数字水印技术在电子签章中的应用.doc

数字水印技术在电子签章中的应用?44?ComputerEraNo.102007数字水印技术在电子签章中的应用张宗平.关锦明.李海雁(广东出入境检验检疫局信息中心,广东广州510623)摘要:数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向,是一种可以在开放网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新型技术.随着网络技术的飞速发展和广泛应用,对图像,音频,视频等多媒体内容的保护成为迫切需要解决的问题.文章简要介绍了数字水印技术的原理,讨论了数字水印技术在电子签章系统中的应用.关键词:数字水印;水印嵌入;水印检测;电子签章;应用0引言数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向,是一种可以在开放网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新型技术.创作者的创作信息和个人标志通过数字水印系统以人所不可感知的水印形式嵌入在多媒体中,人们无法从表面上感知水印,只有专用的检测器或计算机软件才可以检测出隐藏的数字水印.在多媒体中加入数字水印可以确立版权所有者,认证多媒体来源的真实性,识别购买者,提供关于数字内容的其它附加信息,确认所有权认证和跟踪侵权行为.它在数据的分级访问,数据跟踪和检测,商业和视频广播,Internet数字媒体的服务付费,电子商务认证鉴定等方面具有十分广阔的应用前景.自1993年以来,该技术已经引起业界的浓厚兴趣,并成为国际上非常活跃的研究领域.1数字水印技术原理及特征数字水印技术是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌到多媒体内容中.目前大多数数字水印制作还采用加密(包括公开密钥,私有密钥)体系来加强保护,在水印的嵌入,提取时采用一种密钥,甚至几种密钥.水印的嵌入和提取方法分别如图1和图2所示.厂霸_I嵌入过程含水印的信号口积浯图1数字水印嵌入过程图2数字水印检测/抽取过程数字作品嵌入数字水印不应引起明显的降质,并且不易被察觉.水印信息隐藏于数据而非文件头中,文件格式的变换不应导致水印数据的丢失.鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后,数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别.可能的信号处理过程包括信道噪声,滤波,数/模与模/数转换,重采样,剪切,位移,尺度变化以及有损压缩编码等.在数字水印技术中,水印的数据量和鲁棒性构成了一对基本矛盾.从主观上讲,理想的水印算法应该既能隐藏大量数据,又可以抗各种信道噪声和信号变形.然而在实际中,这两个要求往往不能同时实现.不过这并不会影响数字水印技术的应用,因为实际应用一般只偏重其中的一个方面.2数字水印技术在电子签章中的应用2.1电子印章的原理电子印章是在电子政务或电子商务实施中使用计算机技术添加在电子文件的文字内容上面的印章图像.经过这种技术处理的有电子印章图像的电子文件,可以在本地或异地直接使用计算机控制下的文件印制设备输出有效的纸质盖章文件.作为现代密码学与东方印鉴文化相结合的产物,电子印章实际上就是数字签名加印章图片,数字签名是安全的保证,而印鉴则是权威的象征.电子印章技术要求电子印章和纸质盖章文件紧密结合,同时使用电子印章不能引起本单位盖章印件的混乱.电子印章的使用,可防止伪造纸质盖章文件的犯罪行为.然而,电子印章技术普及使用的前提条件是电子印章必须能被相关法律赋予合法性,同时在法院案件审理时能为印章持有人提供有效和权威的证明.通过数字水印技术的使用,能实现电子印章的防伪性和不可否认性.所谓数字水印技术,是指采用信息处理技术把版权信息,认证信息等秘密信息(这些信息即数字水印),嵌入到原始数据中去,但不影响原内容的价值和使用.数字水印信息可以是产品的序列号,版权所有者的标志等认证信息.通过特定的算法恢复和检测被嵌水印后,可有效地分析信息失真的情况,判断信息是否被篡改,为版权所有者提供信息被盗版的有利证据.因此,实用的数字水印技术必须具有较强的鲁棒性,安全性和不可见性.基于数字水印的电子印章将数字签名技术与数字水印技Ate”机地结合在一起.其中数字签名技术主要是对电子文档进行验证;而数字水印技术则侧重于解决电子印章打印出来之后印章的防伪问题,其基本原理是,在印章图片中嵌入不可见的水印信息,通过电子印章软件将含有水印信息的印章加盖到文件中.带水印的电子印章的生成和检测如图3和图4所示.计算机时代2007年第10期?45?图3数字水印生成过程图4数字水印检测过程当盖有电子印章的电子文件发送到收文方时,接收方通过电子印章中所含的数字签名,以验证电子文档的完整性和真实性.验证通过后,文件可以被打印在纸质材料上.通过手持式水印检测仪对纸质文件中水印的检测,可以实现对文件的真实性,有效性的鉴别,以达到防伪的目的.如果没有手持式水印检测仪此类专用设备,也可以将打印出来的印章扫描进电脑,通过水印提取软件提取水印信息来鉴别印章的真实性.2-2电子签章应用基于数字水印技术的电子印章可实现文档签章,手写签名,签章验证,身份认证,撤销签章,证书查看,移动签章的功能.电子印章在应用时,具有以下技术特点:利用PKI技术,保证了电子印章中的数据的完整性和真实性(抗否认性);通过采用数字证书和电子印章或手写签名信息的绑定,确保签章信息来源可靠;系统为每一个电子印章生成惟一序列编号,并与证书绑定,即使是同一个签章图片在不同的时刻生成的电子印章,其序列编号也不一样,从而防止印章位图的非法制作拷贝;采用标准的散列算法(HASH)产生文件内容数字摘要,确保电子签章和被签文件的紧密绑定;采用标准的RSA,DES算法加密电子签章实体数据,加强了签名信息的安全;通过数字水印技术,实现了签章的不可复制性,即使对整篇文档进行复制,粘贴到新文档中的签章也将显示无效,彻底杜绝利用已有电子签章仿造新的文件.数字水印技术一般包括三个基本方面:水印的生成,水印的嵌入和水印的提取与检测.数字水印技术实际上是通过对水印载体媒质的分析,嵌入信息的预处理,信息嵌入点的选择,嵌入方式的设计,嵌入调制的控制等几个相关技术环节进行合理优化,使得数字水印具有不可感知性,安全可靠性,稳健性等必需特征.密钥,作为水印信息的重要组成部分,是所有运用数字水印技术的设计方案的重要特色所在.在各种相关的技术方案中,可以在信息预处理,嵌入点的选择和调制控制等不同环节中实施密钥的嵌入.2.3数字水印的生成数字水印嵌入的一般过程如图5所示.系统的输入是水印信息w,原始载体数据I和一个可选的私钥/公钥K.其中水印信息可以是任何形式的数据,如随机序列或伪随机序列,字符或栅格,二值图像,灰度图像或彩色图像以及3D图像等等.水印生成算法G应保证水印的惟一性,有效性,不可逆性等属性.水印信息w可由伪随机数发生器生成,采用基于混沌的水印生成方法,数字水印具有很好的保密特性.密钥的使用加强了数字水印的安全性,可避免未授权的恢复和修复水印.密钥的使用往往采用多密钥组合的方法.尽管水印的嵌入算法很多,但大体可以分为空间域算法和变换域算法两种.定义水印嵌入过程的通用公式为:1w=E(I.W.K)(1)其中I表示嵌入水印后的数据(即水印载体数据),I表示原始载体数据,w表示水印集合,K表示密钥集合.这里密钥K是可选项,一般用于水印信号的再生.图5数字水印嵌入的一般过程2.4数字水印检测的一般过程数字水印检测的一般过程如图6所示.图6数字水印检测的一般过程定义水印检测过程的通用公式为:有原始载体数据I时:W=D(I,I,K)(2)有原始水印w时:W=D(I.w.K)(3)没有原始信息时:W-D(I,K)(4)其中,表示估计水印,D为水印检测算法,i表示在传输过程中受到攻击后的水印载体数据.检测水印的手段可以分为两种:一是在有原始信息的情况下,可以做嵌入信号的提取或相关性验证;二是在没有原始信息情况下,必须对嵌入信息做全搜索或分布假设检验等.如果信号为随机信号或伪随机信号,证明检测信号是水印信号的方法一般就是做相似度检验.水印相似度检验的通用公式为:Sim:或Sim:一(5),/ww,v/i,/?其中W表示估计水印,w表示原始水印,Sim表示不同信号的相似度.3电子签章系统的功能和特点一个完整的电子签证系统分为电子签章制作部份,电子签章加密部份和电子签章网络管理等三部份.在制作电子签章过?46?ComputerEraNo.102007程中,可采用目前流行的印章制作软件进行原始印章的制作(即:生成各种印章图像,如BMP文件),并应用MicrosoftPhotoshop等图形处理软件,对生成的各种印章图像进行相关处理,得到直观的,符合相关要求的印章图像.按数字水印生成过程原理,对原始印章图像进行相关的加密处理,从而形成所需要的加密电子签章,并将其嵌入到MicrosoftWord和Excel文档中,也可以嵌入到其它应用系统(如OA办公自动化系统等)的相关文档中.3.1三大功能电子签章系统具有文档电子签章,文档验证和打印控制等三大功能.文档电子签章能够在MicrosoftWord和Excel及永中Office电子文档上的任意地方签署并显示电子单位公章或电子个人手写签名,且可对电子文件进行防篡改处理,并将产生的防篡改信息,证书信息,数字水印和印章图像嵌入到电子文件中,实现对电子文件加盖电子签章标记,使其成为电子信证文件.电子签章上浮透明显示,效果如同纸质盖章或签名.能支持多个单位或个人会签,签章前电子签章可以移动,一旦签章后则电子签章不能移动.印章或手写签名通过制证系统灌入到Ekey(电子钥匙)中,其他任何人都无法进行伪造.数字签名私钥存放于Ekey中,数字签名运算也在Ekey内运行,可保证私钥无法被Ekey以外的系统读取,从而保证了数字签名的安全性.对文档进行签署时要求签署人提供自己的Ekey.文档签署后对文档进行重新签署时,必须提供原始签署者的Ekey,否则不允许对文档进行重新签署.文档验证能对所签文档内容进行完整性认证,确定其是否被篡改并显示证书和签章信息.授权阅读文件的人可以对文档的完整陛进行验证,而不管它是否持有Ekey.如果签署后的文档发生了变更,验证时会提示文档验证不通过(即文档验证失败).签署的结果和签署者的证书及签章信息在签署后保存在MicrosoftWord和Excel及永中Office的电子文档中.打印控制为了适用各种应用的要求,确保电子签章的打印可控,在未安装相关应用软件的机器上,电子签章将不能显示与打印.如安装时未选打印控件,则电子签章能显示但不能打印;打印份数设置的控制权采用令牌传送方式,只有持有签章Ekey的人才能够设置打印份数,且由先签署者优先决定是否获得令牌或将控制权交给下一个签署者.一旦某一个签署者设置了打印份数(获取令牌),其他人将无权再设置打印份数;只有在所有电子签章的文档验证通过情况下才能按打印份数打印含电子签章的文档.3.2五大特点基于数字水印的电子印章系统,就是在电子印章中嵌入了不可见的水印信息,当含有水印信息的电子印章打印出来之后,利用便携的激光检测仪就可以检测出嵌入的水印信息,也可以通过扫描仪将印章图片扫描进电脑,利用水印提取软件提取水印信息,从而达到印章防伪的目的.基于数字水印的印章打印防伪技术是目前最可靠的防伪技术,且使用成本低,同时具有以下五大特点.严密性所有电子签章软件在签章时都通过验证服务器软件来验证电子签章的有效性,避免证书被废止的电子签章或者处于无效状态的电子签章也可以加盖印章的非安全盖章行为.实用性实现多个签章部分重叠时的透明显示.可以在已有电子签名上面加盖电子印章,如同传统方式一样将印章加盖在领导签名上.在加盖第一个印章后,文档自动处于锁定状态,并且在文档处于锁定状态下可以进行会签,实现在同一个文件上加盖多个印章.防复制性印章无法通过MicrosoftWord和Excel及永中Office的复制功能进行复制,以防止利用已有电子签章仿造新的文件,即使是在同一文档中也不可以利用复制功能加盖印章.防伪造性为使签章不可仿造,签章图像与数字证书(即CA证书)绑定在一起,具有惟一性,即使是同一个签章图像在不同的时刻生成的电子签章也不一样.直观性嵌入到MicrosoftWord和Excel及永中Office文档中的签章或手写签名可以达到同纸质盖章或纸质手写签名相同的效果.4数字水印技术应用展望数字水印技术作为一种新兴的应用技术,一个尚未完善的科学领域,在对研究者提出严峻挑战的同时,也带来了难得的机遇.因为在一种理论及技术趋于成熟的阶段,正是各种观点百家争鸣的时候,面对这样一个开放的研究体系,真正的突破者往往属于勇往直前的先行者.未来的数字水印技术将向如下几个方面发展:(1)第二代的数字水印技术是基于内容特征的数字水印算法,以及基于内容的图像检索的新技术.同时,将对数字水印攻击方法展开研究,分析算法的抗攻击性和稳健性等性能.这有利于促进研制更好的数字水印算法.(2)采用非对称(公钥)数字水印系统,该系统的检测端可以通过一公开密钥来检测水印信号,以方便密钥的管理和分发.(3)嵌入的水印信号将使用具有实用价值的信息,例如一幅图片,所有者签名,文字信息等;且水印检测时能实现水印的盲检测,即不利用原始图像就能检测出嵌入的水印信息,这对于水印的实用化有重要意义.(4)针对实际应用提出适合的算法和应用系统框架,一个理想的数字产品保护方案应该同时实现版权保护与内容认证,甚至注释功能.参考文献:【1】lngemarJ.Cox,MatthewL.Miller,andJeffreyA.Bloom着,王颖,黄志蓓等肆.数字水印【M】.电子工业出版社,2003.【2】王慧幕,李人厚.一种基于DWT曲彩色囤像数字水印算法【J】.小型微型计算机系统,2003.24(2):299302【3】刘挺,尤韦彦一种基于离散小波变换和HVS曲彩色图像数字水印技术【J】.计算机工程,2003.19(4):115117【4】刘九芬,黄达人,胡军全.数字水印中曲正交小波基.电子与信息,2003.25:453-459【5】张春田,苏育挺,管晓康.多媒体数字水印技术.通信,2000.21(9】.【61”数字水印应用于印刷访伪.”计算机世界报,44:B6,B7潮