結(jié)合數(shù)字簽名和時(shí)間戳機(jī)制的數(shù)字水印算法

1、 結(jié)合數(shù)字簽名和時(shí)間戳機(jī)制的數(shù)字水印算法 A Watermarking System Based on Digital Signature and Digital Timestamp 一、數(shù)字水印技術(shù)概述1、引言 隨著數(shù)字技術(shù)和因特網(wǎng)的發(fā)展，各種形式的多媒體數(shù)字作品紛紛以網(wǎng)絡(luò)形式發(fā)表，然而數(shù)字作品的便利性和不安全性是并存的，它可以低成本、高速度地被復(fù)制和傳播，這樣就為創(chuàng)作者和使用者提供了很大便利，但這些特性也容易被盜版者所利用，其版權(quán)保護(hù)成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。 數(shù)字水印是新近實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)的一種有效辦法，它通過(guò)在原始數(shù)據(jù)中嵌入秘密信息水印，來(lái)證實(shí)該數(shù)據(jù)的所有權(quán)。2、數(shù)字水印的分類 按水印特

2、性劃分可將水印分為魯棒性水印和脆弱性水印；按嵌入結(jié)果可將水印劃分為可見(jiàn)水印和不可見(jiàn)水印；按所附載的載體數(shù)據(jù)可劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等；按檢測(cè)過(guò)程可將水印劃分為非盲水印、半盲水印和盲水??；按內(nèi)容可劃分為有意義水印和無(wú)意義水??；按隱藏的位置可劃分為空域水印和變換域水印。 本文所研究的是魯棒性的、不可見(jiàn)的、有意義的、變換域的盲圖像水印和半盲圖像水印。 3、本文的主要工作 針對(duì)二值和多灰度級(jí)水印圖像分別提出了一種新的水印嵌入和提取算法，并與已有算法進(jìn)行了比較； 指出文獻(xiàn)21中存在的邏輯錯(cuò)誤，對(duì)其提出的數(shù)字水印系統(tǒng)進(jìn)行了修正，從而真正達(dá)到版權(quán)保護(hù)的目的。注

3、：文獻(xiàn)21 陳永紅、黃席樾，基于混沌和數(shù)字簽名的圖像數(shù)字水印，計(jì)算機(jī)仿真，2005年1月。 二、二值圖像水印系統(tǒng)： 1、水印的嵌入： 假設(shè)載體圖像為256級(jí)灰度圖像 ，大小為MM, W是二值水印圖像，大小為NN。不失一般性，設(shè)水印的尺寸小于載體圖像的尺寸，算法的具體步驟如下：IStep 1： 對(duì)載體圖像進(jìn)行L級(jí)小波分解，對(duì)低頻逼近子圖的系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使之取值范圍為0，255的整數(shù)，調(diào)整后的結(jié)果記為C。將C劃為互不重疊的P塊，選擇其中的T塊嵌入水印，每塊的大小與水印圖像的大小相同，第t塊記為 ，計(jì)算它的平均值 ，進(jìn)而計(jì)算 : If Else 其中tstCts( , ) ( , )1tttC i

4、jsR i j( ,)0tRij1,;1.i jNtT tRStep 2： 給定初值 產(chǎn)生混沌序列，對(duì)水印圖像W進(jìn)行置亂得到H 。Step 3： 把H與 對(duì)應(yīng)，計(jì)算 , ,規(guī)則如下: If Else 將 合并成 。tCtK1 tT (, )(, ) K(, ) 1ttHi jR i ji j( , )0tK i j 12,TKKK0 xK2、水印的提?。?首先對(duì)需要檢測(cè)的圖像 做相應(yīng)次數(shù)的小波變換，按同樣的方法得到 。將 重新分為 。根據(jù) 計(jì)算 ， If Else用 對(duì) 進(jìn)行逆置亂變換，得到 ,最后根據(jù) 計(jì)算 ， 即為提取出的水印。 If ElseI,1tRtTK12,TKKKttR和KtHt

5、H(, )(, ) H(, ) 1tttR i jK i ji j( , )0tH i j 0 xtHtWtWW( ,) W ( ,)1ttWi jTi j( , )0W i j W3、結(jié)合數(shù)字簽名與時(shí)間戳的數(shù)字水印系統(tǒng)：3.1數(shù)字簽名 在密碼學(xué)領(lǐng)域，加密算法有對(duì)稱加密算法和非對(duì)稱加密算法兩種 。非對(duì)稱加密算法的加密密鑰和解密密鑰是不同的，分別稱為公鑰和私鑰。公鑰可以發(fā)送到Internet等公開(kāi)地方，私鑰只有用戶私人持有。這兩個(gè)密鑰完全不同且不能互相推導(dǎo)，用私鑰加密的數(shù)據(jù)只有用對(duì)應(yīng)的公鑰才能解開(kāi)。 數(shù)據(jù)W用A的私鑰加密得到DW，只有用A的公鑰才能將DW解密回W,因而說(shuō)明DW歸A所有，進(jìn)而W也歸

6、A所有，我們稱DW是A對(duì)W的數(shù)字簽名,別人是無(wú)法偽造的。 那么如何保證A是公鑰的所有者呢？公共密鑰基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)PKI采用證書管理公鑰。通過(guò)第三方可信任機(jī)構(gòu)認(rèn)證中心CA把用戶的公鑰和用戶的其它標(biāo)識(shí)信息（如名稱、身份證號(hào)等）捆綁在一起，形成數(shù)字證書。數(shù)字證書又叫數(shù)字身份證、數(shù)字ID，在Internet上驗(yàn)證用戶的合法身份。3.2時(shí)間戳 時(shí)間戳為用戶數(shù)據(jù)提供一個(gè)不可更改不可偽造且具有可鑒別性的時(shí)間標(biāo)記。 同數(shù)字簽名一樣，可以通過(guò)CA中心和數(shù)字證書增加時(shí)間戳提供方的可信性。 3.3數(shù)字水印系統(tǒng)文獻(xiàn)21的數(shù)字水印系統(tǒng)為：載體圖像I嵌入算法初值X0水印圖像WK數(shù)字簽名DW 文獻(xiàn)21認(rèn)為載體圖像所有者A通過(guò)數(shù)字

7、證書證明他對(duì)W的所有權(quán)加上A能提供初始值 和K，便可證明A對(duì)I的所有權(quán)。然而對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)如果D預(yù)先設(shè)計(jì)出一個(gè)水印圖像WW，通過(guò)認(rèn)證中心CA簽名認(rèn)證，當(dāng)產(chǎn)品所有者A將產(chǎn)品I在網(wǎng)上公開(kāi)后，D可以根據(jù)I，WW和 生成 ，則我們不能得出D不是產(chǎn)品I的所有者的結(jié)論，即文獻(xiàn)21提出的數(shù)字水印系統(tǒng)沒(méi)有達(dá)到版權(quán)保護(hù)的目的。0 x0 xK我們把整個(gè)水印系統(tǒng)修改如下：0 x蓋時(shí)間戳載體圖像I嵌入算法水印圖像W初值x0K合并M數(shù)字簽名DMTM K是由I、W、 和嵌入算法唯一確定的，從某種意義上說(shuō)，K、W、 和嵌入算法也唯一確定I，由于我們將W、 以及K合并成M,對(duì)M進(jìn)行數(shù)字簽名，因而證明了對(duì)M的所有權(quán)，

8、便證明了對(duì)I的所有權(quán)。加蓋時(shí)間戳是為了標(biāo)記數(shù)字產(chǎn)品I的創(chuàng)作時(shí)間，如果有人用I、 、WW生成 ，進(jìn)而生成 ，則可由時(shí)間戳的先后識(shí)別版權(quán)所有者。 0 x0 x0 x0 xKDM 4、計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)： 本文實(shí)驗(yàn)中以Lena（512512）為載體圖像I，以6464的二值圖像“吉林大學(xué)”為水印，L=2，P=T=4. NC=1原始水印 原始圖像 圖 1 剪切圖2 剪切與旋轉(zhuǎn)攻擊 攻擊后的載體圖像 文獻(xiàn)21 本文 NC=0.7056NC=0.9727 旋轉(zhuǎn)5度NC=0.7351NC=0.804710%高斯噪聲圖3 噪聲攻擊 攻擊后的載體圖像 文獻(xiàn)21 本文 NC=0.8525NC=0.990010%椒鹽噪聲

9、NC=0.9041NC=0.9939Q=5 的JPEG壓縮圖4 壓縮和濾波攻擊 攻擊后的載體圖像 文獻(xiàn)21 本文 NC=0.9409NC=0.9905中值濾波NC=0.9700NC=0.9980直方圖均衡圖5 直方圖均衡 攻擊后的載體圖像 文獻(xiàn)21 本文 NC=0.9695NC=0.9983 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文算法比文獻(xiàn)21中的算法具有更強(qiáng)的魯棒性，既可以抗擊常見(jiàn)的圖像處理操作，對(duì)于幾何攻擊也有一定的魯棒性。 三、灰度級(jí)水印系統(tǒng)：1、計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn) 本文實(shí)驗(yàn)中以 Lena（512512）為載體圖像I，以6464的二值圖像海螺為水印，L=3。 這里，我們的相似度定義為： 22()()( ,

10、)()()W W W WNC W WW WW W NC=0.9515原始水印 原始圖像 圖 6 剪切 圖7 剪切攻擊 攻擊后的載體圖像 文獻(xiàn)5 本文 NC=0.0606NC=0.9492 剪切NC=0.4083NC=0.9169更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在表1中給出： 攻擊 文獻(xiàn)5 本文%10 高斯噪聲0.98470.9495Q=30的JPEG壓縮0.98700.9512中值濾波0.98700.9513直方圖均衡0.98270.9395 表1 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文算法和文獻(xiàn)5中的算法都可以抗擊常見(jiàn)的圖像處理操作，但對(duì)于剪切攻擊，很明顯本文的算法具有更強(qiáng)的魯棒性。 注：文獻(xiàn)5 Weibin Lee, T

11、ungher Chen. A public verifiable copy protection technique for still images. The Journal of Systems and Software, 2002, 62: 195204 .四、總結(jié)和展望： 盡管人們?cè)跀?shù)字水印技術(shù)領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，但要使水印能夠成為法庭上具有可靠性的證明，進(jìn)而真正的商業(yè)化還存在一定的距離。在水印系統(tǒng)中引入數(shù)字簽名技術(shù)和時(shí)間戳機(jī)制后，不對(duì)載體圖像進(jìn)行任何修改也能實(shí)現(xiàn)水印的嵌入，并且任何人都可以根據(jù)公鑰驗(yàn)證產(chǎn)品的所有權(quán)，因而更具有商業(yè)價(jià)值。 附錄1：置亂變換 x(n+1)=1

12、-2*x( n )*x( n ) 為敘述方便，我們?cè)O(shè)水印圖像為W，大小為MN, 置亂過(guò)程如下： 1、對(duì)W按行掃描得到一維序列A(n). 2、根據(jù)初始值x(0)產(chǎn)生長(zhǎng)度為MN的混沌序列x(n)； 3、對(duì)按值的大小進(jìn)行排序，d(n)用來(lái)記錄排序后的序列的第n個(gè)數(shù)在原序列中的位置 4、令B(n)=A(d(n),將B(n)轉(zhuǎn)換成MN的矩陣R，則R即為置亂后的結(jié)果。 其逆過(guò)程為： 1、對(duì)R按行掃描得到一維序列BB(n). 2、根據(jù)同樣的x(0)產(chǎn)生長(zhǎng)度為MN的混沌序列 x(n)。 3、對(duì)x(n)按同樣的算法排序，同時(shí)得到d(n)。 4、令A(yù)A(d(n)=BB(n); 5、將AA(n)轉(zhuǎn)換成MN的矩陣，即

13、將置亂后的 圖像R還原為原水印圖像W。附錄2：時(shí)間戳一個(gè)時(shí)間戳應(yīng)具有以下四條性質(zhì)： 1、時(shí)間戳本身必須具有明確的時(shí)間標(biāo)記。 2、不能產(chǎn)生完全相同的時(shí)間戳和具有相同時(shí)間標(biāo)記的時(shí)間戳，即具有唯一性。 3、對(duì)時(shí)間戳數(shù)據(jù)的任何改動(dòng)，整個(gè)數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯的變化是不可能的。 4、不能用不同于當(dāng)前日期和時(shí)間的日期和時(shí)間來(lái)標(biāo)記數(shù)據(jù)。 同數(shù)字簽名一樣，可以通過(guò)CA中心和數(shù)字證書增加時(shí)間戳提供方的可信性?；贑A中心的時(shí)間戳協(xié)議內(nèi)容如下： 1、CA中心授權(quán)第三方時(shí)間戳服務(wù)機(jī)構(gòu)TSA(Time Stamping Authority)提供時(shí)間戳服務(wù)，為其頒發(fā)時(shí)間戳服務(wù)數(shù)字證書，并對(duì)其服務(wù)行為進(jìn)行監(jiān)督。 2、TSA產(chǎn)生的時(shí)

14、間戳的時(shí)間不能重復(fù)，以排隊(duì)的原則為用戶提供服務(wù)，即同一時(shí)刻不能同時(shí)為兩個(gè)用戶產(chǎn)生時(shí)間戳。 3、用戶產(chǎn)生待加蓋時(shí)間戳數(shù)據(jù)的單向Hash值，將其傳給TSA。 4、TSA將接收到Hash值時(shí)的日期與時(shí)間附在Hash值后，并利用與其數(shù)字證書對(duì)應(yīng)的私鑰對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)字簽名，形成時(shí)間戳。 5、TSA將簽名后的Hash值和時(shí)間標(biāo)記以及數(shù)字證書送回給用戶。 6、用戶驗(yàn)證時(shí)間戳服務(wù)數(shù)字證書的可信性，以決定時(shí)間戳的可信性。 7、用戶利用TSA數(shù)字證書上的公鑰驗(yàn)證時(shí)間戳，確定其正確性。附錄3：灰度級(jí)水印系統(tǒng)：1、水印的嵌入： 假設(shè)I是原始灰度圖像，大小為 ,W是水印圖像，大小為 , 不失一般性，這里要求N為偶數(shù)，并且

15、滿足 。 算法的具體步驟如下：MMNN2LMNStep 1:對(duì)水印圖像W做一次DWT變換，得到的低頻逼近子圖記為A,記住它的最大值p和最小值q ,計(jì)算R和H如下： 其中 (, )( (, )/() 255),Ri jround Ai jqp q (, )( /2 , )(, /2)( /2 , /2)(, ),Hi jH Ni jHi NjH Ni NjRi j 1,/2i jN Step 2:對(duì)載體圖像進(jìn)行L級(jí)小波分解，對(duì)低頻逼近子圖的系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使之取值范圍為0，255的整數(shù)，調(diào)整后的結(jié)果記為C,顯然C與W大小相同。 Step 3:令 其中 ，由計(jì)算過(guò)程可知 與載體圖像I,水印圖像W有關(guān).(, )(, )(, ),Ki jCi jHi j1, i jNK 2、水印的提取 水印的提取是水印嵌入的逆過(guò)程，不需要原載體圖