CN102682246B

CN102682246B - 一种基于数据点定位的矢量地理数据数字水印方法

Info

Publication number: CN102682246B
Application number: CN201210139378.0A
Authority: CN
Inventors: 朱长青; 王玉海; 王奇胜; 吴维; 佟德宇
Original assignee: NANJING JIYIN INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Nanjing Jiyin Information Technology Co., Ltd.
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2032-05-08
Also published as: CN102682246A

Abstract

本发明公开了一种基于数据点定位的矢量地理数据数字水印嵌入和检测算法，属于地理信息版权保护的技术领域。本发明的方法针对地理数据的拼接与更新无法有效检测水印信息的问题，利用脆弱水印篡改定位特征，设计一种基于数据点定位的矢量地理数据数字水印算法，针对数据拼接和数据更新攻击，在水印检测时能够将原始数据点（即含有水印信息的数据点）定位出来，并结合鲁棒水印有效检测出数据的原始版权，保护数据拥有者的权益。

Description

一种基于数据点定位的矢量地理数据数字水印方法

技术领域

本发明属于地理信息版权保护领域，具体涉及一种基于数据点定位的抗数据拼接与更新的矢量地理数据数字水印嵌入和检测算法，以提高矢量数据数字水印抗数据拼接和数据更新攻击能力。

背景技术

矢量地理数据是基础地理信息数据的主要组成部分，更是广泛应用在国家经济建设的方方面面。当前，我国经济飞速发展，国家加大了基础设施建设的力度，用于城市规划、工程设计、施工放样的矢量地理数据需求量增多，且现势性要求高。为了满足城乡发展建设的需要，提高矢量地理数据现势性，矢量地理数据更新问题就显得尤为重要。

在矢量地理数据生产过程中，为了便于数据的采集和使用，需要将数据采集区域划分成若干块，因此矢量地理数据特别是基础比例尺矢量地理数据大部分以分幅的形式存贮、管理和分发。然而，在矢量地理数据应用中，特别是地理信息系统和地理信息数据库的应用，打破了矢量地理数据使用的图幅限制，为了制图或者空间分析的需要，经常需要把多幅数据进行拼接处理，进行全图分析或者生成热点区域的地图。同时，在新的地理数据的生产模式下，矢量地理数据的生产不仅仅是进行原始数据的生产，大部分情况下是通过遥感影像对现有的矢量地理数据进行更新。

由于我国经济飞速发展，很多地区的变化日新月异，这在矢量地理数据更新中的表现则是原有的数据很多都不再适用，从而生成新的矢量地理数据中原始数据的比例很小。另外，若是未得到授权的用户使用嵌入水印的数据作为自己生产地理数据的来源，这时虽然也可以说生成的数据是新的数据，声明原始版权并不一定合适，但是对于数据的非法使用仍然是应该追究的。在这些情况下，针对新生成的矢量地理数据产品，数字水印技术也应该能够保护原始数据提供者的版权。

目前的算法主要将这些情况简单当作数据编辑中的增加数据点来处理，把不含有水印的数据当作噪声，但是在实验和实际应用中证明很多时候无法检测到水印信息。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前矢量地理数据的拼接与更新无法有效检测水印信息的问题，利用脆弱水印篡改定位特征，提出一种基于数据点定位的矢量地理数据数字水印算法，使得水印算法在抗数据拼接和数据更新攻击方面具有好的鲁棒性。

为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案为：

一种基于数据点定位的矢量地理数据数字水印方法，包括以下过程：

（1）水印信息生成

步骤一：采用坐标映射的方法生成水印信息，将水印信息映射至固定长度的二进制序列，使它们之间一一对应，对二进制序列进行置乱可以得到待嵌入的鲁棒水印信息；

步骤二：矢量地理数据的读取和处理，读取待嵌入水印信息的矢量地理数据，获取矢量数据点的横坐标、纵坐标组成的坐标对，记为(x,y)；

步骤三：提取所有数据点，对任意数据点(x_i,y_i)，利用数据点的坐标特征生成脆弱水印信息；

（2）水印嵌入过程

步骤一：针对已获得的矢量数据点的x坐标，利用映射水印算法将鲁棒水印信息嵌入到矢量地理数据的x坐标上，y坐标不做鲁棒水印嵌入，留待做脆弱水印嵌入；

步骤二：针对已获得的矢量数据点的y坐标，利用量化思想，根据量化步长N进行水印嵌入，水印嵌入规则如下：

\{\begin{matrix} y_{bi} = w_{i}, & y_{bi} < N \\ y_{bi} = N + w_{i}, & N \leq y_{bi} < 2 N \\ . . . & . . . \\ y_{bi} = (n - 2) N + w_{i} & (n - 2) N \leq y_{bi} < (n - 1) N \\ y_{bi} = (n - 1) N + w_{i} & (n - 1) N \leq y_{bi} < 9 \end{matrix}

y_bi为任意数据点(x_i,y_i)精度位上的纵坐标数据，用水印嵌入规则修改后的y_bi替换原先的数据位，得到嵌入水印后的数据；

步骤三：保存嵌入水印信息后的矢量地理数据；

（3）水印检测过程，为所述（2）水印嵌入过程的逆过程：

步骤一：数据的读取和处理，读取含水印信息的矢量地理数据，提取出待检测矢量地理数据中所有数据点坐标对，记为(x′,y′)；

步骤二：根据脆弱水印信息生成方法，对(x′,y′)进行映射，得到映射结果w′；

步骤三：根据量化步长N，通过下式计算提取出的水印，提取出水印信息，仍然记为w′；

\{\begin{matrix} w_{i}^{'} = w_{i}^{'}, & y_{bi}^{'} < N \\ w_{i}^{'} = N + w_{i}^{'}, & N \leq y_{bi}^{'} < 2 N \\ . . . & . . . \\ w_{i}^{'} = (n - 2) N + w_{i}^{'}, & (n - 2) N \leq y_{bi}^{'} < (n - 1) N \\ w_{i}^{'} = (n - 1) N + w_{i}^{'}, & (n - 1) N \leq y_{bi}^{'} \leq 9 \end{matrix}

步骤四：将w′_i与精度位上的坐标值y′_bi进行比较，若两者相同，则对应数据点标记为原始数据点；若两者不等，则对应数据点不是原始数据点，不作标记；

步骤五：对于经过数据脆弱水印检测标识出的数据，使用与水印嵌入算法对应的检测算法进行鲁棒水印检测，得到二值水印序列。然后对二值水印序列进行逆置乱，根据固定长度的二进制序列和水印信息之间的映射关系，匹配得到最终水印信息。

附图说明

图1是本发明方法的水印嵌入流程图。

图2是本发明方法的实验数据。

图3是图2被数据拼接攻击后进行脆弱水印检测的局部放大图。

图4是图2被数据更新攻击后进行脆弱水印检测的局部放大图。

图5是本发明方法的水印检测流程图。

具体实施例

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例选择等高线层矢量地理数据为实验数据，针对数据的读取、水印信息生成、水印嵌入、含水印数据保存、数据拼接后的水印检测、数据更新后的水印检测、检测结果输出的整个过程，给出本发明的一个实施例，进一步详细说明本发明。

如图2，本实施例选择以一幅1∶25万等高线层矢量地理数据作为实验数据(160182个坐标点)。

1.水印信息生成

步骤一：输入待嵌入的版权信息，本实施例的版权信息为：AAAA，采用坐标映射的方法生成映射水印信息；

步骤二：读取待嵌入水印信息的矢量地理数据，获取矢量数据点的横坐标、纵坐标组成的坐标对，记为(x,y)；

2.水印嵌入过程

步骤一：利用映射水印算法分别将鲁棒水印信息嵌入到矢量地理数据的x坐标上；

步骤二：利用量化思想，根据量化步长N进行水印嵌入，用水印嵌入规则修改后的y_bi替换原先的数据位；

步骤三：保存嵌入水印信息后的矢量地理数据；

3.水印检测过程：

步骤一：读取含水印信息的矢量地理数据，提取出待检测矢量地理数据中所有数据点坐标对，记为(x′,y′)；

步骤三：根据量化步长N，通过算法公式计算提取出的水印，提取出水印信息，仍然记为w′；

步骤五：对脆弱水印标识出的数据进行鲁棒水印检测，提取出版权信息。

4.本方法的特点与技术优势

（1）本方法中最为关键的是水印的嵌入方法，采用不同的水印嵌入算法分别对矢量数据点的x及y坐标进行水印嵌入，对x坐标值采用鲁棒水印算法，对y坐标值采用脆弱水印算法。

（2）在矢量地理数据进行数据拼接处理之后，本方法能提高检测结果的相关系数，有效检测出嵌入的水印信息，增强检测结果的可信度。同时，在原始数据保留较少的情况下，也就是拼接后数据量远大于原始数据量时，本方法依然能有效检测出数据中的水印信息，具有较好的抗数据拼接能力。鲁棒水印在不含水印点过多的情况下的水印检测困难，通过脆弱水印的篡改定位功能将不含水印点排除，降低干扰点对鲁棒水印检测的影响，能够提高鲁棒水印检测的有效性。

5.测试与分析

本发明所提出的方法是专门针对矢量地理数据抗拼接和更新的水印方法，采用该方法可以有效的保护原始矢量地理数据的版权。

（1）数据拼接攻击

数据拼接是矢量地理数据应用中常见的一种攻击方式，拼接后的新数据中可能包含大量不含水印的数据，或者多个版权信息，可能导致无法有效检测到所有的水印信息。本方法结合鲁棒水印和脆弱水印的特点，通过脆弱水印是在原始真实信号中嵌入某种标记信息，通过鉴别这些标记信息的改动，达到对原始数据完整性检验的目的，从而提取出原始数据中嵌入的水印信息。试验结果表明，拼接后数据含有一个水印信息时，水印检测相关系数值为0.953；拼接后数据含有多个水印信息时，水印检测相关系数值为1.000。

（2）数据更新攻击

数据更新是矢量地理数据应用中普遍的一种攻击方式，更新后的新数据可能增加许多不含水印数据，而且原先含水印的数据可能离散分布，增加了水印信息有效检测的困难。对含水印的矢量地理数据进行更新，实验结果表明，水印信息可以正确提取，相关检测系数值为0.858。

Claims

1.一种基于数据点定位的矢量地理数据数字水印方法，其特征在于包括以下过程：

(1)水印信息生成：

采用坐标映射的方法生成水印信息，将水印信息映射至固定长度的二进制序列，使它们之间一一对应，对二进制序列进行置乱可以得到待嵌入的鲁棒水印信息；

矢量地理数据的读取和处理，读取待嵌入水印信息的矢量地理数据，获取矢量数据点的横坐标、纵坐标组成的坐标对，记为(x，y)；

提取所有数据点，对任意数据点(x_i，y_i)，利用数据点的坐标特征生成脆弱水印信息；

(2)水印嵌入过程：

针对已获得的矢量数据点的x坐标，利用映射水印算法将鲁棒水印信息嵌入到矢量地理数据的x坐标上；

针对已获得的矢量数据点的y坐标，利用量化思想，根据量化步长N进行脆弱水印嵌入，水印嵌入规则如下：

\{\begin{matrix} y_{bi} = w_{i}, & y_{bi} < N \\ y_{bi} = N + w_{i}, & N \leq y_{bi} < 2 N \\ \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot \\ y_{bi} = (n - 2) N + w_{i}, & (n - 2) N \leq y_{bi} < (n - 1) N \\ y_{bi} = (n - 1) N + w_{i}, & (n - 1) N \leq y_{bi} < 9 \end{matrix}

y_bi为任意数据点(x_i，y_i)精度位上的纵坐标数据，用水印嵌入规则修改后的y_bi替换原先的数据位，得到嵌入水印后的数据；

保存嵌入水印信息后的矢量地理数据；

(3)水印检测过程：

数据的读取和处理，读取含水印信息的矢量地理数据，提取出待检测矢量地理数据中所有数据点坐标对，记为(x′，y′)；

根据脆弱水印信息生成方法，对(x′，y′)进行映射，得到映射结果w′；

根据量化步长N，通过下式计算提取出的水印，提取出水印信息，仍然记为w′；

\{\begin{matrix} w_{i}^{'} = w_{i}^{'}, & y_{bi}^{'} < N \\ w_{i}^{'} = N + w_{i}^{'}, & N \leq y_{bi}^{'} < 2 N \\ \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot \\ w_{i}^{'} = (n - 2) N + w_{i}^{'}, & (n - 2) N \leq y_{bi}^{'} < (n - 1) N \\ w_{i}^{'} = (n - 1) N + w_{i}^{'}, & (n - 1) N \leq y_{bi}^{'} \leq 9 \end{matrix}

将w′_i与精度位上的坐标值y′_bi进行比较，若两者相同，则对应数据点标记为原始数据点；若两者不等，则对应数据点不是原始数据点，不作标记；

对于经过数据脆弱水印检测标识出的数据，使用与水印嵌入算法对应的检测算法进行鲁棒水印检测，得到二值水印序列，然后对二值水印序列进行逆置乱，根据固定长度的二进制序列和水印信息之间的映射关系，匹配得到最终水印信息。