CN103325083B - 应对切割和拼接攻击的数字交通地图水印保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应对切割和拼接攻击的数字交通地图水印保护方法，包括步骤：步骤1：数字地图自适应划分步骤；步骤2：数字水印嵌入步骤；步骤3：数字水印检测步骤。本发明能够十分有效的应对大规模的切割以及拼接方法对数字交通的图的攻击。通过我们的实验表明，在切割比例为50%时，本方法检测的准确率可以达到100%，即便是当切割比例达到95%时，本方法仍能以80%的准确率将水印检出。本发明在对数字地图进行水印嵌入的过程中引入的误差非常小。数字地图在嵌入水印的过程中，本方法可以根据需要对数字地图进行划分。我们使用一个比特的数字水印来表示一个子区域是否嵌入过水印。

Description

应对切割和拼接攻击的数字交通地图水印保护方法

技术领域

本发明涉及的是一种计算机数据安全、信息隐藏方面的技术，具体是一种应对切割和拼接攻击的数字交通地图水印保护方法。

背景技术

数字水印是用于数字产品，例如图像、音频、视频等，知识产权保护的一种重要的技术。数字水印是添加到数字产品中的一段冗余信息。这些信息不会被产品用户察觉，因而不会影响产品的正常使用。而通过在数字产品中添加的一段水印信息就可以标记该产品的产权。而盗用者则会试图破坏水印以盗用地图。所以通过设计特定的策略来嵌入数字水印以应对盗用者的攻击就十分重要。

本项技术被用于数字交通地图的数字水印保护方面。数字交通地图是一种表示交通线路网络的矢量图。矢量交通地图使用包括点、多边折线和多边形等矢量元素来表示地理元素。在图1中，每一条路都是有一条多边折线表示的，正如方框中所示，多边折线是一系列相互连接的线段组成的。每一个线段有两个端点，都由两个方向的坐标x,y，分别表示经度和纬度。这类地图被广泛地应用在地理位置系统(GPS)和地理信息系统(GIS)以及其他基于位置的应用等方面，例如著名的线上地图应用Openstreetmap就是使用矢量地图的。

传统的数字水印保护方法通常将保护的地图对象作为一个整体，不论是加水印的过程还是水印检测的过程都需要将地图作为一个整体进行信息的提取。这种方法在处理普通的随机噪声攻击、旋转等简单攻击时比较有效，在诸如图像、音频、视频和软件等方面被广泛采用。但是，由于矢量数字地图的特殊性，局部的地图仍然具有很高的使用价值，所以即使只从目标地图中切割出一部分仍然可以进行二次发布；另一方面，矢量地图的拼接也十分方便，盗用者可以轻易地从不同的地图数据源中获得同一区域地图的不同部分，并将它们拼接起来形成一个“新”的矢量地图，从而实现对水印的破坏，如图2所示。这就使得对矢量地图的切割和拼接攻击的保护变得十分重要。在处理切割或者拼接等攻击方法时由于地图对象的整体性被破坏，原始的水印信息只有部分会保留在被盗用的地图中，造成传统的水印检测的失败。

而按照水印检测过程中是否需要原始的地图又将传统的水印保护方法分为独立检测类方法和依赖原始地图类方法。实际应用中不论是从可行性还是操作成本上考虑，都需要水印检测方法不依赖原始地图。

发明内容

针对现有技术中的不足，在处理切割或者拼接等攻击方法时由于地图对象的整体性被破坏，原始的水印信息只有部分会保留在被盗用的地图中，如果对水印的检测还是要用到整个地图整体信息，就会造成信息缺失以及水印检测的失败。要想实现对切割和拼接等攻击方法的保护，必须提出一种只依靠局部地图数据信息进行数字水印的添加与检测的方法。另一方面，这种方法必须是自适应地图信息的，即只要被检测数字地图中盗用了被保护的地图的一定量的数据信息，都需要被检测报告出来。最后，作为一种实用方法，这种方法必须是可独立检测的,即不需要与原始的被保护地图进行对比。本发明要实现的就是针对数字交通地图的切割和拼接攻击的水印保护方法。这种方法不依赖于原始的被保护地图，可以独立检测。其工作流程如图3所示。

目前为止尚没有一种技术方法能够很好地解决数字地图的剪切与拼接攻击，针对切割攻击，在地图中大部分信息被切割时，现有的方法都不能很好地处理；而对于拼接攻击，目前尚没有水印保护的方法提出，已有方法都无法处理这种情况。

本发明提出的这种利用局部信息进行数字水印的嵌入和检测的方法，能够十分有效地应对大规模的切割以及拼接方法对数字交通的图的攻击。通过我们的实验表明，在切割比例为50％时，本方法检测的准确率可以达到100％，即便是当切割比例达到95％时，本方法仍能以80％的准确率将水印检出。

本发明在对数字地图进行水印嵌入的过程中引入的误差非常小。数字地图在嵌入水印的过程中，本方法可以根据需要对数字地图进行划分。我们使用一个比特的数字水印来表示一个子区域是否嵌入过水印。

本发明提供一种应对切割和拼接攻击的数字交通地图水印保护方法，包括如下步骤：

步骤1：数字地图自适应划分步骤，具体为：根据密钥a,b(见方法步骤中的密钥说明“a)”、b)”)找出包含目标地图的最小矩形作为划分的初始区域，然后采用改进型四叉树结构根据地图中道路的密度自适应地将需要保护的目标地图划分成若干小矩形区域，划分结果对应改进型四叉树的层次结构，其中，密钥a为坐标网格G，G＝{原点(x,y),步长}，密钥b为最小包含矩形，最小包含矩形为矩形边全部落在网格线上、且形区域完全包含整个地图的最小矩形；

其中，所述改进型四叉树结构具体为：在传统的四叉树结构的基础上，每个非叶子结点不再固定的拥有四个子结点，而是根据实际的划分标准对子结点进行两两合并，其结果中的每个非叶子结点可能拥有的子结点数为2、3或4。

步骤2：数字水印嵌入步骤，具体为：使用密钥c,d(见方法步骤中的密钥说明“c)”、d)”)、哈希函数以及通过所述数字地图自适应划分步骤所得划分结果，得到需要嵌入数字水印的位置并嵌入1比特数字水印，其中，密钥c为方形边长l，密钥d为划分算法中的阈值上下限；

步骤3：数字水印检测步骤，具体为：使用密钥c,d(见方法步骤中的密钥说明)、哈希函数以及通过所述数字地图自适应划分步骤所得划分结果，得到需要嵌入数字水印的位置，通过投票机制找到嵌入水印的最大区域。

优选地，在所述步骤1中，所述密钥包括最小包含矩形、坐标网格、以及划分阈值，当划分出的子区域内道路长度总和小于划分阈值下限时，自动与最小的临近子区域合并。

优选地，在所述步骤2中，密钥包括方形边长、哈希函数种子，其中，哈希函数的输入值需要根据数字地图对数据偏移量的承受能力进行预处理。

优选地，在所述步骤3中，根据划分出的各子区域检测的结果利用改进型四叉树的层次结构采用投票机制找到数字水印局部聚集的特征，从而成功应对数字交通地图切割与拼接方法的攻击。

优选地，在所述步骤3中，所述投票机制使用概率方法计算某一区域被嵌入过水印的置信系数。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：本发明的工作过程中对资源的要求很少。首先，在水印检测时不需要原始地图，可以独立工作。另一方面，水印嵌入和水印检测的过程的时间复杂度都是O(|V|logL)，其中|V|表示地图中的点数，而L表示地图中所有道路的长度和。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出矢量数字交通地图；

图2示出拼接攻击；

图3示出工作流程图；

图4示出划分结果及改进型四叉树；

图5示出密钥；

图6示出水印嵌入策略；

图7示出划分结果及投票机制。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的这种新型的水印添加与检测方法能够有效地应对地图切割与拼接攻击。首先我们提出一种依据数字交通地图中的道路密度以及密钥进行区块划分的划分算法。这种划分算法以一种改进型的四叉树作为划分的数据结构，根据作为密钥之一的坐标系网格找出包含目标地图的最小矩形作为划分的初始区域，每当一个区域内的道路长度和超过预先设定的阈值上限时，就将该区域继续划分；而每当某个区域内的道路长度和小于设定的阈值下限时，就将该区域与相邻的最小区域(包含的道路长度和最小)合并，在划分完成后，我们得到的划分结果可以用上述的改进型四叉树表示。如图4所示：

根据划分的结果以及仅被地图所有者掌握的密钥，将若干个1比特的数字水印添加到地图的不同位置上。对于每一个区域，首先找到距离该区域中心最近的数据点P，以P为中心，以密钥L为边长作方形Q，对穿过该矩形的所有路段长度和，并通过哈希函数得到位置j，此处作为哈希函数输入数据的长度和需要经过预处理以保证部分数据点收到可承受范围内的扰动时不发生错误，进而P的二进制表示的第j个最不显著位置为1，这样就嵌入了一个1比特的水印信息。如图6所示。

在水印检测时，对于目标地图，我们同样应用上面提到的划分算法，在密钥的帮助下，我们可以得到与水印添加过程中的划分结果几乎相同的划分，而这个过程中并没有用到原始地图。即使是原始地图被盗用者切割或者拼接过，由于划分算法只与道路的密度有关系，相应的部分仍然会得到相同的划分结果。再根据密钥检测划分得到的区域中是否存在嵌入的数字水印。对于检测到水印的部分则需要通过一种投票的机制来检测包含这些小区域的更大区域是否是被嵌入过水印的。这个过程反映在改进型的四叉树上可以表示为：每个非叶子结点表示的区域等于其所有子结点表示的区域的总和，当子结点表示的区域中检测到水印的比例超过设定的阈值时，就可以认定这个非叶子结点表示的区域被嵌入了水印。如图7所示：若阴影区域被盗用者切割或者与其它地图数据拼接，那么右侧的改进型四叉树左半边的划分将不受影响，在叶子结点表示的区域1-1,1-2，1-4,7,8以及被合并的5,6两个区域组成的混合区域中检测到水印，则通过投票可以确定非叶子结点1表示的大区域已经嵌入了水印。

在本发明的一个具体实施方式中，所述数字交通地图水印保护方法的步骤说明如下：

1.密钥

a)坐标网格G。G＝{原点(x,y),步长}(如图5所示)

b)最小包含矩形，为满足以下条件的最小矩形：

i.矩形边全部落在网格线上。

ii.矩形区域完全包含整个地图。

c)方形边长l。插入操作时，以最靠近中心的点P为中心作边长为l的方形。

d)划分算法中的阈值上下限。

2.划分算法

a)根据网格和地图得到最小包含矩形R，放入集合L中；

b)对于L中的所有区域R执行如下操作：

i.将R划分为四个相同的子区域；

ii.如果子区域中的道路长和小于theta：

将该子区域与其最小的一个相邻的子区域合并；

如果子区域道路长和大于4*theta：

将该子区域放入L；

否则，将该子区域放入集合P。

3.水印嵌入算法

a)由划分算法得到区域集合P；

b)对于P中的所有区域R执行如下操作：

i.如果R中的道路长之和大于theta

ii.找到距离R中心最近的数据点P

iii.以P为中心，密钥l为边长画方形Q

iv.计算所有穿过Q的路段的长度和sl

v.将sl通过哈希算法得到j；

vi.将P点的x坐标的第j个最不显著位置为1；

4.水印检测算法

a)由划分算法得到区域集合P，同时记录划分时形成的改进型四叉树T；

b)对于P中的所有区域R(T中的叶子结点表示的区域)执行如下操作：

i.如果R中的道路长之和大于theta

ii.找到距离R中心最近的数据点P

iii.以P为中心，密钥l为边长画方形Q

iv.计算所有穿过Q的路段的长度和sl

v.将sl通过哈希算法得到j；

vi.如果P点的x坐标的第j个最不显著位为1；

vii.将R标记为“嵌入”

c)对于所有非叶子结点表示的区域，记录其包含的所有属于P中的区域的数量以及标记为“嵌入”的数量。

d)按改进型四叉树的层次从根结点向下，计算水印检测的置信系数confidence的计算式如下：

$confidence=1-\underset{i=n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}N\\ i\end{array}\right){\left(\frac{1}{2}\right)}^N$

其中，n表示标记为嵌入的叶子结点数，N表示叶子结点的总数。

e)先序遍历T，当找到一个区域的置信系数confidence大于阈值时，将其标记为“嵌入”，并停止计算其后代结点。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种应对切割和拼接攻击的数字交通地图水印保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：数字地图自适应划分步骤，具体为：根据密钥a、b找出包含目标地图的最小矩形作为划分的初始区域，然后采用改进型四叉树结构根据地图中道路的密度自适应地将需要保护的目标地图划分成若干小矩形区域，划分结果对应改进型四叉树的层次结构，其中，密钥a为坐标网格G，G＝{原点(x,y),步长}，密钥b为最小包含矩形，最小包含矩形为矩形边全部落在网格线上、且形区域完全包含整个地图的最小矩形；

其中，所述改进型四叉树结构具体为：在传统的四叉树结构的基础上，每个非叶子结点不再固定的拥有四个子结点，而是根据实际的划分标准对子结点进行两两合并，其结果中的每个非叶子结点可能拥有的子结点数为2、3或4；

步骤2：数字水印嵌入步骤，具体为：使用密钥c、d、哈希函数以及通过所述数字地图自适应划分步骤所得划分结果，得到需要嵌入数字水印的位置并嵌入1比特数字水印，其中，密钥c为方形边长l，密钥d为划分算法中的阈值上下限；

步骤3：数字水印检测步骤，具体为：使用密钥c、d、哈希函数以及通过所述数字地图自适应划分步骤所得划分结果，得到需要嵌入数字水印的位置，通过投票机制找到嵌入水印的最大区域。

2.根据权利要求1所述的应对切割和拼接攻击的数字交通地图水印保护方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述密钥包括最小包含矩形、坐标网格、以及划分阈值，当划分出的子区域内道路长度总和小于划分阈值下限时，自动与最小的临近子区域合并。

3.根据权利要求1所述的应对切割和拼接攻击的数字交通地图水印保护方法，其特征在于，在所述步骤2中，密钥包括方形边长、哈希函数种子，其中，哈希函数的输入值需要根据数字地图对数据偏移量的承受能力进行预处理。

4.根据权利要求1所述的应对切割和拼接攻击的数字交通地图水印保护方法，其特征在于，在所述步骤3中，根据划分出的各子区域检测的结果利用改进型四叉树的层次结构采用投票机制找到数字水印局部聚集的特征，从而成功应对数字交通地图切割与拼接方法的攻击。

5.根据权利要求1所述的应对切割和拼接攻击的数字交通地图水印保护方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述投票机制使用概率方法计算某一区域被嵌入过水印的置信系数。