CN103020886B - 一种基于线特征的数字扫描地图水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于线特征的数字扫描地图水印方法，水印二进制信号被局部嵌入到提取出来的位于长边缘曲线上边缘点周围的像素中，即用二进制信号调制在边缘曲线上像素边缘方向的直方图。本方法以边缘曲线作为进行水印的特征，而传统的方法是用图像二维阵列的结构作为特征实现同步水印信号。由于数字扫描地图中的边缘曲线特征比较可靠，并且水印是被局部嵌入，所以本方法在应对图像增强操作以及缩放、旋转、剪切和仿射变换等轻微的几何变形等方面都具有较好的鲁棒性，在扫描数字地图的版权保护方面是一种有效的水印技术。

Description

一种基于线特征的数字扫描地图水印方法

技术领域

本发明涉及数字地图水印技术领域，尤其是涉及一种新的将水印嵌入提取出的边缘曲线的周边像素以及从其中进行提取的盲水印方法。

背景技术

在地理信息系统(GIS)领域，大量的纸质地图被扫描为数字图像，进而转换为矢量地图。扫描地图的版权保护是一个重要的问题。数字水印是一种将信号不可觉察地镶嵌在宿主数据的源内容或信号中的技术。由于可以对带有版权信息的水印进行检测、识别和跟踪，是一种非常有用的数字资料版权保护的技术。地球空间信息领域对水印技术的技术和法律问题进行了讨论。鲁棒的水印是应对无意识水印攻击(如JPEG压缩,剪切等)的有效手段，对于侵犯版权的行为也能够起到一定的威慑作用。理论上所有的图像水印技术都能够直接应用于扫描地图图像。但因为地图相对于普通图像来说具有不同的特征，所以应特别注意提高算法抗攻击的鲁棒性。地图图像通常缺少纹理区域并且由背景、彩色/灰度区域、特征/标识和线特征组成，全部将水印嵌入到灰度或颜色分布均匀的区域往往是不可靠的，因为简单的过滤或压缩就可以轻易地破坏水印信号。

对于图像水印的攻击可以大致分为：（1）类噪声信号处理，（2）几何变形。到目前为止已经提出了很多鲁棒的水印算法以应对这些攻击，经典的静止图像水印算法大致分为两类：（1）空间域水印，（2）变换域水印。（3）空间域和变换域的混合方法。空间域水印方法直接将水印嵌入空间域中的像素值，这种方法在一般的图像压缩操作中的鲁棒性低于变换域水印方法，因为压缩可以很轻易地破坏像素值中的添加信息。变换域水印方法改变了变换域的变换系数，经典的方法包括离散傅立叶变换（DFT），离散余弦变换（DCT）和离散小波变换（DWT）。一般来说，变换域水印较之空间域水印更加鲁棒、隐蔽并且在类噪声信号处理中更加稳定。几何变形方面，检测水印的难点在于几何变形很容易导致水印信号定位（同步）的失败。水印通常是基于像素二维阵列的图像结构，如果标记的图像遇到了几何变形，图像的内部参照就会随之改变从而导致基于该参照的检测失败。抵御几何变形攻击的稳健水印方法之一是利用原图像使水印同步，但对原图像的依赖限制了此类方法的应用。Fourier-Mellin变换(FMT)理论上能够鲁棒地应对RST（旋转、缩放、平移）攻击，它的一个缺点是对于防御剪切攻击并不是很有效。

国外学者提出了基于内容或特征的水印方法。基于内容的水印方法把水印嵌入到从图像中提取出来的特征信息，在经过几何变形等攻击后也可以实现高可靠性的水印恢复，或利用作为水印参照的特征点保持了几何变形之后的同步，但还不能保证抵御剪切的鲁棒性。基于内容的数字图像水印方法有很多，包括用点特征、区域和Zernike矩幅值等。

发明内容

为了克服现有技术缺陷，本发明提出一种基于线特征的数字扫描地图水印方法。

本发明的技术方案为一种基于线特征的数字扫描地图水印方法，包括水印嵌入过程和水印检测过程，

所述水印嵌入过程包括以下步骤，

步骤1.1，对数字扫描地图进行边缘检测，获取的所有边缘像素构成一幅二进制图像；

步骤1.2，在步骤1.1所得二进制图像中跟踪边缘曲线；

步骤1.3，对步骤1.2所得每条边缘曲线，判断长度是否达到预设的长度阈值，未达到则不参与嵌入水印，达到则分割成长度相等的N条线段，N是水印信号b的长度，将水印信号b的N位一一对应嵌入到N条线段中；

设步骤1.2所得边缘曲线中，共有M条达到预设的长度阈值，记为曲线C₀，，C₁，…C_M-1，设其中任一条曲线C_m分割成N条线段并记为S₀，S₁...S_N-1，对其中任一线段S_n嵌入第n位水印信号b_n的实现方式如下，

对线段S_n抽样后得到两个直线段构成的近似折线段，取其中较长的直线段记为L₀，设直线段L₀的正交方向记为

如果b_n=1，改变直线段L₀的边缘像素周围像素的灰度值，直到边缘像素的方向满足条件 $\frac{h_v}{N_0}>r_1;$

如果b_n=0，改变直线段L₀的边缘像素周围像素的灰度值，直到边缘像素的方向满足以下条件 $\frac{h_v}{N_0}<r_2;$

其中，N₀是直线段L₀的像素个数，h_v是直线段L₀的边缘像素在调整后方向是的个数，r₁和r₂是预设的系数阈值；

所述水印检测过程包括以下步骤，

步骤2.1，对数字扫描地图进行边缘检测，获取的所有边缘像素构成一幅二进制图像；

步骤2.2，在步骤2.1所得二进制图像中跟踪边缘曲线；

步骤2.3，对步骤2.2所得每条边缘曲线，判断长度是否达到预设的长度阈值，未达到则不参与嵌入水印，达到则分割成长度相等的N条线段，N是水印信号的长度；

设步骤2.2所得边缘曲线中，共有M条达到预设的长度阈值，记为曲线C₀，，C₁，…C_M-1，设其中任一条曲线C_m分割成N条线段记为S₀，S₁…S_N-1，从其中任一线段S_n提取第n位水印信号w_n的实现方式如下，

w_n=1,ifr>0.5

w_n=0,ifr≤0.5

其中，m的取值范围为0,1,…M-1，n的取值范围为0,1,…N-1。

而且，判断是否成功检测出水印的实现方式如下，

设水印检测过程得到在数字扫描地图中检测到水印信号b的数目为M_d，如果M_d>kp_M则水印被检测，否则没有检测出水印，

p_M=M/2^N

其中k为预设系数。

在大多数的数字地图中线条大量存在，本发明选取边缘曲线作为特征实现水印信号的嵌入和检测。在提取出的每条长边缘曲线中，通过二进制信号（水印）修改曲线上像素的边缘方向直方图来嵌入水印，而水印的检测就是提取线特征然后通过获取边缘方向直方图来得到。边缘方向直方图的水印方法曾被用于文本图像的鲁棒水印，展示了良好的性能。本方法不仅能够对于图像增强操作具有鲁棒性，而且能够抵御图像的轻微几何变化攻击。

附图说明

图1是本发明实施例的水印嵌入流程图。

图2是本发明实施例的通过改变边缘方向直方图将1个比特嵌入到线段中示意图。

图3是本发明的测试扫描纸质地形图一。

图4是本发明的测试扫描纸质地形图二。

具体实施方式

线特征一般是一幅地图上最重要的特征，线特征包括描述地形的等高线、道路线、河流等水文目标曲线，它们包含了一幅地图的基本信息。试图修改线特征的攻击会移动或改变基于线特征的水印，图像的使用价值也就随之降低了。本发明利用边缘曲线保证在水印嵌入和提取过程中的精确同步。将水印嵌入到提取出的每条长曲线的局部，这就使得该方法对于剪切攻击具有鲁棒性。在边缘位置不变的情况下调整某些像素的边缘方向保证了几何精度和源图像的一致。

本发明技术方案可采用计算机软件技术实现自动运行流程。以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

图1描述了水印嵌入的工作流程，它包括四个步骤：

步骤1.1，对数字扫描地图进行边缘检测，数字扫描地图一般为栅格地图。边缘检测获取的所有边缘像素构成了一幅二进制图像，实施例使用被广泛应用的Canny算子，因为它能提供连续的边缘曲线并且大部分都是单像素宽。

步骤1.2，在步骤1.1所得二进制图像中跟踪边缘曲线。跟踪边缘曲线之前，实施例将所有边缘线化为单像素宽并消除边缘线上的交叉点，经过这些预处理，二进制图像就只包含了没有分支的简单曲线。在追踪的时候记录下边缘线上每个像素的坐标，对每条边缘曲线进行链编码。

步骤1.3，对步骤1.2所得每条边缘曲线，判断长度是否达到预设的长度阈值，未达到则不参与嵌入水印，达到则分割成长度相等的N条线段，N是水印信号b的长度，将水印信号b的N位一一对应嵌入到N条线段中。

设步骤1.2追踪得到的边缘曲线中，长曲线为(C₀，,C₁，，…C_m,…C_M-1)，其中M是曲线的总条数。将一条长曲线分割成长度相等的若干条线段(S₀，S_l...S_N-1)，一般仍为曲线段。长度由长曲线的像素个数均分确定。假设水印信号是一个二进制序列b＝{b₀b₁…b_n…b_N-1}，其中N个水印位b₀b₁…b_n…b_N-1逐个对应嵌入到S₀，S₁…S_N-1其中N是信号的长度，L(C_m)是曲线C_m的长度。一条长曲线C_m的长度由一个长度阈值T_L确定,即小于阈值的就不算长曲线，不参与嵌入水印。

T_L=NL_u,L(C_m)>T_L（1）

L_u是一个定义了构成边缘方向直方图的最少像素数的长度单元，例如，N＝6，L_u=30表示如果一条曲线的像素数小于180，那么在嵌入水印时就跳过该曲线。

具体嵌入通过修改曲线的边缘方向直方图实现：

首先，定义边缘方向角度间隔是π/9，某个边缘像素(x，y)的边缘方向定义为

$\mathrm{\&theta;}=\mathrm{acrtg}\left[\frac{g(x,y+1)-g(x,y-1)}{g(x+1,y)-g(x-1,y)}\right]---\left(2\right)$

这里(x，y)是边缘像素的栅格坐标，坐标系原点位于图像左下角，x和y分别代表了边缘像素的横坐标和纵坐标，g(x，y)是其灰度值。

实施例根据边缘方向角度间隔，将角度0°、20°、40°、60°、80°、100°、120°、140°、160°相应标记为0、1、2、4、5、6、7、8。

假设标签长度N＝3，即将C_m分为三段，通过如下的步骤将一个比特b₂嵌入到相应的部分S₂：

(1)根据公式（2）的定义将边缘曲线抽样化得到一个标准的边缘方向直方图，对边缘曲线中每段曲线段抽样后得到两个直线段构成的近似折线段，取其中较长的直线段嵌入水印信号数据位。例如采用现有技术中的Douglas-Peucker算法对C_m的曲线段S₂抽样，曲线段s₂由直线段L₀和L₁构成的折线段近似。直线段L₀和L₁的正交方向即为曲线段s₂的边缘方向分布，因直线段L₀更长所以具有更明显的方向性从而将比特嵌入其中，设直线段L₀的正交方向记为

(2)通过改变直线段L₀的边缘方向直方图插入相应的水印位，即比特信号b₂。

如果b₂＝1，实施例改变直线段L₀边缘像素周围像素的灰度值，直到边缘像素的方向满足以下条件

$\frac{h_v}{N_0}>r_1---\left(3\right)$

N₀是直线段L₀的像素个数，h_v是直线段L₀的边缘像素在调整后方向是的个数。r₁是一个较大的系数，表明在方向上边缘像素的数目应比较多，r₁的数值一般比0.5大，比如0.85。

反之，如果b₂＝0，实施例改变线段上边缘像素周围像素的灰度值，直到边缘像素的方向满足以下条件

$\frac{h_v}{N_0}<r_2---\left(4\right)$

r₂是一个较小的系数，表明在方向上边缘像素的数目应比较少，r₂一般设为一个小于0.5的数值，比如0.3。

对其中任一线段S_n嵌入第n位水印信号b_n的实现方式与以上方式一致，根据b_n=1或0，改变直线段L₀的边缘像素周围像素的灰度值，直到边缘像素的方向满足条件，

具体实施时，修改方式可以为：

如果b₂＝1，则修改边缘方向与相近的边缘像素的方向为比如，如果一个相近的边缘像素的方向角度大于则减小它的角度。像素(x，y)周围8个像素为(x-1，y+1)、(x，y+1)、(x+1，y+1)、(x-1，y)、(x+1，y)、(x-1，y-1)、(x，y-1)、(x+1，y-1)，相应的灰度值标记为g(,)。根据方程（2）关于边缘方向的定义，应该减小g(x，y-1)并增加g(x，y+1)，直到g(x，y+1)大于g(x，y-1)。如果一个相近的边缘像素的方向角度小于则加大它的角度，根据方程（2）关于边缘方向的定义，应该加大g(x，y-1)并减小g(x，y+1)，直到g(x，y+1)小于g(x，y-1)。通过修改边缘方向与相近的边缘像素的方向，直到满足如图2中，直线段L₀中边缘方向在区域1、5、6的边缘像素个数分别记为h₁、h₅和h₅。将比特1插入L₀，通过改变边缘像素(x，y)周围像素的灰度值将边缘方向在区域4和6的边缘像素改为在区域5，即减少使得h₄和h₆减小，h₅增大。假设(x，y)的边缘方向在区域6，减小g(x，y-1)增加g(x，y+1)直到g(x，y+1)大于g(x，y-1)。而(x，y)的边缘方向在区域4的情况相反。

同理，如果b₂＝0，则修改边缘方向为的边缘像素的方向。具体实施时，可以随机改大或改小，直到具体修改方式与上述修改。

为了保证标识的不可见性，本发明建议将增加或减少灰度值的步长设定为1，并且灰度值的调整差值限制在边缘梯度强度的1/3。在嵌入比特后每条线段的系数r都已改变，水印的检测就是根据系数r。

边缘梯度强度Δg可按下式计算：

Δg=(g(x，y+1)-g(x，y-1))²+(g(x+1,y)-g(x-1,y-1))²

水印的不可见性或图像失真是数字水印技术需要考虑的重要方面。在水印容量、鲁棒性和图像保真度（水印的不可见性）之间要取得平衡，并且要针对不同类型的图像及其用途在设计水印算法时考虑水印的不可见性问题。根据视觉失真原理，一般宜将水印隐藏在图像纹理中。本方法将水印隐藏在线特征的灰度变化部分，改变的灰度值的差值限制在边缘梯度强度的1/3，实现了根据局部信号变化强度来自适应确定水印嵌入的强度，避免了灰度改变过大导致的图像边缘部分的失真。1/3的比例上限的确定是根据实验调整得到的，在实施例的测试中验证了水印嵌入的视觉不可见性，并保证了嵌入水印的容量。

本方法的水印检测不需要源图像，所以它是一种盲水印方法。水印检测是水印嵌入的逆过程。

步骤2.1到2.3和水印嵌入过程的步骤1.1到1.3相同，在步骤2.4中，每一个比特w_n根据每一条线段的r值检测获取：

w_n=1,ifr>0.5

w_n=0,ifr≤0.5（5）

其中，n的取值为0,1,…N-1，

可通过检测信号w＝{w₀w₁…w_n…w_N-1}和嵌入使用的原始水印b＝{b₀b₁…b_n…b_N-1}之间的相关系数p，即计算检测信号与原始水印之间的相似程度。由它们之间的协方差Cov(w，b)和各自的方差V_b，V_w计算得到：

$p=\frac{\mathrm{Cov}(w,b)}{\sqrt{V_b{V}_w}}---\left(6\right)$

其中，V_b为原始水印b的方差，V_w为原始水印w的方差。

在处理完所有的曲线之后，水印检测到了分析总结阶段。为了提高检测的可靠性只考虑检测到的信号与嵌入水印二进信号序列是一致的，所以其相关系数就为1.0。在检测水印信号到很高的频率时，最终结论就为“水印被检测”。对于一幅普通图像，假设某条边缘曲线中一条线段S_n上各像素为1或0的概率都为1/2，则特定信号b的概率为1/2^N，如果共有M条曲线，则特定信号b的总概率p_M就为

p_M=M/2^N（7）

即对M条长曲线都各分N段，对同样的水印信号(长度为N)嵌入了M次。如果在一幅图像中检测到信号b的数目为M_d，则总体结论为：

如果M_d>kp_M，水印被检测。

否则没有检测出水印。k为预设系数，可由用户自行根据检测精度需求设定。换句话说，如果嵌入水印信号出现了在比普通图像上高得多的频率，则水印被检测。例如，如果标签为8比特长，提取出了500条长曲线，根据式（7），p_M＝1.95，这就是说在普通未加水印的图像上有大约两条曲线包含了特定信号b，令k＝10，有kp_M＝19.5，如果在一幅图像上探测出M_d＝30个水印信号，这就意味着水印出现的频率是在普通图像上的十几倍，那么就可以下结论“水印被探测”。

为了验证该方法，说明技术方案效果。对多幅扫描地图图像进行了测试。测试中挑选了两幅典型地图作为示例。如图3所示，包含了很多等高线，地图分辨率为2120×1770像素（b）；如图4所示，包含了更为复杂的内容，包括特征、符号、道路线、等高线和其他线特征的灰度块和特征显著区，地图分辨率为2080×1432像素。测试了水印抗攻击能力，这些攻击分为图像处理和几何攻击，如高斯平滑、锐化、添加噪声、调整反差和亮度、JPEG压缩、中值滤波和线性化等图像过滤处理，旋转、缩放、剪切、仿射变换和挤压变形等几何攻击。攻击分别用商业软件6.0以及实施例自己的程序实现。还测试了组合攻击——印刷和扫描攻击，将两幅经过水印的地图按300dpi的分辨率打印，然后它们以同样的分辨率进行扫描。

Canny边缘检测算子的参数为高斯标准偏差1.0，边缘像素的滞后阈值（low＝0.3，high＝0.7），嵌入信号为b＝{11101101},N＝8。L_u定义了构成边缘方向直方图的最低像素数，将其设为20，水印嵌入的阈值r₁和r₂分别为0.9和0.4，最终的结果，若k为10，如果检测出的水印曲线的数目比在普通图像上高10倍以上，则就可以做出结论“在这幅图像中存在水印”。

表1和表2分别显示了图3和4的水印检测结果，在表中‘＋’代表检测出水印，‘－’代表无水印。从两张表中可以看出该方法对于一般的图像过滤攻击很鲁棒。图像增强操作通常改变了灰度值的分布，在调整反差和亮度后仍然有很多检测曲线包含了水印。添加噪声和平滑可以显著减少检测水印的数目，但检出水印的线段数量仍然较大。对于图像压缩，JPEG是基于离散余弦变换，本发明的方法是基于边缘曲线并改变像素值，在实质上隶属于频率域的相位分量，所以在压缩之后大量的曲线上依然含有水印，实验表明本发明的方法对质量指标为达50％的JPEG压缩都具有鲁棒性。值得注意的是非线性滤波如中值滤波和二值化可以很轻易的破坏水印信号。中值滤波一般会将图像平滑，因为栅格图像包含有很细的线，所以一般会降低图像的质量，只对一些等高线地图，二值化可以保持它们的使用价值。由于图像的灰度信息在二值化之后会消失，所以对于图像水印来说抵抗二值化攻击是很难的。

对于几何攻击，试验了轻微的旋转、缩放、剪切、仿射变换和挤压变形。没有试验严重的变形攻击是因为在几何上大的畸变将导致使用价值大大降低。试验中的仿射变换为x_t＝1.0+1.0015x+0.0002y，y_t＝-2.0+0.0003x+0.9975y，其中(x，y)和(x_t，y_t）分别是源图像和变换后的图像的像素坐标，其他轻微的几何变形包括旋转、缩放和平移。试验表明本发明的方案对于试验的几何攻击具有鲁棒性。局部并且重复性地嵌入水印的方法使得本方法对于剪切攻击具有鲁棒性。在只保留了图像50％区域的情况下，嵌入的水印依然很好，这种特性可以用来进行快速的水印检测。对于大的图像，可以只检测图像上的几个小窗口，这样就会大大地提高检测的速度。还测试了一种混合攻击：剪切图像、调整反差和亮度并加入上面定义的仿射变换，检测出的大量信号表明了本方法的鲁棒性。对于打印/扫描攻击，发现本方法并不是很鲁棒，从图3中检测出了水印而从图4中没有检测出，打印/扫描是既含有灰度值的改变又含有几何变形，对于图4没有检测出水印的一个合理解释是在扫描过程中灰度值的改变、轻微的几何变形以及由于数字/模拟转换引起的扫描噪声过大以至于改变了嵌入到边缘曲线中的大部分水印信号。

表1.图3所示地图的攻击测试

表2.图4所示地图的攻击测试

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种基于线特征的数字扫描地图水印的嵌入及检测方法，其特征在于：包括水印嵌入过程和水印检测过程，

所述水印嵌入过程包括以下步骤，

步骤1.1，对数字扫描地图进行边缘检测，获取的所有边缘像素构成一幅二进制图像；

步骤1.2，在步骤1.1所得二进制图像中跟踪边缘曲线；

步骤1.3，对步骤1.2所得每条边缘曲线，判断长度是否达到预设的长度阈值，未达到则不参与嵌入水印，达到则分割成长度相等的N条线段，N是水印信号b的长度，将水印信号b的N位一一对应嵌入到N条线段中；

设步骤1.2所得边缘曲线中，共有M条达到预设的长度阈值，记为曲线C₀,C₁,…C_M-1，设其中任一条曲线C_m分割成N条线段并记为S₀,S₁…S_N-1，对其中任一线段S_n嵌入第n位水印信号b_n的实现方式如下，

对线段S_n抽样后得到两个直线段构成的近似折线段，取其中较长的直线段记为L₀，设直线段L₀的正交方向记为定义某个边缘像素(x,y)的方向如下，

$\mathrm{\&theta;}=\mathrm{acrtg}\left[\frac{g(x,y+1)-g(x,y-1)}{g(x+1,y)-g(x-1,y)}\right]$

其中，(x,y)是边缘像素的栅格坐标，坐标系原点位于图像左下角，x和y分别代表了边缘像素的横坐标和纵坐标，g(x,y)是边缘像素的灰度值；

如果b_n＝1，改变直线段L₀的边缘像素周围像素的灰度值，直到边缘像素的方向满足条件

$\frac{h_v}{N_0}>r_1;$

如果b_n＝0，改变直线段L₀的边缘像素周围像素的灰度值，直到边缘像素的方向满足以下条件

$\frac{h_v}{N_0}<r_2;$

其中，N₀是直线段L₀的像素个数，h_v是直线段L₀的边缘像素在调整后方向是的个数，r₁和r₂是预设的系数阈值；

所述水印检测过程包括以下步骤，

步骤2.1，对数字扫描地图进行边缘检测，获取的所有边缘像素构成一幅二进制图像；

步骤2.2，在步骤2.1所得二进制图像中跟踪边缘曲线；

步骤2.3，对步骤2.2所得每条边缘曲线，判断长度是否达到预设的长度阈值，未达到则不参与嵌入水印，达到则分割成长度相等的N条线段，N是水印信号的长度；

设步骤2.2所得边缘曲线中，共有M条达到预设的长度阈值，记为曲线C₀,C₁,…C_M-1，设其中任一条曲线C_m分割成N条线段记为S₀,S₁…S_N-1，从其中任一线段S_n提取第n位水印信号w_n的实现方式如下，

w_n＝1,if r＞0.5

w_n＝0,if r≤0.5

其中，m的取值范围为0,1,…M-1，n的取值范围为0,1,…N-1。

2.根据权利要求1所述基于线特征的数字扫描地图水印的嵌入及检测方法，其特征在于：判断是否成功检测出水印的实现方式如下，

设水印检测过程得到在数字扫描地图中检测到水印信号b的数目为M_d，如果M_d＞kp_M则水印被检测，否则没有检测出水印，

p_M＝M/2^N

其中k为预设系数。