陈 青，邢晓溪

0 引言

随着电力系统信息化和计算机网络技术的快速发展［1］，越来越多的电力企业采用了自动化办公的方式。该方式为电子文档在电力系统中传输带来方便的同时，也引发了严重的安全问题。一旦电子文档被非法盗取或恶意篡改，不但会造成机密外泄，而且会降低传阅双方的信任度。

数字水印技术作为解决多媒体信息安全的有效方式可以被应用于电力系统中。文献［2］提出文本水印技术可以隐藏电力信息，提高重要信息传输的安全性，但是并没有把理论与实际相结合，将提出具体的算法运用到此方面。数字图像水印技术可以被利用到电力图像的安全保护中，防止其被盗用和恶意修改［3］;但是嵌入水印信息后，会在一定程度上导致图像产生降质。图像［4～6］和视频水印技术［7］均可以将电量信息隐藏，提高其在传输过程中的安全性，但并不适用于文本文档的传输保护。文本文档作为应用最广泛的多媒体产品之一，目前还没有针对文本数字水印技术在电力系统中的应用研究。

本文首次提出一种适用于电力系统重要信息隐藏且透明性高、容量大的基于改变字符下划线颜色嵌入水印信息的算法。本文分析了文本水印技术在电力系统中的应用领域。将提出的算法应用于电力设备重要信息隐蔽通信，提高信息传输的安全性。对提出的算法进行了仿真和攻击实验。实验结果表明，该算法透明性高，具有一定的鲁棒性，有助于提高电力系统运行过程中文档隐蔽通信的安全性。

1 文本水印技术及其在电力系统中的应用

数字水印技术可以通过嵌入水印信息达到隐蔽通信、版权保护等目的，从而解决多媒体作品在网络传播中遭受的安全问题。文本数字水印算法［8～10］通常结合HVS (人类视觉系统)，通过轻微改动文本文档的行间距、字符间距或字符特征等，从而嵌入水印信息，使人无法察觉到文档的改变。文本水印算法也可以基于自然语言嵌入水印信息，主要通过利用同义词替换、增删不必要的字符或改变句法从而嵌入水印信息。

电力系统中，电厂、调度中心、变电站等平台时刻都在进行重要信息的交流，保护这些重要信息十分重要。数字水印技术可以作为解决信息安全问题的有效手段应用于电力系统信息保护中。

(1)隐蔽通信。电力系统中的一些重要文档资料在传输的过程中需要被保护，如电力设备的重要信息、电量的交易信息等。为了避免被对手获取这些重要的信息，可以通过文本水印技术将这些重要信息嵌入到数字产品中，并且结合密码学，使用密钥对文本加密;待文档被合法的用户获得后，可以通过密钥和正确的水印提取算法得到这些重要信息。

(2)内容认证。判断电力系统中传输的数据是否遭受过篡改，对分析数据的可信度起到决定性作用。为了防止数据被修改，可以嵌入易损水印，帮助版权所有人和合法使用者更好地发现改动痕迹，提高得到的数据的可信度，更好地建立彼此的信任度。

(3)版权保护。电力系统各单位的重要文件、内部网站公开的电子文档资料以及需要与外部单位传输交流的文件都是非常重要的，不能被非法盗用或恶意篡改。为了防止文件被误用或者恶意盗用，对文件进行版权保护是非常重要的，通常选择鲁棒性强的水印算法，抵抗文档可能遭受的各种攻击。

2 基于字符下划线颜色的文本水印算法

本文利用文本水印技术将电力设备重要信息隐藏，为提高其传输的安全性，提出一种基于改变文字下划线颜色嵌入水印信息的算法。该算法具备透明性高、容量大的特点。通常，Word 文本文档中，字体的下划线被设为“无”;所以，可以利用改变字符下划线RGB 分量［11］的值嵌入水印信息。根据HVS，RGB 分量的值在一定范围内变化时，肉眼无法分辨其变化。因此，可以在文档中加入白色的隐性下划线，其RGB 值为(255，255，255)，由于人眼对红色最敏感，绿色次之，蓝色最弱;所以，改变R 分量的最低位，改变G 分量的低三位，B 分量的低四位完成水印信息的嵌入。

2.1 水印的嵌入规则

2.1.1 水印信息的预处理过程

为了提高水印信息的安全性，在嵌入之前对其进行预处理，即加密与纠错编码。为了使水印信息嵌入的位置随机化，使用线性同余法。线性同余伪随机序列［12］是常用的服从均匀分布的伪随机序列。其迭代公式为:

式中:m 是最接近文档字符数的素数;a 为m 一个原根，c∈［0，m］。

步骤1:将水印信息转化成二进制序列

式中:W 为水印信息;wi∈{0，1}，1≤i≤n。

步骤2:将密钥K 转化成二进制序列

式中:K 为密钥;ki∈{0，1}，1 ＜i ＜m。

步骤3:对水印序列与密钥进行循环取模，加密后的二进制序列为

式中:l=max {m，n};

步骤4:根据(7，4)汉明编码，添加监督码，生成新的二进制序列

式中:t=7l/4;hi∈{0，1}，1≤i≤t。

2.1.2 水印的嵌入

步骤1:文件初始化，将下划线均设置为“无”。

步骤2:遍历文档，统计文档字符数，判断预嵌入空间是否足够。

步骤3:根据嵌入次数顺序选取每个字符，分别嵌入预处理后的水印序列，每次嵌入结束后，嵌入间隔标识s，修改当前字符下划线颜色RGB值为(255，252，255)，下一个字符下划线颜色RGB 值为(255，255，252)。

当H 值为“0”时，修改当前字符下划线颜色RGB 值为(255，255，254)，下一个字符的下划线颜色RGB 值为(255，254，255)。

当H 值为“1”时，修改当前字符下划线颜色RGB 值为(255，255，253)，下一个字符的下划线RGB 值为(255，253，255)。

步骤4:若空间足够嵌入一个完成的水印信息，则继续执行步骤2 到步骤4;否则，嵌入完成，保存文档。

2.2 水印的提取

水印信息的提取过程为嵌入过程的逆操作。

步骤1:输入密钥，转化成二进制序列。

步骤2:遍历文档，找出字符下划线颜色变化的位置，根据嵌入规则，提取“0”，“1”。

步骤3:根据纠错码，进行纠错，得到二进制序列M。

步骤4:将M 与密钥循环取模，得到解密后的二进制序列，将其转换为水印信息，完成提取，获得嵌入的水印信息。

2.3 算法性能分析

算法的透明性分析:算法充分考虑了人类视觉系统，在肉眼不可分辨的阈值内改变字符下划线颜色RGB 值完成水印信息的嵌入，且不改变文档内容。

算法的容量分析:由于该算法是基于改变字符下划线RGB 值的，一个字符可以完成一个字节的水印信息的嵌入，容量很大。但是，考虑到算法加入了纠错机制，本文采用 (7，4)汉明编码，每7 个码字包含4 个信息位，可以纠正1 比特的错误，平均下来，两个字符也可以嵌入一个字节的水印信息，足以嵌入隐藏信息。

算法的安全性分析:使用加密算法对水印信息进行加密处理，密钥空间足够抵抗穷举攻击，可以提高其安全性。

2.4 实验结果与分析

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本实验选取3 篇Word 文档为测试文档，每篇文档均为3 页，其文字分别为中文、英文、中英混合，嵌入的水印信息均为电力设备信息“发电机编号AA”。图1，2 分别为包含中英文混合的原始及加水印文档。表1 为鲁棒性实验结果。

图1 原始文本

图2 嵌入水印信息后的文档

(1)透明性检测。由图1 与图2 对比可见，人眼无法感知嵌入水印前后文档间的差异。实验结果表明，基于改变字符下划线颜色嵌入水印信息的算法具有良好的透明性。嵌入水印信息后的文档与原文档从视觉上看不出任何差异。

(2)鲁棒性检测。实验采用对嵌入水印信息后的文档进行不同程度的删除、移动内容顺序、修改字符属性等攻击操作，通过检测被攻击后的文档是否可以正确检测并提取水印信息判断算法的鲁棒性。

由表1 所示的鲁棒性检测实验结果可知，本文提出的算法对含有不同文字内容的文档，鲁棒性没有差异。针对删除，移动内容顺序的攻击，鲁棒性较弱，不能抵抗随机篡改内容。此算法是基于改变字符下划线颜色嵌入水印信息的，当它受到修改下划线颜色的攻击时，无法正确提取水印信息。本算法针对其他修改字符属性的操作，鲁棒性强，可以完成水印信息的正确检测与提取。

3 结论

本文分析了数字水印技术在电力系统运行方面的应用情况，提出将一种利用改变字符下划线颜色RGB 值嵌入水印信息的算法并运用到电力系统隐蔽通信中。该算法具备透明性高、容量大的特点，可以有效保护嵌入的水印信息;但是，该算法存在鲁棒性较弱的缺点，需要改进并加以完善。随着算法的改进，数字水印技术将会在电力系统运行过程中得到更好应用。

［1］李文武，王先培，孟波，等．电力行业信息安全体系结构初探［J］．中国电力，2002，35 (5):76-79．

［2］王先培，游文霞，王泉德，等．数字水印技术在电力系统文档可信传输中的应用［J］．电力系统自动化，2002，26 (18):61-64．

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［4］吴军基，盛琪，贺济峰，等．小波数字水印在电力系统信息安全中的应用［J］．电力自动化设备，2004，24(12):40-42．

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［6］张兴然，赵成勇，魏清．基于小波变换的二维图像识别与信号压缩［J］．电力科学与工程，2005，(2):34-37．

［7］尹成群，李丽，吕安强，等．视频水印技术在电力系统中的应用［J］．继电器，2007，35 (20):40-42，63．

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［9］蔡菲菲，刘洋，尹香兰．一种基于word 文档的文本水印技术研究［J］．计算机科学，2012，39 (11A):39-41，50．

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［12］Portnoy L，Eskin E，Stolfo S．Intrusion detection with unlabeled data using clustering ［C］．New York:In Proceedings of ACM CSS Workshop on Data Mining Applied to Security (DMSA－2001)2001:123-130．