一种新颖的数字文本水印方案

一种新颖的数字文本水印方案摘要基于公共信道的文本传输极具风险，在文本中嵌入数字水印有助于保护文本的原创性、版权和完整性。然而，在空白文本中嵌入水印，要不改变且不破坏原始文本，是一个极大的挑战。本文提出了一种新颖的数字文本水印方案，可在不改变空白文本的情况下嵌入水印信息。关键字版权保护文本水印；信息隐藏；嵌入信息；数字签名中图分类号TP3092文献标识码AANOVELSCHEMEOFDIGITALTEXTWATERMARKINGABSTRACTDIGITALDOCUMENTDELIVERYOVERPUBLICCHANNELISONEOFTHEMOSTIMPORTANTCHALLENGESWATERMARKINGOFTHETEXTISASTEPINORDERTOPRESERVEORIGINALITY,OWNERSHIPINFORMATIONANDINTEGRITYOFDOCUMENTINAWAYANOVELDIGITALTEXTWATERMARKINGSCHEMEWHICHCANBEUSEDTOINSERTINFORMATIONINAPLAINTEXTWITHOUTCHANGINGTHETEXTHASBEENDEVELOPEDKEYWORDSCOPYRIGHTSPROTECTIONTEXTWATERMARKINGDATAHIDINGINFORMATIONEMBEDDINGDIGITALSIGNATURES1、引言因特网的低成本及其广泛的应用，大量的机密信息正在此公共开放的网络平台上交换传递，但由于数字信息非常容易遭受中途拦截与未授权访问，对原创者和版权持有者容易造成巨大的经济损失。为保护公共信道上传输信息的安全，必须采取相应的安全措施。信息隐藏技术可以把有价值的信息以一种不易被人发现的方式嵌入到传输数据中，秘密地把数据从消息源安全传送到授权的终端用户，是目前一种比较好的安全策略。早期的信息隐藏技术主要用于音频和视频水印、广播监控器、秘密通信1，2等，其实它也可用于文本的版权保护、完整性保护、商标、监测追踪、篡改检测等。相对于视频、音频水印，文本水印要复杂得多，特别是空白文本中隐藏信息的机密存取。根据信息隐藏的目的，文本水印至少有三种特性。一是水印必须具有鲁棒性。即在没有破坏文本的情况下，水印不能被移除或毁坏；二是载体文本和含水印的文本从肉眼上观察必须是一样的；三是未授权方不能鉴定或篡改水印。本文首先分析了水印和文本保护的模型，给出了一个理想的文本水印方案的基准，在介绍水印扩频技术的基础上，提出了一种新的文本水印解决方案。2、水印和文本保护模型秘密信息可以毫无察觉地嵌入到数字文本中，嵌入的信息就叫做水印。水印可以包含类似于版权、所有权、时间戳、发送端、文本信息或其它需要保护的信息。即使该文本被复制或重分发，也可以鉴定文本中所隐藏的信息，下面给出水印的设计模型和文本的保护方案原创者相当于一个中立的、可信任的注册授权方。根据文本内容的情况或其它的选择性标准，授权方分发一个唯一的注册码，并允许该文本嵌入水印的最大尺寸。我们可将文本及注册码存档以备将来参考。原创者产生水印，而水印由第三方嵌入。万一发生争论，第三方作为证明人保护文本中的水印。为了进一步确保水印的安全性，理论上需要使用密钥。水印的鲁棒性可以抵抗信息处理，文本中的冗余性有利于小块水印嵌入。因此，提取一小块水印取样就足以证明文本的原创性。假如文本接受方想确认该文本的原创性，可发送文本给可信任的第三方来鉴定。如果多方声称有该文本的所有权，这个可信任的第三方可以通过鉴定文本签名和文本中隐藏的水印来解决争端。比较原始水印及由第三方存储的内容完整性与提取出的水印及文本信息的完整性，根据两者的相似度判断文本的原创性。3、文本水印方案的基准考虑到所有必要的安全因素，在分析现存文本水印方案的基础上，我们定义了数字文本水印的一个基准水印必须是语言独立的、隐蔽的、鲁棒性的、能保护数据完整性和准确性的。算法必须简单且能抵御攻击。数字文本水印有以下论述3，4，5。普遍用于隐藏信息的文本水印技术是行移编码、字移编码、特征编码。当文本使用一种新的字体，这些格式文本的水印经复制、粘贴后就被轻易毁坏了。基于语义学的文本水印是语言独立的6。在很多法律和科技文本中，特殊的词不能被同义词取代，通常这些算法更复杂。4、水印的扩频技术很多数字水印方案配置了扩频通信，水印被嵌入到主机信号中，主机信号的伪随机产生类似于伪随机噪声（PRN）。水印比特与PRN混合产生的信号随后嵌入到主机信号中，PN信号被用作一个密钥。图1说明此机制。伪随机噪声相关检测器伪随机噪声KEYKKEYKUXSY信道攻击噪声NBU图1基于B比特水印嵌入的扩频技术B水印信号比主机信号的振幅小得多，有时只有主机信号振幅的1。水印里的隐秘信息扩展于PRN中，这样就很难发现和识别水印了。一定的PRN信号很快就会被相关接收器或匹配滤波器检测到，合适的振幅和增加一定数量的取样可以降低阳/阴性检测概率，也可移除主机信号中的PRN，那么检测过程中相关接收器将计算出高阴相关性。因此，经过增加取样或移除PRN的处理后，可以传送1比特信息，若比特不断增加就可以传送任意信息了。5、文本水印解决方案我们提出一个基于水印扩频技术的新的文本水印方案，对文本语法的变化和设计都无影响。它能在文本中隐藏一定的信息，且不改变文本。对文本的字体进行信息编码后，隐藏的信息也保存在文本中。此方案全部结构如图2所示。它由两部分组成水印嵌入和水印检测。水印嵌入输入文本输出文本图2文本水印系统的设计用户指定水印水印产生器和加密器51水印嵌入为了保护文本的完整性，签名由文本分析器和签名发生器（DAS）产生。DAS结合了很多精妙的算法来处理信息内容，如文本作者、原始文本、文本特征等。对于给定的文本，DAS输出的签名是唯一的。DAS也可计算出该文本中能够嵌入多大的水印。文本完整的鲁棒性和嵌入的隐秘信息量取决于两个参数文本签名和水印尺寸。具体嵌入流程如图3所示。移位寄存器隐蔽水印嵌入SUB签名块水印处理密钥1PK密钥用户水印尺寸原始文本图3基于文本的水印嵌入伪随机噪声嵌入B比特密钥K移位寄存器加密数据输入处理2PK水印块L用户水印信息嵌入水印的文本加密文档分析器和签名发生器根据文本的机密程度，使用不同的密钥加密水印内容（签名、用户指定水印），可以提供极佳的安全性。加密过的水印及文本签名经伪随机扩展也可提供一定的安全性。随后可将扩展过的信息嵌入原始文本流。水印嵌入算法的优势在于文本流的输出（嵌入水印后）与输入完全相同。一旦当隐秘信息完全嵌入文本中时，就没有人能破坏或解密它了，这就是隐蔽安全的主要优势。即使有人试图穿过多重安全机制破坏隐秘信息，也是无济于事。源点终点SYN信道攻击噪声图4传输信道根据不同的冗余度来嵌入水印，即使一小块文本也可以隐藏水印，传输文本经复制后仍然保存着水印和原创者信息，从源点到终点，如图4所示。因此，本方案为版权保护、商标、监测追踪、篡改检测提供了保证，方便了条件存取，也可用于保护合法文本、财经报道、诗歌、论文、报纸等的完整性。52水印检测水印的检测机制从语义上逆转了水印嵌入的原理，如图5所示。从信道接收的输入信号文本流（Y），输入至检测器。接收到的信号Y与原始发送的信号X可能不完全相同。信道噪声和复杂的攻击可能将X转变为Y。将伪随机噪声产生的信号输入到检测器。即使在通信信道中数据混杂着噪声，这个检测子系统也足以从噪声信号中精确恢复所要的数据。即使原始文本嵌入到另一个文本，该子系统也可以从一部分原始文本中恢复水印。检测模块的输出就是恢复后的文本（）和恢复后的嵌入水印（）。XB水印检测处理过程中最重要的部分就是DAS系统快速对比接收到的文本（）和重新产生的文X本签名。这个系统业可用作鉴定文本原创性、文本内容的版权认证、商标、监测追踪、篡改检测等。输入分裂器后，提取出的水印分离为嵌入的文本签名和用户水印。密钥1解密，密钥2RBRLRB解密，用户可以继续使用。鉴定与产生的签名B，即把DAS系统产生的新签名对比水印中RLRLBX的签名。基于给定文本流的签名的唯一性，系统可以确认该文本是否完整。如果我们不想清除文本流中的水印，又想重新使用或重新分发原始文本，就可以通过缓冲寄存器把恢复后的文本处理为原始文本。伪随机噪声检测器缓冲寄存器缓冲寄存器产生签名分裂器解密解密鉴定签名UY密钥KX恢复后的文本B恢复后的比特接收到的文本提取的水印密钥1PK密钥2PKRLRB文本完整性鉴定用户水印B签名签名图5基于文本的水印检测RB6、应用与结论本文提出了一种行之有效的数字文本水印解决方案，说明了在空白文本中秘密地嵌入信息是完全可能的。此方案可广泛应用于UNICODE或其它格式的文本，特别是对于很多情况下都要求内容和所有权的保护以及内容交换的高度安全的情况非常合适，另外在大型企业和政府机构中也有广泛的应用前景。7、参考文献1HENRIQUESMALVAR,FELLOW,IEEE,ANDDINEIAFFLORENCIO,“IMPROVEDSPREADSPECTRUMANEWMODULATIONTECHNIQUEFORROBUSTWATERMARKING,”INIEEETRANSIGNALPROCESSING,VOL51,NO4,PP898905,APRIL20032AZTIIRKEL,CFOSBORNE,ANDRGVANSCHYNDEL,“IMAGEWATERMARKINGASPREADSPECTRUMAPPLICATION,”INPROCIEEE4THINTSYMPSPECTRUNTECHNAPPLICAT,MAINZ,ERMANY,1996,PP7857893FHARTUNG,JKSU,ANDBGIROD,“SPREADSPECTRUMWATERMARKINGMALICIOUSATTACKSANDCOUNTERATTACKS,”PROCSPIE,VOL3657,PP147158JAN19994DKIROVSKIANDHMALVER,“ROBUSTSPREADSPECTRUMAUDIOWATERMARKING,”INPROCINTCONFACOUST,SPEECH,SIGNALPROCESSSALTLAKECITY,UT,MAY20015MIKHAILATALLAHANDVICTORRASKIN,“PURDUETEAMDEVELOPSWATERMARKTOPROTECTELECTRONICDOCUMENTS”,2001ONLINE,HTTP/NEWSUNSPURDUEEDU/HTML4EVER/010427ATALLAHWAERMARKHTM6LOWSH,MAXEMCHUNNF,BRASSILJ,ETAL,DOCUMENTMARKI