CN101430786A - 基于视觉感知特性的矢量地图无损数据隐藏方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于视觉感知特性的矢量地图无损数据隐藏方法。包括如下步骤：(1)对待加入水印的矢量地图进行多边曲线的提取；(2)对提取的每条多边曲线分别进行顶点坐标提取；(3)搜索每条多边曲线高密度顶点区域；(4)阈值选取多边曲线噪声不敏感区域作为水印载体数据；(5)在选中的多边曲线的噪声不敏感区域进行水印嵌入；(6)利用水印提取及无损恢复单元对含有水印信息的矢量地图进行水印提取并无损地恢复原矢量地图数据。本发明可以有效解决矢量地图水印嵌入后数据精度不足、鲁棒性差以及原始数据的无损恢复问题。

Description

基于视觉感知特性的矢量地图无损数据隐藏方法

(一)技术领域

本发明涉及的是地理信息科学、信息隐藏方法，具体讲是一种基于视觉感知特性的矢量地图无损数据隐藏方法。

(二)背景技术

数字矢量地图是构成地理信息系统(GIS)的核心数据，它具有精度高、支持高质量缩放等诸多优良性能。GIS技术的发展使得矢量地图在很多领域都拥有广泛的应用前景，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。因此矢量地图与其他数字媒体一样，面临着一系列数据安全问题，包括版权保护、来源跟踪、篡改鉴别。

数字水印技术是随着数字化的进程而发展起来的保护数据安全的前沿技术，它是在不影响原数据可用性的前提下，将秘密信息-水印与原数据结合并隐藏其中，成为不可分离的一部分，由此来证实数据所有权。可逆水印技术又称为无损数据隐藏，是指能够完整恢复原始载体数据的水印算法。由于矢量地图的应用环境比较严格，通常希望避免对原始地图数据的任何改动，而可逆水印技术最终能将嵌入水印的矢量地图完好无损地恢复，因此可逆方案是最好的解决方法。

目前可逆水印技术的研究主要集中在栅格图像领域，主要方法包括利用可逆模加、无损压缩、改变直方图、和差值扩大来实现算法的可逆性。按照具体的实现方式可以分为两类：空域法和变换域法。基于空域的数据隐藏方法有：1、Fridrich的方法，该方法先将原始图像分成互不交叠的由相邻象素构成的块，设定一个判别函数对块的平滑度进行设定，定义一个可逆变换对象素的最低位进行反转。2、Celik的G-LSB方法，首先对图像中的各点数据进行量化，然后用图像中各点的灰度值减去这个量化值，从而得到剩余量，对剩余量进行压缩，然后将其与需要嵌入的信息合并成为一组新的数据流嵌入到图像各点数据量化值中。3、Ni van Leest的方法，该文献提出一种先对图像分块，然后引入一个压缩函数作用于直方图，使得直方图峰值旁出现空位，若嵌入数据的值为0，则保持该点的灰度值数据不变；若嵌入的数据的值为1，则将该点的灰度值变为空位。4、zhicheng的方法，首先找出图像中直方图中出现的峰值点，然后找到图像中不存在的灰度值，再通过增加或减少图像中所有灰度值不是直方图峰值的点，来使直方图中的峰值旁出现空位，然后利用图像中是峰值的各点来嵌入数据。基于变化域的图像无损数据隐藏方法有：1、宣国荣的方法，提出一种基于整数小波变换域的方法，先对图像进行直方图调整以避免因信息的嵌入而超过原始图像中的范围，然后在频域系数上进行水印嵌入的可逆水印算法。2、Jun Tian的方法，该方法结合压缩技术，在对图像中的各点进行整数Haar小波变换的基础上进行无损数据隐藏。3、Yang Bian的方法是利用整数DCT系数分布近似Laplacian分布的特点，结合比特移位的方法实现图像可逆水印算法，在2004年SPIE信息安全分会上提出来。

矢量地图可逆水印算法研究则刚刚起步。2004年Michael Voigt提出一种基于离散余弦变换的二维矢量数据可逆水印算法：“Reversible Watermarking of2D-Vector Data”(Proceedings of the 2004 multimedia and security workshop onMultimedia and security).2007年邵承永，王孝通等人基于差值扩大的思想，提出应用于矢量地图的无损数据隐藏算法：“Reversible Data-Hiding Scheme for 2-DVector Maps Based on Difference Expansion”(IEEE Transactions on informationforensics and security)；“矢量地图的无损数据隐藏算法研究”(中国图象图形学报)。这是目前见到的仅有的三篇关于矢量地图无损数据隐藏的文章。但是目前矢量地图无损数据隐藏的研究，在矢量地图自身特点的考虑、水印算法的鲁棒性以及水印嵌入后矢量地图的数据精度、视觉感知等方面还存在不足。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可以有效解决矢量地图水印嵌入后数据精度不足、鲁棒性差以及原始数据的无损恢复问题的基于视觉感知特性的矢量地图无损数据隐藏方法。

本发明的目的是这样实现的：

包括如下步骤：

(1)对待加入水印的矢量地图进行多边曲线的提取；

(2)对提取的每条多边曲线分别进行顶点坐标提取；

(3)搜索每条多边曲线高密度顶点区域；

(4)阈值选取多边曲线噪声不敏感区域作为水印载体数据；

(5)在选中的多边曲线的噪声不敏感区域进行水印嵌入；

(6)利用水印提取及无损恢复单元对含有水印信息的矢量地图进行水印提取并无损地恢复原矢量地图数据。

本发明还可以包括：

1、所述的对提取的每条多边曲线分别进行顶点坐标提取中，每条多边曲线的顶点坐标序列构成一个向量V_i：

V_i＝{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_n，y_n)，...}，i∈{1，2，...，m}

其中m表示在步骤(1)中提取出的多边曲线条数，x_n、y_n表示每条曲线上第n个顶点坐标。

2、所述的搜索每条多边曲线高密度顶点区域是：计算在每条多边曲线内以各个顶点(x_n、y_n)为圆心、以指定R为半径的圆所包含的顶点的个数，计算公式如下：

M_n＝{sum(i)|(x_n-x_i)²+(y_n-y_i)²≤R²，i＝0，1，...，N-1}

n∈{0，1，...，N-1}

式中x_n、y_n代表该条曲线的第n个顶点坐标，N代表该条曲线的所有顶点个数，x_i、y_i代表该条曲线上所有的N个顶点坐标；矢量地图中每条多边曲线高密度顶点区域，即为由顶点数为M的所有顶点构的一段曲线，M计算公式如下：

M＝Max{M₁，M₂，...，M_N}

3、所述的阈值选取多边曲线噪声不敏感区域作为水印载体数据是：预先设定阈值d，对步骤(3)中每条多边曲线高密度顶点区域的M值进行分类：

4、所述的在选中的多边曲线的噪声不敏感区域进行水印嵌入的方法是：对选中曲线的M个顶点区域，截取其顶点坐标小数部分的前两位进行整数小波变换，在变换后的高频系数中进行水印序列嵌入；依据如下方法修改十进制高频小波系数X_i：

其中w代表水印0，1序列，X_i’代表含水印的十进制小波系数。

5、所述的利用水印提取及无损恢复单元对含有水印信息的矢量地图进行水印提取并无损地恢复原矢量地图数据是：对含水印的十进制高频小波系数Xi’，进行水印提取，提取公式如下：

在提取水印的基础上依据如下公式对小波系数Xi进行恢复：

本发明基于视觉感知特性的矢量地图无损数据隐藏方法，充分利用了人眼对于复杂纹理区噪声的不敏感特性，选取多边曲线中高密度顶点区域进行水印嵌入，保证了水印嵌入后视觉上的不可见性，在充分考虑顶点坐标精度的条件下，选取顶点坐标小数部分的前两位进行整数小波变换，对选中的小波高频系数进行水印嵌入，保证了水印嵌入后的数据精度，并在水印提取时可以无损地恢复原始数据。与其他矢量地图信息隐藏方法相比，本发明具有以下优点：

1、本发明选取多边曲线中高密度顶点区域进行水印嵌入，有助于保证水印嵌入后视觉上的不可见性。特别在矢量地图中线、面图层较多的情况下具有更好的效果；

2、本发明提出一种新的在频域进行的可逆水印嵌入方法，保证了水印鲁棒性的要求；

3、本发明选择顶点坐标小数部分的前两位进行整数小波变换，保证了水印嵌入后的数据精度；

4、本发明提出的可逆水印嵌入方案具有较高的有效信息载荷；

5、本发明在提取水印后能无损恢复原矢量地图数据，特别适用于军事机密矢量地图不容篡改的场合，是矢量地图无损数据隐藏的一大创新。

(四)附图说明

图1为基于视觉感知特性的矢量地图无损数据隐藏方法流程图；

图2为提取出的矢量地图多边曲线实例；

图3为小波高频系数进行阈值嵌入原理图；

图4为小波高频系数无损恢复原理图；

图5为含水印的矢量地图多边曲线实例；

图6-1至图6-5为各种攻击条件下水印提取效果图。其中图6-1为：不攻击；图6-2为：噪声攻击；图6-3为：格式转换；图6-4为：数据压缩；图6-5为：剪切。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明基于视觉感知特性的矢量地图无损数据隐藏方法流程图，该方法总体分为两方面：A、矢量地图水印嵌入算法；B、矢量地图水印提取算法以及原矢量数据的无损恢复。

A、矢量地图水印嵌入算法，步骤如下：

(1)对待加入水印的矢量地图进行多边曲线的提取；

如图2所示，我们用Mapinfo提取出的多边曲线，这些曲线属于两个“哈尔滨城区图水系线”图层曲线的叠加，在这些叠加曲线中添加水印具有较高的鲁棒性。

(2)对提取的每条多边曲线分别进行顶点坐标提取；

每条多边曲线的顶点坐标序列构成一个向量V_i：

V_i＝{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_n，y_n)，...}，i∈{1，2，...，m}

其中m表示在步骤(1)中提取出的多边曲线条数，(x_n，y_n)表示每条曲线上第n个顶点坐标。

(3)搜索每条多边曲线高密度顶点区域；

本发明基于视觉感知特性的无损隐藏，充分考虑到嵌水印后矢量地图的视觉效果，将水印嵌入在每条多边曲线的高密度顶点区域，因此在嵌水印前先对多边曲线高密度顶点区域进行搜索，方法如下：

计算在每条多边曲线内以各个顶点(x_n，y_n)为圆心、以指定R为半径的圆所包含的顶点的个数，计算公式为：

M_n＝{sum(i)|(x_n-x_i)²+(y_n-y_i)²≤R²，i＝0，1，...，N-1}

n∈{0，1，...，N-1}

式中(x_n，y_n)代表该条曲线的第n个顶点坐标，N代表该条曲线的所有顶点个数，(x_i，y_i)代表该条曲线上所有的N个顶点坐标。则矢量地图中每条多边曲线高密度顶点区域，即为由顶点数为M的所有顶点构的一段曲线，M计算公式为：

M＝Max{M₁，M₂，...，M_N}

(4)阈值选取多边曲线噪声不敏感区域作为水印载体数据；

由于每条多边曲线本身顶点密度存在很大差异，考虑到嵌水印后矢量地图的视觉特性，步骤(3)中搜索到的每个多边曲线的高密度顶点区域，并不一定都适合嵌入水印，因此预先设定阈值d，对每条多边曲线的高密度顶点区域依据其M值进行筛选：

(5)在选中的多边曲线的噪声不敏感区域进行水印嵌入；

为了进一步提高含水印矢量地图的视觉效果，对步骤(4)选中的每一条曲线的M个顶点区域(噪声不敏感区域)，截取其顶点坐标小数部分的前两位进行整数小波变换，在变换后的高频系数中进行水印序列嵌入，在此选用整数提升小波变换CDF(2，2)；依据如下方法修改十进制小波系数X_i：

其中w代表水印0，1序列，X_i’代表含水印的十进制小波系数。表1为小波阈值嵌入简化实例，其中以x坐标为例。

表1 小波阈值嵌入简化例子

B、矢量地图水印提取算法以及原矢量数据的无损恢复，步骤如下：

(6)利用水印提取及无损恢复单元对含有水印信息的矢量地图进行水印提取，完全无损地恢复原矢量地图数据；

①按照水印嵌入算法第(1)步对含水印的矢量地图进行多边曲线的提取；

②按照水印嵌入算法第(2)步对提取的每条多边曲线分别进行顶点坐标提取；

③按照水印嵌入算法第(3)步对矢量地图中每条多边曲线高密度顶点区域搜索；

④依据预先设定的阈值d，对每条多边曲线的高密度顶点区域依据其M值进行筛选；

⑤对选中的多边曲线的噪声不敏感区域进行水印提取；

对步骤④中筛选出的含水印高密度顶点区域，截取其顶点坐标小数部分的前两位进行整数小波变换，在变换后的高频系数中进行水印序列提取，对含水印的十进制高频小波系数X_i’，进行水印提取，提取公式如下：

⑥矢量地图数据无损恢复；

在提取水印的基础依据如下公式对小波系数X_i进行恢复：

表2为水印提取及小波系数无损恢复实例。在小波系数系数X_i无损恢复后，进行小波反变换，恢复各曲线高密度顶点区域顶点坐标(x坐标为例)。

表2 水印提取、小波系数无损恢复实例

(7)对含水印矢量地图进行各种抗攻击试验。

为了进一步验证该算法的鲁棒性，对利用本发明提供的水印算法嵌入水印的矢量地图进行各种抗攻击实验，结果如图6所示。

Claims (6)

1、一种基于视觉感知特性的矢量地图无损数据隐藏方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)对待加入水印的矢量地图进行多边曲线的提取；

(2)对提取的每条多边曲线分别进行顶点坐标提取；

(3)搜索每条多边曲线高密度顶点区域；

(4)阈值选取多边曲线噪声不敏感区域作为水印载体数据；

(5)在选中的多边曲线的噪声不敏感区域进行水印嵌入；

(6)利用水印提取及无损恢复单元对含有水印信息的矢量地图进行水印提取并无损地恢复原矢量地图数据。

2、根据权利要求1所述的基于视觉感知特性的矢量地图无损数据隐藏方法，其特征是：所述的对提取的每条多边曲线分别进行顶点坐标提取中，每条多边曲线的顶点坐标序列构成一个向量V_i：

V_i＝{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_n，y_n)，...}，i∈{1，2，...，m}

其中m表示在步骤(1)中提取出的多边曲线条数，x_n、y_n表示每条曲线上第n个顶点坐标。

3、根据权利要求2所述的基于视觉感知特性的矢量地图无损数据隐藏方法，其特征是：所述的搜索每条多边曲线高密度顶点区域是：计算在每条多边曲线内以各个顶点(x_n、y_n)为圆心、以指定R为半径的圆所包含的顶点的个数，计算公式如下：

M_n＝{sum(i)|(x_n-x_i)²+(y_n-y_i)²≤R²，i＝0，1，...，N-1}

n∈{0，1，...，N-1}

式中x_n、y_n代表该条曲线的第n个顶点坐标，N代表该条曲线的所有顶点个数，x_i、y_i代表该条曲线上所有的N个顶点坐标；矢量地图中每条多边曲线高密度顶点区域，即为由顶点数为M的所有顶点构的一段曲线，M计算公式如下：

M＝Max{M₁，M₂，...，M_N}

4、根据权利要求3所述的基于视觉感知特性的矢量地图无损数据隐藏方法，其特征是：所述的阈值选取多边曲线噪声不敏感区域作为水印载体数据是：预先设定阈值d，对步骤(3)中每条多边曲线高密度顶点区域的M值进行分类：

5、根据权利要求4所述的基于视觉感知特性的矢量地图无损数据隐藏方法，其特征是：所述的在选中的多边曲线的噪声不敏感区域进行水印嵌入的方法是：对选中曲线的M个顶点区域，截取其顶点坐标小数部分的前两位进行整数小波变换，在变换后的高频系数中进行水印序列嵌入；依据如下方法修改十进制高频小波系数X_i：

其中w代表水印0，1序列，X_i’代表含水印的十进制小波系数。

6、根据权利要求5所述的基于视觉感知特性的矢量地图无损数据隐藏方法，其特征是：所述的利用水印提取及无损恢复单元对含有水印信息的矢量地图进行水印提取并无损地恢复原矢量地图数据是：对含水印的十进制高频小波系数Xi’，进行水印提取，提取公式如下：

在提取水印的基础上依据如下公式对小波系数Xi进行恢复：

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