CN104794672B - 抗高程平移和裁剪攻击的格网dem盲水印方法 - Google Patents

Abstract

高程平移和裁剪是针对DEM数据水印常见的攻击方式，本发明提出了一种可有效抵抗高程平移和裁剪攻击的格网DEM盲水印方法。该方法考虑了DEM数据的特点，对原始水印进行扩频处理，使其与高程差值形成映射关系，利用相邻格网的高程差值在高程平移攻击中的不变特性，以量化方式将扩频后水印按位嵌入到高程差值中，将扩张的差值分摊到相邻高程的后一位。该水印方法具有良好的不可见性，对DEM数据精度和应用精度影响较小，并且对抵抗高程平移和裁剪攻击具有良好的鲁棒性。

Description

抗高程平移和裁剪攻击的格网DEM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，涉及一种针对规则格网DEM数据的抗高程平移和裁剪攻击的盲水印方法。

背景技术

数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）是地理空间数据的重要组成部分，已被广泛应用于测绘、地质、矿山工程、战场仿真等领域。然而，DEM的数字化形式为地形模拟分析带来便利的同时，因其易于存储、修改、传播的特性，使其篡改、侵权更加容易，由此产生的DEM版权纠纷问题日益严重。因此，如何使DEM数据得到合理共享的同时，又能有效保护所有者的版权利益，已成为一个迫在眉睫的现实问题。

数字水印技术在数据版权保护和数据真伪检测的应用中发挥着重要作用，是一种可在开放的网络环境下实现信息隐藏域跟踪的新技术。同时由于数字高程模型数据在数据结构、存储方式、表现形式和应用环境等方面的特殊性，使得数字水印技术在保护地理空间数据安全中发挥重要作用。

数字水印技术已成为地理空间数据版权保护的重要手段。在DEM数据水印技术研究中，高程平移和裁剪是针对DEM数据水印最常见的攻击方式，大部分方法在同时抵抗高程平移和裁剪攻击方面鲁棒性较差。因此，本方法利用相邻格网高程差值在高程平移攻击中的不变特性，结合水印扩频处理技术，提出一种抗高程平移和裁剪攻击的格网DEM盲水印方法，增强了其抵抗水印攻击的能力。

发明内容

本发明针对现有的格网DEM数据数字水印方法的不足，提出了一种能有效提取水印信息，保证DEM数据使用精度，有效抵抗高程平移、数据裁剪攻击等，具有高鲁棒性、高安全性以及实用性高的格网DEM数据盲水印方法。

本发明方法包括水印信息嵌入和水印信息提取。

水印信息嵌入是指把水印信息嵌入到原始DEM数据中得到含水印信息的DEM数据。步骤如下，对加入空间数据的水印信息应用扩频处理，使其与高程差值矩阵形成对应关系；读取原始DEM数据，提取高程值矩阵，利用相邻格网的高程差值在高程平移中的不变特性，将扩频后的水印信息以量化的方式嵌入到高程差值中，并将扩张的差值分摊到相邻高程的后一位，保证高程值只改变一次。

水印信息的提取是水印信息嵌入过程的逆过程，对含水印的DEM数据提取高程差值，通过量化提取水印位；由于对原始水印进行了扩频处理，这里提取到是多个原始水印，将其转化为可视化图像，从中选择最优的单个水印信息。

本发明方法先进、科学，保证水印信息的有效提取，隐蔽性好，能够保证嵌入水印信息后数据的精度。通过实验表明，该方法对格网DEM数据的高程平移和数据裁剪等攻击具有较好的鲁棒性，并且是一种盲水印方法，具有较好的使用价值。

附图说明

图1 是原始水印信息图像

图2 是扩频后水印信息图像

图3(a) 是原始DEM数据图像

图3(b) 是嵌入水印后DEM数据图像

图3(c) 是原始水印信息图像

图3(d) 是提取到的水印信息图像

图4 是原始DEM（浅色线）与含水印DEM（深色线）提取等高线叠加

图5是嵌入水印前后DEM数据统计对比

图6是水印攻击测试结果。

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。

步骤一：读取原始DEM数据，得到高程值矩阵z(i,j)，0＜i≤M，0＜j≤N，M ×N为DEM的总格网数。如果原始高程值是浮点数，为了便于处理，将其扩大至整数值，水印嵌入完成后可恢复为浮点数。

步骤二：对加入DEM数据的水印信息扩频处理，扩频方式为整体重复增加，形成多个原始单个水印的重复，得到w ’(i,j)={0,1}，i =(1,2,……,a×K)，j =(1,2,……,b×L)，其中a =M /K，b=(N-1)/L。

步骤三：扩频后的水印信息与相邻高程差值矩阵一一对应，按照矩阵行列顺序提取水印信息位w ’(i,j)，逐个提取、判断和修改与之对应的相邻高程差值d= z(i,j+1)-z(i,j)，以量化的方式修改相邻高程的后一位，实现水印的嵌入，分如下两种情况处理：

(a) if w ’(i,j)=0 and mod(z(i,j+1)-z(i,j),2) = 1

z(i,j+1) = z(i,j+1)-1

(b) if w ’(i,j)=1 and mod(z(i,j+1)-z(i,j),2) = 0

z(i,j+1)= z(i,j+1)+1

步骤四：经过如上操作，就可以得到新的高程值矩阵z(i,j)，用新的高程值矩阵替换原始高程值；

步骤五：保存DEM数据，得到含水印DEM数据。

水印信息提取是指从待检测DEM数据中提取水印信息内容，具体步骤如下：

步骤一：读取待检测DEM的高程数据，得到高程值矩阵z ’(i,j)，0≤i≤M，0≤j≤N}。如是浮点数，扩大至整数值；

步骤二：定义一个比待检测DEM数据高程值矩阵少一列的空值矩阵w ’’(i,j)，0≤i≤M，0≤j≤N -1，其中M ×N即为待检测DEM高程值矩阵的大小；

步骤三：逐个对相邻高程差值进行判断和提取（不考虑跨行相邻的高程差值），量化幅度取嵌入时的值R=2，如式1所示：

（1）

步骤四：将提取到的二值化扩频水印信息转化成可视化水印图像，从中提取质量最优的单个水印图像。

综上所述，本发明有效解决了格网DEM数据中水印信息的有效提取，尽可能的保证了数据的精度，并且对抵抗高程平移和数据裁剪攻击具有较强的鲁棒性，是一种盲水印方法，具有较好的使用价值。

Claims (1)

1.抗高程平移和裁剪攻击的格网DEM盲水印方法，其特征包括以下步骤：

(1)、水印嵌入前，根据格网DEM数据高程差值矩阵大小，对原始水印扩频处理，扩频方式为整体重复增加，形成多个原始单个水印的重复，形成水印位与高程差值位的对应关系；

(2)、水印的嵌入：水印信息嵌入是指把水印信息嵌入到原始格网DEM数据中得到含水印信息的格网DEM数据，步骤如下，读取原始格网DEM数据，提取高程值矩阵；按照矩阵行列顺序提取扩频后水印信息位，逐个提取、判断和修改与之对应的相邻高程差值，以量化的方式修改相邻高程的后一位，实现水印的嵌入；最后根据修改后的高程值矩阵生成嵌入水印后的格网DEM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，读入待测格网DEM数据，定义一个比待检测DEM数据高程值矩阵少一列的空值矩阵，逐个对相邻高程差值进行判断，采用嵌入时的量化幅度，判断差值的量化区间，提取对应的水印位信息；将提取到的扩频后水印转化为可视化图像，从中提取质量最优的单个水印图像。