探究数字水印技术在档案安全保护中的应用

文/山东省菏泽市120急救指挥中心 刘丽

随着互联网的兴起、信息技术的广泛运用以及数字设备在世界范围内的普及，信息安全的重要性日益凸显，安全高效的图像加密算法成为广大学者和档案工作者追求的目标。档案管理中对信息化的依赖程度越来越大，数字化形式的档案作为一种新的档案形式应运而生。这些图文、音视频等多媒体档案资料如未经任何处理直接保存或者公开，那么一旦有人做了技术处理，即可伪造、篡改，造成严重的后果。未经加密手段处理的数字化档案被篡改后无法通过原始载体进行鉴别。同时，数字档案具有很强的流通性且篡改后不容易察觉，这就迫切需要一种技术手段来实现数字档案资料的安全保护和管理，这也成为档案信息化过程中的一个研究热点。本文探讨数字水印的涵义及主要性能指标，并介绍一种最新的数字水印加密算法——基于奇异值分解的水印算法及相关鲁棒性分析，最后探讨数字水印技术在档案安全保护中的应用。

一、数字水印的涵义和主要性能指标

随着信息技术的迅速发展和数字化产品的快速普及，人们对个人数字内容的安全性和真实性也有了越来越严格的要求。与此同时，一些信息安全方面的关键性问题也暴露了出来，比如对数字档案的非法拷贝、篡改和传播等。针对这些问题，数字水印技术以其特定的优势被视为一种较有潜力的解决方案。数字水印技术利用人类视觉感知系统的不敏感和数字信号存在的冗余，将诸如作者姓名、版权图标等用于识别的标志信息以隐蔽的方式嵌入图文、音视频数据中。国内很多学者也在数字水印领域作出极大贡献。陈明奇等的《数字水印的研究进展和应用》及孙圣和等著的《数字水印处理技术》为现在数字水印研究奠定了坚实的理论基础。

鲁棒性和不可见性是数字水印系统中两个最重要的评价指标。不可见性也称为隐蔽性，指的是数字水印无法被常规手段检测和提取，并且通过人眼视觉无法分辨出原始图像和含水印图像之间的差别。数字水印技术中另一个重要指标为鲁棒性。鲁棒性指在经历多种有意或无意的信号处理过程后，数字水印仍能保持完整性并能被准确鉴别。这些信号处理包括有损压缩、信道噪声、滤波、位移、尺度变换和剪切等。

二、基于奇异值分解的数字水印算法及鲁棒性分析

奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)是线性代数领域中一个重要的矩阵分解手段。一个矩阵可被分解，其中，U是mxm阶酉矩阵，∑是矩阵的奇异值构成的对角矩阵。奇异值分布满足，代表矩阵的转置。

奇异值分解技术因为两个独特的优点而在数字水印领域中大放异彩。首先，奇异值代表着图像内在的几何特性。其次，奇异值矩阵具有很好的稳定性，向图像中加入一点小的扰动后，图像的奇异值变化很小。因此将水印信息嵌入到宿主图像奇异值矩阵中能提高算法的鲁棒性。

一般来说，水印系统主要包括两个部分：水印嵌入和水印提取。作为信息安全领域的一项重要安全手段，数字水印在版权保护、原始性认证等方面具有丰硕的研究成果。在不同的应用背景下，数字水印的实现方法具有极大的多样性，但是也具有共同的基本模型。首先水印预处理，将原始水印图像转换为一段二进制序列；接着轮廓波变换，利用一级轮廓波变换将宿主图像分解为1个低频子带和4个高频方向子带。为了确保所提出数字水印算法的鲁棒性，将选择含有大部分图像信息的低频子带进行水印嵌入；接着边缘检测和图像分块。利用Canny边缘检测对低频子带进行分析，并将其分解成互不重叠的子块，计算每个子块的边缘像素点个数，并选择含有较少边缘像素点的图像块作为水印嵌入区域。这些图像块的索引将作为密钥保存起来；然后水印嵌入，对于图像块应用奇异值分解，提取矩阵中两个系数，比较它们的大小关系，计算差值，通过修改两个值来嵌入水印，通过奇异值分解逆变换生成修改后矩阵；接着是水印提取和阈值选择，为了提高本文所提出的数字水印算法的鲁棒性，水印嵌入过程中可以采用一个额外的阈值来控制水印嵌入强度。数字水印算法的鲁棒性和隐蔽性是相互矛盾的，当嵌入强度变大时，水印算法的鲁棒性会随之变好，而隐蔽性则变弱。

三、数字水印技术在档案安全保护中的应用及分析

随着数字水印技术的发展，数字水印的应用领域也得到了扩展，其基本应用领域是版权保护、图像认证、隐藏标识等方面。数字水印在数字档案安全保护中的应用主要有以下几个方面：1.数字水印技术在数字档案的知识产权保护方面发挥重要作用。文本、图像、音视频等多媒体信息数字化过程产生的便是数字化的档案馆，在此过程中数字水印能够对数字化档案进行版权及完整性保护。2.基于图像认证的数字水印技术在档案内容认证方面发挥重要作用。本文提出的基于奇异值分解的水印系统的抗攻击能力很强，算法可以判断出所嵌入的水印信息是否被改变，进而保证档案系统的安全性、完整性等。3.数字水印在数字档案馆的保护中发挥重要作用。当前数字档案馆多建设有门户网站，在日常使用中，如果门户网站受到了恶意的攻击，那么档案的信息安全势必会受到严重的威胁。在这种情况下，数字水印的出现在网站信息安全的保障中发挥不可低估的作用。当基于奇异值分解的水印系统被使用之后，外来攻击提取相关信息时就会引起报警。

当前我国有专门的法律条文对数字档案文档进行保护，但是水印技术的发展是法律法规保护的内在支持。基于奇异值分解的数字水印技术中水印的不可见性和鲁棒性都较高，因此本文提出的基于奇异值分解的水印技术能从根本上解决数字档案安全管理中的关键问题，有很好的利用前景。

四、结语

网络环境的开放性为信息交流带来了便利，但也给不法分子提供了可乘之机，增加了信息泄漏的风险。数字水印技术作为保护数字档案的重要手段，在信息科学技术高速发展的今天，越来越受到重视。因此，图像信息在传输过程中的安全问题引起了学者们密切关注。针对传统数字水印算法在鲁棒性、隐蔽性和实用性尚不完善或者完美的问题，本文结合奇异值分解设计了水印算法，并分析算法的鲁棒性。该数字水印方案，借助加速鲁棒特征提取算法估计几何失真参数，克服了传统数字水印算法无法有效抵抗几何攻击的缺点。方案中充分利用了多种变换的特性来实现鲁棒性高、隐蔽性好的效果。在水印提取阶段，不需要依赖原始宿主图像信息和原始水印图片就可以实现水印的提取。该水印方案对于大部分攻击具有很好的鲁棒性，在几何失真参数不可知的情况下，该算法仍然具有抗几何攻击的能力，在数字档案安全保护中可以发挥较大优势。