多重文本水印算法在电力信息安全中的应用

摘要：针对电力系统文档传输过程中存在信息安全问题，首次将多重文本水印算法引入到其文档保护中。以传输电力设备参数为例，使用鲁棒水印算法对设备参数进行隐蔽通信，使其可以抵抗传输过程中遭受的各种攻击，并使用半脆弱水印算法进行身份确认，以提醒文档是否已被盗用或误用，及对篡改内容进行定位。算法仿真与攻击实验表明，多重水印技术可以有效针对不同的目的进行数据保护，实现隐蔽通信，证明了多重水印技术对电力系统文档安全传输是有效的。

引言

　　信息安全问题^[1]已经成为电力系统中亟待解决的问题，数字水印技术是解决多媒体信息安全的有效手段，现将其移植于电力系统重要信息安全传输中。图像水印技术^[2-3]、视频水印技术^[4]、音频水印技术^[5]和网格水印技术^[6-7]可以对具有自主知识产权的网格模型进行版权保护，文献[8]提出将文本水印技术用于电力系统文档可信传输中的设想。文本水印技术主要基于格式及内容两类。这些算法均不能满足鲁棒性强、容量大和透明性高的特点。因此，采用了嵌入多重水印方式，以满足不同的性能需要。

　　为提高电力系统重要信息隐蔽通信的安全性，通过内容认证的方法确定文件的来源。本文提出将多重水印算法运用到提高电力系统文件传输中。使用鲁棒性强的基于改变文本内容、嵌入水印信息的算法将电力系统和电力设备重要参数进行信息隐蔽，运用透明性高的基于改变字符颜色RGB值嵌入水印信息的半脆弱水印算法对发送方的身份进行确认。对多重水印算法进行了嵌入、提取和攻击实验。结果表明，该算法可以提高安全性，并可以实现篡改定位，适用于电力系统文档可信传输及内容认证。

1 文本水印技术

　　文本水印技术基于人类视觉系统(HVS)，结合最小可觉差(JND)，在肉眼感知系数的变化不超过不可感知的范围内，通过轻微改变文档格式或内容[9]嵌入水印信息。为了提高电力系统中文本文档的可信传输，要求算法透明性不能发生易察觉的变化，且文档内容不能发生歧义。因此，本文采用基于内容及格式相结合的算法以完成水印信息的嵌入。

　　半脆弱水印可以抵抗一定的攻击，透明性与安全性高，用于内容认证，辨别发送方身份，可嵌入文档发送方的个人信息及发送日期等，并需要对被篡改内容进行篡改定位;鲁棒水印抵抗攻击能力强，保障重要信息隐蔽通信，要求水印算法容量大，使用循环嵌入水印信息的方法，在遭受攻击后，只要有一处完整水印信息存在，仍可被正确提取。因此，本文采取基于改变字符颜色嵌入水印信息算法用于内容认证，基于内容替换嵌入水印信息算法隐藏重要信息。

2  文本水印算法

　　由文献[10]可知，字符颜色的RGB分量从(0,0,0)到(60,60,60)改变时，与黑色字符颜色相近，肉眼无法分辨。

2.1 基于改变RGB值的半脆弱算法

　　此算法的目的是针对文本文档进行内容认证，根据肉眼对颜色的RGB分量敏感度不同情况，本算法采用修改字体颜色G分量的低二位，B分量的低二位，完成水印信息的嵌入。

2.1.1 预处理

　　为了增强水印信息的安全性，首先对其进行加密和纠错编码。将待嵌入的水印信息和密钥分别转换为二进制序列，其中 ;，其中。通过一对一循环取模加密的方法，获得新的水印序列：

　(1)

　　其中，。

　　利用汉明编码，将加密得到的水印序列进行编码。使用S₁、S₂和S₃表示监督关系式中的校正子。当imod 4=0时，生成新的二进制序列：

(2)

　　其中，，。

2.1.2 水印信息嵌入

　　(1)为了使水印信息嵌入位置随机化，防止攻击者获取水印信息的嵌入位置，使用线性同余法。统计文档的预嵌入空间 ，并将字符的RGB均统一成Word最常用的黑色，即RGB值为(0,0,0)。通过线性同余法，生成伪随机序列，其中。

　　线性同余法的基本迭代公式为：

(3)

　　其中，m为最接近D的素数，a为2与m之间的随机数，c小于m且与m互素。

　　(2)步骤1：遍历word文档，对于字符j(j<N)，嵌入水印间隔标识sgnsart，RGB分别被修改为(1,3,3)和(1,3,4)；

　　步骤2：选定字符j，若j<N，则执行步骤5，否则判断间隔标识，标识嵌入完成执行步骤3，未完成则执行步骤1；

　　步骤3：

h_i=1时，修改当前字符为RGB(1,1,1)，修改下一个字符为RGB(1,1,2);

h_i=0时，修改当前字符为RGB(1,2,2)，修改下一个字符为RGB(1,2,3);

　　步骤4：重复执行步骤1~3嵌入信息;

　　步骤5：嵌入完成，保存文档。

2.1.3 水印信息提取

　　步骤1：输入密钥，将其转换成二进制序列K;

　　步骤2：遍历文档，查找RGB被修改的位置，根据嵌入的规则，提取“1”和“0”，得到二进制序列S;

　　步骤3：通过对S解码和纠错，得到二进制序列M;当imod7=0时，计算校正子，如果3位校正子全为0，则表示未被篡改，如果得到其它值，对其进行篡改定位并进行错码纠正，去除监督位;

　　步骤4：对二进制序列M与密钥K进行循环取模，可以得到水印的二进制序列，再对其进行转换，得到水印信号。

2.2 基于改变内容的鲁棒算法

　　此算法的目的是对文件内容进行隐蔽通信，要求算法鲁棒性强，具备足够的容量隐藏信息，透明性强，并具备高安全性。因此，选择基于改变文本内容嵌入水印信息的算法作为电力系统中使用的鲁棒性算法。本文所采用的具体方法为：将全角模式下标点替换为半角模式下的标点，即将“，”替换为“,”。

2.2.1 预处理

　　与基于改变文本内容嵌入水印信息的算法采用相同的预处理方式。

2.2.2 水印信息嵌入

　　(1)使用线性同余法使水印信息嵌入位置随机化。为了防止全角与半角替换过程中发生字符间距的修改使文档的格式发生变化，采用绑定半角与空格的方式进行位置补齐。

　　(2)步骤1：遍历word文档，标记逗号序列为j(j<N),嵌入水印间隔标识sgnsart；

　　步骤2：选定字符j，若j<N,则执行步骤5，否则判断间隔标识，标识嵌入完成执行步骤3，未完成则执行步骤1；

　　步骤3：

h_i=1时，修改当前“全角逗号”为“半角逗号+空格”;

h_i=0时，不作任何修改;

　　步骤4：重复执行以上步骤，嵌入水印信息;

　　步骤5：嵌入完成，保存文档。

2.2.3 水印信息提取

　　此处采用水印信息嵌入方法的逆算法，与“2.1.3”的方法相似。

3 实验结果及其分析

　　针对以上两种算法，进行水印嵌入及提取实验，以验证嵌入水印信息后的文档是否会产生视觉变化，检测水印信息是否可以正确提取。通过攻击实验，检验两种算法的鲁棒性。

3.1 水印信息嵌入提取实验

　　针对基于改变字体颜色RGB值嵌入水印信息的算法，进行水印嵌入实验，水印信息为“发送人ABC”。针对基于改变字符间距完成水印信息嵌入的算法，进行水印嵌入实验，水印信息“参数为：123”，密钥均为“6688”。

　　测试可知，未受攻击的文档均可实现水印信息的正确检测提取。从视觉上，很难区分水印信息嵌入后文档(如图1和图2所示)发生的可见变化。

3.2 攻击实验

　　数字水印攻击的目的是判断水印算法的鲁棒性，本实验采用重复测试的方法防治偶然结果产生。

　　(1)基于格式攻击。对文档进行颜色攻击，鲁棒性弱，但是，进行部分和全部格式或属性攻击，鲁棒性很强。

　　(2)基于内容攻击。对文档内容进行不同程度的删除、粘贴及内容替换操作，如果涉及内容过多，鲁棒性较弱;否则，鲁棒性很强。

　　(3)篡改定位。由图3可知，如果文档内容及字体颜色发生改变(图3中的“纪80”、“中，该”和“基于以”)，基于改变颜色RGB值嵌入水印信息的算法可以精准判断水印比特位受破坏的具体位置，以达到内容认证的要求。

　　实验表明，基于改变字符颜色RGB值嵌入水印信息的算法针对内容篡改鲁棒性弱，并可以进行准确定位，有效达到内容认证的目的。基于改变逗号所处模式嵌入水印信息的算法，鲁棒性很强，可以抵抗各种格式及大部分内容攻击，并不会导致文档降质。

3.3 算法性能分析

　　鲁棒性、容量、透明性及安全性是文本水印技术的重要特点，这些特性决定水印算法的实用价值。因此，需要对算法的性能进行合理的分析，判断其是否具备实际应用的要求。

　　(1)鲁棒性分析。

　　①基于改变字体颜色RGB值嵌入水印信息的算法可以抵抗基本的格式攻击，但对内容篡改鲁棒性较弱，可以有效地对文档进行内容认证，一旦文档内容被恶意修改，将很难正确提取水印信息;

　　②基于改变逗号所处模式嵌入水印信息的算法鲁棒性很强，可以抵抗格式与内容攻击。针对电子文档在电力系统中的可信传输，可以起到有效的保护作用，抵抗恶意篡改。

　　(2)容量分析。两个水印算法中都采用了(7,4)汉明编码，即每7个码字包含4个信息位，3个监督位。为了提高鲁棒性和安全性，引入了纠错编码，牺牲了一定的数据容量，但是仍可以满足水印信息的嵌入容量。

　　(3)透明性分析。两种算法均是基于人类视觉系统设计的，改变值都在肉眼不可分辨的阈值内，从原理上，算法的透明性都很高。

　　(4)安全性分析。两个算法均使用了加密算法对水印信息进行加密，即使攻击者知道水印的嵌入算法，在不知道密钥的情况下也无法完全获得水印信息。且水印信息在嵌入时，采用了随机位置嵌入，更加加大了对手的攻击难度。

　　通过以上性能分析可知，该多重文本水印算法可以通过两种不同的文本水印算法性能的互补，达到对电力系统重要信息隐蔽通信和内容认证的要求。

4 结束语

　　文本数字水印技术可以有效实现隐蔽通信及内容认证，本文将鲁棒水印及半脆弱水印算法用于确保电力系统信息安全中，可以有效将重要信息进行隐藏传输，使其抵抗在传输中遭受的各种攻击。使用半脆弱水印对其发送方进行认证，增加了收发双方的信任程度。实验结果表明，多重水印技术的运用可以有效抵御不同目的的攻击，对数据进行多方面的保护，提高了数据的安全性。多重水印算法的组合可以在文档遭遇攻击时具备一定的互补性，并且可以实现不同的使用目的，弥补一种水印算法的不足。

参考文献：

　　[1]王保义,张少敏.用混合密码算法实现电力系统重要信息的安全传送[J].电力自动化设备:2004,24(4):64-67.

　　[2]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.

　　[3]李元诚,王晓雷.脊波变换数字水印在电力系统中的应用[J].电力信息化:2007, 5(10):120-123.

　　[4]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.

　　[5]涂蓉晖,赵继英.基于小波变换和量化理论的半脆弱数字声音水印算法及在电力系统中的应用[J].Proceedings of the CSEE:2005,25(12):78-85.

　　[6]朱少敏,刘建明.特高压设备三维网格模型自适应量化水印算法[J].电网技术:2010, 34(11): 6-11.

　　[7]朱少敏,刘建明.电力设备三维网格模型自适应鲁棒水印算法[J].电工技术学报:2011, 26(12):197-204.

　　[8]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.

　　[9]Yu Z, Liu X. A New Digital Watermarking Scheme Based on Text[C]//Multimedia Information Networking and Security, 2009. MINES'09. International Conference on. IEEE, 2009, 2: 138-140.

　　[10]Wei X. Sine-wave-based text watermark for WORD document[C]//Computer and Information Application (ICCIA), 2010 International Conference on. IEEE, 2010: 99-102.

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第5期第54页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。