CN101093574A - 基于整数小波变换的矢量地理空间数据水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于整数小波变换的矢量地理空间数据水印方法，以有效解决和克服空间域、非整数小波变换水印方法的数据精度的缺陷，提高水印方法的鲁棒性，本发明方法是，包括水印的嵌入和提取，步骤是，首先从测绘数据库中读取原始矢量地理空间数据，并利用混沌序列对水印信息进行加密；然后对地理空间数据的坐标串进行整数小波变换，把水印信息嵌入到小波变换的低频系数中；在提取水印时，需要原始地理空间数据的参与，通过比较待检测数据串和原始参考数据串的小波系数的相互关系，从而提取出水印信息。本发明方法先进、科学，保证嵌入水印信息后数据的质量，稳定性好，有较好的不可感知特性，抗噪能力强，是水印技术嵌入与提出的一大创新。

Description

基于整数小波变换的矢量地理空间数据水印方法

一、技术领域

本发明涉及地图学与地理信息科学领域，特别是一种基于整数小波变换的矢量地理空间数据水印方法。

二、背景技术

地理空间数据是国家基础设施建设和地球科学研究的支撑性成果，在国家经济、国防建设中占有十分重要的地位，其安全性涉及到国家安全、科技协作和知识产权等。目前，迫切需要可靠的技术去保障地理空间数据的安全。

数字水印技术是随着数字化的进程而发展起来的信息安全的前沿技术，它通过在源数据中嵌入秘密水印信息，将水印与源数据紧密结合并隐藏其中，成为源数据不可分离的一部分，由此来确定版权拥有者、所有权认证、跟踪侵权行为等。数字水印技术在图像、视频等的安全保护方面得到了重要的应用。水印技术是近年来发展起来的信息安全的前沿技术，在数字图像、视频、音频等的安全保护方面得到了重要的应用。

目前，在地理空间数据尤其在矢量地理空间数据方面，水印技术的研究也引起了重视。“Reversible Watermarking of 2D-vector Data”(Proceedings of the 2004 ACMInternational Workshop on Multimedia and security，2004，M Voigt et al)提出了一种基于离散余弦变换的矢量地理空间数据水印算法。“用于矢量地图版权保护的数字水印”(西安电子科技大学学报，2004，31(5)李媛媛，许录平)提出了根据分块的密度大小自适应调整水印嵌入强度的矢量地理空间数据数字水印算法。“一种抗数据压缩的矢量地图数据数字水印算法”(测绘科学技术学报，2006，23(4)朱长青，杨成松，李中原)提出一种抗数据压缩的矢量地理空间数据数字水印算法。“矢量图形中基于小波变换的盲水印算法”(光子学报，2004，33(1)李媛媛，许录平)提出了一种矢量图形中基于小波变换的盲水印算法。但是，在目前的研究中，对矢量地理空间数据自身特点的考虑、水印算法的鲁棒性和实用性等方面还很不足。

三、发明内容

针对上述情况，本发明的目的就是提供一种“基于整数小波变换的矢量地理空间数据水印方法”，以有效解决和克服空间域、非整数小波变换水印方法的数据精度的缺陷，提高水印方法的鲁棒性，为实现这样的目的，本发明的技术方案是，包括水印的嵌入和提取，步骤是，首先从测绘数据库中读取原始矢量地理空间数据，并利用混沌序列对水印信息进行加密；然后对地理空间数据的坐标串进行整数小波变换，把水印信息嵌入到小波变换的低频系数中；在提取水印时，需要原始地理空间数据的参与，通过比较待检测数据串和原始参考数据串的小波系数的相互关系，从而提取出水印信息，本方法是一种非盲水印算法，其中，

在水印嵌入过程中，原始地理空间数据集用坐标串{(x_i，y_i)，i＝1，…，N}表示，x为横向坐标，y为纵向坐标，N为数据点的个数(以下同)，对坐标串{(x_i，y_i)，i＝1，…，N}(或其中的[x_i，i＝1，…，N}或{y_i，i＝1，…，N})进行整数小波正变换，在其变换后得到的低频系数中嵌入水印信息，利用嵌入水印信息后得到的高频、低频系数进行相应的整数小波逆变换，生成嵌入水印信息后的矢量地理空间数据，选择在整数小波变换后的低频系数中嵌入水印信息，鲁棒性强，具有较强的抗噪声能力，为准确地提取水印信息，在嵌入水印信息的同时记录嵌入水印信息的原始坐标串；

在水印提取过程中，水印信息的提取其实是水印信息嵌入过程的逆过程，对待检测坐标串和原始坐标串分别进行整数小波正变换得到各自的低频系数，比较二者的大小得到提取的水印信息W′，比较提取的水印信息W′与原始水印信息W的差别以判断待检测数据中是否含有水印信息。本发明方法先进、科学，保证嵌入水印信息后数据的质量，稳定性好，有较好的不可感知特性，抗噪能力强，是水印技术嵌入与提取一大创新。

四、附图说明

图1为基于整数小波变换的矢量地理空间数据水印方法的流程图。

图2为各种攻击条件下水印提取效果。

图3为嵌入水印前后可视化比较。

五、具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

由图1给出，本发明的方法是，

A、读取矢量地理空间数据，即从测绘数据库中读取原始矢量地理空间数据；

B、水印信息加密和生成，即利用混沌系统所产生的混沌序列具有非常好的伪随机性和初值敏感性特点，采用Logistic混沌映射系统对水印图像进行加密，

具体算法步骤如下：

第一步，首先读取大小为M×N的原始二值水印信息W，并降维成一维序列{x_k}，k＝1，…，M×N，K＝M×N为水印长度；

第二步，利用Logistic混沌映射系统生成长度为K的随机序列{p_k}，k＝1，…，M×N；

第三步，“异或”操作，生成密文水印信息序列{y_k}，k＝1，…，M×N，

{y_k＝x_kp_k}，k＝1，…，M×N；

C、水印信息嵌入，对原始地理空间数据的坐标串{(x_i，y_i)，i＝1，…，N}，或者其中的{x_i，i＝1，…，N}串或{y_i，i＝1，…，N}串进行整数小波正变换(DWT)，在其变换后得到的低频系数中嵌入水印信息，然后对嵌入水印信息后得到的高频、低频系数进行相应的整数小波逆变换(IDWT)，得到嵌入水印信息后的矢量地理空间数据。

由于小波变换的高频系数主要反映的是细节信息，易受到压缩、噪声等攻击，而小波变换的低频系数反映的是原始信号的逼近信息，代表了信号的大部分能量，一般不会受到攻击，因此本发明选择在整数小波变换后的低频系数中嵌入水印信息，算法具有强的抗噪能力。

在嵌入水印信息的同时记录嵌入水印信息的原始坐标串，用于水印信息的提取。

嵌入规则为：

D[x′(k)]＝D[x(k)]+p*w(k)    (k＝0，1，…n-1)

其中，D[x(k)]表示小波分解得到的低频系数；n表示可嵌入水印信息的比特数；p表示嵌入的水印强度，一般选择p＝2；

D、水印信息提取：对待检测坐标串和原始坐标串分别进行整数小波正变换得到各自的低频系数，通过比较二者的大小提取出水印信息W′，比较提取的水印信息W′与原始水印信息W的差别以判断待检测数据中是否含有水印信息。具体水印信息提取流程图如图1所示。

在低频系数的比较过程中，按以下规则进行

c(k)＝D[x_d(k)]-D[x_o(k)]

$w_d\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& c\left(k\right)\&GreaterEqual;o\\ -1& c\left(k\right)<0\end{array}\right.$

其中x_d(k)表示待检测的坐标数据；x_o(k)表示原始坐标数据；w_d(k)为检测得到的水印信息。

要指出的是，由图2所示，其中(1)表示的是含水印的矢量地理空间数据没有受到任何攻击情况下提取出的水印信息很清晰，(2)-(6)分别为数据受到噪声攻击、随机删除点、数据压缩、裁剪，以及数据格式转换等攻击时所检测出的水印信息仍很清晰，这表明水印信息鲁棒性强；

E、最后进行精度评估和控制，即通过对原始数据和嵌入水印信息后数据的比较，对嵌入水印信息后数据精度进行客观的评价，在嵌入水印信息后，对较少部分变化比较大的坐标点进行强制的拉回，控制嵌入水印信息后的数据精度。

例如基于整数小波变换的算法中：采用一幅1∶25万地形图的等高线图层进行水印信息嵌入试验，在不同的攻击条件下进行了水印信息的提取试验(图2)，与浮点小波方法进行了试验比较，并进行了可视化比较试验(图3)，表明了本发明好的鲁棒性和不可感知性。

从试验结果来看，在嵌入水印信息后不影响图形显示质量见图3所示，图3中的实线为原始地理空间数据可视化的效果图，虚线为嵌入水印后的数据可视化的效果图，可以看出，嵌入水印前后，对人的视觉影响非常小，人眼是感觉不到变化的，因此加水印对图形视觉上无明显影响，这表明具有很好的不可感知性，不影响数据的正常使用；本发明能很好的控制嵌入水印后数据的精度；在对数据进行删除、添加部分数据点后仍然能提取出相应的水印信息，具有较好的鲁棒性。

综合分析，与其它矢量地理空间数据数字水印方法相比，本发明具有以下一些优点：

1、1∶25万地图数据库中的坐标数据以整型存储，本发明基于整数小波变换，在变换的过程中没有人为的舍入存在，因此本发明的鲁棒性优于基于浮点型小波变换的方法。

2、整数小波变换能实现整数到整数的完全可逆的变换，因此本发明具有较好的可恢复性，即嵌入水印信息后的数据能很好的恢复成原始数据。

3、小波变换多尺度分析的特点适应人类视觉系统的特点，有助于保证水印嵌入过程中视觉上的不可见性，即本发明具有较好的不可感知特性。

4、在水印嵌入过程中引入了精度控制的概念，对嵌入后数据变化大小进行控制，保证嵌入水印信息后数据的质量。

5、把水印信息嵌入到变换后的低频部分，使得本发明具有好的抗噪能力(噪声一般为小波变换的高频部分)。

6、鲁棒性强。

总之，本发明有效地解决了矢量地理空间数据的数字水印技术中精度不足、鲁棒性差、难度大等问题，为国家和军队地理空间数据的安全、知识产权保护等提供数字水印的技术保障。

Claims (5)

1、一种基于整数小波变换的矢量地理空间数据水印方法，包括从测绘数据库中读取原始矢量地理空间数据和水印的嵌入与提取，其特征是，在水印嵌入时，首先利用Logistic混沌映射系统对水印图像进行加密；然后，从测绘数据库中读取原始矢量地理空间数据，对矢量地理空间数据的坐标串进行整数小波正变换，在其变换后得到的低频系数中嵌入水印信息；其后进行整数小波逆变换，生成嵌入水印信息的矢量地理空间数据，通过对原始数据和嵌入水印信息后数据的比较，对嵌入水印信息后数据精度进行客观评价，对较少部分变化比较大的坐标点进行强制的拉回，控制嵌入水印信息后的数据精度；在水印提取时，对待检测坐标串和原始坐标串分别进行整数小波正变换得到各自的低频系数，通过比较二者的大小提取出水印信息W′，比较提取的水印信息W′与原始水印信息W的差别以判断待检测数据中是否含有水印信息。

2、根据权利要求1所述的基于整数小波变换的矢量地理空间数据水印方法，其特征在于，所说的Logistic混沌映射系统对水印图像进行加密，其步骤是，首先读取大小为M×N的原始二值水印信息W，并降维成一维序列{x_k}，k＝1，...，M×N，K＝M×N为水印长度，第二步，利用Logistic混沌映射系统生成长度为K的随机序列{p_k}，k＝1，...，M×N，第三步，“异或，，操作，生成密文水印信息序列{y_k}，k＝1，...，M×N，{y_k＝x_kp_k}，k＝1，...，M×N

3、根据权利要求1所述的基于整数小波变换的矢量地理空间数据水印方法，所说的矢量地理空间数据的坐标串为：{(x_i，y_i)，i＝1，...，N}或{x_i，i＝1，..，N}或{y_i，i＝1，...，N}，其中x为横向坐标，y为纵向坐标，N为数据点的个数。

4、根据权利要求1所述的基于整数小波变换的矢量地理空间数据水印方法，所说的水印嵌入包括同时记录嵌入水印信息的原始坐标串，用于水印信息的提取，嵌入规则是：D[x′(k)]＝D[x(k)]+p*w(k)(k＝0，1，…n-1)，其中，D[x(k)]表示小波分解得到的低频系数，n表示可嵌入水印信息的比特数；p表示嵌入的水印强度。

5、根据权利要求1所述的基于整数小波变换的矢量地理空间数据水印方法，所说的水印提取是在低频系数的比较过程中，按以下规则进行：c(k)＝D[x_d(k)]-D[x_o(k)]

$w_d\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& c\left(k\right)\&GreaterEqual;o\\ -1& c\left(k\right)<0\end{array},\right.$ 其中x_d(k)表示待检测的坐标数据；x_o(k)表示原始坐标数据；w_d(k)为检测得到的水印信息。

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