CN104794677A - 一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法。读取矢量地图文件，滤除冗余渲染信息；按照点、线、区域三种基本图层，读取矢量地图对象的数据结构；扫描水印位图并将其转换为二值序列，确定单位对象的嵌入长度，确定水印载体集合规模；优化图层对象集合；依次读取设定的水印编码顺序写入定位信息末尾；利用密钥，提取空间关系对象内的水印编码；根据二值水印序列和水印位图的大小，生成水印位图。计算检测水印与原始水印的相似程度，为版权归属及地图内容完整性提供判据。本发明实现了完全无损的水印嵌入与提取，不对地图文件造成任何损坏，在保证地图内容完整性的基础上，算法达到了精度零损失，抗矢量数据压缩，以及低误码率。

Description

一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法

技术领域

本发明涉及的是一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法。

背景技术

数字水印技术是一种公认的对数字产品进行版权保护的手段。1996年在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届国际信息隐藏学术研讨会，标志着信息隐藏学的诞生，而作为信息隐藏学主要分支之一的数字水印技术的研究也得到了迅速的发展。

目前，对矢量地图的数字水印算法很少，主要包括两类：即空间域和频率域。空间域算法主要是通过轻微修改坐标值来嵌入水印，算法实现简单，但鲁棒性较差，对地图内容损伤较大；频率域算法通过离散余弦变换、傅立叶变换或小波变换等数学方法，通过调整频域系数来嵌入水印，该类算法较复杂。目前，衡量矢量地图数字水印性能的重要指标包括精度有损情况以及抗矢量数据压缩能力。多数基于空域和频域的水印算法在应用中对地图精度均存在着不同程度的损伤，对于数据压缩攻击的抵抗性能则始终未获得明显改善。概括地说，主要原因在于缺乏一种优化选择策略指导嵌入对象的选取，使得携带水印的对象在压缩过程中被去除，从而引起水印失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能保证矢量地图100％无损，并能有效抵抗多种组合攻击，具有高安全性以及不可见性的基于空间几何特性的矢量地图水印方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，包括如下步骤：

(1)读取矢量地图文件，简化地图，移除颜色渲染图层；

(2)依托点图层，线图层和区域图层划分三个子集，分别确定地图对象的图层归属；

(3)按照拓扑关系定义，分别从各图层内获得关键对象集合；

(4)利用基于距离的模糊聚类分析方法，确定最终的水印载体集合；

(5)对于每一个比特的水印编码，从载体集合内顺序提取对象的定义块；

(6)读取对象定位坐标值，采用0比特复合的方式串联到坐标值末尾；

(7)构造可供水印提取的密钥，将水印序列依次写入载体对象内；

(8)根据提取密钥，依次读取二值水印序列；

(9)根据读取的二值水印序列和水印位图的大小，生成水印位图，同原始水印进行比较和相似度计算，判定版权或内容完整性。

通过分离图层来滤除冗余的所述的颜色渲染图层，获得地图的最有效核心图层信息。

分离核心图层，划分为所述的点图元、线图元、面图元三种基本图层，获取反映地理空间的关键性拓扑关系数据。

根据水印编码长度和单位嵌入字节数，确定载体规模，通过基于距离的模糊聚类分析方法，获得所述最终的水印载体集合。

开始嵌入水印信息，顺序获得载体集合内的元素，读取该对象所对应的所述对象的定义块。

根据对象定义数据块，找到坐标定义块，按照水印编码嵌入规则，采用0比特复合的方式将所述的水印字节信息附加到该对象所述的坐标值的末尾，具体包括：将二值水印序列以每8个bit字节为一组，将其ASCII编码的对应字符嵌入name字段的冗余空间中，水印嵌入后，结束符前面是节点实际名称，结束符后面是水印信息。

将每次嵌入的水印字节数和顺序读取对象的编码信息组合为向量，并保存为所述的水印提取的密钥。

基于地图拓扑关系的不变性，重新提取到已嵌入水印的关键拓扑对象，基于所述的密钥，重新排列集合内的元素位置，由各对象内的定义块提取到水印编码，并连接为水印序列。

根据水印生成规则，转换所述的水印序列，并通过相似度计算，获得与原始水印的相似数据。

本发明的有益效果在于：

(1)实现了完全无损的水印嵌入和提取。水印嵌入载体基于空间拓扑关系选取，对于地图的使用具有重要意义，不易被去除。

(2)不会增加地图文件的大小。本方案通过增加微量的冗余数据嵌入水印，并不是在文件中添加，因此不会增加地图文件的大小。

(3)不会损坏原文件数据。水印嵌入的位置和方法复合地图文件的组织特点，因此不会影响地图文件的格式转换和应用软件的读取处理。

(4)较好的鲁棒性。经过测试，这种水印方法能抵抗多种攻击，在不知道嵌入方法的情况下，攻击者很难大幅度提出水印信息。

(5)较好的隐蔽性。本方案嵌入前后的地图视觉和位置信息等没有任何的变化，即使用专业处理软件也无法察觉到地图是否含有水印，由于嵌入的位置极为隐蔽，攻击者很难对水印发起攻击。

附图说明

图1为水印相似度比较；

图2为矢量地图简化流程；

图3为0比特复合的水印嵌入方法；

图4为实验程序界面；

图5为水印相似度计算程序界面；

图6为8种剪切攻击的示意图。

具体实施方式

下面结合实验实例对本发明做更详细地描述：

本发明的目的是这样实现的：包括水印的嵌入和提取，其步骤包括：

(1)读取矢量地图文件，简化地图，移除颜色等渲染图层。

(2)依托点图层，线图层和区域图层划分三个子集，分别确定地图对象的图层归属。

(3)按照拓扑关系定义，分别从各图层内获得关键对象集合。

(4)利用基于距离的模糊聚类分析方法，确定最终的水印载体集合；

(5)对于每一个比特的水印编码，从载体集合内顺序提取对象的定义块；

(6)读取对象定位坐标值，采用0比特复合的方式串联到坐标值末尾。

(7)构造可供水印提取的密钥，将水印序列依次写入载体对象内。

(8)根据提取密钥，依次读取二值水印序列。

(9)根据读取的二值水印序列和水印位图的大小，生成水印位图，同原始水印，进行比较和相似度计算，判定版权或内容完整性。

本发明还可以包括：

2、所述的读取矢量地图文件并简化地图的步骤中，对于矢量空间，若复合各种图形，图像形式的渲染效果，其最终表现为可应用的矢量地图，基本定义如下：

定义1(离散度量空间)：设集合Χ为矢量地图中N个独立的矢量对象，两个元素的度量表示为任意两个矢量对象的相关度。

定义2(拓扑空间)：由度量空间性质，对于包含若干矢量对象的集合Α_i，是上的开集，若存在集族则称偶对为拓扑空间，表示任意对象集合间的相关性。

定义3(矢量空间)：在拓扑空间中，对于拓扑的元素Α_i，若对于任意对象a∈Α_i，在属性图层Ε上都有唯一的Ε(a)对应，则称为矢量空间,记作其中Ε(a)＝{0,1}，图层Ε只包括地图的基本图层：即点图层，线图层和面图层。

移除渲染图层。对于矢量空间其中E＝E'οE₃，E₃表示地图的三种基本图层：点、线和区域图层；E'为渲染图层，在我国通常将其分为14类地图元素。移除E'，即 转化为最简单的拓扑空间。

3、所述的确定对象的图层归属的步骤中，定义Α_i为地图的某个点集，B_i为线集，C_i为区域集，则拓扑空间中，将对象I表示为空间坐标形式I₀＝(x,y)，称A_i为离散对象集，对于任意对象(x_i,y_i)∈A_i，当且仅当(x_m,y_m)∈X-(x_i,y_i)；B_i＝＜(x₁,y₁),(x₂,y₂),...(x_i,y_i)＞为道路，(x₁,y₁)代表道路的起点,(x_i,y_i)代表道路的终点；C_i＝＜(x₀,y₀),(x₂,y₂),...(x_j,y_j),...(x₀,y₀)＞为闭合道路，简称闭路，闭路上的对象地位平等。

此时，矢量地图可表示为三个子空间：离散对象子空间道路子空间以及闭路子空间

4、所述的按照拓扑关系，提取各图层内关键对象的步骤中，规则如下：

规则1.(离散对象子空间)：任意的开集存在实数δ_x＞0，使得对象I_i,I_m∈Α，成立，此时称对象(x_i,y_i)为的特征点，记作K(I_i)，每一个开集都存在至少一个关键点。

规则2.(道路子空间)：任意的开集存在关系R，存在结点I_i,I_j,I_k∈B，满足I_iRI_j，I_jRI_k成立，称I_j为R的中继，称I_i为R的起始特征点，I_k为R的终端特征点，记作K(I_i,I_j),R称为道路连通关系。

规则3.(对于闭路子空间)，任意的开集对于关系R'，若存在子集S₁＝{I_i,I_j,...,I_k}∈C，满足I_iR'I_j，…,I_kR'I_i成立，若存在另外的子集S₂＝{I_i',I_j',...,I_k'}∈C，满足I_i'R'I_j'，…,I_k'RI_i'成立，…以此递推，得到集族则的特征点记作K(I_ij)＝{S_i∩S_j|S_i,S_j∈C'}。

由规则1-3，可得的特征点集K(X)＝{K(I_i),K(I_i,I_j),K(I_ij),I_i,I_j,I_ij∈X}，称K(X)为候选载体集合。

5、所述的确定水印载体集合的步骤中，利用基于距离的模糊聚类分析方法确定水印载体集合KC(X)，具体方法为：

根据水印容量N，确定KC(X)的规模为N'，且

对于(Χ,ρ)，调整阈值δ(见式3说明)，使得Χ_i的集簇中心η_i；

对于K(X)，由隶属度定义，重新生成以η_i为中心的集簇

对于每个集簇选取其中N'/i个F(x)值较大的对象，生成群T＝KC(X)。

6、所述的读取对象定义块的步骤中，对水印位图进行逐行扫描，得出一串二值水印序列，对于每一个待嵌入水印的对象，在地图的属性文件中找到该元素的对象定义块。对象定义块使用16位整数和32位整数定义了地图空间中所有的矢量对象。描述了对象的名称、位置、索引等信息。

7、所述的0比特复合嵌入水印的步骤中，在坐标块中，复杂对象由一个子对象描述和实际坐标组成，单一对象仅由坐标组成。每个坐标块中都存在大量保留字节，因此，可以对该对象的坐标进行比特位的字节复合操作。

定义“||”为连接，对于水印W，s.t.(x_i,y_i)＝(x_i||0₁…0_m,y_i||0₁…0_n)，且0＜m≤2,0＜n≤4。

$m=\left\{\begin{array}{cc}1& ,W_k=0_{\′\′}^{\′\′}\\ 2& ,W_k=1_{\′\′}^{\′\′}\end{array}\right.,$ n表示与W_k比特值相同的连续位数。当W中存在一个比特值相同的序列W＝W_kW_k+1…W_k+l,l＞4，则将该序列划分成若干个元素个数不超过4的子序列嵌入到坐标块中。

8、所述的构建密钥的步骤中，根据每次水印编码嵌入的单位长度和载体对象的标记号，构建二维矩阵，存储水印嵌入的空间信息，并将其作为提取密钥保存下来。

9、所述的提取水印的步骤中，是对空间简化的相同变换，在得到同样的空间关系下的核心对象集合后，利用密钥矩阵，提取隐藏在关键对象坐标定义块内的水印编码，并重新组合。

10、所述的水印验证相似度比较的步骤中，对于检测到的水印标识W_t由于载体地图受到攻击，会造成部分信息位丢失，造成W_t与原水印W内容不一致。对此，提出一种基于相似度的水印检测方式。

$\mathrm{Sim}(W,W_t)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}<W_i,W_{t_i}>/N}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{W_i}^2}\&CenterDot;\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{W_{t_i}}^2}},<W_i,W_{t_i}>=\left\{\begin{array}{cc}1& ,W_i=W_{t_i}\\ 0& ,W_i\&NotEqual;W_{t_i}\end{array}\right.$

W为原始水印，W_t为检测出的水印。N为水印容量。对于有两种情况：1.比特位数值相反；2.体特位数值为空。

本发明基于空间几何特性的矢量地图水印方法,载体为MAPX格式的矢量地图，开发环境为VC.6.0，主要包括两个方面：1.水印图像的嵌入方法和提取方法；2.地图文件空间拓扑结构的解析和处理方法。

1.水印图像的嵌入和提取方法：

(1)读取地图文件中对象定义块的数据结构；

读取矢量地图文件时，以矢量地图开发软件MAPX应用为例，地图的属性信息主要存储在MAP文件中，该文件由大小为512或1024字节的数据块组成，描述了矢量空间中对象的名称、位置、索引以及整个系统的结构等信息，每个数据块的第一个字节称为块标记。

对象定义块使用16位整数和32位整数定义了地图空间中所有的矢量对象。在坐标块中，复杂对象由一个子对象描述和实际坐标组成，单一对象仅由坐标组成。坐标值存放在前边，而后面的字符全是结束符占据剩余空间。

(2)由用户扫描水印位图产生水印序列

程序读取水印位图，扫面位图的像素值，得到二值序列。为了提高安全性，可选择性地对水印编码进行置乱操作。

(3)将水印序列编码长度写入地图文件中保存；

选择水印载体的首个对象，将水印编码长度以及准备嵌入到单个对象的字节数量写入该对象的定义块中。读取出定义块的无用结束符作为可嵌水印的冗余文件。

a读取矢量地图文件，按照水印嵌入集合内的对象编号，读取首个对象定义块。

b顺序访问该定义块，读取坐标块等信息，在定义信息字段的结束符后的空间即为冗余空间，用来存放水印大小和单位嵌入量。

c生成水印序列嵌入的二维向量，作为密钥保存。

d保存地图文件。

(4)将二值水印序列依次写入到冗余文件的其余字节中；

具体步骤如下：

a继续读取首个对象结点后的载体对象。

B获得该对象的定义块，读取坐标块等信息，在定义信息字段的结束符后的空间即为冗余空间，用来存放规定的水印编码。

c将水印编码序列依次写入每个对象的定义块内，具体方法如图3所示，只需要对坐标值进行微调，即追加0值，由0值的奇偶个数确定嵌入的比特值。

d生成水印序列嵌入的二维向量，作为密钥保存。

e保存地图文件。

如图4所示，就是试验中运行的基于空间几何特性的水印嵌入界面。

(5)利用水印提取单元读取出水印位图大小；

读取矢量地图文件，重新对地图进行如图2所示的空间简化过程，获得关键对象集合，等价于水印载体集合，结合密钥向量，读取嵌入到首个对象内的水印位图基本信息。

(6)利用水印提取单元依次读取二值水印序列；

读取矢量地图文件，遍历密钥向量，依次读取分散于各个载体对象内的二值水印序编码，并串行连接起来。

(7)根据读取的二值水印序列和水印位图的大小，生成水印位图。

根据提取出的水印位图的字节数，即位图字节数＝位图宽度*位图高度，以及读取的二值水印序列可以生成原水印图片。利用水印提取程序可以提取img文件中的水印并对原始水印位图和提出的水印位图进行NC值(如图1所示)比较来确定地图中是否含有水印。程序运行界面如图5所示。

2.地图文件空间拓扑结构的解析和处理方法

基本解析和处理过程如图2所示，矢量地图具有明显的空间演化特性。水印嵌入群的形成对应矢量空间简化，即演化的逆过程。

矢量地图的简化过程是由矢量空间向拓扑空间、离散度量空间的求解过程；对于矢量空间，若复合成多种图形、图像形式的渲染效果，其最终表现为可应用的矢量地图。

为了验证本发明的可靠性，特别利用本发明的算法进行了以下各种实验。编制的水印嵌入和提取检测程序，设定用户信息为“哈工程”，即“哈尔滨工程大学”的简称，二值序列位数1254位水印位图。

鲁棒性分析，经过多种攻击策略对水印后的图像进行攻击，并对提出的水印进行水印检测，经检测水印效果非常好，能达到100％的提取，如表1所示是对水印后的地图进行的多种剪切，剪切地图如图6所示。

表1

抗数据压缩性能分析矢量地图数据压缩的任务在于使用尽可能少的抽样对象来描述整个矢量空间，并保证在容许的误差范围内，再现地图的属性特征。在矢量数据压缩的过程中，所有矢量对象存在被去除的情况，一旦携带水印信息的对象被剔除，则很容易导致水印失效或水印信息提取失败。表2为不同压缩比例下本文算法的误码率。实验表明本发明关于特征对象的定义与矢量数据压缩过程中的关键点，其性质是吻合的。数据压缩本质上也是选取关键点来保持地图的主要属性特征，以此进行地图重构。

表2

综上所述，利用基于空间拓扑特性的水印算法，通过文件结束符后嵌入水印可以达到无损要求，既不影响地图使用，又能抵抗多种攻击，由于紧密结构地图的拓扑特征信息，因而使得嵌入了水印的载体不易被用户去除。算法以模糊聚类分析方法对嵌入对象的选取做进一步优化，使其具有高效的抗矢量数据压缩的性能；嵌入载体为属性文件，未对地图进行任何变换操作，水印在抵抗各种几何攻击上具有较高的性能。

Claims (9)

1.一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)读取矢量地图文件，简化地图，移除颜色渲染图层；

(2)依托点图层，线图层和区域图层划分三个子集，分别确定地图对象的图层归属；

(3)按照拓扑关系定义，分别从各图层内获得关键对象集合；

(4)利用基于距离的模糊聚类分析方法，确定最终的水印载体集合；

(5)对于每一个比特的水印编码，从载体集合内顺序提取对象的定义块；

(6)读取对象定位坐标值，采用0比特复合的方式串联到坐标值末尾；

(7)构造可供水印提取的密钥，将水印序列依次写入载体对象内；

(8)根据提取密钥，依次读取二值水印序列；

(9)根据读取的二值水印序列和水印位图的大小，生成水印位图，同原始水印进行比较和相似度计算，判定版权或内容完整性。

2.根据权利要求1所述的一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，其特征在于：通过分离图层来滤除冗余的所述的颜色渲染图层，获得地图的最有效核心图层信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，其特征在于：分离核心图层，划分为所述的点图元、线图元、面图元三种基本图层，获取反映地理空间的关键性拓扑关系数据。

4.根据权利要求3所述的一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，其特征在于：根据水印编码长度和单位嵌入字节数，确定载体规模，通过基于距离的模糊聚类分析方法，获得所述最终的水印载体集合。

5.根据权利要求4所述的一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，其特征是：开始嵌入水印信息，顺序获得载体集合内的元素，读取该对象所对应的所述对象的定义块。

6.根据权利要求5所述的一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，其特征在于：根据对象定义数据块，找到坐标定义块，按照水印编码嵌入规则，采用0比特复合的方式将所述的水印字节信息附加到该对象所述的坐标值的末尾，具体包括：将二值水印序列以每8个bit字节为一组，将其ASCII编码的对应字符嵌入name字段的冗余空间中，水印嵌入后，结束符前面是节点实际名称，结束符后面是水印信息。

7.根据权利要求6所述的一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，其特征在于：将每次嵌入的水印字节数和顺序读取对象的编码信息组合为向量，并保存为所述的水印提取的密钥。

8.根据权利要求7所述的一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，其特征在于：基于地图拓扑关系的不变性，重新提取到已嵌入水印的关键拓扑对象，基于所述的密钥，重新排列集合内的元素位置，由各对象内的定义块提取到水印编码，并连接为水印序列。

9.根据权利要求8所述的一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，其特征在于：根据水印生成规则，转换所述的水印序列，并通过相似度计算，获得与原始水印的相似数据。