新型文本数字水印技术及其典型应用研究

摘要

近年来，随着以互联网技术为代表的信息技术的迅猛发展，各种文字、图像、声音、视频等媒体的获取、保存与使用方式发生了很大的变化。这一方面给人们带来了极大的方便，但另一方面，未经版权所有人许可对数字作品的任意复制、修改等盗版行为也日趋严重。因此，如何在互联网环境下进行有效的版权保护等信息安全问题，也就成为了重要的研究课题。 在此背景下，数字水印技术作为一种新的多媒体信息安全保护技术应运而生。它将隐藏信息嵌入到各种数字媒体中，结合传统的数据加密技术来实现信息的隐藏通信、访问控制、版权保护等功能，当前，该领域的研究与应用已经相当深入。但令人遗憾的是，由于文字媒体本身的一些特点，作为数字水印技术重要组成部分的文本数字水印技术的进展却是相对滞后的，这与文字是人类传播信息最主要方式的现实情况形成了很大的反差。 本文的工作就是要针对现有文本数字水印技术存在的薄弱环节，进行新型的文本数字水印技术及其典型应用的研究。主要的研究内容涉及文本数字水印嵌入算法、水印检测方法、系统实现框架、抗攻击技术及典型应用等该领域的关键问题，取得了如下创新性成果： 1)提出了一种基于字符拓扑结构的文本数字水印技术，通过改变字符或者字符串字形的拓扑结构，设计出语义上相同的字符(串)的多种字形，并对这些字形的拓扑结构进行恰当的编码，利用字符(串)的拓扑结构来携带数字水印信息。同时，给出了鲁棒性和视觉影响试验方法、结果，并分析了水印的抗攻击性能。 2)引入图论作为1)所述的文本数字水印技术的数学基础，将字符字形映射为图论中的“图”，对“图”或者“图”的特征量进行恰当的编码，利用这些编码来表示数字水印。同时，给出了基于图论的水印嵌入、检测方法的数学模型和详细实现过程。 3)提出了一种以符号的冗余编码表示隐藏信息的隐藏数据通信技术，以及与该方法相关的文本数字水印嵌入、检测技术和载体文件的显示技术。这些技术包括：将符号编码成冗余数字代码的若干方法；隐藏通信的数据加载与分离方法；特定字体文件的设计方法；若干对嵌入水印信息的载体文件进行显示的方法。在此基础上，利用冗余编码的原理，还提出了一种利用索引值嵌入隐藏信息的图像数字水印算法。 4)结合基于“字符拓扑结构”和“冗余编码”的文本数字水印技术的特点，提出了文本数字水印系统完整解决方案。给出了两种特殊的字体设计方法，重点描述了在统一的框架体系中，实现在电子文件和印刷品文件上嵌入、检测数字水印的技术。 5)提出了一种新的隐藏通信方法，其原理是改变字符图形与字符编码在各种编码标准规范中已确定的标准映射关系，采用自定义的方法进行字符图形与字符编码的映射，从而使得电子文件显示出的字符图形与电子文件的内在编码分别构成显式通信信道和隐藏通信信道，这两种信道可以独立地进行通信。应用该隐藏通信技术制作成自包含字符图形和编码信息的电子文件，便于利用现有互联网搜索引擎按照文件的属性进行在线搜索。 6)针对同步攻击这一困扰扩频水印技术的难题，研究了一类基于字符特征的文本数字水印技术的编码映射规则，给出了相应的扩频水印加载与检测模型。利用字符语义在水印加载与检测过程中具备的良好鲁棒性，通过载体字符产生伪随机代码，最终生成具有同步错误修正能力的自适应扩频文本水印，仿真实验表明其抗同步攻击性能得到了显著的提高。 7)提出了一种新的数字内容网络出版发行机制，其主要特点是用户可免费获取数字内容，但必须强制性地观看广告，广告与数字产品关联绑定。描述了这种机制的系统体系结构及相关技术协议，给出了实现该机制所需的内容加密、水印嵌入、屏幕字符替换等关键技术。该机制为平衡数字内容价值链中各方的利益提供了一种新的解决途径。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景与意义

1.2课题来源及完成情况

1.3论文的创新贡献

1.4论文内容的结构安排

第二章文本数字水印技术综述

2.1数字水印技术概述

2.1.1数字水印的起源与发展

2.1.2数字水印的分类

2.1.3数字水印的基本框架及关键技术

2.2文本数字水印技术的研究动态

2.3文本数字水印的应用

2.4文本载体的特点及其对文本数字水印的影响

2.5主要文本水印算法

2.5.1基于普通文本文件格式信息的方法

2.5.2基于不可见编码的方法

2.5.3基于文本内容的方法

2.5.4基于汉字结构的方法

2.5.5基于图像水印技术的方法

2.5.6基于特殊格式文件的方法

2.6当前文本数字水印技术存在的主要问题

2.7文本数字水印技术的发展方向

第三章基于字符拓扑结构的文本数字水印技术

3.1引言

3.2人类对字符的认知模型

3.3字形设计

3.3.1单个字符字形设计方法

3.3.2字符串字形设计方法

3.3.3影响字形设计因素

3.4字符字形的编码方法

3.4.1基于对多个字符的多种字形分别编码的方法

3.4.2对多个字符的多种字形进行统一编码的方法

3.5基于字符语义的文本数字水印系统

3.6与字符语义无关的文本数字水印系统

3.7一种增强水印检测效果与减小视觉影响的方法

3.8中文的优势

3.9仿真实验

3.9.1鲁棒性实验

3.9.2视觉影响实验

3.10抗攻击性能分析

3.10.1去除攻击准则

3.10.2抗去除攻击方法

3.10.3针对不同应用的抗攻击策略

3.11本章小结

第四章基于图论的文本水印技术

4.1引言

4.2字符字形的映射

4.3字符字形的编码

4.4水印的加载与检测模型

4.5无向平面图的同构算法

4.5.1参数及有关概念说明

4.5.2算法主要思想说明

4.5.3详细算法描述

4.6水印系统的实现

4.6.1水印载体的预处理

4.6.2隐藏信息检测过程

4.6.3水印信息的后处理

4.7本章小结

第五章基于冗余编码的文本数字水印技术

5.1引言

5.2符号编码方法

5.2.1基本规则

5.2.2扩展规则

5.2.3补充规则

5.2.4完整符号数字映射表示例

5.3隐藏通信方法

5.4水印嵌入方法与数据加密方法的融合

5.5自定义字体文件的设计方法

5.5.1多对一字体文件

5.5.2一对一字体文件

5.6文本数字水印系统设计

5.6.1基于自定义字体文件的方法

5.6.2特殊文件格式的方法

5.6.3屏幕翻译技术

5.6.4专用程序或程序模块

5.7统一的文本水印系统解决方案

5.7.1"一对一信留"字体文件的设计方法

5.7.2系统架构

5.8本章小结

第六章字符的图形与编码相互独立的隐藏通信技术

6.1引言

6.2普通文本文件中字符图形与编码的对应方式

6.3基于自定义字体文件的隐藏通信方法

6.4基于自包含文件的隐藏通信方法

6.5水印检测方法

6.6编码冲突及其解决措施

6.6.1编码冲突问题

6.6.2编码冲突的解决措施

6.7应用技术

6.7.1一种能防止内容被非法复制及易于进行版权声明的电子文件

6.7.2基于隐藏信息进行搜索的在线文件搜索技术

6.8多种文本数字水印技术的对比

6.9本章小结

第七章利用图像索引值携带隐藏信息的数字水印技术

7.1引言

7.2图像索引映射表的冗余扩展

7.3水印嵌入与检测算法

7.4最大水印容量分析

7.5仿真实验

7.6本章小结

第八章抗同步攻击的自适应扩频文本数字水印

8.1引言

8.2扩频文本水印模型

8.3伪随机代码的产生方式

8.3.1伪随机代码的产生算法

8.3.2随机特性分析

8.4仿真实验及性能分析

8.4.1利用载体字符产生伪随机码的扩频方案

8.4.2伪随机序列与载体字符独立的对比扩频方案

8.5本章小结

第九章基于文本数字水印技术的网络发行机制

9.1引言

9.2 PMCBA商业模式

9.3总体框架

9.4关键技术

9.4.1 PMCBA系统中的相关DRM技术

9.4.2 PMCBA系统中的相关文本水印技术

9.5 PMCBA版权保护机制

9.5.1符号约定

9.5.2 PMCBA系统主要流程协议

9.5.3附加特性的实现

9.6性能分析

9.7系统实现与比较

9.8本章小结

第十章结论与展望

10.1论文工作总结

1O.2进一步研究的方向

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果