CN104794671A - 抗投影攻击的矢量空间数据盲水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有的矢量地理空间数据数字水印方法的不足，提出了一种可有效抵抗投影变换及坐标变换攻击的矢量空间数据水印算法。该算法充分考虑了矢量空间数据投影变换和坐标变换的特点，在水印嵌入方案中，首先把原始矢量空间数据变换到WGS84地理坐标系下，接着应用DFT域水印算法，水印嵌入到WGS84坐标系空间数据，最后把含水印的WGS84坐标系空间数据转换到原始数据坐标系。在水印提取时，把矢量空间数据从原坐标系转换到WGS84坐标系后，再提取水印信息。实验结果表明，该水印方案对投影变换、坐标系变换攻击鲁棒性好，并且对数据的裁剪、旋转、平移等攻击具有较强的鲁棒性。

Description

抗投影攻击的矢量空间数据盲水印方法

技术领域

本发明属于地图学与地理信息科学技术领域，是一种抗投影攻击的矢量空间数据盲水印方法。

背景技术

矢量空间数据在导航、电子地图、城市管理、环境保护等方面发挥着非常重要的作用。空间数据以数字化的形式保存，在方便数据拷贝和传播的同时，也使盗版变得极其容易。数字水印技术是在数字化内容中嵌入秘密水印信息(版权信息、用户信息等)，将水印信息与数据紧密结合并隐藏其中的技术，水印技术在数字内容安全、版权保护和认证方面，被认为是目前最有前景的技术。数字水印在保护数字地图版权方面得到了广泛的重视和研究。

数字水印算法根据水印的嵌入空间可以分为空域算法和变换域算法。空域算法是将水印信息直接嵌入矢量数据各顶点坐标上。典型算法如LSB(Least Significant Bit)算法，水印嵌入空间数据的最低有效位部分。经典的MQUAD算法，应用四叉树划分矢量地图，在不同子块中重复多次嵌入水印信息，以此提高水印算法在全局范围内的鲁棒性；变换域水印算法的基本思想是首先对载体数据进行某种数学变换，在变换域的系数嵌入水印信息，然后经反变换后输出含水印数据。

学者们对矢量空间数据水印算法的理论研究和方法研究都取得了丰硕的成果。就鲁棒性水印算法而言，现有的研究工作主要侧重于顶点攻击、压缩攻击、噪声攻击、几何变换攻击等方面的鲁棒性，没有考虑数据格式转换、投影变换、坐标系变换的攻击。由于使用目的、系统需求等原因，用户往往会对矢量空间数据进行投影变换、坐标系变换和数据格式转换,因此抵抗这类攻击成为矢量地图数据水印系统的一个独有特点。如果算法对这几种攻击考虑不够，就会影响水印的鲁棒性，利用这一漏洞，很容易破坏水印，难以提取水印信息，失去了版权保护的功能，算法的实用性不强。尽管已有学者已经意识到抗投影变换、坐标系变换对水印鲁棒性的重要性，但对能够抵抗投影变换、坐标系变换攻击的水印算法鲜有研究。

发明内容

针对上述情况，本发明提出了一种“抗投影攻击的矢量空间数据盲水印方法”，该算法在对投影变换及坐标系变换对水印影响分析的基础上，提出一种基于中间坐标系的水印嵌入思路，应用鲁棒性较强的DFT变换域方法嵌入水印，实现水印的盲检测，算法更具实用性。

1、投影变换 

矢量空间数据的每个数据集都具有一个坐标系，该坐标系用于将数据集与通用坐标框架(如地图)内的其他地理数据图层集成。通过坐标系可在地图中集成数据集，以及执行各种集成的分析操作。坐标系是用于表示地理要素、影像和观测结果(如通用地理框架内的GPS位置)的参考系统。常用的两种类型坐标系为地理坐标系和投影坐标系。

投影变换是指将空间数据从一种坐标系投影到另一种坐标系。如果原坐标系与输出坐标系的椭圆体基准面不同，在投影变换时，有时需要在地理坐标系间进行变换。由于地理坐标系包含基于椭圆体的基准面，因此地理变换还会更改基础椭圆体。在同一基准平面间进行变换的方法很多，这些方法具有不同的精度和范围。特定变换的精度范围可以从厘米到米，具体要取决于方法和质量，以及可用于定义变换参数的控制点数量。图1显示了从1927北美洲基准面 (NAD 1927, North American Datum 1927)向1984世界大地坐标系(WGS 1984, World Geodetic System 1984) 进行的变换。

2、投影变换对水印的影响

空间数据在进行投影变换(用投影工具实现的坐标系变换，后同)后，全部数据坐标值被修改，与原始数据相比，这种变换往往是非线性的变换，因此，无法直接从投影变换后的数据中提取水印。如果已知原始数据的坐标系，可以将数据投影变换到原始坐标系下，这样就可以提取水印。但是，空间数据在使用、分发过程中，无论是用户的正常作业还是恶意的水印攻击行为，投影变换操作时，无法记录每一次投影变换之前的坐标系。水印检测时，很难获得水印嵌入时数据的坐标系，因此无法提取水印。图2(a)是某线状地物含水印数据，坐标系为Xian_1980_GK_Zone_18(记为C1)，提取到水印如图2(b)。对该含水印数据坐标系变换为Xian_1980_GK_Zone_19(记为C2)后，提取水印如图2(c)。由此可见，就算同一基准面下相邻带之间坐标系的变换，都难以直接提取水印信息。但是这并不意味着水印被破坏，当把含水印数据转回到C1坐标系后，提取到的水印如图2(d)，可见水印信息完全没有被破坏。之所以能完好的提取水印信息，是因为数据被转换到了水印嵌入时的坐标系。

3、算法思路 

含水印空间数据在投影变换后，需要有水印嵌入时的坐标系信息，才能够提取水印信息。而多数情况下，矢量空间数据在使用、流转情况下，往往没有保存这一信息，因此无法直接提取水印信息。为了实现算法对投影变换的鲁棒性，考虑在水印嵌入之前，将空间数据投影到一种中间坐标系(如WGS84坐标系)，然后实施水印嵌入，最后把嵌入水印后的空间数据投影到原来坐标系统，水印嵌入流程如图3(a)所示。同理，水印提取时，首先需要把含水印空间数据投影到中间坐标系，然后提取水印信息，流程如图3(b)所示。

附图说明

图1 是投影变换示意图

图2(a)是含水印数据

图2(b)是C1坐标系下提取的水印

图2(c)是转到C2坐标系后提取的水印

图2(d)是转回到C1坐标系后提取的水印

图3(a)是水印嵌入流程

图3(b)是水印提取流程

图4(a)是原始水印

图4(b)是置乱后水印

图5(a)是嵌入水印前后叠加

图5(b)是叠加后局部放大图

图6(a)是要素删除50%

图6(b)是裁剪剩余部分

图7(a)是平移攻击

图7(b)是旋转攻击

图8是均方根误差和最大误差统计表

图9是投影变换攻击的鲁棒性。

具体实施方式

为了详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现的目的及所达到的效果，以下结合具体实施方式详细说明。

本发明的实施步骤可以概括为两个部分：水印信息嵌入和水印信息提取。下面对各实施步骤进行进一步的阐述。

1、水印嵌入算法

矢量空间数据水印算法中，变换域算法的鲁棒性优于空域算法，而DFT域水印算法具有抵抗旋转、平移等几何变换的优势，因此，本水印算法采用DFT变换域算法，水印嵌入DFT变换域的幅度系数中。空间数据的平移会导致DFT变换域第一个幅度系数发生变化，因此水印信息嵌入到除第一个幅度系数后的其他幅度系数中。

盲水印是指在水印提取或检测时无需原始数据的参与，因其在实际应用中具有可操作性、实用性强，因此，盲水印算法的研究是矢量空间数据水印算法重要的研究方向。水印嵌入方法采用QIM量化法嵌入，可以实现水印的盲提取。

为了减小水印信息在空域上的相关性，增强水印信息在提取时的安全性，水印嵌入之前，首先需要对水印信息进行置乱处理。本算法应用Logistic混沌变换[1]来置乱水印图像。混沌变换的初始值可以作为水印信息提取的密钥。变换置乱后的水印图像为一维序列{wi=0,1|i=0,1,…,M-1}，M为水印长度。

水印的嵌入算法流程如下。

1)      读取矢量地理空间数据，以要素(线或面)为单位进行水印信息的嵌入。读取要素坐标点，根据式(1)产生复数序列{ak}；

ak = xk + iyk   (k=0,1,…,N-1)     (1)

其中xk , yk为坐标点值，N为坐标点数目。

2) 对序列{ak}进行DFT变换，提取DFT变换后的幅度系数{al}。

3) 应用量化嵌入方法，水印嵌入幅度系数{Al}。通过式(2)计算得出嵌入水印后的系数 。

   (2)

其中R为量化值。

4) 对{进行离散傅里叶逆变换，得到嵌入水印后的复数序列{a’k}。

5) 根据序列{a’k}修改相应特征点坐标，得到嵌入水印后的矢量数据。

2、 水印提取算法

水印提取是水印嵌入的逆过程。具体如下：

1)      读入待测数据，提取每一个要素的坐标点。

2)      根据式(1)产生复数序列{a’k}。

3)      对序列{a’k}进行DFT变换，得到DFT变换后的幅度系数{。

4)      采用嵌入水印时的量化值R，计算出系数所在的量化区间，提取水印。

5)      对提取到的一维水印序列，变换为二维图像并反置乱，得到最终水印图像。

算法中，水印被多次嵌入，因此采用投票原则来确定水印信息。计算方法是：定义一个与水印序列等长的整数序列{B(i)=0, i=1,…,M}，M为水印长度。单个水印位={1,-1}，相同水印位提取过程中，使用公式B(i)= B(i)+来统计出水印信息值-1和1的多数，如“1”为多数，则；然后根据公式(3)来重构出二值水印图像。

            (3)。

Claims (1)

1.基于抗投影攻击的矢量空间数据盲水印方法，其特征包括以下步骤：

(1)、水印嵌入前，将空间数据投影到一种中间坐标系(如WGS84坐标系)，然后实施水印嵌入，最后把嵌入水印后的空间数据投影到原来坐标系统；这样，水印检测时，在水印嵌入坐标系未知的情况下，仍然可以转换数据到WGS84坐标系，提取到水印信息；

 (2)、水印的嵌入：水印信息嵌入是指把水印信息嵌入到原始矢量地理空间数据中得到含水印信息的矢量地理空间数据，步骤如下，读取原始矢量地理空间数据，提取要素坐标点产生复数序列；对序列进行DFT变换，提取DFT变换后的幅度系数；应用量化嵌入方法，得到嵌入水印后系数；对嵌入水印后系数进行离散傅里叶逆变换，得到嵌入水印后的复数序列；根据复数序列修改相应特征点坐标，得到嵌入水印后的矢量数据；

 (3)、水印的提取：水印信息的提取是水印信息嵌入过程的逆过程，读入待测数据，提取每一个要素的坐标点，得出复数序列；对序列进行DFT变换，得到幅度系数；采用嵌入水印时的量化值R，计算出系数所在的量化区间，提取水印；对提取到的一维水印序列，变换为二维图像并反置乱，得到最终水印图像。