朱学芳：数字档案信息开发及应用管理中的图像水印保护技术

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朱学芳：数字档案信息开发及应用管理中的图像水印保护技术

发布时间：2012.04.25 新闻来源：《档案学通讯》 浏览次数：

　　数字档案信息开发及应用管理中的图像水印保护技术

　　朱学芳

　　(国家信息资源管理南京基地、南京大学数字化信息集成实验室

　　南京大学信息管理系、多媒体信息处理研究所，南京 210093)

　　原载：《档案学通讯》2010年第5期

　　[摘要] 数字档案信息是一种新的、重要且有特色的数字信息资源，本文从数字信息资源开发、使用和保护角度简要论述数字信息资源特点，在此基础上，着重讨论述：档案馆信息资源开发、保护及使用中一种不可见水印技术即数字档案信息格式中的水印嵌入保护技术;数字图像档案信息资源的可见水印保护技术;可逆可见水印在数字图像档案原始权威性保护中的应用。这些技术可以保护数字档案信息的原始权威性和长期的真实可用性，有助于促进数字档案信息资源开发、高效使用与保护矛盾的解决，对博物馆、图书馆等馆中数字信息资源的保护和合理高效使用也有一定的借鉴意义。

　　[关键词] 图像水印;数字档案;信息资源;数字水印

　　[分类号] G203

　　Abstract: Digital archives are considered as one of important new and characteristic digital information resources. Their properties are simply described from point of view of their development, protection and application due to their special requirements for authority and integrity, creditability and longtime availability. In this paper, we present three different watermarking protection schemes for such archive resources, i.e., invisible watermark technique, visible watermark technique, and reversible watermark technique for the authority and integrity. These watermark protection techniques also ensure their creditability and longtime availability. In addition, these techniques are helpful to the digital information resource development, effective protection and use in the other fields such as digital library, museum and e-commerce, etc..

　　Keywords: Image Watermark; Digital archive; Information Resources; Digital Watermark

　　1 引言

　　传统的档案馆馆藏为多为纸质档案、照片、录音、录像带、影片，底图，磁带、磁盘、光盘等实体，即主要以有形的实物为主，而数字档案馆所拥有的馆藏含义应为“数字信息资源”，具有纸质档案和其他实物档案不可比拟的优点, 数字档案信息检索方便，传递速度快，不受时间限制，数字化档案管理可以提高档案工作的效率, 极大地节省了查阅者和档案管理员的时间;另外，数字信息占有空间小，不仅可以加大档案信息的传递量和服务对象的数量，还可以通过档案管理网络系统异地查阅档案信息，同时利用者可不受时空、地域的限制，利用计算机通过网络主动了解档案信息，而不是被动地等待[1]。

　　虽然数字档案信息具有纸质档案不可比拟的优点,但随着计算机通讯网络的不断延伸,所能链接的用于存贮和管理数字信息的服务器和存贮设备及服务对象的数量的加速增加，在数字档案信息生成、保存和利用过程中因偶然和恶意的原因容易而遭到破坏、更改和泄露，为了确保其原始权威性和长期的真实可用性，并确保数字档案信息网络系统连续正常运行，林卫华在其文章中提出了档案管理平台建设、档案信息录入、档案信息系统的安全、档案工作人员素质[2]的四条数字档案馆建设措施。数字档案属于加密文档，档案管理中使用的计算机及网络必须将安全、保密放在首位。当然这离不开网络环境、系统硬件环境、档案信息系统软件、标准与规范建设，放置档案信息系统设备馆舍本身的安全保护，这些都有许多成熟的做法。而本文认为：由于电子式的数字信息资源的容易产生和方便复制决定了其易改特性，为了保证数字档案的原始权威性和长期的真实可用性，不仅需要人员素质、相关责任制度、相应管理平台及系统方面的保证，还需要针对数字式电子信息资源和网络传播特点的为其提高，利用档案馆数字信息资源内容本身特点提供其技术保障措施。作者曾经指出，图像信息技术涉及众多学科，在社会发展、工程技术等领域有着广阔的应用前景，在2002年撰文，着重探讨数字图像处理在档案保护管理中的应用;图像、形技术及图像信息检索技术在数字档案馆建设中的应用等[3]。因为数字化档案的优越性,既要提高档案利用的效率, 促进两个文明建设，又维护和保障档案部门的合法权益和档案本身的原始权威性和长期的真实可用性,本文从数字信息资源开发、使用和保护管理角度，着重讨论图像水印技术在档案馆数字信息资源保护中的应用。

　　2 数字档案信息资源的特点

　　2.1 数字信息

　　信息用数字量或数字信号表示就是数字信息，它是与模拟量和模拟信号(模拟信息)相对而言; 在电子信息系统中，一类是数字信息本身就是以数字形式产生并保存的，其特点是：不仅离散时间信号,而且其状态是有限可数的。另一类是从模拟信息转换而来的，即利用现代信息技术对传统介质的图像、文书等进行光-电转换、模拟—数字转换、采样、编码、压缩处理，信号的状态离散化成以二进制代码为主的数字形式，然后通过计算机技术进行贮存，通过网络通讯技术进行传播、接收。数字化将使信息的利用达到空前丰富的程度，它将改变我们的档案收集、保存、开发、应用和管理方式[1]1。需要说明的是，在人们需要连续变化的复制输出时，计算机或其他数字设备可以很方便地将数字信号输出变换为相应的拷贝输出，如打印的图像 [4]。

　　2.2 数字档案馆特点

　　由于数字档案馆是一个：收藏品数字式光电化，操作电脑化、浏览桌面化、巨量的多媒体数据信息存储、资源充分共享、网络式结构的多媒体信息集成应用系统，它以计算机、网络、数据库为手段，以INTERNET为平台，能向网络用户提供无时空限制的丰富便捷的数字化档案信息。

　　数字档案馆系统主要分为虚拟档案馆、实物数字化、虚拟游览、动态浏览及信息检索等四部分。数字化档案馆核心就是一个能共享和处理档案馆基础数据，并结合图形、图像、视频等静态和动态信息来表达结果的信息系统。通过计算机及互联网络使得游览者/浏览者得到有内在联系、有视觉效果访问。可以认为数字化档案馆是分布式的、以知识为基础的工作环境，适合广泛的用户使用，对地区分布较广的用户更有实际意义。

　　新型的采用现代高新技术所支持的数字档案信息系统，是新型的档案信息的组织模式，代表的是一种信息环境和基础设施构建，是超大规模的、便于使用的、没有时空限制的知识信息中心。它的基本特征为：各种载体数字化;数据的接收、存储和管理数字化;数字化信息在网上发布和传送[1]。

　　档案馆馆藏的数字资源有：用纸墨、照相等形成和传递的图纸、图形、缩微图像、文献资料等档案资料，都可以用相应的设备转换成数字图形图像、数字文献等数字资料。除了实体档案数字化加工以外，OA 系统或其他业务系统中逻辑归档或物理归档直接形成的数字文件，归档后即形成数字档案[5-6]。有了数字档案馆，利用者可获得多种多样的档案信息，包括文字、声音、图形、图像及数字视频等各种多媒体档案信息。

　　展示数字档案馆本身的可视性与时空延展性。其可视性主要表现为两种类型：一是将抽象的过程可视化;二是将将远离现场的事物临场化。图形图像学是实现其数字展示的重要手段，在展示数字档案馆场景中，用户可以借助一定的技术手段来感受的与计算机产生的三维世界进行交互作用。

　　3 数字信息资源的形式及其数字水印的特点

　　数字档案信息是一种有特色的重要的数字信息资源，但它仍然以一般数字信息的形式呈现，以数字方式保存的信息资源的形式及格式可包含[7]：

　　(1) 数字文本。存储的格式主要有txt、doc、PDF、html等。

　　(2) 数字图片。这是档案馆数字化过程中使用最多的数字资源形式，图片在数字档案馆资源利用中发挥极其重要的作用。常用专业数码相机、高精度大幅面平面扫描仪、高精度平面翻拍仪、三维扫描仪等设备，形成平面和立体图片，存储的格式主要有jpg、bmp、gif、tiff等。

　　(3) 数字音频。档案馆在数字化过程中将珍贵的历史录音翻录成的数字音频文件等，存储的格式主要有wav、mp3等。

　　(4) 数字视频。视频在数字档案馆资源利用中也发挥重要作用。馆存历史影像资料档案的数字化转换内容，另外制作的大量电影、电视或其他录像资料等也是以视频形式存在的。存储的格式主要有avi、asf、mpg等。

　　在使用中，数字信息资源相对于传统信息资源，正是有传输快捷、任意的修改能力和获取方便的特点，使得数字信息资源可以比较容易地、低成本地、快速地进行非法复制和对原作品进行非法的任意篡改，从而严重损害数字资源的原始性和所有者的利益。而数字档案资源与传统的档案资源的基本特点即原始性、权威性、长期可用性等是不能改变的，这种复制和篡改对一般数字信息资源都应该有所限制和防范，对数字档案资源就更应该采取各种有效措施进行保护。本文接着论述结合数字信息资源本身特点的从技术角度的一种非法复制和篡改防范措施，着重讨论图像水印技术在档案馆中数字信息资源保护及使用中的应用(而关于计算机及网络和服务器的安全，不在本文的论述范围内)。

　　现实生活中，人们对于信息的保护往往求助于密码技术。密码学的基本思想是对机密信息进行伪装，即用户对需要进行伪装的机密信息进行变换，得到面目全非的表示，除了秘密档案保存和传输，一般供人们使用的档案资源，以密码方式保护是不能直接浏览、拷贝和使用的。如果档案收藏者仅仅在数字档案信息上嵌入一些数字水印，使用者不知道数字档案信息中是否隐藏了数字水印，而且即使知道，也难以提取或去除隐藏的这一信息[8] ，这样既根据要求进行了有效保护，又方便用户和管理人员能直接浏览、拷贝和使用。

　　近年来出现的数字水印技术是将一些标识信息(即数字水印)直接嵌入数字载体(包括多媒体、文档、软件等)当中，且不影响原载体的使用价值，有些不被人的知觉系统(如视觉或听觉系统)觉察或注意到，有些直接觉察或注意到。这些隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。数字水印根据载体信号的类型可分为:文本水印、图像水印、视频水印和音频水印。其中，图像水印直观性强，将版权信息或其他特定信息嵌入到图像中,当发生所有权争议时,通过提取、检测嵌入信息来证实所有权。由于图像水印利用了人类视觉系统的特点,因而应用最为广泛。视频是系列图像的实时动态表现，但由于视频水印的实时性和稳健性等一些特殊性质;音频中可嵌入的水印信息量比可视媒体少,人类听觉系统比视系统灵敏得多,并且数字音频水印对信号的同步有较高的要求[6，9]，这两类水印虽有研究，但应用较少。

　　4 数字档案信息资源的图像水印保护技术

　　在水印技术研究中，研究人员对图像水印技术的研究最多,其理论相对也最成熟,用图像水印技术将数字档案的版权等论证信息嵌入到其数字图像信息源中，达到版权认证、盗版追踪、篡改发现等目的。总体上可分为空域水印和变换域水印。最低有效位编码水印嵌入方法[10]、通过轻微修改采样数据幅度嵌入水的方法属于空域图像水印算法。而应用傅立叶变换后嵌入图像水印的方法、利用人的视觉系统特性产生和嵌入水印的方法以及基于图像子波变换的水印嵌入方法都属于变换域图像水印算法。许多强壮性图像水印算法都是根据通信理论中的扩展频谱的原理而提出的,属于变换域的水印算法[11]。

　　4.1数字档案格式信息中的水印嵌入保护技术

　　数字图像文件有多种存储格式，每一种存贮格式，都有相应的文件头，在文件头中主要有图像文件的描述，如文件大小、数据起始偏移地址、图像数据大小等关键信息，利用图像文件的这种组织结构特性，可以在图像文件中隐藏秘密数据。例如，TIFF文件格式分为四个部分：文件头、参数指针表、参数数据表和图像数据。其中，文件头长度为8B，包含字节顺序、标记号和指向第一个参数指针表的偏移量，参数指针表占12B，它包含了描述图像的压缩种类、长度、色彩数目以及扫描密度等参数，在参数指针表中列出了参数的偏移指针;实际参数数据放在参数数据表中;最后一部分是图像数据，它们按照参数表中描述的形式按行排列。可以在文件中嵌入隐藏相应的水印数据，人们是不可感知性的，而且，其嵌入结果不会对载体本身的外观造成任何影响;文件的拷贝不会对嵌入的水印信息造成破坏、文件存取等操作不可造成隐藏的水印数据的丢失。这种水印嵌入方法是不可见的图像水印技术其中的一种。

　　需要说明的是，这种不可见水印嵌入技术，也适合用于数字音频、视频档案信息保护中，其原理相同、过程类似。

　　4.2数字档案信息资源的可见水印保护技术

　　姜明芳[12]探讨了可见水印技术在数字图书馆版权保护中的应用,为数字档案版权保护问题提供了一种新的思路。实际使用中，人们还可以使用可见图像水印技术，它是以一种人眼可见的方式将水印信号嵌入到原始媒体中去, 一般是将版权信息半透明地浮现在原始媒体之上,仅很少覆盖原始媒体信息(即不对原始媒体造成较大的视觉影响)。

　　可见水印技术不存在水印提取过程,可见水印半透明地浮现在原图之上,起的是一种直观的版权信息告示,其鲁棒性分析主要集中在如何阻止攻击者去除可见水印而又不损害原始图像。版权所有者或创作者需要利用可见水印技术。是一种直观的版权信息告示。可见水印技术应满足以下基本要求:

　　(1)嵌入到图像亮度分量中去的强度要把握好，要有一定的控制、计算依据，使得水印既可见,但又不能过多地模糊原始图像信息，尤其是重要的细节信息;

　　(2)为防止因裁剪而丢失水印信息,可见水印应分布在图像中重要区域及大部分区域，最好是都能有效覆盖，这就意味着可见水印嵌入应与原图像和水印图案特征相适应;

　　(3)可见水印应是很难去除掉的;

　　(4)嵌入方法复杂要低, 水印嵌入过程中，人工干预很少，几乎不占用额外的空间。

　　4.3 可逆可见水印在数字档案原始权威性保护中的应用

　　对于数字档案馆中保存的孤本、某些珍贵的档案材料、历史资料等馆藏资料的保护与访问，因为可见水印技术可擦除水印图像内容而得到原始图像的近似版本，采用它已不能满足读者或研究人员的对原始性和完整性需求，此时读者或研究人员往往不满足于恢复出一个近似的原图像版本，而是需要一个与原图完全一致的版本。这种档案数字化图像形成过程中，可通过在其中嵌入可逆可见水印以直观地告示版权,非法用户无法正确去除水印,而合法用户只需输入用户密码就能完全恢复出原始图像(而不是原图像的近似版本)以进行相关研究工作。将提取出的水印图像与原始水印图像进行比较，即可检测出可疑图像是否存在原始权争议，是否为山寨版图像。

　　更进一步的水印技术应用方面的信息可参考相关数字水印的技术实现文献[9-11,13-15]。

　　5 结束语

　　本文主要论述图像水印技术在数字档案馆中的应用，强调的是基于数字信息资源本身特点的数字信息资源的有效保护。数字档案网络传播及管理应用的图像水印保护技术，可以帮助数字档案馆网站规范运作，提高其信息资源服务效率，也有助于规范用户行为，有效地保护数字档案的原始权威性和长期的真实可用性，对博物馆、图书馆等馆中数字信息资源的进一步开发、保护和合理高效使用也有一定的借鉴意义。从本文的研究也可以看出，档案工作信息化建设员工应用计算机的技能提高是其数字信息资源开发建设、网络传播及应用、保护的一项重要任务 [16]。

　　注释与参考文献：

　　[1]张敏.信息时代档案管理的新视点.2006-08-24.，(2010-6-07访问.

　　[2]林卫华.信息时代的档案管理及安全性考虑[J]，科技资讯, 2009,35:256.

　　[3]朱学芳.图像信息及处理技术在档案部门的应用探讨[J].档案学通讯，2002(5):33-36.

　　[4]朱学芳,马仁配. 网络环境下的数字化博物馆[J]. 情报科学,2002(11):1179-1183.

　　[5]林伟宏.对电子档案数据接收进馆的思考和建议[J]. 浙江档案,2009(11):14-15.

　　[6]席亚兰，张贵仓.数字水印技术在数字档案管理中的应用[J] .山西档案，2006(3):21-23.

　　[7]耿志杰.数字博物馆网络信息资源共建研究[D].南京大学博士论文，2009:14.

　　[8]彭玉忠，郝荣霞，王金才.密码技术与信息隐藏技术比较研究[J]. 网络安全技术与应用，2008(9):94-95.

　　[9]胡国仁,韩其睿.数字水印技术研究[J].仪器与仪表，2008,15(3):2-3,21.

　　[10] C. C. Chang, J. Y. Hsiao, and C. S. Chan. Finding optimal least-significant-bit substitution in image hiding by dynamic programming strategy[J]. Pattern Recognition, 2003,36(7): 1583–1595.

　　[11]冯雪,朱新山,汤帜.多媒体数字水印技术研究进展[J].计算机工程与应用,2007,43(13):1-6.

　　[12]姜明芳.可见水印应用于数字图书馆版权保护[J]. 现代情报，2009(1):98-100.

　　[13] Xuan Zhou, Hwee-Hwa Pang, Kian-Lee Tan.Querybased Watermarking for XML DataASIACCS’07, March 2022,2007, Singapore.

　　[14] Stelvio Cimato, Alfredo De Santis, Anna Lisa Ferrara, Barbara Masucci. Ideal contrast visual cryptography schemes with reversing[J]. Information Processing Letters, 2005,93(4): 199-206 .

　　[15]常志国.可逆水印与图像保护技术研究[D].上海交通大学博士论文，2009.

　　[16]张春.高校档案数字化建设的思考[J].北京档案,2009(12):18-19.

　　作者简介：朱学芳，男，1962年生，1994年北京大学信息技术学院博士毕业，南京大学信息管理系教授、信息资源管理和情报学博士生导师，研究方向为多媒体信息技术、网络信息技术、数字信息资源管理等。

　　*本文系教育部人文社会科学项目“我国图像信息资源应用现状调查及发展对策研究”(项目编号：08JA870009)的研究成果之一

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