杨永生

(长春工程学院，长春 130012)

0 引言

档案是国家机构、社会组织和个人在社会活动中直接形成的对国家和社会具有保存价值的文字、图表、声像等不同形式的历史记录。随着国家法制建设的不断完善、经济的稳步运行以及科技的不断进步，档案工作在国家的整个发展过程中起着越来越重要的作用，与我们的生活也联系越来越密切，如社会信用体系的建设、民生工程的保障等都需要有现代化的档案管理作为支撑[1]。随着信息技术的不断发展以及办公自动化的应用，档案管理已全面实现了数字化管理模式，这使得档案管理的归档、查询及应用更加便捷、快速和高效。然而秘密档案数字化管理的安全性问题仍然是我们需要进一步深入研究的课题。而数字水印技术的发展为我们提供了一个新思路，我们可以借用数字水印技术的思想将秘密档案的信息通过隐秘的技术嵌入到非秘密档案中，以达到保护秘密档案不被侵犯的目的。

1 数字水印技术

人类视觉系统通常无法设别物体细小的变化，这是人眼对随机噪声或者细小差别的误差冗余，数字水印技术就是利用了人类视觉系统的这种漏洞[2]，将秘密的信息嵌入到载体中，在保证载体的使用价值不被破坏的前提下达到隐秘秘密信息的目的。

1.1 信息隐秘技术

信息隐秘技术与传统的密码学不同，它是利用人类在识别物体上的漏洞以及数字信息的数字冗余，在不影响公开载体的正常使用的前提下，将秘密的信息嵌入到公开载体中[3]，以达到保护秘密信息的目的，同时完成安全传输的目的。

用信息隐秘技术加密的信息即使被盗取者盗取成功，如果没有正确的秘钥，也无法从公开的载体中将秘密信息提取出来，如果将公开载体破坏，秘密信息也将随之遭到破坏，使得盗取者无法得到想获得的秘密信息，从而提高了秘密信息的安全级别。

信息隐秘技术的应用范围很广，如军事、经济、文化等方面，而且有很多分支，隐写术、可视密码技术、数字水印技术、隐匿协议等，都是信息隐秘技术的分支，其中以数字水印技术的研究最多，最受关注，其已成为传输秘密信息以及保护信息完整性的一种新技术。

1.2 数字水印技术的原理

数字水印技术的主要原理就是将秘密的信息嵌入到公开的载体中，从而达到安全传输的目的。具体操作主要包括嵌入算法和提取算法，嵌入算法与提取算法是相互可逆的，提取算法是嵌入算法的逆过程，具体如图1所示。

1.3 数字水印的分类

数字水印一般按照3种方式进行分类：按照可见性可分为可视水印与非可视水印，可视水印一般用在版权保护中，如光盘或者文档表面的可见水印信息，非可见水印除了用于版权保护外，还可进行秘密信息的传输；按照健壮性可分为鲁棒性水印和脆弱水印，所谓鲁棒性就是在载体受到压缩、录制、复印等一系列操作后仍然可以检测出水印的能力，脆弱水印当载体数据发生较大变化时，其所含的水印信息也会发生相应的变化，使得水印信息不能很好地被检测出来；按照数字水印加载的方式不同，可分为空间域水印和变换域水印。

(a)秘密信息嵌入过程

(b)秘密信息提取过程图1 数字水印嵌入过程

1.4 秘密档案管理中数字水印的特点

秘密档案的管理对档案内容的保密程度和档案内容的安全性要求严格，这就要求在应用数字水印进行秘密信息的加载时要使得算法具有鲁棒性、非可见性、安全性以及水印信息容量大等特点。基于此，本文介绍了一种变换域的数字水印加载方法。

2 变换域数字水印算法

基于变换域的数字水印技术是先将载体进行变换，然后将秘密信息嵌入到载体的变换域中，如基于DCT，DWT，DFT 以及 Mellin-Fourier 的数字水印算法。

相对于将载体信号进行空间域的变化，对载体信号进行变换域的处理对于数字水印的嵌入具有更多的优点：第一，对信号进行变换域的处理，可以直接得出低频域与高频域的系数，能够更加直接地选择水印嵌入的空间，提高水印的鲁棒性；第二，信号的压缩和放大都是在变换域的频域上进行的，采用频域的方法可以增强信号的抗打击能力，保证水印的完整无损；第三，变换域本身就具有一些抗攻击的能力，对载体信号的伸缩和平移不敏感，从而可以很好的隐藏水印信息，并且对信号的重构也更加容易。另外，也有利于利用人类 HVS(Human Visual System)和 HAS(Human Audio System)的特性来嵌入水印，正因为变换域的诸多优点，变换域的方法才得以广泛的发展。[4]

基于变换域的数字水印算法中，最经典的便是小波变换方法与傅里叶变换方法，小波变换方法能够很好地解决傅里叶变换不能解决的问题，从而越来越受重视。

2.1 小波分析原理

小波分析是数学分析中的一种方法，主要用于信号处理，在信号的频域做变换，描述信号的频域结构及频域幅度信息等，它通过尺度函数对信号进行伸缩和平移等操作，从而对信号进行多尺度多分辨率的细化分析。

小波分析在对数字图像进行处理时是将原小波通过位移和伸缩的方法，利用低通和高通滤波器，使用它的多分辨率分解能力将图像信息一层一层地剥离开。分解过程：首先对数字图像的每一行数据进行一维离散小波变换，获得原图像在水平方向上的低频分量L和高频分量H，然后对变换后所得到的数据的每一列再进行一维离散小波变化，获得原图像在水平和垂直方向上的低频粉恋LL、水平方向的低频和垂直方向上的高频LH、水平方向上的高频和垂直方向的低频HL以及水平和垂直方向上的高频分量HH。[5]，具体过程如图2所示。

数字图像图2 运用小波分析处理图像信号

研究表明，人眼对高频信息的敏感度低于对低频信息的敏感度，因此我们将秘密信息嵌入到高频区域，这样可以使原始载体加入水印后呈现的结果不易被肉眼可见，也就是说对原始载体的影响小，水印的鲁棒性和透明性都较好。[6]

2.2 小波变换步骤

1)把小波w(t)和原函数f(t)的开始部分进行比较，计算系数C。系数C表示该部分函数与小波的相似程度；

2)把小波向右移k单位，得到小波w(t-k)，重复1)，重复该步骤直至函数f结束；

3)扩展小波w(t)，得到小波w(t/2)，重复步骤1)和2)；

4)不断扩展小波，重复1)～3)。

3 基于变换域的数字水印秘密档案管理算法

我们在前文已经对数字水印以及变换域的载体处理方法进行了介绍，此节介绍一种基于小波分析的图像数字水印秘密档案管理方法。

现阶段的档案管理工作已经进入了数字档案管理阶段，数字档案分为两个部分：一部分是由纸质档案文件扫描得到的扫描文件，一般是图片格式或者是PDF格式；另一部分是电子文档、数字图像文件、数字音视频文件以及光盘格式的文件。不管是哪种格式的文件，我们都可以分别将公开载体进行小波变换，从而得到某些分解后的系数，同时将秘密信息处理成由0和1表示的信号编码，将其与通过小波分析后的系数进行运算，从而将秘密的信息嵌入到公开的载体中，以达到秘密信息不被盗取的目的。

3.1 生成数字水印

假设秘密档案信息为图片格式的信息，选取大小为64×64的秘密档案信息，将其转化为“0，1”格式的二值图像信息，如图3所示，然后将其嵌入到进行小波分解后的公开档案中，形成嵌入秘密档案信息后的公开档案，具体流程图如4所示。

图3 秘密档案信息生成水印的模型

3.2 对公开载体进行小波分解

将公开载体进行小波分解，得到低频和高频的系数。对公开载体的图像信息进行分解就是对图像进行二维离散小波变化。设所选取的图片信息的信号为S(x，y)，其分解公式如式(1)～(4)所示[7]：

(1)

(2)

(3)

(4)

图4 图像的小波三层多分辨分解结构图

图4中1)LL子带是从由水平和垂直两个方向利用低通小波滤波器卷积后产生的小波系数，它是图像的近似表示。2)HL子带是在水平方向利用低通小波滤波器卷积后，再用高通小波滤波器在垂直方向卷积而产生的小波系数，它表示图像的水平方向的奇异特性(水平子带)。3)LH子带是在水平方向利用高通小波滤波器卷积后，再用低通小波滤波器在垂直方向卷积而产生的小波系数，它表示图像在垂直方向的奇异特性(垂直子带)。4)HH子带是由水平和垂直两个方向利用高通小波滤波器卷积后产生的小波系数，它表示图像的对角边缘特性(对角线子带)。

第1个字母表示列方向的处理，第2个字母表示行方向的处理，图像的奇异特性通过低通时保留，通过高通时被滤除。[8]

3.3 秘密档案信息的嵌入

将转化为“0，1”二值图像的秘密档案信息与得到的低频小波系数进行逻辑运算，从而将秘密档案信息嵌入到公开载体中，然后对变换后的图像信息进行小波重构，也就是小波分解的逆运算，得到嵌入秘密档案信息的公开载体。具体过程如图5所示。

图5 秘密档案信息嵌入公开载体的流程图

3.4 秘密档案信息的提取

秘密档案信息的提取为嵌入过程的逆过程，步骤：

1)读取未加水印图像的信息；

2)读取嵌入水印的图像信息；

3)对未加水印的图像和加入水印的图像分别进行三层小波变化；

4)对嵌入时的算法进行逆运算；

5)得到水印信息。

4 试验结果

经过对学报编辑部图片稿件中对作者信息的加入和提取，能够明显地看到作者水印信息的存在，从而说明此方法加入和提取的水印完好，如将其运用到秘密档案的管理中，可以很好地保护秘密档案的安全，使得秘密档案管理在机密性、完整性、认证性等方面有一定的技术保障。

5 结语

随着国家和社会的发展，档案管理已经成为国家机关及企事业单位不可或缺的一部分，而其中秘密档案的管理一直是关注的焦点。如何能够使秘密档案在保存和传输中保证其机密性和安全性，成为人们研究的课题。数字水印的应用为秘密档案管理提供了新的思路，我们可以将秘密的档案信息以数字水印的形式嵌入到公开载体中，即使盗取者盗取了载体信息，没有嵌入算法也无法获得完整的秘密档案信息，从而保证了秘密档案信息能够安全有效地进行保存和传输。

本文给出了一种基于小波分析的变频域数字水印算法，经试验表明此算法的鲁棒性较好，但其嵌入的信息容量有限，只能嵌入少量的水印信息，对于大容量的水印信息不适用，而且应嵌入到公开载体的低频域部分还是高频域部分也有待探讨，这都将成为我们下一步研究的重点。