CN103377457A - 一种矢量地理数据精确认证脆弱水印方法 - Google Patents

一种矢量地理数据精确认证脆弱水印方法 Download PDF

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CN103377457A CN2012101144646A CN201210114464A CN103377457A CN 103377457 A CN103377457 A CN 103377457A CN 2012101144646 A CN2012101144646 A CN 2012101144646A CN 201210114464 A CN201210114464 A CN 201210114464A CN 103377457 A CN103377457 A CN 103377457A
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王奇胜
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Abstract

本发明涉及一种矢量地理数据精确认证脆弱水印方法，该方法利用矢量地理数据自身的特征映射生成脆弱水印信息，并基于量化思想将数据点自身和相邻数据点的水印信息嵌入到数据点上，同时对矢量地理数据段首数据点（点数据做之字形排序后应用）做特殊嵌入，保证对段首数据点的认证。通过脆弱水印检测实现对矢量地理数据的数据修改、随机增点、随机删点、数据裁剪、数据平移等篡改的检测，并能够将篡改定位到矢量地理数据的数据点上，实现针对矢量地理数据的精确认证。该算法在脆弱水印生成和量化嵌入时结合矢量地理数据的精度要求，将水印嵌入控制在数据误差范围之内，满足实际应用的需要。

Description

一种矢量地理数据精确认证脆弱水印方法
技术领域
本发明涉及地理信息完整性认证的技术领域，特别涉及一种矢量地理数据精确认证脆弱水印方法。
背景技术
矢量地理数据是国家基础地理数据的重要组成部分，随着矢量地理数据应用的日益广泛，尤其在当前网络化、信息化时代，矢量地理数据的安全也面临严峻挑战。数字加密技术已经不能完全满足矢量地理数据安全保护的要求，数字水印技术在矢量地理数据安全保护方面正发挥越来越重要的作用。
数字水印包括鲁棒水印和脆弱水印，鲁棒水印主要用于数据的版权保护，脆弱数字水印主要用于数据的真伪辨别和完整性鉴定，又称为认证（杨义先，钮心忻．数字水印理论与技术[M]．北京：高等教育出版社，2006，20）。当前情况下，矢量地理数据鲁棒水印的研究比较多，也取得了一些成果。马桃林等（马桃林，顾翀，张良培．基于二维矢量数字地图的水印算法研究[J]．武汉大学学报·信息科学版，2006，9：792-794）在MQUAD算法的基础上，通过增加水印点来嵌入水印，通过设置水印点的可见性来隐藏水印，能够抵抗一定程度的噪声和删点。张琴等（张琴，向辉，孟祥旭．基于复数小波域的图形水印方法[J]．中国图象图形学报，2005，4：494-498）利用了DualTree复数小波变换的几何不变性来实现抗几何变换的水印算法。
随着矢量地理数据应用的深入，尤其是网络化应用的普及，矢量地理数据认证方面的要求也日趋增多。如何保障矢量地理数据传输过程的安全？如何在矢量地理数据遭到破坏后能够及时发现并有效检测破坏信息？这些都是数据认证需要研究的问题。精确认证是数据认证的一个重要方面，能够在数据发生任何改变的情况下检测出数据的篡改，对矢量地理数据内容的保护具有十分重要的作用。
脆弱水印可以在含水印的数字产品经过任何一种失真后都无法检测到，即水印随着数字产品的失真而被破坏，从而通过水印的破坏检测出数字产品的更改。利用脆弱水印的这种特性，可以很好地实现数字产品的精确认证。
脆弱水印常用来对图像内容进行认证，因此对于图像的脆弱水印算法研究较多，对于矢量数据，特别是矢量地理数据的脆弱水印研究还很少。郑良斌等（郑良斌, 贾玉禄, 王群. 用于矢量地图完整性验证的脆弱数字水印算法[J]. 计算机工程与应用, 2010, 46(26): 99-101；Liangbin Zheng, Fucheng You. A Fragile Digital Watermark Used to Verify the Integrity of Vector Map[C]. E-Business and Information System Security, 2009. EBISS '09. 2009: 1–4）对矢量地图数据脆弱水印进行了研究，首先对矢量数据进行分块，或者等同于分块的操作，然后对数据块进行水印嵌入，这也就决定了对数据认证时，只能定位到数据块，不能定位到具体坐标点上。矢量地理数据与图像数据不同，图像数据很多情况下都是一些像素点组成数据块才能表达一个信息，所以针对数据块的认证在图像认证中比较实用，但是矢量地理数据是由数据点组成的，每一个数据点都具有独立的地理信息，因此需要研究针对数据点的脆弱水印算法。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前矢量地理数据精确认证中只能实现针对数据块的认证的问题，提出一种矢量地理数据精确认证脆弱水印方法，使得水印不仅能够抵抗数据修改、随机增点、随机删点、数据裁剪、数据平移等篡改的检测，并能够将篡改定位到矢量地理数据的数据点上。
为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案为：
一种矢量地理数据精确认证脆弱水印方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）水印信息生成
步骤一：数据的读取和处理，读取待嵌入水印信息的矢量地理数据；
步骤二：对矢量地理数据中任一点                                               
Figure 630266DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 879982DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 231634DEST_PATH_IMAGE006
为矢量地理数据中数据点的个数。提取数据精度位（精度所在的数据位）之前的横坐标、纵坐标（都不包括精度位）组成坐标对，记为
Figure 541392DEST_PATH_IMAGE008
；
步骤三：设置量化步长为，设
Figure 307934DEST_PATH_IMAGE012
为精度位上的最大改变量，则取
Figure 502374DEST_PATH_IMAGE014
，水印信息范围为
Figure 983034DEST_PATH_IMAGE016
；
步骤四：对
Figure 183464DEST_PATH_IMAGE008
使用同余连接器转化为整数
Figure 40562DEST_PATH_IMAGE018
，然后对
Figure 976593DEST_PATH_IMAGE018
使用随机数生成器生成随机数
Figure 988674DEST_PATH_IMAGE020
，对
Figure 33990DEST_PATH_IMAGE020
进行同余操作生成脆弱水印信息
Figure 65750DEST_PATH_IMAGE022
；
步骤五：对于首端点，使用
Figure 614543DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 204050DEST_PATH_IMAGE026
共同生成水印信息。
（2）水印信息嵌入
步骤一：根据量化步长
Figure 471083DEST_PATH_IMAGE010
，将精度位拥有的数值区间
Figure 489762DEST_PATH_IMAGE028
根据划分为
Figure 387890DEST_PATH_IMAGE030
个区间，
Figure 142219DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 233891DEST_PATH_IMAGE034
表示下取整，
Figure 757276DEST_PATH_IMAGE036
即取不大于
Figure 95110DEST_PATH_IMAGE038
的整数中最大的一个。
步骤二：基于量化嵌入规则对
Figure 71157DEST_PATH_IMAGE040
嵌入水印，水印嵌入规则如下：
Figure 853604DEST_PATH_IMAGE042
              ，，
Figure 599286DEST_PATH_IMAGE046
Figure 558234DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 637048DEST_PATH_IMAGE048
， 
Figure 636490DEST_PATH_IMAGE050
         
步骤三：保存嵌入水印信息后的矢量地理数据。
（3）水印信息检测
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；
步骤二：对矢量地理数据中任一点
Figure 915461DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 131679DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 250070DEST_PATH_IMAGE056
为矢量地理数据中数据点的个数。提取数据精度位（精度所在的数据位）之前的横坐标、纵坐标（都不包括精度位）组成坐标对，记为
Figure 602554DEST_PATH_IMAGE058
；
步骤三：对
Figure 306287DEST_PATH_IMAGE058
使用水印生成算法得到映射结果
Figure 744222DEST_PATH_IMAGE060
；  
步骤四：根据量化规则，计算提取出的水印，记为
Figure 666303DEST_PATH_IMAGE062
，对于线段端点，
Figure 138873DEST_PATH_IMAGE064
提取出的水印信息都是
Figure 228488DEST_PATH_IMAGE060
；
步骤五：将
Figure 153719DEST_PATH_IMAGE066
与
Figure 145071DEST_PATH_IMAGE068
，
Figure 472147DEST_PATH_IMAGE070
与进行比较，根据比较结果是否相同判断数据点
Figure 399051DEST_PATH_IMAGE052
是否发生篡改，完成针对矢量地理数据的篡改定位。
本发明是优点为：
1.使用映射水印算法对矢量地理数据嵌入数字水印，控制水印嵌入强度，保证水印嵌入不影响数据的精度，嵌入水印后的地图与原地图在显示上是基本没有区别的，不影响数据的更新操作；
2.通过在原始地理矢量数据中嵌入水印信息，水印信息与数据融合为一体，在不知嵌入算法的情况下不能去除，达到有效监管数据的流向，控制数据的合法使用的效果；
3.利用脆弱水印信息篡改定位特征，基于数据点定位的数字水印算法能在水印检测时能够将数据更新的部分定位出来，进而实现快速去除数字水印，提高水印去除的效率。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为本发明1:25万的矢量地理数据的状态图。
图3为本发明噪声攻击(攻击25%的数据)后的脆弱水印检测结果的状态图。
图4为本发明增点攻击(增点20%)后的脆弱水印检测结果的状态图。
图5为本发明删点攻击（删点20%）后的脆弱水印检测结果的状态图。
图6为本发明裁剪攻击（裁剪58%）后的脆弱水印检测结果的状态图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。
实施例一
如图2至图6所示，本实施例选择一幅包含4688条线状要素的1:25万的矢量地理数据为实验数据，针对水印信息嵌入后，数据受攻击后的检测结果，给出本发明的一个测试效果与分析示例。
（1）噪声攻击
噪声攻击模拟的是对矢量地理数据的随机修改操作，对水印数据中25%的坐标点叠加服从[-4,4]上均匀分布的噪声，然后对其进行脆弱水印检测。实验结果表明，算法能够有效检测出数据的修改。
（2）增点攻击
对含有水印的矢量地理数据进行随机增加数据点攻击，增点20%，然后对其进行脆弱水印检测。实验结果表明，算法有效检测出增加的数据点对原始矢量地理数据的篡改，虽然无法确定数据点增加、删除、修改，但是可以利用圈和虚线共同标示出发生篡改的数据点的位置。
（3）删点攻击
对含有水印的矢量地理数据进行随机删点攻击，删点20%，然后再对其进行脆弱水印检测。实验结果表明，算法能够有效检测出数据点被删除的情况，在数据点旁边用圈标示旁边数据点被删除，对矢量地理数据进行精确地删点定位。
（4）裁剪攻击
对含有水印的矢量地理数据进行裁剪操作，对裁剪后的数据进行脆弱水印检测。实验结果表明，算法对裁剪后的数据发生的数据删点实现了准确地定位。
实施例二
如图1所示，本发明的目的在于：针对目前矢量地理数据精确认证中只能实现针对数据块的认证的问题，提出一种矢量地理数据精确认证脆弱水印方法，使得水印不仅能够抵抗数据修改、随机增点、随机删点、数据裁剪、数据平移等篡改的检测，并能够将篡改定位到矢量地理数据的数据点上。
为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案为：
一种矢量地理数据精确认证脆弱水印方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）水印信息生成
步骤一：数据的读取和处理，读取待嵌入水印信息的矢量地理数据；
步骤二：对矢量地理数据中任一点
Figure 194094DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 375677DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 25799DEST_PATH_IMAGE006
为矢量地理数据中数据点的个数。提取数据精度位（精度所在的数据位）之前的横坐标、纵坐标（都不包括精度位）组成坐标对，记为
Figure 161507DEST_PATH_IMAGE008
；
步骤三：设置量化步长为
Figure 727618DEST_PATH_IMAGE010
，设
Figure 524892DEST_PATH_IMAGE012
为精度位上的最大改变量，则取，水印信息范围为
Figure 39629DEST_PATH_IMAGE016
；
步骤四：对
Figure 143851DEST_PATH_IMAGE008
使用同余连接器转化为整数
Figure 72929DEST_PATH_IMAGE018
，然后对
Figure 869984DEST_PATH_IMAGE018
使用随机数生成器生成随机数
Figure 714706DEST_PATH_IMAGE020
，对进行同余操作生成脆弱水印信息；
步骤五：对于首端点，使用
Figure 96861DEST_PATH_IMAGE024
和共同生成水印信息。
（2）水印信息嵌入
步骤一：根据量化步长
Figure 671642DEST_PATH_IMAGE010
，将精度位拥有的数值区间
Figure 44154DEST_PATH_IMAGE028
根据
Figure 183011DEST_PATH_IMAGE010
划分为
Figure 533483DEST_PATH_IMAGE030
个区间，
Figure 783199DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 998499DEST_PATH_IMAGE034
表示下取整，
Figure 809722DEST_PATH_IMAGE036
即取不大于的整数中最大的一个。
步骤二：基于量化嵌入规则对
Figure 706756DEST_PATH_IMAGE040
嵌入水印，水印嵌入规则如下：
Figure 546536DEST_PATH_IMAGE042
              ，
Figure 263082DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 555523DEST_PATH_IMAGE046
Figure 173805DEST_PATH_IMAGE042
，， 
Figure 21118DEST_PATH_IMAGE050
         
步骤三：保存嵌入水印信息后的矢量地理数据。
（3）水印信息检测
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；
步骤二：对矢量地理数据中任一点
Figure 167554DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 562763DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 878601DEST_PATH_IMAGE056
为矢量地理数据中数据点的个数。提取数据精度位（精度所在的数据位）之前的横坐标、纵坐标（都不包括精度位）组成坐标对，记为
Figure 966642DEST_PATH_IMAGE058
；
步骤三：对
Figure 463702DEST_PATH_IMAGE058
使用水印生成算法得到映射结果；  
步骤四：根据量化规则，计算提取出的水印，记为
Figure 98525DEST_PATH_IMAGE062
，对于线段端点，
Figure 599213DEST_PATH_IMAGE064
提取出的水印信息都是
Figure 87963DEST_PATH_IMAGE060
；
步骤五：将
Figure 326440DEST_PATH_IMAGE066
与
Figure 849825DEST_PATH_IMAGE068
，
Figure 775275DEST_PATH_IMAGE070
与
Figure 16900DEST_PATH_IMAGE072
进行比较，根据比较结果是否相同判断数据点是否发生篡改，完成针对矢量地理数据的篡改定位。

Claims (5)

1.一种矢量地理数据精确认证脆弱水印方法，其特征在于：基于矢量地理数据每个数据点的特征映射生成脆弱水印信息，利用量化步长和精度位（精度所在的数据位）共同控制水印引起的数据误差，将脆弱水印信息利用量化思想使用替代方法进行水印嵌入。
2.根据权利要求1所述的一种矢量地理数据精确认证脆弱水印方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）、水印信息生成；
步骤一：数据的读取和处理，读取待嵌入水印信息的矢量地理数据；
步骤二：对矢量地理数据中任一点                                                ，
Figure 493811DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 288811DEST_PATH_IMAGE003
为矢量地理数据中数据点的个数，提取数据精度位（精度所在的数据位）之前的横坐标、纵坐标（都不包括精度位）组成坐标对，记为
Figure 415DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤三：设置量化步长为
Figure 898226DEST_PATH_IMAGE005
，设为精度位上的最大改变量，则取，水印信息范围为；
步骤四：对
Figure 864290DEST_PATH_IMAGE004
使用同余连接器转化为整数，然后对
Figure 5957DEST_PATH_IMAGE009
使用随机数生成器生成随机数
Figure 764091DEST_PATH_IMAGE010
，对
Figure 603871DEST_PATH_IMAGE010
进行同余操作生成脆弱水印信息；
步骤五：对于首端点，使用
Figure 681034DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 39597DEST_PATH_IMAGE013
共同生成水印信息；
（2）、水印信息嵌入；
步骤一：根据量化步长
Figure 733883DEST_PATH_IMAGE005
，将精度位拥有的数值区间
Figure 881050DEST_PATH_IMAGE014
根据
Figure 660787DEST_PATH_IMAGE005
划分为
Figure 557461DEST_PATH_IMAGE015
个区间，
Figure 144737DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 967199DEST_PATH_IMAGE017
表示下取整，
Figure 470118DEST_PATH_IMAGE018
即取不大于的整数中最大的一个；
步骤二：基于量化嵌入规则对嵌入水印，水印嵌入规则如下：
Figure 92445DEST_PATH_IMAGE021
              ，
Figure 879398DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 373872DEST_PATH_IMAGE023
Figure 897257DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 94145DEST_PATH_IMAGE024
， 
Figure 335771DEST_PATH_IMAGE025
         
步骤三：保存嵌入水印信息后的矢量地理数据；
（3）、水印信息检测；
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；
步骤二：对矢量地理数据中任一点
Figure 840920DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 985856DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 321023DEST_PATH_IMAGE028
为矢量地理数据中数据点的个数，提取数据精度位（精度所在的数据位）之前的横坐标、纵坐标（都不包括精度位）组成坐标对，记为；
步骤三：对
Figure 432821DEST_PATH_IMAGE029
使用水印生成算法得到映射结果
Figure 635525DEST_PATH_IMAGE030
； 
步骤四：根据量化规则，计算提取出的水印，记为
Figure 407172DEST_PATH_IMAGE031
，对于线段端点，提取出的水印信息都是
Figure 1501DEST_PATH_IMAGE030
；
步骤五：将
Figure 386608DEST_PATH_IMAGE033
与
Figure 329156DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 477677DEST_PATH_IMAGE035
与
Figure 196497DEST_PATH_IMAGE036
进行比较，根据比较结果是否相同判断数据点
Figure 669066DEST_PATH_IMAGE026
是否发生篡改，完成针对矢量地理数据的篡改定位。
3.一种矢量地理数据精确认证脆弱水印方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）、水印信息生成；
（2）、水印信息嵌入；
步骤一：根据量化步长
Figure 481384DEST_PATH_IMAGE005
，将精度位拥有的数值区间
Figure 406614DEST_PATH_IMAGE014
根据划分为
Figure 193884DEST_PATH_IMAGE015
个区间，
Figure 782297DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 194824DEST_PATH_IMAGE017
表示下取整，
Figure 927550DEST_PATH_IMAGE018
即取不大于
Figure 109132DEST_PATH_IMAGE019
的整数中最大的一个；
步骤二：基于量化嵌入规则对
Figure 591148DEST_PATH_IMAGE020
嵌入水印，水印嵌入规则如下：
Figure 490971DEST_PATH_IMAGE021
              ，
Figure 558547DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 523926DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 569822DEST_PATH_IMAGE024
，          
步骤三：保存嵌入水印信息后的矢量地理数据；
（3）、水印信息检测。
4. 根据权利要求3所述的一种矢量地理数据精确认证脆弱水印方法，其特征在于：（1）中包括如下步骤：
步骤一：数据的读取和处理，读取待嵌入水印信息的矢量地理数据；
步骤二：对矢量地理数据中任一点
Figure 529087DEST_PATH_IMAGE038
，，
Figure 967601DEST_PATH_IMAGE042
为矢量地理数据中数据点的个数，提取数据精度位（精度所在的数据位）之前的横坐标、纵坐标（都不包括精度位）组成坐标对，记为
Figure 913997DEST_PATH_IMAGE044
；
步骤三：设置量化步长为
Figure 629405DEST_PATH_IMAGE046
，设
Figure 597361DEST_PATH_IMAGE048
为精度位上的最大改变量，则取
Figure 985836DEST_PATH_IMAGE050
，水印信息范围为；
步骤四：对
Figure 64093DEST_PATH_IMAGE044
使用同余连接器转化为整数
Figure 202950DEST_PATH_IMAGE054
，然后对
Figure 28123DEST_PATH_IMAGE054
使用随机数生成器生成随机数
Figure 277839DEST_PATH_IMAGE056
，对进行同余操作生成脆弱水印信息
Figure 38783DEST_PATH_IMAGE058
；
步骤五：对于首端点，使用
Figure 109507DEST_PATH_IMAGE060
和
Figure 195537DEST_PATH_IMAGE062
共同生成水印信息。
5. 根据权利要求3所述的一种矢量地理数据精确认证脆弱水印方法，其特征在于：（3）中包括如下步骤：
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；
步骤二：对矢量地理数据中任一点
Figure 35317DEST_PATH_IMAGE064
，
Figure 288881DEST_PATH_IMAGE066
，
Figure 581322DEST_PATH_IMAGE068
为矢量地理数据中数据点的个数，提取数据精度位（精度所在的数据位）之前的横坐标、纵坐标（都不包括精度位）组成坐标对，记为
Figure 674305DEST_PATH_IMAGE070
；
步骤三：对
Figure 368591DEST_PATH_IMAGE070
使用水印生成算法得到映射结果；   
步骤四：根据量化规则，计算提取出的水印，记为
Figure DEST_PATH_IMAGE074
，对于线段端点，
Figure DEST_PATH_IMAGE076
提取出的水印信息都是
Figure 429239DEST_PATH_IMAGE072
；
步骤五：将
Figure DEST_PATH_IMAGE078
与
Figure DEST_PATH_IMAGE080
，
Figure DEST_PATH_IMAGE082
与
Figure DEST_PATH_IMAGE084
进行比较，根据比较结果是否相同判断数据点
Figure 821518DEST_PATH_IMAGE064
是否发生篡改，完成针对矢量地理数据的篡改定位。
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