CN105574803B - 二维cad工程图的可逆水印方法、水印嵌入和水印提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维CAD工程图的可逆水印方法、水印嵌入和水印提取方法，首先根据二维CAD工程图中实体顶点在各个坐标轴上分布的广度划分等间隔区间段，然后依据各个坐标点所对应区间段的序数确定该坐标点的左右虚拟坐标点，使其与实际坐标点构成一组有序数据集，水印嵌入则依据该组数据集的均值和水印信息修改实际坐标实现。该方法能够确保除参考坐标点外的任一坐标点都能作为水印载体，并且在多层嵌入水印的情况下图像质量仍具有较好的不可见性。理论分析和实验结果均表明该方法有效地解决了二维工程图水印容量低、嵌入水印后图形质量不佳等问题，适用于对数据精度要求较高的二维CAD工程图形的水印嵌入和提取。

Description

二维CAD工程图的可逆水印方法、水印嵌入和水印提取方法

技术领域

本发明涉及信息安全领域，特别是一种二维CAD工程图的可逆水印方法、水印嵌入和水印提取方法。

背景技术

随着信息技术的发展，图像、视频等数字多媒体作品的拷贝、修改、传播变得非常容易，这给数字多媒体带来极大便利的同时，其内容保护和版权认证也成为亟待解决的问题。数字水印技术作为一种版权保护和内容认证的手段，近年来在数字图像领域得到一定的发展。传统的水印方法会使原始的图形数据永久的失真，然而，在很多特殊的应用场合，如医学、司法、军事等，对数字媒体本身的完整性、真实性要求很高，任何因为水印嵌入引入的数据精度的失真是不允许的。因此，可逆水印技术的出现很好地满足了这类应用的需求。可逆水印技术又称为无损数据隐藏，是指能够完整恢复原始载体数据的水印算法。目前可逆水印技术的研究主要集中在栅格图像领域，主要利用差值扩展，直方图变换和无损压缩等方法改变图像的像素值嵌入水印信息。针对矢量数据的可逆水印方法研究则相对较少，而已有的可逆水印算法大多针对数据相关性较高的图像载体，当图像数据相关性较低时，水印容量和图像质量均无法保证。

二维CAD工程图作为矢量图形的一种，因具有数据精度高、可无损缩放和易于存储等特点，在工程设计行业中得到了广泛应用。然而，这些工程图形的数据相关性较低，已有的可逆水印方案大部分无法直接应用到二维CAD工程图领域，少数能用于二维CAD工程图的方法，存在水印容量低、嵌入水印后图形质量不佳的问题。因此，寻找一种新型的独立于载体相关性的可逆水印方案来进一步扩大可逆数字水印技术的应用范围，实现二维CAD工程图的版权保护和内容认证功能，已成为目前研究工作的重点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种二维CAD工程图的可逆水印方法、水印嵌入和水印提取方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种二维CAD工程图虚拟坐标迭代嵌入的大容量可逆水印方法，包括水印嵌入部分、水印提取部分；

所述水印嵌入部分包括以下步骤：

1)遍历二维工程图形G中所有实体的所有顶点坐标，得到一组二维顶点坐标集合V＝{V₁,V₂,…,V_i…,V_n}；获取V中各顶点横坐标的最大值x_max和最小值x_min作为参考坐标点；i∈[1,n]，n为二维工程图形G中所有实体的所有顶点总数；

2)对参考坐标点外的任一坐标的横坐标x_i，根据水印嵌入位置调节该横坐标小数点的位置，得到实际横坐标x_i′＝x_i×10^P,P≤P_max；计算x′_i的左、右虚拟横坐标其中P_max表示坐标小数点后的最大有效位数；P为水印嵌入位置参数；

3)将实际横坐标x′_i和虚拟横坐标构成的有序数据集作为水印载体，计算其均值

4)根据均值和待嵌入的水印信息w_i，修改实际横坐标x′_i实现水印嵌入，嵌入水印后的横坐标为：其中Q_i表示水印嵌入的变形参数；；

5)更新嵌入水印后的横坐标：

6)重复上述步骤2～5)，得到参考坐标点外所有坐标嵌入水印后的横坐标；

7)保存嵌入水印后的顶点坐标V^w，得到嵌入水印后的二维工程图形G^w；所述水印提取部分包括以下步骤：

1)遍历嵌入水印后二维工程图形G^w中所有实体的所有顶点坐标，得到一组二维顶点坐标集合V^w＝{V₁ ^w,V₂ ^w,…V_i ^w,…V_n ^w}；获取V^w中各顶点横坐标的最大值和最小值作为参考坐标点；

2)对除参考坐标点外的任一横坐标根据水印嵌入位置调节该横坐标小数点的位置，得到实际横坐标：

3)计算均值

4)比较实际横坐标和均值的大小，确定水印信息并恢复实际横坐标x′_i：

5)更新提取水印后的横坐标，恢复横坐标x_i：x_i＝x′_i/10^P；

6)保存提取水印后的顶点坐标V，即得到原始二维工程图形G；采用与水印嵌入部分步骤1)～7)相同的原理，实现纵坐标的水印嵌入,；采用与水印提取部分步骤1)～6)相同的原理，实现纵坐标的水印提取。

优选地，本发明的虚拟横坐标的计算公式如下：

其中，0≤u_xi≤D_x-1，D_x≥2；l_t＝(x_max-x_min)/D_x；x′_min＝x_min×10^P；x′_i≠x′_min,x′_i≠x′_max；x′_max≠x_max×10^P；表示向下取整。该虚拟横坐标的计算公式简单，计算量小，容易实现。

优选地，本发明的变形参数Q满足：Q'＜Q＜Q”；其中，Q'＜min(Q(o)_i|i＝1,…n)；Q”＞max(Q(c)_i|i＝1,…n)；

本发明变形参数的选择方法可以有效防止水印嵌入过程中的数据溢出和水印提取过程中的数据溢出，能最大程度地减少水印嵌入后图像的失真，同时能有效保证水印的正确提取。

本发明中，P的取值为3或4，确保水印嵌入有较好的不可见性。

本发明的二维CAD工程图虚拟坐标迭代嵌入的大容量水印嵌入方法包括以下步骤：

1)遍历二维工程图形G中所有实体的所有顶点坐标，得到一组二维顶点坐标集合V＝{V₁,V₂,…,V_i…,V_n}；获取V中各顶点横坐标的最大值x_max和最小值x_min作为参考坐标点；i∈[1,n]，n为二维工程图形G中所有实体的所有顶点总数；

2)对参考坐标点外的任一坐标的横坐标x_i，根据水印嵌入位置调节该横坐标小数点的位置，得到实际横坐标x_i′＝x_i×10^P,P≤P_max；计算x′_i的左、右虚拟横坐标其中P_max表示坐标小数点后的最大有效位数；P为水印嵌入位置参数；

3)将实际横坐标x′_i和虚拟横坐标构成的有序数据集作为水印载体，计算其均值

4)根据均值和待嵌入的水印信息w_i，修改实际横坐标x′_i实现水印嵌入，嵌入水印后的横坐标为：其中Q表示水印变形参数；；

5)更新嵌入水印后的横坐标：

6)重复上述步骤2～5)，得到参考坐标点外所有坐标嵌入水印后的横坐标；

7)保存嵌入水印后的顶点坐标V^w，得到嵌入水印后的二维工程图形G^w。

相应地，本发明的二维CAD工程图虚拟坐标迭代嵌入的大容量水印提取方法包括以下步骤：

1)遍历上述嵌入水印后的二维工程图形G^w中所有实体的所有顶点坐标，得到一组二维顶点坐标集合V^w＝{V₁ ^w,V₂ ^w,…V_i ^w,…V_n ^w}；获取V^w中各顶点横坐标的最大值和最小值作为参考坐标点；

2)对除参考坐标点外的任一横坐标根据水印嵌入位置调节该横坐标小数点的位置，得到实际横坐标：P≤P_max；

3)计算均值

4)比较实际横坐标和均值的大小，确定水印信息并恢复实际横坐标x′_i：

5)更新提取水印后的横坐标，恢复横坐标x_i：x_i＝x′_i/10^P；

6)保存水印提取后的顶点坐标V，即得到原始二维工程图形G；采用与水印嵌入部分步骤1)～7)相同的原理，实现纵坐标的水印嵌入,；采用与水印提取部分步骤1)～6)相同的原理，实现纵坐标的水印提取。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过对工程图顶点坐标构造虚拟坐标点提高数据间的相关性，保证嵌入水印和提取水印后，原始图形变化较小；参考坐标点外的任一坐标点都能作为水印载体，并且在多层嵌入水印的情况下引入的失真仍能控制在有限的范围内。理论分析和实验结果均表明该方法有效地解决了二维工程图水印容量低、嵌入水印后图形质量不佳的问题，适用于对数据精度要求较高的二维CAD工程图形的水印嵌入和提取。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2(a)～图2(c)分别为工程图形G1的原始图形、嵌入水印图形、提取水印后的图形；

图3为本发明不可见性与嵌入位置关系图；

图4(a)～图4(c)分别为工程图形G2在迭代次数分别为T＝1、T＝2、T＝3时图形的不可见性；

图5为本发明不可见性与迭代次数关系图。

具体实施方式

本发明具体实现过程包括：构造虚拟坐标点、水印嵌入、水印提取，其流程图如图1所示。

构造虚拟坐标点：

步骤1：遍历二维CAD工程图所有实体的所有顶点坐标值，分别选取X轴上坐标的最小值x_min和最大值x_max作为参考坐标点；

步骤2：将x_min、x_max在坐标轴上的距离划分为D_x(D_x≥2)个相等的区间段，定义每个区间段的长度l_t：

l_t＝(x_max-x_min)/D_x

步骤3：根据水印嵌入位置，调节各坐标的小数点位置：

x′_i＝x_i×10^P,P≤P_max

其中P表示水印嵌入的位置参数，P_max表示坐标小数点后的最大有效位数。

步骤4：计算虚拟坐标点。对于X坐标轴上的任一横坐标x′_i(i∈[1,n],x′_i≠x′_min,x′_i≠x′_max)，确定该横坐标所在的区间段u_xi(0≤u_xi≤D_x-1)及其左右虚拟坐标点

水印嵌入：

步骤1：遍历二维工程图形G中所有实体(例如线、弧、圆等)的所有顶点坐标，得到一组二维顶点坐标集合V＝{V₁,V₂,…,V_i…,V_n}，获取V中各顶点横坐标的最大值x_max和最小值x_min作为参考坐标点；

步骤2：对实际横坐标x′_i，按上述虚拟坐标点的构造原则计算其左右虚拟坐标点；

步骤3：将实际横坐标和虚拟横坐标构成的一组有序数据集作为水印载体，计算其均值

步骤4：依据均值和待嵌入的水印信息w_i修改实际坐标实现水印嵌入。嵌入水印后的坐标用表示。

其中Q表示水印嵌入的变形参数。

步骤5：更新嵌入水印后的坐标：

步骤6：采用同样的方法实现纵坐标的水印嵌入，得到参考坐标点外所有坐标嵌入水印后的纵坐标；保存嵌入水印后的顶点坐标V^w即为嵌入水印后的二维CAD工程图形G^w。

图3为水印嵌入位置参数，可知：随着嵌入位置的后移，RMSE值(均方根误差)显著降低。因此为了确保水印嵌入有较好的不可见性，通常可以将嵌入位置参数设置为3～4。

重复步骤3、4的操作即为迭代嵌入水印的过程。本发明中，若只做一次迭代，每个顶点可以嵌入两比特信息(现有技术中最多可以嵌入一比特信息)；如果迭代次数为T，每个顶点可以嵌入2T比特信息，也就是可以达到顶点数目的2T倍，很好地解决了二维工程图水印容量低的问题。

图5从理论上证明随着水印容量成倍增加，其RMSE只是小幅度地变化，进一步证明采用本发明的方法可得到较理想的水印容量和图形质量。

水印提取和数据恢复：

步骤1：遍历嵌入水印后二维工程图形G^w中所有实体的所有顶点坐标，得到一组二维顶点坐标集合V^w＝{V₁ ^wV₂ ^w…V_i ^w…V_n ^w}。获取V^w中各顶点横坐标的最大值和最小值作为参考坐标点；

步骤2：对参考坐标点外的任一横坐标根据水印嵌入位置调节横坐标小数点的位置，得到：

步骤3：利用下式计算均值

步骤4：利用下式恢复横坐标x′_i：

步骤5：更新提取水印后的坐标

x_i＝x′_i/10^P

步骤6：保存提取水印后的顶点坐标V即可得到原始二维CAD工程图形G。

图2(a)与图2(c)分别为工程图G1采用本发明方法提取水印后与原始图形的比较，从图2(c)中可以看出提取水印后图形具与原始图形一致的视觉效果。

重复步骤3、4的过程即为迭代提取水印的过程。需注意的是水印嵌入的次数与水印提取次数保持一致。

同理，可采用同样的方法实现Y坐标的水印嵌入和提取。

变形参数Q的确定：

为保证水印嵌入后顶点坐标不发生溢出，嵌入水印后的坐标需满足则：

对上式进行化简得到设所有满足数据不发生溢出条件的变形Q_i为Q(o)_i，为使所有的数据单元水印嵌入后数据均不发生溢出，Q应满足

Q＜min(Q(o)_i|i＝1,…n)；

当嵌入信息分别为“1”、“0”时，需分别满足

上式简化为设所有保证水印能正确提取的变形参数为Q(c)_i，为保证水印正确提取，Q应满足：

Q”＜max(Q(c)_i|i＝1,…n)

综上所述，同时满足水印嵌入后数据不发生溢出和水印提取后数据不发生溢出的变形参数Q为：Q'＜Q＜Q”。

图形失真度分析：

取任意坐标点横坐标及其虚拟横坐标构成数据集X＝{x^l,x′,x^r}作为测试数据，若重复嵌入水印信息“1”，则x′的值随之增加。令表示重复t-1次嵌入水印信息“1”后X中元素的均值，x(t)表示重复t次嵌入水印后顶点坐标值且Δ＝(x^l+x^r)/3，则x(t)可计算为

当t＝1时

当t＝2时

当t＝T时

几何级数之和则x(T)化简为

因此，随着水印嵌入次数的增加，实际坐标点x(T)也相应增加，其极限值为

即经过T＝∞次水印嵌入后，坐标的最大改动量

Claims (9)

1.一种二维CAD工程图虚拟坐标迭代嵌入的可逆水印方法，其特征在于，包括水印嵌入部分、水印提取部分；

所述水印嵌入部分包括以下步骤：

1)遍历二维工程图形G中所有实体的所有顶点坐标，得到一组二维顶点坐标集合V＝{V₁,V₂,…,V_i…,V_n}；获取V中各顶点横坐标的最大值x_max和最小值x_min作为参考坐标点；i∈[1,n]，n为二维工程图形G中所有实体的所有顶点总数；

2)对参考坐标点外的任一坐标的横坐标x_i，根据水印嵌入位置调节该横坐标小数点的位置，得到实际横坐标x_i′＝x_i×10^P,P≤P_max；计算x′_i的左、右虚拟横坐标其中P_max表示坐标小数点后的最大有效位数；P为水印嵌入位置参数；

3)将实际横坐标x′_i和虚拟横坐标构成的有序数据集作为水印载体，计算其均值

4)根据均值和待嵌入的水印信息w_i，修改实际横坐标x′_i实现水印嵌入，嵌入水印后的横坐标为：其中Q表示水印变形参数；

5)更新嵌入水印后的横坐标：

6)重复上述步骤2～5)，得到参考坐标点外所有坐标嵌入水印后的横坐标；

7)保存嵌入水印后的顶点坐标V^w，得到嵌入水印后的二维工程图形G^w；

所述水印提取部分包括以下步骤：

1)遍历嵌入水印后二维工程图形G^w中所有实体的所有顶点坐标，得到一组二维顶点坐标集合获取Vw中各顶点横坐标的最大值和最小值作为参考坐标点；

2)对除参考坐标点外的任一横坐标根据水印嵌入位置调节该横坐标小数点的位置，得到实际横坐标：

3)计算均值

4)比较实际横坐标和均值的大小，确定水印信息并恢复实际横坐标x′_i：

5)更新提取水印后的横坐标，恢复横坐标x_i：x_i＝x′_i/10^P；

6)保存水印提取后的顶点坐标V，即得到原始二维工程图形G；

采用与水印嵌入部分步骤1)～7)相同的原理，实现纵坐标的水印嵌入,；

采用与水印提取部分步骤1)～6)相同的原理，实现纵坐标的水印提取。

2.根据权利要求1所述的二维CAD工程图虚拟坐标迭代嵌入的可逆水印方法，其特征在于，虚拟横坐标的计算公式如下：

其中，0≤u_xi≤D_x-1，D_x≥2；l_t＝(x_max-x_min)/D_x；x′_min＝x_min×10^P；x′_i≠x′_min,x′_i≠x′_max；x′_max＝x_max×10^P；表示向下取整。

3.根据权利要求1或2所述的二维CAD工程图虚拟坐标迭代嵌入的可逆水印方法，其特征在于，变形参数Q满足：Q'＜Q＜Q”；其中，

Q'＜min(Q(o)_i|i＝1,…n)；Q”＞max(Q(c)_i|i＝1,…n)；

l_t＝(x_max-x_min)/D_x。

4.根据权利要求1所述的二维CAD工程图虚拟坐标迭代嵌入的可逆水印方法，P 的取值为3或4。

5.一种二维CAD工程图虚拟坐标迭代嵌入的水印嵌入方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)遍历二维工程图形G中所有实体的所有顶点坐标，得到一组二维顶点坐标集合V＝{V₁,V₂,…,V_i…,V_n}；获取V中各顶点横坐标的最大值x_max和最小值x_min作为参考坐标点；i∈[1,n]，n为二维工程图形G中所有实体的所有顶点总数；

2)对参考坐标点外的任一坐标的横坐标x_i，根据水印嵌入位置调节该横坐标小数点的位置，得到实际横坐标x′_i＝x_i×10^P,P≤P_max；计算x′_i的左、右虚拟横坐标其中P_max表示坐标小数点后的最大有效位数；P为水印嵌入位置参数；

3)将实际横坐标x′_i和虚拟横坐标构成的有序数据集作为水印载体，计算其均值

4)根据均值和待嵌入的水印信息w_i，修改实际横坐标x′_i实现水印嵌入，嵌入水印后的横坐标为：其中Q表示水印变形参数；

5)更新嵌入水印后的横坐标：

6)重复上述步骤2～5)，得到参考坐标点外所有坐标嵌入水印后的横坐标；

7)保存嵌入水印后的顶点坐标V^w，得到嵌入水印后的二维工程图形G^w；采用与步骤1)～7)相同的原理，实现纵坐标的水印嵌入。

6.根据权利要求5所述的二维CAD工程图虚拟坐标迭代嵌入的水印嵌入方法，其特征在于，虚拟横坐标的计算公式如下：

其中，0≤u_xi≤D_x-1，D_x≥2；l_t＝(x_max-x_min)/D_x；x′_min＝x_min×10^P；x′_i≠x′_min,x′_i≠x′_max；x′_max＝x_max×10^P；表示向下取整。

7.一种二维CAD工程图虚拟坐标迭代嵌入的水印提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)遍历权利要求5嵌入水印后的二维工程图形G^w中所有实体的所有顶点坐标，得到一组二维顶点坐标集合获取V^w中各顶点横坐标的最大值和最小值作为参考坐标点；

2)对除参考坐标点外的任一横坐标根据水印嵌入位置调节该横坐标小数点的位置，得到实际横坐标：

3)计算均值

4)比较实际横坐标和均值的大小，确定水印信息并恢复实际横坐标x′_i：

5)更新提取水印后的横坐标，恢复横坐标x_i：x_i＝x′_i/10^P；

6)保存水印提取后的顶点坐标V，即得到原始二维工程图形G；采用与步骤1)～6)相同的原理，实现纵坐标的水印提取。

8.根据权利要求7所述的二维CAD工程图虚拟坐标迭代嵌入的水印提取方法，其特征在于，变形参数Q满足：Q'＜Q＜Q”；其中，其中，

Q'＜min(Q(o)_i|i＝1,…n)；Q”＞max(Q(c)_i|i＝1,…n)；

l_t＝(x_max-x_min)/D_x；D_x≥2。

9.根据权利要求8所述的二维CAD工程图虚拟坐标迭代嵌入的水印提取方法，P 的取值为3或4。