CN116582246A - 基于混沌和零水印的矢量地理空间数据交换密码水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于混沌和零水印的矢量地理空间空间数据交换密码水印方法。该方法首先通过复合混沌系统产生的混沌序列，对矢量地理空间数据进行置乱加密。其次，通过两两随机组合的方式，对矢量地理空间要素进行随机组合。根据组合中矢量地理空间要素的顶点坐标数目及其奇偶性构建特征矩阵。最后将特征矩阵与水印图像进行异或运算构建零水印图像，通过矢量地理空间数据的不变特征构建零水印，实现了加密和水印的可交换性。本发明对平移、缩放、投影变换、要素删除和增加、重排序等攻击具有良好的鲁棒性，并且具有良好的不可见性和密钥敏感性，为高精度矢量地理空间数据的版权保护和安全传输提供了一种新的解决方案。

Description

基于混沌和零水印的矢量地理空间数据交换密码水印方法

技术领域

本发明属于地理信息安全技术领域，涉及一种基于混沌和零水印的矢量地理空间数据交换密码水印方法。

背景技术

矢量地理空间数据作为国民经济建设和国防建设的新型基础设施之一，被广泛应用于导航和城市规划等领域。随着信息网络技术的发展，矢量地理空间数据的传输变得更加简单，但其泄漏和非法复制也越发频繁。为了解决日趋严重的地理信息安全问题，国家层面制定了一系列的法律法规，但危害矢量地理空间数据安全的行为时有发生。因此，为了更好地保护矢量地理空间数据的安全，需要从技术层面对其进行保护。

加密和数字水印是保护矢量地理空间数据安全的两种主要技术，其中，加密技术能保证矢量地理空间数据在密文状态下安全性，加密后，只有授权用户才能够解密和访问原始的矢量数据。数字水印技术则在矢量地理空间数据中嵌入版权信息，实现矢量地理空间数据的版权保护与溯源追踪。任娜在2020年提出一种基于特征不变量的交换密码水印方法，该方法的水印容量小，常规攻击的鲁棒性有限，而且由于计算机的计算和存储机制，会对数据精度造成细微影响。李玉在2021年提出一种双随机置乱的交换密码水印方法，该方法因为水印的嵌入，不适用于高精度矢量地理空间数据，对常规攻击鲁棒性也有限。将加密技术和水印技术结合，既能保证矢量地理空间数据在传输过程中的安全，又能对其进行版权确认与溯源追踪，可以更好地保护矢量地理空间数据安全。现有的矢量地理空间数据交换密码水印方法主要存在以下不足：现有方法主要为嵌入式水印，不能满足高精度数据的需求；对几何攻击、投影攻击、重排序攻击等常规攻击的鲁棒性不足；水印容量较小。

置乱加密是一种密码学的加密技术，可以通过改变矢量地理空间数据的空间特征和拓扑关系达到加密的效果。零水印是一种非嵌入式水印，它通过提取矢量地理空间数据的稳定特征构建特征矩阵，与水印信息进行异或运算得到零水印图像。本发明首次将零水印和置乱加密结合，保证两者不会对高精度矢量地理空间数据的精度造成任何影响，可以抵抗多种常规攻击。而且此方法不仅适用于矢量地理空间数据，也适用于与CAD数据所代表的结构相似的矢量数据。

发明内容

本发明的目的是提供了一种基于混沌和零水印的矢量地理空间数据交换密码水印方法，实现对高精度矢量地理空间数据在存储、传输和使用过程中的版权保护。

为实现上述目的，本发明提供如下方案：

一种矢量地理空间数据零水印生成方法，包括：

对版权图像进行置乱，获得一个二值化版权矩阵；

对矢量地理空间要素集进行坐标系转换，获得转换后的矢量地理空间要素集；

将矢量地理空间要素进行两两随机组合；

根据随机组合的两要素的顶点坐标数量计算水印索引；

基于投票原则，通过比较随机组合的两要素顶点坐标数量的奇偶性是否相同构建特征矩阵；

将特征矩阵与二值化版权矩阵进行异或运算得到零水印图像；

一种零水印信息检测方法，包括：

读取待检测水印信息的矢量地理空间数据；

采用前述的矢量地理空间数据零水印生成方法，生成待检测矢量地理空间要素集的要素特征矩阵；

将待检测矢量地理空间要素集的要素特征矩阵与知识产权管理机构中原始版权图像的零水印进行异或，获得待检测置乱后的版权图像；

将待检测置乱后的版权图像进行反置乱，获得检测到的版权图像；

一种矢量地理空间数据加密方法，包括：

读取矢量地理空间数据，对矢量地理空间要素集进行坐标系转换，获得转换后的X、Y矢量地理空间要素坐标集；

使用SHA-256哈希方法对用户提供的初始密钥进行哈希运算，将得到的256比特哈希值作为混沌系统的密钥，并均分为32组分别转换成十进制；

通过式d＝mod((sum×255)，32)计算辅助参数d，将32个整数中的所有值与第d位进行比较，大于d则设置为1，否则设置为0；其中mod为求余运算符，sum为矢量地理空间数据的坐标总数；

将比较结果均分为4组用K′₁，K′₂，K′₃，K′₄表示，进行两两组合，对应双混沌系统中的5个参数，即双混沌系统的三个混沌变量X₀，Y₀，x₀和三个控制变量μ，β；分别进行十进制转换，作为双混沌系统的初始值，迭代生成混沌序列；其中bin2dec函数将二进制转换为十进制，为异或运算符号；计算方法如下式：

根据混沌系统的初值和矢量数据单个矢量地理空间要素的顶点坐标数量或者总的顶点坐标数量进行N+S次迭代，S为单个要素的顶点坐标数量或整个矢量数据的顶点坐标总和；

舍去前N次迭代。记S＝{l₁，l₂，…，l_n}，将S中的混沌序列根据下式取整；式中，mod为求余运算符，为向下取整运算符，l_i为迭代值，n为单个要素的顶点坐标数量或整个矢量数据的顶点坐标数目总和；

由1至n的顺序，先将矢量地理空间数据要素的顶点坐标的存储顺序用混沌序列进行置乱加密，再将顶点坐标的X、Y值用不同的混沌序列置乱重组；

一种矢量地理空间数据解密方法，包括：

读取待解密的矢量地理空间数据；

采用前述的矢量地理空间数据加密方法，生成相同的混沌序列；

由n至1的顺序，先将矢量地理空间数据要素顶点坐标的X、Y值用不同的混沌序列反置乱重组，再将顶点坐标的存储顺序用混沌序列进行反置乱解密；

本发明公开一种基于混沌系统和零水印的矢量地理空间数据交换密码方法；利用混沌系统产生的混沌序列对矢量地理空间要素进行加密；利用矢量地理空间要素顶点数目这一特征不变量构建零水印图像；保证不对矢量地理空间数据的精度造成任何影响，安全性更高，适用范围更广，水印容量更大；为高精度的矢量地理空间数据的安全传输和版权保护提供了一种新的有效方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的示意图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施实例提供的基于混沌和零水印的矢量地理空间数据交换密码水印方法的流程图；

图2为本发明实施实例提供的矢量地理空间数据；

图3为本发明实施实例提供的矢量地理空间数据构建的零水印图像；

图4为本发明实施实例提供的矢量地理空间数据的加密效果1；

图5为本发明实施实例提供的矢量地理空间数据的加密效果2；

图6为本发明对构建零水印的数据进行攻击的部分示意图；图6(a)为要素删除攻击，图6(b)为投影变换攻击，图6(c)为旋转攻击；

图7为本发明部分攻击后水印的检测结果与现有一些方法的比较示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和实施实例，对本发明的一种基于混沌系统和零水印的矢量地理空间数据交换密码方法进行详细的说明；

零水印生成实例：

读取原始二值水印图像，应用Arnold变换来置乱水印图像，得到置乱后的水印图像；

对置乱后的水印图像二值化，得到二值水印序列记为W＝{w_i|w_i＝0，1}，式中0≤i＜N_w，并且N_w是一维水印序列的长度；

对矢量地理空间要素集进行坐标系转换，获得转换后的矢量地理空间要素集；

为了建立特征矩阵与水印信息之间的索引关系，通过式(1)建立每一位水印信息与特征矩阵之间的索引关系；

index＝(N_i×N_j)modN_w，i，j∈{0，1，…，n-1}and i≠j (1)

式中N_w为一维水印信息的长度，n为矢量地理空间要素的总数，N_i和N_j为一个组合中的不同矢量地理空间要素的顶点个数；

定义一个与水印序列等长的整数序列W’＝{w′_i＝0，i＝1,2，…，N_w}，N_w为一维水印信息的长度。由于矢量地理空间要素的组合方式有(n-1)！种，在水印的嵌入过程中，水印可能被多次嵌入，即不同组合要素之间的映射值index相同。因此，采用投票原则构建特征矩阵，具体的计算方法如式(2)所示，其中mod为求余运算符；

然后根据式(3)将整数序列W’二值化成一维特征矩阵；

将一维特征矩阵W’与水印信息W进行异或运算，根据原始水印图像的大小，将异或运算后的一维序列重构成二维零水印图像W^*；

零水印提取实例：

读取待检测水印信息的矢量地理空间数据；

采用前述的零水印生成实例，生成待检测矢量地理空间要素集的要素特征矩阵；

待检测矢量地理空间要素集的要素特征矩阵与知识产权管理机构中原始版权图像的零水印进行异或运算，获得待检测置乱后的版权图像；

将待检测置乱后的版权图像进行反置乱，获得检测到的版权图像；

矢量地理空间数据加密实例：

读取矢量地理空间数据，对矢量地理空间要素集进行坐标系转换，获得转换后的X、Y矢量地理空间要素坐标集；

使用SHA-256哈希方法对用户提供的初始密钥进行哈希运算，将得到的256比特哈希值作为混沌系统的密钥，并均分为32组，记为K，K＝[k₁，k₂，…，k₃₂]。其中，k_i＝{k_i1，k_i2，…，k_i8}，i＝1,2，…，32，并分别转换成十进制；

通过式d＝mod((sum×255)，32)计算辅助参数，辅助参数d为K中的索引值，sum为矢量数据的顶点坐标的总数，mod为求余运算符。将K中的第d个元素作为比较值与K中的所有元素进行比较，若k_d≤k_i,记k′_i＝1；若k_d＞k_i,记k′_i＝0。由此可以得到一个32bit由0和1组成的序列K’，记为K’＝{k′₁，k′₂，…，k′₃₂}；

将K’分为4个bit的子序列如K′₁＝{k′₁，k′₂，…，k′₈}，K′₂＝{k′₉，k′_10，…，k′₁₆}，K′₃＝{k′₁₇，k′₁₈，…，k′₂₄}，K′₄＝{k′₂₅，k′₂₆，…，k′3₂}；

K′₁，K′₂，K′₃，K′₄进行两两组合，对应双混沌系统中的5个参数，即双混沌系统的三个混沌变量X₀，Y₀，x₀和三个控制变量μ，β；分别进行十进制转换，作为双混沌系统的初始值，迭代生成混沌序列；其中bin2dec函数将二进制转换为十进制，为异或运算符号；计算方法如式(4）：

根据混沌系统的初值和矢量数据单个矢量地理空间要素的顶点坐标数量或者总的顶点坐标数量进行N+S次迭代，S为单个要素的顶点坐标数量或整个矢量数据的顶点坐标总和；

舍去前N次迭代。记S＝{l₁，l₂，…，l_n}，将S中的混沌序列根据式(5)取整；式中，mod为求余运算符，为向下取整运算符，l_i为迭代值，n为单个要素的顶点坐标数量或整个矢量数据的顶点坐标数目总和；

由1至n的顺序，先将矢量地理空间数据要素的顶点坐标的存储顺序用混沌序列进行置乱加密，再将顶点坐标的X、Y值用不同的混沌序列置乱重组；

每置乱一次，顶点坐标的集合更新一次；

矢量地理空间数据解密密实例：

读取待解密的矢量地理空间数据；

采用前述的矢量地理空间数据加密方法，生成相同的混沌序列；

由n至1的顺序，先将矢量地理空间数据要素顶点坐标的X、Y值用不同的混沌序列反置乱重组，再将顶点坐标的存储顺序用混沌序列进行反置乱解密；

对所公开实例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于混沌和零水印的矢量地理空间数据交换密码水印方法，其特征在于，包括：

对版权图像进行Arnold置乱，获得一个二值化版权矩阵；

对矢量地理空间要素集进行坐标系转换，获得转换后的矢量地理空间要素集；

将矢量地理空间要素进行两两随机组合；

根据随机组合的两要素的顶点坐标数量计算水印索引；

基于投票原则，通过比较随机组合的两要素顶点坐标数量的奇偶性是否相同构建特征矩阵；

将特征矩阵与二值化版权矩阵进行异或运算得到零水印图像。

2.一种零水印信息检测方法，其特征在于，包括：

根据权利要求1所述生成零水印方法，生成特征矩阵；

将特征矩阵与零水印图像进行异或运算；

将异或运算的结果进行Arnold反置乱，获得待检测的版权图像；

计算待检测版权1图像与原始版权图像的相似度。

3.一种矢量地理空间数据的加密方法，其特征在于，包括：

读取矢量地理空间数据，对矢量地理空间要素集进行坐标系转换，获得转换后的X、Y矢量地理空间要素坐标集；

使用SHA-256哈希方法对用户提供的初始密钥进行哈希运算，将得到的256比特哈希值作为混沌系统的密钥，并均分为32组分别转换成十进制；

通过式d＝mod((sum×255),32)计算辅助参数d，将32个整数中的所有值与第d位进行比较，大于d则设置为1，否则设置为0；其中mod为求余运算符，sum为矢量地理空间数据的坐标总数；

将比较结果均分为4组用K'₁,K'₂,K'₃,K'₄表示，进行两两组合，对应双混沌系统中的5个参数，即双混沌系统的三个混沌变量X₀,Y₀,x₀和三个控制变量μ,β；分别进行十进制转换，作为双混沌系统的初始值，迭代生成混沌序列；其中bin2dec函数将二进制转换为十进制，为异或运算符号；计算方法如下式：

根据混沌系统的初值和矢量数据单个矢量地理空间要素的顶点坐标数量或者总的顶点坐标数量进行N+S次迭代，S为单个要素的顶点坐标数量或整个矢量数据的顶点坐标总和；

舍去前N次迭代。记S＝{l₁,l₂,…,l_n}，将S中的混沌序列根据下式取整；式中，mod为求余运算符，为向下取整运算符，l_i为迭代值，n为单个要素的顶点坐标数量或整个矢量数据的顶点坐标数目总和；

由1至n的顺序，先将矢量地理空间数据要素的顶点坐标的存储顺序用混沌序列进行置乱加密，再将顶点坐标的X、Y值用不同的混沌序列置乱重组。

4.一种矢量地理空间数据的解密方法，其特征在于，包括：

读取待解密的矢量地理空间数据；

根据权利要求3所述矢量地理空间数据的加密方法，生成与加密相同混沌序列；

由n至1的顺序，先将矢量地理空间数据要素顶点坐标的X、Y值用不同的混沌序列反置乱重组，再将顶点坐标的存储顺序用混沌序列进行反置乱解密。

5.根据权利要求1～4所述的一种基于混沌系统和零水印的交换密码水印方法，其特征在于，权利要求1和权利要求3对矢量地理空间数据进行零水印图像构建和加密，实现了矢量地理空间数据加密和水印的可交换性。

6.根据权利要求5所述的一种基于混沌和零水印的矢量地理空间数据交换密码水印方法，该方法适用于各种基于矢量地理空间要素的加密方法，其特征在于，运用加密技术和水印技术对矢量地理空间数据进行版权保护和安全传输，同时也适用于与CAD数据所代表的结构相似的矢量数据。