CN106780287A - 基于矢量地理线数据组织特征的无损水印方法 - Google Patents

基于矢量地理线数据组织特征的无损水印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于矢量地理线数据组织特征的无损水印方法，包括以下步骤：水印信息生成、水印信息嵌入和水印信息检测。本发明充分利用矢量地理线数据的组织特征，并与鲁棒水印技术相结合，使得本发明能够在不改变数据精度的条件下实现水印的嵌入和检测，由于本发明将水印信息嵌入到矢量地理线数据的不变量中，使得本发明能够抵抗几乎所有常见类型的攻击。

Description

基于矢量地理线数据组织特征的无损水印方法
技术领域
本发明属于地理信息安全技术，具体涉及一种基于矢量地理线数据组织特征的无损水印方法。
背景技术
随着测绘学科的日益繁荣，数字化的地理空间数据产品在国民经济和国家建设的各个领域中发挥着重要的作用。数字化的地理空间数据产品在使用便利的同时，也带来了侵权、泄密等信息安全问题。其中，矢量地理数据因其高精度、体积小、易传输等特点被广泛使用，如何有效保护其版权，已成为亟待解决的问题。
《数字水印技术及应用》(孙圣和等.北京:科学出版社,2004)指出数字水印技术是信息安全领域中近年来发展起来的前沿技术，主要用于数字产品的版权保护及其真实性和完整性认证。数字水印与数据融为一体，成为数据不可分割的一部分。《地理空间数据数字水印理论与方法》(朱长青等.北京:科学出版社,2014)将数字水印技术算法分为空间域算法、变换域算法、压缩域算法、NEC算法和生理模型算法等。《基于常函数的抗几何变换的矢量地理数据水印算法》(杨成松等.测绘学报.2011)基于一个抗旋转、平移和放缩攻击的常函数，通过把水印信息嵌入到几何不变量中，提出了一种抗几何变换的矢量地理数据水印算法。该算法能够抵抗各种几何变换及复合攻击。《基于DFT的矢量地理空间数据数字水印模型研究》(许德合.解放军信息工程大学,2008)提出了基于DFT幅度的矢量地理空间数据数字水印模型，通过实验验证了模型具有较好的不可见行和鲁棒性。
虽然以上的算法能够较好地实现水印信息嵌入和抵抗攻击，但是《矢量地图无损数字水印技术和算法研究》(孙鸿睿.中南大学,2013)指出这些通过数据数值的改变来实现水印信息的嵌入的算法难以满足特定行业对矢量地理数据的安全和高精度需求，如军事领域、医学图像、用于法庭证据的数据、地图等。为了解决这个问题，《零水印的概念与应用》(温泉.电子学报,2003)提出了零水印的概念，零水印是不对原图像数据进行修改的一种新的数字水印技术，它仅利用原始载体自身的特征来构造水印。
但是相对传统的“嵌入式”水印而言，“构造式”的零水印并不是真正意义上的水印。由于零水印是构造出来的，所以任何人都可以根据原始数据来构造零水印，而且数据版权的归属需要第三方机构参与，这就导致了零水印在实际应用中存在着极大的局限性。与此同时，将水印与数据融为一体的“嵌入式”水印至今还未有相应的无损算法。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于矢量地理线数据组织特征的无损水印方法。
技术方案：本发明的一种基于矢量地理线数据组织特征的无损水印方法，依次包括以下步骤：
(1)水印信息生成：
(11)生成一串二进制序列，记做C，其长度为N，将待嵌入的版权信息I与C建立映射表；
(12)使用某一固定不变的密钥作为随机数，生成长度为N的二值伪随机序列R；
(13)将C与R对应的索引位做异或运算，得到置乱后水印信息W(W1,W2,...,WN)；
(2)水印信息嵌入：
(21)从待嵌入水印的矢量地理线数据中提取出所有的线要素，记作L(L1,L2,...,Ln)，n为线要素的数目；
(22)对于每一个线要素Li，将其长度映射到整数Xi，其中Xi∈[1,N]，最终得到所有线要素的索引值X(X1,X2,...,Xn)，i＝1,...,n；
(23)判断每一个线要素Li的方向是逆时针还是顺时针，分别记作0或1，得到所有线要素的方向D(D1,D2,...,Dn)；
(24)根据每个线要素Li的索引值Xi在二进制序列W中取得相应的Wi，如果Wi不等于Di，则将该线要素Li的方向改为其相反的方向；如果Wi等于Di，则不做修改；
(3)水印信息检测：
(31)从待检测水印的矢量地理线数据中提取出所有的线要素，记作L'(L'1,L'2,...,L'm)，m为线要素的数目；嵌入过水印后的线数据，在使用过程中，可能会遭到攻击，攻击可能导致其线要素的数量发生变化，因此存在以下三种情况：①m＝n；②m<n；③m>n；
(32)对于每一个线要素L'j，将其长度映射到整数X'j，其中X'j∈[1,N]，最终得到所有线要素的索引值X'(X1',X'2,...,X'm)，j＝1,...,m；
(33)计算每一个线要素Li的方向D'(D1',D'2,...,D'm)，设提取的水印信息为W'(W′1,W′2,...,W′N),令得到W'；
(34)将W'与R对应的索引位做异或运算得到C'，将C'与原始水印C做相关性检验，从而在映射表中得到版权信息I。
有益效果：本发明在矢量地理线数据中，将每个线要素的长度映射到水印嵌入位，将该水印嵌入位上的水印信息嵌入到该线要素的方向中，因此数据的精度不会发生任何改变；而且无论嵌入水印后的矢量地理线数据如何变化，只要长度和方向都不变或不发生显著改变的线要素能够满足全映射，因此水印信息就能够被准确地提取出来。
本发明充分利用矢量地理线数据的组织特征，并与鲁棒水印技术相结合，使得本发明能够在不改变数据精度的条件下实现水印的嵌入和检测。此外，由于本发明将水印信息嵌入到矢量地理线数据的不变量中，使得本方法能够抵抗几乎所有常见类型的攻击。
附图说明
图1是本发明的水印生成与嵌入流程图；
图2是本发明的水印检测流程图；
图3是实施例1的实验数据示意图；
图4是实施例1进行水印嵌入后的数据示意图。
图5是对嵌入水印后的数据进行攻击后的数据和检测结果示意图：
其中，5(a)为局部平移攻击，5(b)为整体平移攻击，5(c)为整体旋转攻击，5(d)为数据压缩攻击，5(e)为数据增加攻击，5(f)为数据删除攻击。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
便于理解本发明，作以下定义说明：
矢量地理线数据是由若干线要素构成的，每个线要素又是由若干点要素构成，其中每个点要素都含有x、y值，同时还可能包含其他附属信息，如高程信息等。构成线要素的点要素都是以特定的规则结合的，经过渲染便得到了线要素。每个线要素都有各自的长度和方向。
本发明定义，线要素的长度是指组成该线要素的各个相邻点要素的距离之和，线要素的方向是指组成该线要素的起始点要素和终止点要素连线的方向，线要素的方向的改变是指组成该线要素的点要素按照逆序结合。
那么，在常见的攻击中，线要素的长度和线要素的方向不会发生改变或不会发生显著改变。此外，线要素的方向的改变不会影响矢量地理线数据的精度，也不影响其在终端的渲染结果。根据矢量地理线数据的这种组织特性，本发明的算法采用映射的思想，利用线要素的长度来确定水印嵌入位，利用线要素的方向的改变来记录水印信息。
如图1和图2所示所示，一种基于矢量地理线数据组织特征的无损水印方法，其特征在于：依次包括以下步骤：
(1)水印信息生成：
(11)生成一串二进制序列，记做C，其长度为N，将待嵌入的版权信息I与C建立映射表；
(12)使用某一固定不变的密钥作为随机数，生成长度为N的二值伪随机序列R；
(13)将C与R对应的索引位做异或运算，得到置乱后水印信息W(W1,W2,...,WN)；
(2)水印信息嵌入：
(21)从待嵌入水印的矢量地理线数据中提取出所有的线要素，记作L(L1,L2,...,Ln)，n为线要素的数目；
(22)对于每一个线要素Li，将其长度映射到整数Xi，其中Xi∈[1,N]，最终得到所有线要素的索引值X(X1,X2,...,Xn)，i＝1,...,n；
(23)判断每一个线要素Li的方向是逆时针还是顺时针，分别记作0或1，得到所有线要素的方向D(D1,D2,...,Dn)；
(24)根据每个线要素Li的索引值Xi在二进制序列W中取得相应的Wi，如果Wi不等于Di，则将该线要素Li的方向改为其相反的方向；如果Wi等于Di，则不做修改；
(3)水印信息检测：
(31)从待检测水印的矢量地理线数据中提取出所有的线要素，记作L'(L'1,L'2,...,L'm)，m为线要素的数目；
(32)对于每一个线要素L'j，将其长度映射到整数X'j，其中X'j∈[1,N]，最终得到所有线要素的索引值X'(X1',X'2,...,X'm)，j＝1,...,m；
(33)计算每一个线要素Li的方向D'(D1',D'2,...,D'm)，设提取的水印信息为W'(W′1,W′2,...,W′N),令得到W'；
(34)将W'与R对应的索引位做异或运算得到C'，将C'与原始水印C做相关性检验，从而在映射表中得到版权信息I。
实施例1：如图3所示，本实施例中的矢量地理线数据包含1930条线要素的矢量地理线数据，具体步骤如下：
一、水印信息生成
步骤一：生成一串二进制序列，将待嵌入的版权信息与其建立映射表；
步骤二：对该二进制序列进行置乱加密；
二、水印信息嵌入
步骤一：提取矢量地理线数据的组织特征；
步骤二：将生成的水印信息与组织特征进行对比，并修改相应的组织特征，得到嵌入水印后的矢量地理线数据；
三、水印信息检测
步骤一：提取出嵌入水印后的矢量地理线数据的组织特征；
步骤二：从组织特征中提取出水印，对水印进行解密并逆映射为文本数据，从而得到版权信息。
四、测试与分析
本实施在精度无损条件下对矢量地理线数据进行水印嵌入，并且具有极强的鲁棒性。
(1)水印的嵌入与检测
如图4所示，待嵌入的版权信息为“南京师范大学”对嵌入水印后的矢量地理线数据进行水印检测。实验结果表明，本方法可以准确检测到数据中的水印信息。
(2)抗修改攻击
如图5所示，矢量地理线数据的修改攻击是指其被有意或无意的修改，包括为局部平移、整体平移、整体旋转、数据压缩、数据增加、数据删除等。
实施例1的实验结果表明，本发明对于经过不同类型攻击的含水印矢量地理线数据，都能够正确地检测出正确的水印信息，有效地保护数据的版权信息。另外，本发明对矢量地理线数据嵌入水印是通过数据的组织特征的改变实现的，这个过程没有改变数据的数值，因此对矢量地理线数据的精度没有丝毫影响，即无损。

Claims (1)

1.一种基于矢量地理线数据组织特征的无损水印方法，其特征在于：依次包括以下步骤：
(1)水印信息生成：
(11)生成一串二进制序列，记做C，其长度为N，将待嵌入的版权信息I与C建立映射表；
(12)使用某一固定不变的密钥作为随机数，生成长度为N的二值伪随机序列R；
(13)将C与R对应的索引位做异或运算，得到置乱后水印信息W(W1,W2,...,WN)；
(2)水印信息嵌入：
(21)从待嵌入水印的矢量地理线数据中提取出所有的线要素，记作L(L1,L2,...,Ln)，n为线要素的数目；
(22)对于每一个线要素Li，将其长度映射到整数Xi，其中Xi∈[1,N]，最终得到所有线要素的索引值X(X1,X2,...,Xn)，i＝1,...,n；
(23)判断每一个线要素Li的方向是逆时针还是顺时针，分别记作0或1，得到所有线要素的方向D(D1,D2,...,Dn)；
(24)根据每个线要素Li的索引值Xi在二进制序列W中取得相应的Wi，如果Wi不等于Di，则将该线要素Li的方向改为其相反的方向；如果Wi等于Di，则不做修改；
(3)水印信息检测：
(31)从待检测水印的矢量地理线数据中提取出所有的线要素，记作L'(L'1,L'2,...,L'm)，m为线要素的数目；
(32)对于每一个线要素L'j，将其长度映射到整数X'j，其中X'j∈[1,N]，最终得到所有线要素的索引值X'(X′1,X'2,...,X'm)，j＝1,...,m；
(33)计算每一个线要素Li的方向D'(D′1,D'2,...,D'm)，设提取的水印信息为W'(W′1,W′2,...,W′N),令得到W'；
(34)将W'与R对应的索引位做异或运算得到C'，将C'与原始水印C做相关性检验，从而在映射表中得到版权信息I。
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