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