是信息隱秘技術(shù)的分支，其中以數(shù)字水印技術(shù)的研究最多，最受關(guān)注，其已成為傳輸秘密信息以及保護(hù)信息完整性的一種新技術(shù)。

1.2 數(shù)字水印技術(shù)的原理

數(shù)字水印技術(shù)的主要原理就是將秘密的信息嵌入到公開的載體中，從而達(dá)到安全傳輸?shù)哪康?。具體操作主要包括嵌入算法和提取算法，嵌入算法與提取算法是相互可逆的，提取算法是嵌入算法的逆過程，具體如圖1所示。

1.3 數(shù)字水印的分類

數(shù)字水印一般按照3種方式進(jìn)行分類：按照可見性可分為可視水印與非可視水印，可視水印一般用在版權(quán)保護(hù)中，如光盤或者文檔表面的可見水印信息，非可見水印除了用于版權(quán)保護(hù)外，還可進(jìn)行秘密信息的傳輸；按照健壯性可分為魯棒性水印和脆弱水印，所謂魯棒性就是在載體受到壓縮、錄制、復(fù)印等一系列操作后仍然可以檢測出水印的能力，脆弱水印當(dāng)載體數(shù)據(jù)發(fā)生較大變化時，其所含的水印信息也會發(fā)生相應(yīng)的變化，使得水印信息不能很好地被檢測出來；按照數(shù)字水印加載的方式不同，可分為空間域水印和變換域水印。

(a)秘密信息嵌入過程

(b)秘密信息提取過程圖1 數(shù)字水印嵌入過程

1.4 秘密檔案管理中數(shù)字水印的特點(diǎn)

秘密檔案的管理對檔案內(nèi)容的保密程度和檔案內(nèi)容的安全性要求嚴(yán)格，這就要求在應(yīng)用數(shù)字水印進(jìn)行秘密信息的加載時要使得算法具有魯棒性、非可見性、安全性以及水印信息容量大等特點(diǎn)?；诖耍疚慕榻B了一種變換域的數(shù)字水印加載方法。

2 變換域數(shù)字水印算法

基于變換域的數(shù)字水印技術(shù)是先將載體進(jìn)行變換，然后將秘密信息嵌入到載體的變換域中，如基于DCT，DWT，DFT 以及 Mellin-Fourier 的數(shù)字水印算法。

相對于將載體信號進(jìn)行空間域的變化，對載體信號進(jìn)行變換域的處理對于數(shù)字水印的嵌入具有更多的優(yōu)點(diǎn)：第一，對信號進(jìn)行變換域的處理，可以直接得出低頻域與高頻域的系數(shù)，能夠更加直接地選擇水印嵌入的空間，提高水印的魯棒性；第二，信號的壓縮和放大都是在變換域的頻域上進(jìn)行的，采用頻域的方法可以增強(qiáng)信號的抗打擊能力，保證水印的完整無損；第三，變換域本身就具有一些抗攻擊的能力，對載體信號的伸縮和平移不敏感，從而可以很好的隱藏水印信息，并且對信號的重構(gòu)也更加容易。另外，也有利于利用人類 HVS(Human Visual System)和 HAS(Human Audio System)的特性來嵌入水印，正因?yàn)樽儞Q域的諸多優(yōu)點(diǎn)，變換域的方法才得以廣泛的發(fā)展。[4]

基于變換域的數(shù)字水印算法中，最經(jīng)典的便是小波變換方法與傅里葉變換方法，小波變換方法能夠很好地解決傅里葉變換不能解決的問題，從而越來越受重視。

2.1 小波分析原理

小波分析是數(shù)學(xué)分析中的一種方法，主要用于信號處理，在信號的頻域做變換，描述信號的頻域結(jié)構(gòu)及頻域幅度信息等，它通過尺度函數(shù)對信號進(jìn)行伸縮和平移等操作，從而對信號進(jìn)行多尺度多分辨率的細(xì)化分析。

小波分析在對數(shù)字圖像進(jìn)行處理時是將原小波通過位移和伸縮的方法，利用低通和高通濾波器，使用它的多分辨率分解能力將圖像信息一層一層地剝離開。分解過程：首先對數(shù)字圖像的每一行數(shù)據(jù)進(jìn)行一維離散小波變換，獲得原圖像在水平方向上的低頻分量L和高頻分量H，然后對變換后所得到的數(shù)據(jù)的每一列再進(jìn)行一維離散小波變化，獲得原圖像在水平和垂直方向上的低頻粉戀LL、水平方向的低頻和垂直方向上的高頻LH、水平方向上的高頻和垂直方向的低頻HL以及水平和垂直方向上的高頻分量HH。[5]，具體過程如圖2所示。

數(shù)字圖像圖2 運(yùn)用小波分析處理圖像信號

研究表明，人眼對高頻信息的敏感度低于對低頻信息的敏感度，因此我們將秘密信息嵌入到高頻區(qū)域，這樣可以使原始載體加入水印后呈現(xiàn)的結(jié)果不易被肉眼可見，也就是說對原始載體的影響小，水印的魯棒性和透明性都較好。[6]

2.2 小波變換步驟

1)把小波w(t)和原函數(shù)f(t)的開始部分進(jìn)行比較，計算系數(shù)C。系數(shù)C表示該部分函數(shù)與小波的相似程度；

2)把小波向右移k單位，得到小波w(t-k)，重復(fù)1)，重復(fù)該步驟直至函數(shù)f結(jié)束；

3)擴(kuò)展小波w(t)，得到小波w(t/2)，重復(fù)步驟1)和2)；

4)不斷擴(kuò)展小波，重復(fù)1)～3)。

3 基于變換域的數(shù)字水印秘密檔案管理算法

我們在前文已經(jīng)對數(shù)字水印以及變換域的載體處理方法進(jìn)行了介紹，此節(jié)介紹一種基于小波分析的圖像數(shù)字水印秘密檔案管理方法。

現(xiàn)階段的檔案管理工作已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)字檔案管理階段，數(shù)字檔案分為兩個部分：一部分是由紙質(zhì)檔案文件掃描得到的掃描文件，一般是圖片格式或者是PDF格式；另一部分是電子文檔、數(shù)字圖像文件、數(shù)字音視頻文件以及光盤格式的文件。不管是哪種格式的文件，我們都可以分別將公開載體進(jìn)行小波變換，從而得到某些分解后的系數(shù)，同時將秘密信息處理成由0和1表示的信號編碼，將其與通過小波分析后的系數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，從而將秘密的信息嵌入到公開的載體中，以達(dá)到秘密信息不被盜取的目的。

3.1 生成數(shù)字水印

假設(shè)秘密檔案信息為圖片格式的信息，選取大小為64×64的秘密檔案信息，將其轉(zhuǎn)化為“0，1”格式的二值圖像信息，如圖3所示，然后將其嵌入到進(jìn)行小波分解后的公開檔案中，形成嵌入秘密檔案信息后的公開檔案，具體流程圖如4所示。

圖3 秘密檔案信息生成水印的模型

3.2 對公開載體進(jìn)行小波分解

將公開載體進(jìn)行小波分解，得到低頻和高頻的系數(shù)。對公開載體的圖像信息進(jìn)行分解就是對圖像進(jìn)行二維離散小波變化。設(shè)所選取的圖片信息的信號為S(x，y)，其分解公式如式(1)～(4)所示[7]：

(1)

(2)

(3)

(4)

圖4 圖像的小波三層多分辨分解結(jié)構(gòu)圖

圖4中1)LL子帶是從由水平和垂直兩個方向利用低通小波濾波器卷積后產(chǎn)生的小波系數(shù)，它是圖像的近似表示。2)HL子帶是在水平方向利用低通小波濾波器卷積后，再用高通小波濾波器在垂直方向卷積而產(chǎn)生的小波系數(shù)，它表示圖像的水平方向的奇異特性(水平子帶)。3)LH子帶是在水平方向利用高通小波濾波器卷積后，再用低通小波濾波器在垂直方向卷積而產(chǎn)生的小波系數(shù)，它表示圖像在垂直方向的奇異特性(垂直子帶)。4)HH子帶是由水平和垂直兩個方向利用高通小波濾波器卷積后產(chǎn)生的小波系數(shù)，它表示圖像的對角邊緣特性(對角線子帶)。

第1個字母表示列方向的處理，第2個字母表示行方向的處理，圖像的奇異特性通過低通時保留，通過高通時被濾除。[8]

3.3 秘密檔案信息的嵌入

將轉(zhuǎn)化為“0，1”二值圖像的秘密檔案信息與得到的低頻小波系數(shù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，從而將秘密檔案信息嵌入到公開載體中，然后對變換后的圖像信息進(jìn)行小波重構(gòu)，也就是小波分解的逆運(yùn)算，得到嵌入秘密檔案信息的公開載體。具體過程如圖5所示。

圖5 秘密檔案信息嵌入公開載體的流程圖

3.4 秘密檔案信息的提取

秘密檔案信息的提取為嵌入過程的逆過程，步驟：

1)讀取未加水印圖像的信息；

2)讀取嵌入水印的圖像信息；

3)對未加水印的圖像和加入水印的圖像分別進(jìn)行三層小波變化；

4)對嵌入時的算法進(jìn)行逆運(yùn)算；

5)得到水印信息。

4 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過對學(xué)報編輯部圖片稿件中對作者信息的加入和提取，能夠明顯地看到作者水印信息的存在，從而說明此方法加入和提取的水印完好，如將其運(yùn)用到秘密檔案的管理中，可以很好地保護(hù)秘密檔案的安全，使得秘密檔案管理在機(jī)密性、完整性、認(rèn)證性等方面有一定的技術(shù)保障。

5 結(jié)語

隨著國家和社會的發(fā)展，檔案管理已經(jīng)成為國家機(jī)關(guān)及企事業(yè)單位不可或缺的一部分，而其中秘密檔案的管理一直是關(guān)注的焦點(diǎn)。如何能夠使秘密檔案在保存和傳輸中保證其機(jī)密性和安全性，成為人們研究的課題。數(shù)字水印的應(yīng)用為秘密檔案管理提供了新的思路，我們可以將秘密的檔案信息以數(shù)字水印的形式嵌入到公開載體中，即使盜取者盜取了載體信息，沒有嵌入算法也無法獲得完整的秘密檔案信息，從而保證了秘密檔案信息能夠安全有效地進(jìn)行保存和傳輸。

本文給出了一種基于小波分析的變頻域數(shù)字水印算法，經(jīng)試驗(yàn)表明此算法的魯棒性較好，但其嵌入的信息容量有限，只能嵌入少量的水印信息，對于大容量的水印信息不適用，而且應(yīng)嵌入到公開載體的低頻域部分還是高頻域部分也有待探討，這都將成為我們下一步研究的重點(diǎn)。