石红芹， 王 艳， 余 鹰

(华东交通大学 软件学院，南昌 330013)

基于可逆可见水印的文献电子文档版权系统

石红芹， 王 艳， 余 鹰

(华东交通大学 软件学院，南昌 330013)

设计了一种鲁棒性和实时性兼具的可逆可见水印算法，以保护大量馆藏珍贵图书电子文档的版权。首先，将电子文档的扫描图像作为载体图像，二值图片作为水印图像。在载体图像上选择嵌入区域，将该区域进行颜色空间转换得Y分量，对Y分量进行2级非下采样Contourlet变换，对得到的高频子带和低频子带分别按照不同的嵌入强度进行水印嵌入，经过一系列逆变换得到含水印图像。其次，使用Rijndael算法完成电子文档的加解密。最终，系统能为授权用户清除水印并提供加密的高清版本下载，用户在注册终端可自动解密文档。有助于网络环境下电子文献资源的版权保护，促进馆藏数字信息资源的共享，很好地解决了电子文档的流通与版权保护之间的矛盾。

可逆可见水印； 电子文档； Rijndael算法； 实时性

0 引 言

图书馆、档案馆、博物馆中存在着大量书籍的珍本、善本、孤本，将其整理扫描成电子文档供读者浏览、下载，一方面可以减少这些书籍在流通中人为的破坏;另一方面也有利于文档的长期保存。随着科技的发展，对电子文档的非法复制、拷贝、传播行为也越来越普及。鉴于图书文献的流通特性[1-2]，在有效区域内加入可见水印，可以防止电子文档的非授权使用及传播;采用可逆可见水印技术[3-4]，可以确保授权用户在移除水印后能无损恢复电子文档。朱光等设计了一种针对图像、音频、视频的数字水印版权管理系统[5]，通过嵌入水印来加强对多媒体文件的版权保护和盗版追踪。文献[6]中通过将QR码嵌入到载体图像中，当成功扫描QR码后可解码其内信息用来恢复出原始图像。Agarwal等通过寻找最佳嵌入子图和最佳嵌入强度来实现可见水印的嵌入[7]。文献[8]中开发了一种在一副载体图像中嵌入多张不同水印图片的系统。本文根据图书馆、博物馆、档案馆电子文档的流通特性，开发了一种既适用于版权保护又能让授权用户浏览、下载使用的可逆可见水印系统，很好地促进了电子文档的版权保护和可靠流通。

1 系统功能需求

本系统以高校图书馆珍贵书籍电子文档的版权保护为例，系统包括用户模块、管理员模块和后台服务器模块，图1为系统的功能结构图，展示了本系统的主要功能。

图1 系统功能结构图

(1)后台服务器模块。后台服务器可以实现对电子文档添加可见水印，对用户付费的文档加密的功能。图2为服务器工作流程图。

(2)用户模块。用户可以对馆内数字资源进行浏览、查看各类资源简介，注册用户可以试读，对电子书籍等资源可以清晰地阅读前2页，2页之后的页面添加了可见水印，内容无法全面清晰地呈现在读者面前。用户可以申请购买使用该电子文档，考虑到现在个人常常拥有多个终端，在不同时间、地点可能会使用不同终端欣赏数字产品，用户在申请购买时可提供最多3个注册终端(i=1,2,3))，一旦用户的设备损坏或者丢失可以申请更改dev_idi信息，考虑到版权保护的需求，每个用户的更改次数最多不允许超过2次，用户收到加密文档后可以用注册设备id解密数据，图3为用户模块功能流程图。

图2 服务器工作流程图

图3 用户模块功能流程图

(3)管理员模块。管理员要对馆内数字资源进行分类整理，审核用户注册信息，对会员及临时付费用户信息管理，对用户提交的dev_id信息进行存储，一旦用户申请下载，要核对所提交的dev_idi是否为事先存储的信息，不一致则拒绝下载，如果用户申请更改备注dev_idi，核对信息无误后可修改数据库中存储的用户dev_idi信息，将被更改终端id写入黑名单，不允许再用此id下载资源。

2 相关研究

2.1 NSCT变换

NSCT变换(Nonsubsampled Contourlet Transform)即非下采样Contourlet变换[9-10]。NSCT变换的过程是:首先通过非抽样金字塔滤波器NSP分解，将输入图像分解为低频子带和高频子带，然后用非抽样方向滤波器组NSDFB将高频子带分解为多方向子带，对每一层低频子带重复上述操作，就可得到图像的多尺度、多方向分解。NSCT图像分解得到的所有子带的尺寸与原始图像尺寸相同。图4给出了NSCT变换的分解结构示意图。在NSCT分解的各子带中，低频子带主要集中了宿主图像的大部分能量，而高频子带包含了原始图像的纹理和边缘信息，文中选择将水印图像按照不同的调制系数分别嵌入到高频和低频子带中。

图4 NSCT变换

2.2 水印图像的嵌入

对珍贵图书资料的电子扫描文件可理解为以电子图书的格式保存，图书的每一页为一张电子图像，可作为嵌入水印的载体图像，记为O；二值水印图像为W。水印的嵌入位置为载体主对角线上随机选择的坐标点。

数据输入：电子扫描文档O，大小为p×p的水印图像W。

数据输出：含水印图像Ow。

2.2.1 彩色图像的水印嵌入

步骤1：将电子扫描文件每张作为一副彩色图像记为载体O，大小为m×n。

步骤2：随机在载体的主对角线上选择嵌入点坐标(x,y)，且满足(x+p≤m)&(y+p≤n)，从点(x,y)开始获取p×p的载体子图像作为水印嵌入区域记为I。

步骤3：将I由RGB空间转换为YUV空间:

YUV= 0.299 0.587 0.114-0.148-0.289 0.437 0.615-0.515-0.100éëêêêêùûúúúúRGBéëêêêêùûúúúú

(1)

分别对载体子图I的Y分量YI和水印图像W作二层NSCT变换各获得低频子带、二层4方向子带和一层8方向子带。

步骤4：将水印图像的低频、高频子带按下式一一对应嵌入到YI的相应子带中,

YIW=αYI+βW

(2)

式中:YIW为载体子图I的嵌入水印后的Y分量频域子带;α、β为水印嵌入的调制系数。考虑到载体图像NSCT分解的主要能量都集中在低频子带中，为了减少对载体的干扰，实验验证α的取值在(0.9，0.98)、β的取值在(0，0.1)范围内时，效果较好；而高频子带(二层4方向子带和一层8方向子带)中包含了原始图像的纹理和边缘信息，高频子带的调制系数由载体子图像I的Y分量和水印图像W相应的高频系数的噪声可见函数确定[11]:

(3)

式中:nvf1指载体图像的噪声可见性函数的取值;nvf2是水印图像的噪声可见性函数的取值。

步骤5：将得到的各叠加子带进行逆NSCT变换，得到含水印子图亮度分量Y′，用Y′替换Y进行颜色空间转换，将含水印载体子图I′由YUV空间转换到RGB空间后替换原始载体子图I，得到含水印图像Ow，重复步骤1～5，依次为电子文档的每页添加可见水印。

2.2.2 灰度图像的水印嵌入

步骤1：若载体图像为灰度图像，则嵌入子图I也为灰度图像。分别对嵌入子图I和水印图像W作二层NSCT变换各获得低频子带、二层4方向子带和一层8方向子带。

步骤2：将水印图像的低频、高频子带按式(2)一一对应嵌入到I的相应子带中。水印嵌入的调制系数α、β取值与2.2.1节中彩色图像低频、高频子带的调制系数取值一致。

步骤3：将得到的各叠加子带进行逆NSCT变换得到含水印子图I′，用I′替换载体图像O中的I子图，得到含水印图像Ow。

重复步骤1～3，依次为电子文档的每页添加可见水印。

水印去除为水印嵌入的逆过程，这里不再赘述。

2.3 Rijndael加密算法

本系统中，一旦会员或者付费用户要求下载电子文档时，后台服务器需从数据库中调用电子文档传输给用户。而明文传输的文件中途很可能被拦截，后台服务器负责把文件加密后传输给用户，用户解密后才能使用该文件，本系统中文件采用Rijndael算法进行加解密[12-13]。

Rijndael算法主要包括轮变化、圈数和密钥扩展3个方面[14]。Rijndael算法是分组密钥，用Nr表示对1个数据分组加密的轮数，算法的轮数依赖于密钥的大小和分组的大小，由下式计算轮数Nr的值:

Nr=(密钥长度(位))/32+6=Nk+6

(4)

式中，Nk表示密钥所含的数据字数，若密钥长度为256位，则轮数Nr=256/32+6=14次。

设电子文档的一页可以作为一副图像，可用矩阵表示为(aij)m×n，图像的大小为m×n个像素，aij表示图像在第i行第j列的像素值。

本系统的密钥包括：256位数据加密密钥cipher key，轮密钥round key，用来对用户申请下载的电子文档进行加解密。电子文档的加密代码如下：

Encryption(State,CipherKey)

{ KeyExpansion(CipherKey, RoundKey)

AddRoundKey(State, RoundKey)//第0轮只做

AddRoundKey

For(i=1;i

Round(State, RoundKey)

{ByteSub(State);

ShiftRow(State);

MixColumn(State);

AddRoundKey(State, RoundKey)}

FinalRound(State, RoundKey)//最后一轮不做 mixcolumn

{ ByteSub(State);

ShiftRow(State);

AddRoundKey(State, RoundKey)；}

}

解密是加密的逆过程，本文设计了专门的客户端软件来对加密的文件进行解密。客户端软件采用双缓冲机制，文件加解密以图片为单位，一般5张图片为一组，一个空闲缓冲区可存放一组图片，另一个固定大小的缓冲区抽取解密后的图片文件进行阅读。当需要使用下一组图片时，用后一组的内容覆盖前一组的内容。由于缓冲区采用了安全存储机制，用户无法得到缓冲区中解密后的图片内容，从而保护了数字文档的版权。

2.4 权利证书

服务器为用户生成基于XML的权利证书，证书直接与会员或者付费用户的注册设备唯一识别码dev_id绑定，证书发放时产生一条发放记录存储于服务器端数据库中；用户有下载需求时，先选择一个已注册设备用于承载该权利证书和加密文档，该权利证书在生成过程中将与选中的设备唯一绑定。用户在客户端欲使用电子文档时，只有被选中设备的dev_id与权利证书一致时，才能成功解密。

3 系统实现

实验测试中用512×512的数字图像作为测试用图，256×256的二值图像作为水印图像。图5所示为系统后台处理子系统界面截图。图6、图7分别为系统中示例所用水印图像和载体图像。

3.1 水印可逆性

为了客观地验证本算法的性能，引入峰值信噪比PSNR，用来客观反映图像视觉特性的指标，嵌入水印的图像可以用PSNR验证水印的不可见性，PSNR的值越大说明算法的鲁棒性越好[15]。

图5 后台处理系统

图6 水印图像

图7 载体图像(PSNR=49.662 0)

3.2 水印鲁棒性

取6幅不同的电子文档，图片1～6根据本文算法嵌入水印，在没有正确密钥的情况下，去除水印，嵌入可见水印后的图像与去除水印的恢复图像，其峰值信噪比如表1所示。

表1 无密钥恢复图像质量对比数值

由表1数据可知，在没有正确密钥的情况下，恢复图像的PSNR值与含水印图像数值相差不大，本文算法表现出了较好的鲁棒性。

图8、9分别为含水印载体图像及去除水印后恢复载体图像及其对应的PSNR值。

图8 含水印载体图像(PSNR=20.517 4)

图9 恢复图像(PSNR=48.998 1)

3.3 实时性评估

在网络环境下，版权管理系统需要对电子文档添加水印供前台展示，需对用户提交了下载申请的文件从数据库提取后加密传输给用户终端，对所有这些操作要进行实时处理，系统应具有较短的响应时间。对数字图像嵌入水印所需的时间进行分析，结果如图10所示。评估结果表明，系统具有较高的计算效率，可以达到实时处理的目的。

图10 水印添加实时性评估图

4 结 语

可逆可见水印技术在数字图像版权保护和质量敏感图像隐私保护中发挥着越来越重要的作用，本文提出了一种基于可逆可见水印技术的电子文档保护算法。设计了电子文档版权管理系统，有效地保护了图书馆、档案馆、博物馆电子媒体资源的知识产权，促进了信息资源的合理流通。在系统的实践应用中，基本能够满足用户和版权单位对多媒体资源版权保护的需求，具有良好的可靠性、实时性和稳定性。

[1] 朱 光. 基于零水印的图博档彩色图像资源版权保护策略研究[J].现代图书情报技术, 2015, 31(12):89-94.

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[3] Fu-Hau Hsu, Min-Hao Wu, Cheng-Hsing Yang,etal. Visible watermarking with reversibility of multimedia images for ownership declarations[J]. The Journal of Supercomputing, 2014, 70(1):247-26.

[4] Ales Rocek, Karel Slavícek, Otto Dostál,etal. A new approach to fully-reversible watermarking in medical imaging with breakthrough visibility parameters[J]. Biomedical Signal Processing and Control, 2016, 29:44-52.

[5] 朱 光, 张军亮. 网络环境下多媒体资源版权管理系统的设计与实现[J]．情报科学, 2015, 33(12)：66-71.

[6] Shun Zhang, Tiegang Gao. Copying or distributing in print or electronic forms without written permission of IGI Global is prohibited[J]. International Journal of Digital Crime and Forensics, 2014, 6(3): 47-63.

[7] Himanshu Agarwal, Debashis Sen. Visible watermarking based on importance and just noticeable distortion of image regions[J]. Multimed Tools Application, 2016, 75:7605-7629.

[8] Ruba G, Al-ZamilA, Safa’a N,etal. A Proposed multi images visible watermarking technique[J]. International Journal of Advanced Computer Science and Applications, 2016, 7(4):369-372.

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[13] 罗雅允，陈永刚，张彩珍. Rijndael算法在CBTC安全通信协议中的应用[J]. 铁道标准设计,2015,59(3):114-118.

[14] 刘艳萍, 李秋慧. AES算法的研究与其密钥扩展算法改进[J].现代电子技术, 2016, 39(10):5-9.

[15] 石红芹，吕方亮，刘遵雄. 基于混沌加密的彩色图像盲数字水印算法[J].计算机工程术, 2011, 37(20):105-107.

Copyright Protection System for Electronic Documents of Resource Based on Reversible and Visible Watermarking

SHI Hongqin, WANG Yan， YU Ying

(School of Software, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

A reversible and visible watermarking algorithm which has superior performance on robustness and real-time is designed to protect the copyright of electronic scanning for libraries, museums. Firstly, every original image is one page of electronic picture and binary image is made as watermark. The chosen embedding areas of original image are made color space conversion to getYcomponent, which is applying NSCT with two levels on them to get low and high frequency sub-bands. Each frequency sub-bands of watermark image is embedded into the corresponded low and high sub-bands of selected area of original image with different adjustment coefficients. Then, Rijndael algorithm is used to encrypt and decrypt in document pictures. The system can remove the visible watermark from watermarked document image for only the authorized user, so that user can download the encrypted one and decrypt it on the register terminal. The study is helpful to the protection of electric scanning for libraries, museums.

reversible and visible watermarking; electronic documents; Rijndael algorithm; real-time

2016-12-12

国家自然科学基金项目(61365008，61563016);教育部人文社科基金项目(15YJA860013);江西省科技厅工业支撑项目(20161BBE50092)；江西省自然科学基金项目(20151BAB217011)

石红芹(1970-) ，女，河北沧人，副教授，研究方向：数字水印，信息安全。

Tel.:18970841977； E-mail：87735907@qq.com

TN 911.73

A

1006-7167(2017)08-0014-05