譚瑛

基于字符偏移的文本數(shù)字水印算法研究

譚瑛

利用字符偏移嵌入水印的方法，是文本文件中進(jìn)行信息隱藏常用的方法，以一篇普通 WORD 文檔為例，利用字符偏移實(shí)現(xiàn)嵌入水印，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對這種方法的優(yōu)劣進(jìn)行分析及總結(jié)，并指出未來文本數(shù)字水印的研究方向。

信息安全；信息隱藏；文本數(shù)字水??；字符偏移

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們的生活也發(fā)生了巨大的變化，它給人與人之間的交流及溝通、人們信息的獲取提供了極大的變利，但是同時(shí)信息安全問題也日益突顯。人們在獲得變利的同時(shí)也逐漸重視網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息的保密性、安全性。信息隱藏是信息安全中的一個(gè)重要部分。1992 年國際上提出了信息隱藏技術(shù)，即將某一機(jī)密信息隱藏于另一普通信息中，由于傳輸?shù)氖强此破胀ǖ奈募蚨苋菀酌杀喂粽?，不但隱藏了信息，而且隱藏了信息的存在，我們通常將這個(gè)普通文件稱為載體文件。而數(shù)字水印技術(shù)就是信息隱藏的一個(gè)重要分支，它是利用媒體數(shù)據(jù)的冗余，將某些有價(jià)值的信息隱藏于這些普通的媒體數(shù)據(jù)中，這些媒體可以是文本、音頻、視頻、圖像等，隱藏的信息和媒體文件一起被傳輸，同時(shí)，利用特定的水印檢測技術(shù)可以將這些隱藏的信息提取出來。目前數(shù)字水印技術(shù)主要是對圖像水印、音頻水印、視頻水印的研究，由于文本文件的冗余度低，因此，對這方面的研究較少，而文本文件又是現(xiàn)實(shí)生活中使用最廣泛的信息交流媒體，對文本數(shù)字水印的研究是十分有價(jià)值的，本文以現(xiàn)實(shí)中廣泛使用的文本文件作為載體媒介進(jìn)行研究。

1 文本數(shù)字水印技術(shù)

在文本文件中加入水印的方法主要有基于文本文件格式的方法，如利用行偏移、字偏移、字體、字體顏色、字號(hào)的改變等；有基于文本內(nèi)容的方法，如同義詞替換、語法結(jié)構(gòu)變換等；有基于不可見編碼的方法，如替換法、追加法等。文本數(shù)字水印嵌入及提取的基本模型如圖1所示：

圖1 水印嵌入及提取模型

無論是用哪種方法，加入水印的關(guān)鍵是既要做到水印的安全隱蔽，又要做到即使發(fā)現(xiàn)了有嵌入的水印，也不能輕易、完整地提取出來。評(píng)估水印技術(shù)的指標(biāo)主要有：（1）魯棒性：指嵌入了機(jī)密信息的載體文件即使受到了干擾仍能保持一定的完整性的能力。（2）隱蔽性：即不可見性，指雖然嵌入了機(jī)密信息，但人眼幾乎無法識(shí)別，以達(dá)到蒙蔽人眼的目的。（3）水印容量：指嵌入的水印量的多少。

2 基于字偏移的文本水印算法及實(shí)現(xiàn)

文本文檔包括純文本文件（*.txt）、WEB 頁（*.htm 和*.html）、WORD 文檔（*.doc）等，其中 WORD 文檔是目前使用最廣泛、最流行的文本文件，因此，本文以 WORD文檔為例進(jìn)行研究。

這是一篇普通文檔，將其作該載體文件，該文件共有234 個(gè)字符，字間距為標(biāo)準(zhǔn)如圖2 所示：

圖2 原始載體文件

2.1 算法思想

根據(jù)研究，人眼無法辨認(rèn) 1/150 英寸以內(nèi)的水平間距變化，因此可以利用微小改變字間距來實(shí)現(xiàn)信息的嵌入。1英寸為 72 磅，0.1 磅小于 1/150 英寸，因此實(shí)驗(yàn)設(shè)置字間距為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隱藏信息“0”，字間距為加寬 0.1 磅時(shí)隱藏信息“1”。

本例利用 VBA 創(chuàng)建兩個(gè)宏，insy 和 outsy 分別實(shí)現(xiàn)嵌入水印和提取水印，隱藏的信息通過輸入對話框輸入。2.2 嵌入水印

通過輸入對話框輸入嵌入信息“hide”，它們對應(yīng)的ASCII碼分別為 104、105、100 和 101，將它們分別轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，并將這些二進(jìn)制代碼依據(jù)隱藏規(guī)則，即隱藏信息為“0”時(shí)字偏移不變，隱藏信息為“1”時(shí)，字偏移加寬 0.1磅，從而實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。

程序代碼：

Dim s

Public Function dtb(ByVal dec As Long) As String ' 定義函數(shù)，實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制

dtb = ""

Do While dec > 0

dtb = dec Mod 2 & dtb

dec = dec 2

Loop

End Function

Sub insy() ' 實(shí)現(xiàn)信息的隱藏

Selection.HomeKey unit:=wdStory

x = InputBox("輸入嵌入信息", "請輸入嵌入信息")

l = Len(x) ' 輸入字符串的長度

ReDim a(l)

For i = 1 To l ' 輸入的字符串依次轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制

a(i) = dtb(Asc(Mid(x, i, 1)))

st = st + a(i)

Next i

s = Len(st)

For i = 1 To s ' 如果要嵌入的信息為"1"，則字間距改為加寬 0.1 磅

b = Mid(st, i, 1)

If b = "1" Then

Selection.MoveRight unit:=wdCharacter, Count:=1, Extend:=wdExtend

With Selection.Font

.Spacing = 0.1

End With

End If

Selection.MoveRight

Next i

End Sub

2.3 提取水印

先掃描文件，提取出隱藏的二進(jìn)制代碼，并將其轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，再將這些十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的字符，最后通過輸出對話框顯示出來，實(shí)現(xiàn)水印的提取。

程序代碼：

Public Function btd(ByVal bin As String) As Long ' 定義函數(shù)，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制

Dim i As Long

For i = 1 To Len(bin)

btd = btd * 2 + Val(Mid(bin, i, 1))

Next i

End Function

Sub outsy() ' 實(shí)現(xiàn)信息的提取

Selection.HomeKey

For j = 1 To s ' 如果字間距為加寬 0.1 磅，則提取出的信息為"1"，否則為"0"

Selection.MoveRight unit:=wdCharacter, Count:=1, Extend:=wdExtend

With Selection.Font

If .Spacing = 0.1 Then

x1 = "1"

Else

x1 = "0"

End If

End With

x = x + x1

Selection.MoveRight

Next j

y = Len(x) / 7

ReDim b(y)

For i = 1 To y

b(i) = Chr(btd(Mid(x, 7 * i - 6, 7)))

c = c + b(i)

Next i

MsgBox "提取的信息是：" + c, vbOKOnly, "提取信息"

End Sub

2.4 程序運(yùn)行結(jié)果

如圖3所示：

2.5 程序結(jié)果分析

從圖3可以看出，嵌入水印的文件與圖2的原始載體文件十分接近，文中用下劃線標(biāo)出的是字間距加寬 0.1 磅，如果不標(biāo)出這些位置，肉眼是幾乎看不出的，相似度極高，因此，具有很好的隱蔽性。載體文件共有 234 個(gè)字符，利用字偏移可以嵌入 233 位二進(jìn)制，而“hide”字符串轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制共有 28 位，由此可以成功實(shí)現(xiàn)“hide”信息的隱藏，并且程序運(yùn)行結(jié)果提取的信息即為“hide”，準(zhǔn)確性 100%。但是該載體文件共可嵌入 233 位二進(jìn)制，即可以嵌入的英文數(shù)為 33 個(gè)，如果需要嵌入的信息量大于 33 個(gè)英文，那么多余的英文將無法正確提取出來，因此水印容量有限。此外，由于人們的排版習(xí)慣，對于視覺上看似均勻的字間距，很少會(huì)去進(jìn)行修改，并且由于WORD文檔本身具有繼承性，如果逐個(gè)替換其中的字符，新字符將繼承原字符的格式不變，因此，從這點(diǎn)來看具有較好的魯棒性，但是這只是習(xí)慣上的操作，不代表人們不會(huì)去這樣做，如果一旦對字間距進(jìn)行了修改，嵌入在文本信息中的文本水印便被破壞，從這點(diǎn)來看其魯棒性并不強(qiáng)。

3 總結(jié)

本文是利用字偏移編碼實(shí)現(xiàn)將數(shù)字水印嵌入到文本文件中，從上例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以看出，利用這種方法存在的問題：1.水印容量受文件字符的限制；2.水印的魯棒性不好。當(dāng)然不僅僅是這種方法，利用文本文件格式的其他方法，如利用行偏移、字體、字體顏色、字號(hào)的改變等來實(shí)現(xiàn)嵌入水印，也不可避免這些問題的存在。因此，在文件大小有限的情況下既要增加水印容量，又要提高文本數(shù)字水印系統(tǒng)抗攻擊的能力，提高攻擊者的攻擊成本，這將是未來研究的主要方向。

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Research on the Text Digital Watermarking Algorithm Based on Character Offset

Tan Ying
(Department of Information, Yunnan University of Finance and Economics, Kunming 650221,China)

By using character offset embedded watermarking is the most commonly used method of information hiding in the text documents. In a WORD document as an example, embed watermark using character offset, analyze and summarize the results of this method, and points out the future research direction of text watermarking.

Information Security; Information Hiding; Text Digital Watermarking; Character Offset

TP311

A

1007-757X(2014)02-0020-03

2013.12.26)

云南財(cái)經(jīng)大學(xué)科研基金青年項(xiàng)目（YC2013B31）

譚 瑛（1978-），女，江西九江，云南財(cái)經(jīng)大學(xué)，講師，碩士，研究方向：信息安全、計(jì)算機(jī)應(yīng)用，昆明，650221