CN106373080A - 一种矢量地理数据之多重数字水印动态嵌入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矢量地理数据之多重数字水印动态嵌入方法，采用二分法实时分割设定的数字水印信息位长度和动态水印检测的思想。在嵌入水印信息时先判断原数据中是否含有/含有几个水印信息。利用二分法对设定的带嵌入数字水印信息的数字水印信息位长度进行实时分割，将待嵌入的数字水印信息插入到设定的数字水印信息位中，并将其嵌入到载体数据中。多次循环，实现矢量地理数据之多重数字水印信息动态嵌入。本发明在对数字水印信息位长度实时分割的基础上实现了多重数字水印信息的动态嵌入，充分利用了单水印算法的优点，提高了多重水印算法的鲁棒性，同时解决了不了解原数据中数字水印信息的条件下，多用户分次嵌入不同数字水印信息的问题，实现了矢量地理数据追踪和多重版权保护。

Description

一种矢量地理数据之多重数字水印动态嵌入方法

技术领域

本发明属于地理信息版权保护领域，具体涉及一种针对矢量地理数据的采用数字水印信息位实时分割的数字水印动态嵌入与检测方法，实现矢量地理数据的多重版权保护和使用过程跟踪。

背景技术

在网络化，信息化程度较高的今天，地理信息产业飞速发展，GIS的网络化以及地理信息的共享应用已经成为主流的发展趋势和研究热点。但是在现阶段，数字化地理信息尤其是矢量地理空间数据的采集，编辑和更新等需要付出大量的时间和金钱代价，成本较高，而与之对应的，已经数字化的地理信息的获取、访问、传播、复制更加便捷，各种侵权、违法行为不断出现，地理信息安全问题日益突出。如何解决地理信息安全的问题、保障地理信息所有者的权益迫在眉睫。

数字水印技术作为一种新兴的信息安全技术，为矢量地理数据的安全保护提供了一种切实可行的解决途径。数字水印技术，是指在数字化的数据内容中嵌入秘密水印信息，通过水印与源数据的紧密结合并隐藏其中，成为源数据不可分离的一部分，由此来确定版权拥有者、所有权认证、跟踪侵权行为、认证数字内容来源的真实性、识别购买者、提供关于数字内容的其他附加信息等。同时对于加强责任心、震慑非法行为、有据可查快查等具有重要作用。数字水印技术在军事安全保障、国家安全方面发挥的作用已经受到国家政府机关的高度重视。

近年来数字水印技术在4D产品、图形、视频、音频等领域取得了许多的应用，常见的水印信息多为单水印信息，当地理信息产品需要多重版权保护时，多重数字水印技术具有明显优势。

多重数字水印技术是在同一数据载体中分次嵌入多个不同数字水印信息的技术。目前此项技术多针对图形图像数据使用，专门针对于矢量地理数据的多重数字水印技术的研究较少。在多重数字水印信息分次嵌入矢量地理数据的过程中，由于矢量地理数据的自身特性限制了嵌入数字水印信息的容量，无法满足多个用户版权保护的需求；其次，后嵌入数字水印信息可能覆盖之前嵌入的数字水印信息，与被覆盖数字水印信息对应的用户版权信息也随之被破坏；第三，在数字水印信息嵌入与检测过程中可能将载体矢量地理数据中的数字水印信息误判为噪声，无法准确检测与提取之前嵌入的数字水印信息。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前矢量地理数据单水印技术无法解决多重版权保护需求、现有多重水印技术多针对图形图像数据、并且难以抵抗数据裁剪攻击、数据同步攻击、鲁棒性差等问题，提出了一种利用数字水印信息位长度实时分割的矢量地理数据之多重数字水印动态嵌入方法，根据矢量地理数据嵌入数字水印信息的需要，将设定的数字水印信息位长度实时分割，应用于矢量地理数据动态多重鲁棒性水印算法，实现具有抗裁剪、压缩、删除要素、随机增点等攻击的矢量地理数据版权认证。

将设定长度的待嵌入矢量地理数据的数字水印信息位长度实时分割，应用于矢量地理数据动态多重鲁棒水印算法，为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案主要包括以下过程：

步骤一、生成数字水印信息

步骤1.1：生成一个水印种子(随机数)。

步骤1.2：基于水印种子，运用m序列生成器生成一个伪随机二值m序列。

步骤1.3：将步骤1.2中生成的伪随机二值m序列转换为数字水印信息W：

W＝{w[i],0≤i＜N} (w[i]∈{-1,1}) (1)

其中，w[i]是数字水印信息位，i为数字水印信息位索引，N为数字水印信息长度。

步骤1.4：建立水印种子和具体版权信息间映射表，以供数字水印信息检测使用。

步骤二、动态嵌入多重数字水印信息

步骤2.1：读取矢量地理数据。

步骤2.2：设置待嵌入矢量地理数据中的数字水印信息位总长度L。

步骤2.3：检测待嵌入数字水印信息的矢量地理数据。提取矢量地理数据中数字水印信息，分析提取到的数字水印信息统计特性，利用其统计特性检测矢量地理数据中是否含有数字水印信息，及数字水印信息的个数。

步骤2.4：根据检测结果，选择数字水印信息嵌入数字水印信息位总长度中的位置。若检测结果显示矢量地理数据中不含有水印信息，则将步骤1.3生成的数字水印信息W记为数字水印信息W¹，第一次在长度为L的数字水印信息位中存入W¹。

若检测结果表示矢量地理数据中含有1个数字水印信息W¹，则将步骤1.3生成的数字水印信息W记为数字水印信息W²，并将原数字水印信息位按二分法分段，在L/2+1～L间的数字水印信息位中存入数字水印信息W²。

若检测结果表示矢量地理数据中已经含有2个数字水印信息W¹和W²，则步骤1.3生成的数字水印信息W记为数字水印信息W³，并按二分法将L/2+1～L间的数字水印信息位长度均分，W¹水印信息位为1～L/2之间，长度仍为L/2，在3L/4+1～L间的数字水印信息位中存入数字水印信息W³，W²在L/2+1～3L/4之间；若检测结果表示原数据中已经含有3个数字水印信息W¹，W²和W³，则将1～L/2间的数字水印信息位按二分法分段，在L/4+1～L/2间的数字水印信息位中存入步骤1.3生成的数字水印信息W。

依此循环执行步骤1.1～2.4，逐次嵌入数字水印信息。

步骤2.5：量化嵌入数字水印信息。

量化嵌入数字水印信息的具体过程为：将矢量地理数据横坐标值x按照(2)式中规则分为两个部分，如果待嵌入数字水印信息位为-1，按照(3)式中规则嵌入数字水印信息位；如果待嵌入数字水印信息位为1，按照(4)式中规则嵌入数字水印信息位。

$\left\{\begin{array}{ccc}x\&Element;\sec 1& if& \left(x\%r\right)<(r/2)\\ x\&Element;\sec 2& if& \left(x\%r\right)\&GreaterEqual;(r/2)\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{ccc}x=x& if& \left(x\%r\right)<(r/2)\\ x=x+r/2& if& \left(x\%r\right)\&GreaterEqual;(r/2)\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{ccc}x=x+r/2& if& \left(x\%r\right)<(r/2)\\ x=x& if& \left(x\%r\right)\&GreaterEqual;(r/2)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中sec1和sec2表示互不重叠的两个逻辑区间，r/2为量化区间长度，r是大于2的偶数。

步骤2.6：保存嵌入数字水印信息后的矢量地理数据。

附图说明

图1是本发明方法的水印嵌入流程图；

图2是水印信息、水印信息位与水印信息位索引示意图；

图3是本发明方法的水印信息实时分割示意图；

图4是本发明方法实施例测试的矢量地理数据图；

图5是图4嵌入水印后的效果图；

图6是图4被裁剪攻击后的矢量地理数据；

图7是图4被压缩攻击后的矢量地理数据；

图8是图4被要素删除攻击后的矢量地理数据。

图9是图4被随机增点攻击后的矢量地理数据。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例选择矢量地理数据线数据为实验数据，针对数据的读取、预处理、数字水印信息生成、数字水印信息嵌入、含数字水印信息数据保存、数字水印信息检测、检测结果输出的整个过程，给出本发明的一个实施例，进一步详细说明本发明。

如图3，本实施例选择一幅比例尺为1:100万、坐标单位为米(m)的矢量地理数据作为实验矢量地理数据，数据格式为shapefile。具体嵌入过程如下：

1.数字水印信息生成：

步骤1.1：在每次嵌入数字水印信息之前生成一个水印种子。

步骤1.2：基于水印种子，运用m序列生成器生成一个伪随机二值m序列。

步骤1.3：将步骤1.2中生成的伪随机二值m序列转换为数字水印信息W。

步骤1.4：建立水印种子和具体版权信息间映射表，以供数字水印信息检测使用。

2.数字水印信息的嵌入：

步骤2.1：读取实验矢量地理数据。

步骤2.2：设置待嵌入矢量地理数据中的数字水印信息位总长度为256。

步骤2.3：检测待嵌入数字水印信息的矢量地理数据。提取矢量地理数据中数字水印信息，分析提取到的数字水印信息统计特性，利用其统计特性检测矢量地理数据中是否含有数字水印信息，及数字水印信息的个数。

步骤2.4：根据检测结果，选择数字水印信息嵌入数字水印信息位总长度中的位置。

若检测结果显示实验矢量地理数据中不含有水印信息，则将步骤1.3中生成的数字水印信息W记为数字水印信息W¹，在数字水印信息位索引0～255的数字水印信息位中存入W¹。

若检测结果表示原数据中含有1个数字水印信息，则记为数字水印信息W¹，将步骤1.3中生成的数字水印信息W记为数字水印信息W²，将原数字水印信息位按二分法分段，在数字水印信息位索引128～255的数字水印信息位中存入数字水印信息W²。

若检测结果表示原数据中已经含有2个水印信息，则记为数字水印信息W¹和W²，将步骤1.3中生成的数字水印信息W记为数字水印信息W³，按二分法将在数字水印信息位索引128～255间的数字水印信息位长度均分，W¹数字水印信息位索引为0～127之间，长度仍为128，在数字水印信息位索引192～255间的数字水印信息位中存入数字水印信息W³。

若检测结果表示原数据中已经含有3个水印信息，则记为数字水印信息W¹，W²和W³，将步骤1.3中生成的数字水印信息W记为数字水印信息W⁴，按二分法将0～127间的数字水印信息位分段，在水印信息位索引64～127间的水印信息位中存入数字水印信息W⁴；依此循环步骤1.1～步骤2.3，逐次嵌入数字水印信息W⁵，W⁶。

步骤2.5：基于量化的思想嵌入数字水印信息。

量化嵌入的具体过程为：将矢量地理数据横坐标值x按照(2)式中规则分为两个部分，如果待嵌入数字水印信息位为-1，按照(3)式中规则嵌入数字水印信息位；如果待嵌入数字水印信息位为1，按照(4)式中规则嵌入数字水印信息位。

$\left\{\begin{array}{ccc}x\&Element;\sec 1& if& \left(x\%r\right)<(r/2)\\ x\&Element;\sec 2& if& \left(x\%r\right)\&GreaterEqual;(r/2)\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{ccc}x=x& if& \left(x\%r\right)<(r/2)\\ x=x+r/2& if& \left(x\%r\right)\&GreaterEqual;(r/2)\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{ccc}x=x+r/2& if& \left(x\%r\right)<(r/2)\\ x=x& if& \left(x\%r\right)\&GreaterEqual;(r/2)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中sec1和sec2表示互不重叠的两个逻辑区间，r/2为量化区间长度，r设置为6。

步骤2.6：保存嵌入数字水印信息后的矢量地理数据。

本方法的特点与技术优势：

本方法中最为关键的是初始数字水印信息长度和数字水印存入的数字水印信息位索引位置的确定。通过实时分割数字水印信息，很好地确立了每次数字水印信息存入的数字水印信息位索引的位置，这样可以保证矢量地理数据数字水印信息容量、嵌入的多个数字水印信息不相互影响、在对数字水印信息个数与内容不了解的情况下实现多重数字水印信息动态嵌入；并且此方法可以继承单水印算法的优点，具有较好的鲁棒性。

测试与分析：

本发明所提出的方法是专门针对矢量数据的动态多重水印方法，采用该方法可以开发并实现基于数字水印技术的矢量地理数据版权保护系统。

(1)多重数字水印信息检测

对实验数据依次嵌入6个数字水印信息，然后对嵌入水印信息的实验数据进行水印信息检测，实验结果表明，该方法可以完整检测出这6个水印信息。

(2)裁剪攻击

矢量地理数据在应用的过程中经常会依照需求被裁剪，因而，好的算法应该可以抵抗任意位置的裁剪攻击。

将含数字水印信息实验数据进行裁剪，裁剪的位置为任意的，裁剪的效果如图5。实验结果表明，即使裁剪到原实验数据的(1.1％)时，多重数字水印信息仍然可以正确提取出，实验中多重数字水印信息的提取率为100％。

(3)压缩攻击

采用道格拉斯-佩克压缩算法对嵌入多重数字水印信息的矢量地理数据进行压缩，实验中采用了多个不同的数据压缩百分比。实验结果表明，本方法可以有效抵抗不同程度的压缩攻击。

(4)要素删除攻击

在嵌入了多重数字水印信息的实验数据中按不同的百分比随机删除要素，并检测其中的数字水印信息。实验结果表明，本方法可以有效抵抗不同程度的随机要素删除攻击。

(5)随机增点攻击

在嵌入了多重数字水印信息的实验数据中按不同的百分比随机增加数据点，并检测其中的数字水印信息。实验结果表明，本方法可以有效抵抗不同程度的随机增点攻击。

Claims (1)

1.一种矢量地理数据之多重数字水印动态嵌入方法，其步骤是：

步骤一、生成数字水印信息

步骤1.1：生成一个水印种子；

步骤1.2：基于水印种子，运用m序列生成器生成一个伪随机二值m序列；

步骤1.3：将步骤1.2中生成的伪随机二值m序列转换为数字水印信息W：

W＝{w[i],0≤i＜N} (w[i]∈{-1,1}) (1)

其中，w[i]是数字水印信息位，i为数字水印信息位索引，N为数字水印信息长度；

步骤1.4：建立水印种子和具体版权信息间映射表；

步骤二、动态嵌入多重数字水印信息

步骤2.1：读取矢量地理数据；

步骤2.2：设置带嵌入矢量地理数据中的数字水印信息位总长度L；

步骤2.3：检测待嵌入数字水印信息的矢量地理数据中是否含有数字水印信息，及数字水印信息的个数；

步骤2.4：根据检测结果，选择数字水印信息嵌入数字水印信息位总长度中的位置；若检测结果显示矢量地理数据中不含有水印信息，则将步骤1.3生成的数字水印信息W记为数字水印信息W¹，第一次在长度为L的数字水印信息位中存入W¹；

若检测结果表示矢量地理数据中含有1个数字水印信息W¹，则将步骤1.3生成的数字水印信息W记为数字水印信息W²，并将原数字水印信息位按二分法分段，在L/2+1～L间的数字水印信息位中存入数字水印信息W²；

若检测结果表示矢量地理数据中已经含有2个数字水印信息W¹和W²，则步骤1.3生成的数字水印信息W记为数字水印信息W³，并按二分法将L/2+1～L间的数字水印信息位长度均分，W¹水印信息位为1～L/2之间，长度仍为L/2，在3L/4+1～L间的数字水印信息位中存入数字水印信息W³，W²在L/2+1～3L/4之间；

若检测结果表示原数据中已经含有3个数字水印信息W¹，W²和W³，则将1～L/2间的数字水印信息位按二分法分段，在L/4+1～L/2间的数字水印信息位中存入步骤1.3生成的数字水印信息W；

依此循环执行步骤1.1～2.4，逐次嵌入数字水印信息；

步骤2.5：量化嵌入数字水印信息

将矢量地理数据横坐标值x按照(2)式中规则分为两个部分，如果待嵌入数字水印信息位为-1，按照(3)式嵌入数字水印信息位；如果待嵌入数字水印信息位为1，按照(4)式嵌入数字水印信息位：

$\left\{\begin{array}{cc}x\&Element;\sec 1& if\left(x\%\right)<(r/2)\\ x\&Element;\sec 2& if\left(x\%\right)\&GreaterEqual;(r/2)\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{cc}x=x& if\left(x\%r\right)<(r/2)\\ x=x+r/2& if\left(x\%r\right)\&GreaterEqual;(r/2)\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{cc}x=x+r/2& if\left(x\%r\right)<(r/2)\\ x=x& if\left(x\%r\right)\&GreaterEqual;(r/2)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，sec1和sec2表示互不重叠的两个逻辑区间，r/2为量化区间长度，r是大于2的偶数；

步骤2.6：保存嵌入数字水印信息后的矢量地理数据。