CN111339238B - 一种抗投影变换的矢量地理数据数字水印方法 - Google Patents

一种抗投影变换的矢量地理数据数字水印方法 Download PDF

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Abstract

一种抗投影变换的矢量地理数据数字水印方法，实现了可以有效抵抗投影变换的矢量地理数据数字水印算法，提高了水印算法抗多种攻击的能力。采用角度映射的方法建立水印信息位与水印信息索引之间的映射关系，同时找出投影变换前后矢量地理数据中线状数据角度变化规律，通过将水印信息嵌入到线状数据的角度中，使得算法具有抗复合攻击能力的同时可以抵抗投影变换攻击。本发明在充分利用了投影变换间角度变化规律的基础上实现了抗投影变换的盲水印算法，提高了抗投影变换算法的鲁棒性，同时解决了在不了解原数据的条件下，无法提取数据中水印信息的问题，实现了矢量地理数据追踪溯源的安全保护稳定性。

Description

一种抗投影变换的矢量地理数据数字水印方法
技术领域
本发明涉及地理信息版权保护领域，特别涉及一种抗投影变换的矢量地理数据数字水印方法，具体涉及一种针对矢量地理数据的采用角度映射的嵌入与检测方法，以实现矢量地理数据数字水印算法抗投影变换攻击的鲁棒性。
背景技术
矢量地理数据是国家基础地理数据的重要组成部分，是“数字城市”、“智慧城市”建设的基础，在国家经济和国防建设中发挥着重要作用。随着计算机技术和互联网技术的发展，矢量地理数据的获取、访问、传播、复制变得越来越便捷的同时，其安全问题也日益凸显，近年来发生的矢量地理数据涉密事件给国家和社会安全造成了巨大损失，迫切需要可靠的技术手段来保障矢量地理数据的安全。
作为信息隐藏技术的一个分支，数字水印技术是上个世纪90年代发展起来的信息安全前沿技术，它是将文字、图像等标识信息嵌入到载体数据中，成为载体数据中不可分离的一部分，由此来确定版权拥有者、跟踪侵权行为、所有权认证等。如今，数字水印在数字内容的广播监控、所有者鉴别、所有权验证、操作跟踪、内容认证、拷贝控制和设备控制等方面得到了十分广泛的应用。
鲁棒性水印算法依然是当前矢量地理数据水印技术研究的重点，如何实现能够抵抗多种水印攻击的水印算法是水印算法设计者着重考虑的问题，其中算法能不能有效抵抗投影变换攻击是算法设计的重点问题和难点问题。因此，本方法采用将水印信息嵌入到投影变换前后几何不变量中的算法实现抗投影变换的矢量地理数据水印算法，以此来满足各用户的数据版权保护需求。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前矢量地理数据鲁棒性水印算法难以抵抗投影变换攻击、鲁棒性差、且无法实现盲水印算法等问题，提出一种基于投影变换前后几何不变量的矢量地理数据鲁棒性水印算法，实现具有较强抗裁剪、压缩、增删点等攻击的矢量地理数据盲水印算法。
采用无意义随即序列作为待嵌入的水印信息，嵌入到矢量地理数据线状数据角度中，使得矢量地理数据水印算法抵抗投影变换的同时具有强鲁棒性，为了实现上述发明目的，本发明提供一种抗投影变换的矢量地理数据数字水印方法，具体步骤如下；
(1)水印信息生成过程；
11)为了使算法适合小数据量的矢量地理数据，选择长度为200的伪随机序列作为水印信息；
12)设水印信息W＝{w[index],0≤index＜M}，M为水印信息长度，index为水印信息位索引；
(2)水印信息嵌入过程；
21)计算当前顶点对应的角度θ；
22)水印信息位索引index＝int(θ)，待嵌入的水印信息位bit＝w[index]；
23)获得嵌入水印信息后顶点对应的角度θ′：
24)修改与角度θ对应的坐标点数据，使得角度变为θ′；
25)针对余下顶点重复上述步骤；
(3)水印信息提取与检测过程；
31)计算当前顶点对应的角度θ；
32)通过取整数θ来获得水印信息位索引index＝int(θ)；
33)提取当前角度对应的水印信息位bit；
34)当前顶点提取到的水印信息为bit，对应的水印信息位索引为index；
35)针对所有的顶点执行上述水印信息位提取步骤，可以得到提取到的水印信息位集合W′＝{w′[i][j],0≤i＜M,0≤j＜Li}，w′[i][j]∈{-1,1}，其中w′[i][j]表示提对应于水印信息索引i的第j个取到的水印信息位，Li表示对应于水印信息索引i提取到的水印信息位个数；
36)通过相关自检测方法判断载体数据中是否有相应的水印信息。
作为本发明进一步改进，步骤23获得嵌入水印信息后顶点对应的角度θ′具体步骤如下：
a)如果bit＝-1，令θ′＝int(θ)+0.25；
b)如果bit＝1，令θ′＝int(θ)+0.75。
作为本发明进一步改进，步骤33获得嵌入水印信息后顶点对应的角度θ′具体步骤如下：
a)如果θ-int(θ)＜0.5，bit＝-1；
b)如果θ-int(θ)≥0.5，bit＝1。
本发明公开了一种抗投影变换的矢量地理数据数字水印方法，针对目前抗投影变换矢量地理数据水印算法实用性较低，鲁棒性较差的缺点进行了算法设计，实现了可以有效抵抗投影变换的矢量地理数据数字水印算法，提高了水印算法抗多种攻击的能力。采用角度映射的方法建立水印信息位与水印信息索引之间的映射关系，同时找出投影变换前后矢量地理数据中线状数据角度变化规律，通过将水印信息嵌入到线状数据的角度中，使得算法具有抗复合攻击能力的同时可以抵抗投影变换攻击。本发明在充分利用了投影变换间角度变化规律的基础上实现了抗投影变换的盲水印算法，提高了抗投影变换算法的鲁棒性，同时解决了在不了解原数据的条件下，无法提取数据中水印信息的问题，实现了矢量地理数据追踪溯源的安全保护稳定性。
附图说明
图1本发明实验数据示意图；
图2本发明同源数据不同投影方式下的对比显示示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提出一种基于投影变换前后几何不变量的矢量地理数据鲁棒性水印算法，实现具有较强抗裁剪、压缩、增删点等攻击的矢量地理数据盲水印算法。采用无意义随即序列作为待嵌入的水印信息，嵌入到矢量地理数据线状数据角度中，使得矢量地理数据水印算法抵抗投影变换的同时具有强鲁棒性。
本实施例选择线状矢量地理数据实验数据，针对数据的读取、水印信息生成、水印嵌入、水印检测的整个过程，给出本发明的一个实施例，进一步详细说明本发明。
如图1所示，本实施例选择选择一幅比例尺为1:100万、坐标单位为米(m)的线状水系数据作为实验数据，数据格式为shp。
1.水印信息生成
2.水印信息嵌入
3.水印信息提取与检测
(即上述发明内容的步骤)
4.本方法的特点与技术优势
本方法中最为关键的是水印信息嵌入位置的选取，通过找出矢量地理数据投影变换前后的角度不变量，确定水印信息嵌入的线状数据角度，保证在投影变换前后水印信息破坏较小，从而保证此方法的鲁棒性和盲水印特性。
5.测试与分析
本发明所提出的方法是专门针对矢量地理数据的水印方法，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)投影变换攻击
对嵌入水印信息的矢量地理数据进行投影变换，如图2所示，在Albert投影和高斯-克吕格投影下的数据叠加显示位置差异较大，实验过程中在Albert投影下的数据中嵌入水印信息，将其转换到高斯-克吕格投影；在高斯-克吕格投影下的数据中嵌入水印信息，将其转换到Albert投影，两种转换方式后都能从载体数据中检测到水印信息。
(2)随机增删点、要素攻击
矢量地理数据在使用中经常面临增加或删除数据点、要素的操作，因而，好的算法应该可以抵抗随机增删攻击。将嵌入水印信息的数据进行随机增加数据点、随机删除数据点、随机增加要素、随机删除要素操作，再对处理后的矢量地理数据进行水印提取与检测操作，水印信息仍然可以正确检测出，且为盲检测。
(3)数据压缩攻击
数据压缩攻击即通过道格拉斯-佩克等方法对矢量地理数据进行处理，以达到数据量降低的操作。将嵌入水印信息的数据进行了数据压缩操作后进行水印信息提取和检测，水印信息仍然可以被盲检测出来。
(4)数据裁剪攻击
数据裁剪攻击即根据数据应用的用途将感兴趣区域裁剪出来的操作，将实验数据嵌入水印信息后对载体数据进行裁剪攻击，在被裁剪后的数据中仍可以检测出嵌入的水印信息。
(5)数据平移、旋转、缩放攻击
首先将水印信息嵌入到实验数据中，接着对实验数据分别进行平移、旋转和缩放操作，其中缩放操作是在X和Y方向同时进行相同比例的操作。实验表明，仍然可以从被平移过、旋转后和缩放后的数据中检测出水印信息。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种抗投影变换的矢量地理数据数字水印方法，其特征在于，具体步骤如下；
(1)水印信息生成过程；
11)为了使算法适合小数据量的矢量地理数据，选择长度为200的伪随机序列作为水印信息；
12)设水印信息W＝{w[index],0≤index＜M}，M为水印信息长度，index为水印信息位索引；
(2)水印信息嵌入过程；
21)计算当前顶点对应的角度θ；
22)水印信息位索引index＝int(θ)，待嵌入的水印信息位bit＝w[index]；
23)获得嵌入水印信息后顶点对应的角度θ′：
步骤23获得嵌入水印信息后顶点对应的角度θ′具体步骤如下：
a)如果bit＝-1，令θ′＝int(θ)+0.25；
b)如果bit＝1，令θ′＝int(θ)+0.75；
24)修改与角度θ对应的坐标点数据，使得角度变为θ′；
25)针对余下顶点重复上述步骤；
(3)水印信息提取与检测过程；
31)计算当前顶点对应的角度θ；
32)通过取整数θ来获得水印信息位索引index＝int(θ)；
33)获得嵌入水印信息后顶点对应的角度θ″对应的水印信息位bit；
步骤33获得嵌入水印信息后顶点对应的角度θ″具体步骤如下：
a)如果θ″-int(θ)＜0.5，bit＝-1；
b)如果θ″-int(θ)≥0.5，bit＝1；
34)当前顶点提取到的水印信息为bit，对应的水印信息位索引为index；
35)针对所有的顶点执行上述水印信息位提取步骤，得到提取到的水印信息位集合W′＝{w′[i][j],0≤i＜M,0≤j＜Li}，w′[i][j]∈{-1,1}，其中w′[i][j]表示提对应于水印信息索引i的第j个取到的水印信息位，Li表示对应于水印信息索引i提取到的水印信息为个数；
36)通过相关自检测方法判断载体数据中是否有相应的水印信息。
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