多重文本水印算法在電力信息安全中的應用

摘要：針對電力系統文檔傳輸過(guò)程中存在信息安全問(wèn)題，首次將多重文本水印算法引入到其文檔保護中。以傳輸電力設備參數為例，使用魯棒水印算法對設備參數進(jìn)行隱蔽通信，使其可以抵抗傳輸過(guò)程中遭受的各種攻擊，并使用半脆弱水印算法進(jìn)行身份確認，以提醒文檔是否已被盜用或誤用，及對篡改內容進(jìn)行定位。算法仿真與攻擊實(shí)驗表明，多重水印技術(shù)可以有效針對不同的目的進(jìn)行數據保護，實(shí)現隱蔽通信，證明了多重水印技術(shù)對電力系統文檔安全傳輸是有效的。

引言

　　信息安全問(wèn)題^[1]已經(jīng)成為電力系統中亟待解決的問(wèn)題，數字水印技術(shù)是解決多媒體信息安全的有效手段，現將其移植于電力系統重要信息安全傳輸中。圖像水印技術(shù)^[2-3]、視頻水印技術(shù)^[4]、音頻水印技術(shù)^[5]和網(wǎng)格水印技術(shù)^[6-7]可以對具有自主知識產(chǎn)權的網(wǎng)格模型進(jìn)行版權保護，文獻[8]提出將文本水印技術(shù)用于電力系統文檔可信傳輸中的設想。文本水印技術(shù)主要基于格式及內容兩類(lèi)。這些算法均不能滿(mǎn)足魯棒性強、容量大和透明性高的特點(diǎn)。因此，采用了嵌入多重水印方式，以滿(mǎn)足不同的性能需要。

　　為提高電力系統重要信息隱蔽通信的安全性，通過(guò)內容認證的方法確定文件的來(lái)源。本文提出將多重水印算法運用到提高電力系統文件傳輸中。使用魯棒性強的基于改變文本內容、嵌入水印信息的算法將電力系統和電力設備重要參數進(jìn)行信息隱蔽，運用透明性高的基于改變字符顏色RGB值嵌入水印信息的半脆弱水印算法對發(fā)送方的身份進(jìn)行確認。對多重水印算法進(jìn)行了嵌入、提取和攻擊實(shí)驗。結果表明，該算法可以提高安全性，并可以實(shí)現篡改定位，適用于電力系統文檔可信傳輸及內容認證。

1 文本水印技術(shù)

　　文本水印技術(shù)基于人類(lèi)視覺(jué)系統(HVS)，結合最小可覺(jué)差(JND)，在肉眼感知系數的變化不超過(guò)不可感知的范圍內，通過(guò)輕微改變文檔格式或內容[9]嵌入水印信息。為了提高電力系統中文本文檔的可信傳輸，要求算法透明性不能發(fā)生易察覺(jué)的變化，且文檔內容不能發(fā)生歧義。因此，本文采用基于內容及格式相結合的算法以完成水印信息的嵌入。

　　半脆弱水印可以抵抗一定的攻擊，透明性與安全性高，用于內容認證，辨別發(fā)送方身份，可嵌入文檔發(fā)送方的個(gè)人信息及發(fā)送日期等，并需要對被篡改內容進(jìn)行篡改定位;魯棒水印抵抗攻擊能力強，保障重要信息隱蔽通信，要求水印算法容量大，使用循環(huán)嵌入水印信息的方法，在遭受攻擊后，只要有一處完整水印信息存在，仍可被正確提取。因此，本文采取基于改變字符顏色嵌入水印信息算法用于內容認證，基于內容替換嵌入水印信息算法隱藏重要信息。

2  文本水印算法

　　由文獻[10]可知，字符顏色的RGB分量從(0,0,0)到(60,60,60)改變時(shí)，與黑色字符顏色相近，肉眼無(wú)法分辨。

2.1 基于改變RGB值的半脆弱算法

　　此算法的目的是針對文本文檔進(jìn)行內容認證，根據肉眼對顏色的RGB分量敏感度不同情況，本算法采用修改字體顏色G分量的低二位，B分量的低二位，完成水印信息的嵌入。

2.1.1 預處理

　　為了增強水印信息的安全性，首先對其進(jìn)行加密和糾錯編碼。將待嵌入的水印信息和密鑰分別轉換為二進(jìn)制序列，其中 ;，其中。通過(guò)一對一循環(huán)取模加密的方法，獲得新的水印序列：

　(1)

　　其中，。

　　利用漢明編碼，將加密得到的水印序列進(jìn)行編碼。使用S₁、S₂和S₃表示監督關(guān)系式中的校正子。當imod 4=0時(shí)，生成新的二進(jìn)制序列：

(2)

　　其中，，。

2.1.2 水印信息嵌入

　　(1)為了使水印信息嵌入位置隨機化，防止攻擊者獲取水印信息的嵌入位置，使用線(xiàn)性同余法。統計文檔的預嵌入空間 ，并將字符的RGB均統一成Word最常用的黑色，即RGB值為(0,0,0)。通過(guò)線(xiàn)性同余法，生成偽隨機序列，其中。

　　線(xiàn)性同余法的基本迭代公式為：

(3)

　　其中，m為最接近D的素數，a為2與m之間的隨機數，c小于m且與m互素。

　　(2)步驟1：遍歷word文檔，對于字符j(j<N)，嵌入水印間隔標識sgnsart，RGB分別被修改為(1,3,3)和(1,3,4)；

　　步驟2：選定字符j，若j<N，則執行步驟5，否則判斷間隔標識，標識嵌入完成執行步驟3，未完成則執行步驟1；

　　步驟3：

h_i=1時(shí)，修改當前字符為RGB(1,1,1)，修改下一個(gè)字符為RGB(1,1,2);

h_i=0時(shí)，修改當前字符為RGB(1,2,2)，修改下一個(gè)字符為RGB(1,2,3);

　　步驟4：重復執行步驟1~3嵌入信息;

　　步驟5：嵌入完成，保存文檔。

2.1.3 水印信息提取

　　步驟1：輸入密鑰，將其轉換成二進(jìn)制序列K;

　　步驟2：遍歷文檔，查找RGB被修改的位置，根據嵌入的規則，提取“1”和“0”，得到二進(jìn)制序列S;

　　步驟3：通過(guò)對S解碼和糾錯，得到二進(jìn)制序列M;當imod7=0時(shí)，計算校正子，如果3位校正子全為0，則表示未被篡改，如果得到其它值，對其進(jìn)行篡改定位并進(jìn)行錯碼糾正，去除監督位;

　　步驟4：對二進(jìn)制序列M與密鑰K進(jìn)行循環(huán)取模，可以得到水印的二進(jìn)制序列，再對其進(jìn)行轉換，得到水印信號。

2.2 基于改變內容的魯棒算法

　　此算法的目的是對文件內容進(jìn)行隱蔽通信，要求算法魯棒性強，具備足夠的容量隱藏信息，透明性強，并具備高安全性。因此，選擇基于改變文本內容嵌入水印信息的算法作為電力系統中使用的魯棒性算法。本文所采用的具體方法為：將全角模式下標點(diǎn)替換為半角模式下的標點(diǎn)，即將“，”替換為“,”。

2.2.1 預處理

　　與基于改變文本內容嵌入水印信息的算法采用相同的預處理方式。

2.2.2 水印信息嵌入

　　(1)使用線(xiàn)性同余法使水印信息嵌入位置隨機化。為了防止全角與半角替換過(guò)程中發(fā)生字符間距的修改使文檔的格式發(fā)生變化，采用綁定半角與空格的方式進(jìn)行位置補齊。

　　(2)步驟1：遍歷word文檔，標記逗號序列為j(j<N),嵌入水印間隔標識sgnsart；

　　步驟2：選定字符j，若j<N,則執行步驟5，否則判斷間隔標識，標識嵌入完成執行步驟3，未完成則執行步驟1；

　　步驟3：

h_i=1時(shí)，修改當前“全角逗號”為“半角逗號+空格”;

h_i=0時(shí)，不作任何修改;

　　步驟4：重復執行以上步驟，嵌入水印信息;

　　步驟5：嵌入完成，保存文檔。

2.2.3 水印信息提取

　　此處采用水印信息嵌入方法的逆算法，與“2.1.3”的方法相似。

3 實(shí)驗結果及其分析

　　針對以上兩種算法，進(jìn)行水印嵌入及提取實(shí)驗，以驗證嵌入水印信息后的文檔是否會(huì )產(chǎn)生視覺(jué)變化，檢測水印信息是否可以正確提取。通過(guò)攻擊實(shí)驗，檢驗兩種算法的魯棒性。

3.1 水印信息嵌入提取實(shí)驗

　　針對基于改變字體顏色RGB值嵌入水印信息的算法，進(jìn)行水印嵌入實(shí)驗，水印信息為“發(fā)送人ABC”。針對基于改變字符間距完成水印信息嵌入的算法，進(jìn)行水印嵌入實(shí)驗，水印信息“參數為：123”，密鑰均為“6688”。

　　測試可知，未受攻擊的文檔均可實(shí)現水印信息的正確檢測提取。從視覺(jué)上，很難區分水印信息嵌入后文檔(如圖1和圖2所示)發(fā)生的可見(jiàn)變化。

3.2 攻擊實(shí)驗

　　數字水印攻擊的目的是判斷水印算法的魯棒性，本實(shí)驗采用重復測試的方法防治偶然結果產(chǎn)生。

　　(1)基于格式攻擊。對文檔進(jìn)行顏色攻擊，魯棒性弱，但是，進(jìn)行部分和全部格式或屬性攻擊，魯棒性很強。

　　(2)基于內容攻擊。對文檔內容進(jìn)行不同程度的刪除、粘貼及內容替換操作，如果涉及內容過(guò)多，魯棒性較弱;否則，魯棒性很強。

　　(3)篡改定位。由圖3可知，如果文檔內容及字體顏色發(fā)生改變(圖3中的“紀80”、“中，該”和“基于以”)，基于改變顏色RGB值嵌入水印信息的算法可以精準判斷水印比特位受破壞的具體位置，以達到內容認證的要求。

　　實(shí)驗表明，基于改變字符顏色RGB值嵌入水印信息的算法針對內容篡改魯棒性弱，并可以進(jìn)行準確定位，有效達到內容認證的目的?；诟淖兌禾査幠Ｊ角度胨⌒畔⒌乃惴?，魯棒性很強，可以抵抗各種格式及大部分內容攻擊，并不會(huì )導致文檔降質(zhì)。

3.3 算法性能分析

　　魯棒性、容量、透明性及安全性是文本水印技術(shù)的重要特點(diǎn)，這些特性決定水印算法的實(shí)用價(jià)值。因此，需要對算法的性能進(jìn)行合理的分析，判斷其是否具備實(shí)際應用的要求。

　　(1)魯棒性分析。

　?、倩诟淖冏煮w顏色RGB值嵌入水印信息的算法可以抵抗基本的格式攻擊，但對內容篡改魯棒性較弱，可以有效地對文檔進(jìn)行內容認證，一旦文檔內容被惡意修改，將很難正確提取水印信息;

　?、诨诟淖兌禾査幠Ｊ角度胨⌒畔⒌乃惴敯粜院軓?，可以抵抗格式與內容攻擊。針對電子文檔在電力系統中的可信傳輸，可以起到有效的保護作用，抵抗惡意篡改。

　　(2)容量分析。兩個(gè)水印算法中都采用了(7,4)漢明編碼，即每7個(gè)碼字包含4個(gè)信息位，3個(gè)監督位。為了提高魯棒性和安全性，引入了糾錯編碼，犧牲了一定的數據容量，但是仍可以滿(mǎn)足水印信息的嵌入容量。

　　(3)透明性分析。兩種算法均是基于人類(lèi)視覺(jué)系統設計的，改變值都在肉眼不可分辨的閾值內，從原理上，算法的透明性都很高。

　　(4)安全性分析。兩個(gè)算法均使用了加密算法對水印信息進(jìn)行加密，即使攻擊者知道水印的嵌入算法，在不知道密鑰的情況下也無(wú)法完全獲得水印信息。且水印信息在嵌入時(shí)，采用了隨機位置嵌入，更加加大了對手的攻擊難度。

　　通過(guò)以上性能分析可知，該多重文本水印算法可以通過(guò)兩種不同的文本水印算法性能的互補，達到對電力系統重要信息隱蔽通信和內容認證的要求。

4 結束語(yǔ)

　　文本數字水印技術(shù)可以有效實(shí)現隱蔽通信及內容認證，本文將魯棒水印及半脆弱水印算法用于確保電力系統信息安全中，可以有效將重要信息進(jìn)行隱藏傳輸，使其抵抗在傳輸中遭受的各種攻擊。使用半脆弱水印對其發(fā)送方進(jìn)行認證，增加了收發(fā)雙方的信任程度。實(shí)驗結果表明，多重水印技術(shù)的運用可以有效抵御不同目的的攻擊，對數據進(jìn)行多方面的保護，提高了數據的安全性。多重水印算法的組合可以在文檔遭遇攻擊時(shí)具備一定的互補性，并且可以實(shí)現不同的使用目的，彌補一種水印算法的不足。

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第54頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。