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2021年6月GEOMATICS&SPATIALINFORMATIONTECHNOLOGYJun.,2021
面向矢量地图数据的多级数字水印算法
杨辉1,朱恩泽2,曲来超1
(,河南郑州450000;,安徽合肥230000)
摘要:水印技术作为一项新兴的信息安全技术,在保护矢量地图数据安全中能够发挥重要作用。本文通过分
析矢量地图数据特点,研究矢量地图数据数字水印技术特性、常见攻击方式,提出了一种新的多级水印嵌入和检
测的算法,嵌入水印时,利用经纬网对矢量地图数据进行划分,综合使用分块嵌入和叠加嵌入的方式,有效提高
了水印嵌入级数;检测时,利用相关性原理检测水印信息。实验证明该算法有效可行。
关键词:矢量地图;数字水印;多级嵌入;相关性
中图分类号:P283文献标识码:A文章编号:1672-5867(2021)06-0001-04
MultilevelDigitalWatermarkingAlgorithmforVectorMapData
YANGHui1,ZHUEnze2,QULaichao1
(,Zhengzhou450000,China;
,Hefei230000,China)
Abstract:Asanemerginginformationsecuritytechnology,watermarktechnologycanplayanimportantroleinprotectingvectormap
,byanalyzingthecharacteristicsofvectormapdata,studyingthecharacteristicsofvectormapdatadigital
watermarkingandcommonattackmethods,anewmulti--
beddingthewatermark,-
dingandsuperimposedembeddingeffectivelyimprovesthewatermarkembeddinglevel;whendetecting,thewatermarkinformationis
.
Keywords:vectormap;digitalwatermarking;multi-levelembedding;correlation
于DCT的数字水印算法,将一个水印位嵌入到矢量地图
0
引言每8个顶点组成一个单元DCT系数中;文献[3]是基于
矢量地图具有精度高、可分析计算冗余度低、结构紧DWT的数字水印算法,将水印信息嵌入到小波变换系数
凑等特点,已成为地理信息系统、数字化国防建设等方面中;文献[4]将水印信息嵌入到图谱域空间中。空间域水
必需的保障资源,具有极其重要的经济价值和战略意义。印算法通过直接改变坐标点的值实现水印信息的嵌入,
[5]
矢量地图制作的成本较高,国家和军队通常投入大量人是矢量地图数据数字水印技术常用方法,如文献[6]提
力、物力制作所需要的矢量地图,其中包含国家精确坐标出一种基于四叉树划分的矢量地图空域水印;文献[7]提
等重要信息,经济价值和战略价值很高,一旦泄露将带来出利用地理坐标网对矢量地图化分网格的方法,具有良
不可估量的损失。然而矢量地图数据又具有易于复制、好的抗裁剪性;文献[8]分析MQUAD算法存在的不足,
传播途径广泛的特点,很容易遭到窃取和破坏,如何保护提出一种双重嵌入的鲁棒矢量地图数字水印算法;文献
矢量地图数据安全成为当前需要重点研究的问题之一。[9]提出一种矢量地图数字水印算法,在遭受数据压缩攻
目前,矢量地图数据数字水印技术可以大体分为基击时具有较好的鲁棒性。
于变换域和基于空间域两大类:变换域水印技术和空间目前,在矢量地图数据多级水印嵌入方面研究较少,
域水印技术。变换域水印技术首先对矢量地图数据进行主要方法可以大致分为4种:第一种是多种算法融合的方
数学变换,将水印信息嵌入到变换系数中,然后进行反变法,如文献[10]提出了将第一级水印信息嵌入矢量地图
[1]
换得到嵌入水印信息的矢量地图,例如:文献[2]是基所有节点,第二级水印信息利用增加节点的方式嵌入水
收稿日期:2020-07-27
作者简介:杨辉(1987-),男,山东曹县人,讲师,博士,2015年毕业于信息工程大学地理信息系统专业,主要从事地理信息安全方
面的教学研究工作。
万方数据
书
2测绘与空间地理信息2021年
印;第二种是水印序列分段法,如文献[11]将水印序列划∈(-1,1)},其中w'(i)的值如式(1)所示:
分为不同的段,在不同段内嵌入不同的水印信息;第三种1,w(i)=0
w'(i)=(1)
是嵌入空间分块法,如文献[12]是将载体数据划分为不{-1,w(i)=1
同的区域,不同区域内嵌入不同的水印信息;第四种方案4)将水印信息W'进行置乱,一方面是为了增强水印
是利用相关性的方法,如文献[13]提出利用相关性方法信息的安全性;另一方面因为末尾可能是补充的连续多
在相同坐标点多次嵌入水印信息,检测时可以克服多级个相同值,这会增加水印信息的相关性,对水印检测有较
水印信息重叠带来的影响。大的影响,所以需要消除末尾连续相同的值带来的影响。
以上算法虽然在一定程度上实现了多级水印算法,5)将按上述步骤形成的水印序列W'i={w'(i)|w'(i)
但是嵌入级数普遍不高,而且受载体数据量大小影响较∈(-1,1)}集中,形成一个水印库。
大。本文通过分析矢量地图数据特点,综合分块多级嵌
入和相关多级嵌入方法的优缺点,综合两种方法提出了3水印嵌入流程
一种新的多级数字水印算法。本文水印嵌入流程主要如图1所示。
1算法原理
本文提出的算法采用了经纬网分块方法和相关性原
理,综合使用分块嵌入和叠加嵌入的方式。传统分块方
法依赖坐标点的数量和分布,遭到压缩攻击后容易产生
不同的分块结果,给水印检测带来严重的影响。而矢量
地图地理坐标是绝对位置,利用经纬网分块正是利用了
其绝对坐标值,遭受压缩等攻击后分块的结果不发生
改变。
图1嵌入流程
0
两个不相关量相乘结果为,
乘结果为1,构建水印库时各水印信息之间具有不相关
性,在水印多级嵌入后,检测时利用相关性原理可以判断
是否含有正确的水印序列。假设原始矢量地图数据的精度误差为e,具体步骤
本文提出的算法首先采用经纬网对矢量地图进行分如下:
10
块处理,按照某种算法对各个网格编号(编为1号、2号和)输入水印信息,将其转换为均值为的二值水印
W=wk∈-11|k=12Nk
3号),对编号相同的网格内的所有坐标点嵌入三级水印序列1{()(,),,…,},为对应的水
N
信息。由于3种水印信息的嵌入空间、映射关系和嵌入方印位,为水印序列长度。
2BBLLB<
式均相同,存在多级水印信息重叠的情况。但3种水印信)根据原始矢量地图边界经纬度0,1,0,1(0
BL<LΔLΔBab
息之间互不相关,在检测时,提取含有水印信息的载体数1,01),按照经度差、纬度差,划分成行列,
据序列,并通过映射关系确定所对应水印信息的值,得到满足公式(2):
B1-B0=a×ΔB
一个与载体数据序列位数相同的序列,计算两个序列之(2)
{L-L=b×ΔL
间相关性系数,判断是否含有正确的水印信息。10
经度差ΔL、纬度差ΔB的确定需要满足每个网格内的
2水印预处理UU>NU
点均大于某个值(1),不宜过大,也不宜过小。并
ΔLΔBBBLL
由于本算法利用了相关性对水印信息进行检测,所记录经度差、纬度差,边界经纬度0,1,0,1。
以对水印信息有一定的约束条件,要求水印信息之间完3)记录网格左下角顶点坐标,第m行p列(m<a,n<
bLB3
全不相关。本文提出了一种基于有意义标识的水印预处)的网格(m,n)左下角顶点坐标用公式()表示:
Lm=L0+(m-1)×ΔL
理方案,具体过程如下:(3)
1{B=B+p-1×ΔB
)输入一段文字,作为水印信息,采用该字符串的二p0()
值编码将其转换为长度为N的二值序列,由于检测时用m+n-2
计算g=mod的值,根据结果按公式(4)对
到相关性,N的值尽可能长。(3J
2)统计中“0”和“1”的个数,假设“0”的个数为m1,矢量地图进行编号v:
“1”的个数为m2,在W末尾增加“0”或“1”,使序列中“0”v=g+1(4)
和“1”的输入相同。具体操作为,如果m1<m2,则在W末根据每个网格左下顶点的坐标以及网格划分的经纬
尾补充m2-m1个“0”;如果m1>m2,则在W末尾补充m1-差,判断每个网格和坐标点编号,并记录每个网格左下顶
m2个“1”;如果m1=m2,不进行操作。点的信息(L,B,v)和包含的坐标点的信息(x,y,v),v表示
3)将W中的“0”全部变为“-1”,会得到一个新的“1”该网格编号。假定地图数据分块数量为t。
与“-1”数量相同均值为0的二值序列W'={w'(i)|w'(i)第k级水印嵌入所在数据块的编号pos可以按照式
万方数据
第6期杨辉等:面向矢量地图数据的多级数字水印算法3
(5)进行计算。的序列Dk,Dk标识第k个网格内包含的数据向量,k=1,
pos=mod(k,t)(5)2,…,t。
4)提取编号为pos的网格内所有坐标点,构成一个坐3)按照水印嵌入时的映射函数公式(7)确定每个坐
标点数组P'={(xi,yi)|i=1,2,3…,n},n为坐标点数,这标点对应的水印位置索引。
里需要对数组内的点依次进行比较,排除坐标相同点,主4)如果判断水印序列wi是否在载体数据中,按照式
要是为保证水印嵌入后不破坏地图元素的拓扑关系。(9)计算wi与所有Dk的相关值cork。如果某个cork满足
5P'
)将水印信息嵌入到坐标点的横坐标中,对数组cork>Th,则说明wi存在于载体数据中,Th为检测门限。
内的所有横坐标按顺序提取尾部数据(精度位及之后的
值),如公式(6)所示:5实验结果和分析
c-1c-1
xi=xi×10-floor(xi×10)(6)
实验数据为shp格式的中国矢量地图,嵌入九级水印
c为地图精度误差e所在的小数位数,得到一个新的
信息,×10-5。
数组Q={(x'i,yi)|i=1,2,3,…,n},n为坐标点数。
6)
射关系,一个水印位可对应一个坐标点,也可对应多个坐嵌入前后载体数据叠加效果显示,地图数据偏移量
标点,其映射关系可以用公式(7)表示:没有在视觉效果上产生偏差,且没有破坏拓扑关系,满足
k=modfloorx/t×eN+17
((i),)()水印的不可见性嵌入要求。
其中,N为水印信息长度,mod(,)为取余函数,floor水印信息每一级所对应的水印信息、嵌入强度以及
()为向下取整函数,t为正整数。t的值不能过大或过小,
过大会影响相关性检测,过小水印安全性会有影响。计算所得的X坐标最大偏移量和相关性系数见表1。
7)嵌入水印信息前的点的横坐标记为Vx,嵌入水印
表1水印嵌入前后X坐标偏移量
信息后的点的横坐标为V'x,水印位置索引k所对应的值
记为w(k),嵌入函数如公式(8)表示:
V'x=Vx+h×w(k)(8)watermarkembedding
h0≤h<e
其中为随机生成的数,1,得到嵌入水印信息嵌入最大偏移量相关性
==
后的数组Q'{(x″i,yi)|i1,2,3,…,n},n为坐标点数。水印信息-5
级数(×10)系数
8)将数组Q'的坐标点替换对应原始数据的坐标点,
得到嵌入水印信息后的矢量地图数据。
水印检测是水印嵌入的逆过程,其流程如图2所示。
图2多级水印检测流程
-levelwatermarkdetectionprocess从表1实验结果可以看出,水印嵌入对坐标的偏移改
变量没有超过数据精度范围,在没有遭受任何攻击的情
具体步骤如下:况下能够判定九级水印的存在性。
1)根据获取的水印嵌入时记录的经度差ΔL、
ΔL以及边界经纬度B0,B1,L0,L1,对矢量地图进行网格划
分,按照相同方法按顺序编号,获取每个网格左下顶点的从嵌入水印信息的矢量地图中进行随机裁剪,实验
经纬度以及所属网格序号。数据见表2。
2)采用与嵌入时相同的方法,提取所有网格内的坐从实验结果看出,算法对裁剪攻击具有一定的鲁棒
标点并去除重复点,按照公式(6)提取横坐标的尾部数据性。但是从结果中也可以看出,分块算法受裁剪区域位
(精度位及之后的值),分别得到所有网格含有水印信息置影响,被裁剪比例越大的区域,检测概率就越低。
万方数据
4测绘与空间地理信息2021年
表2裁剪攻击实验可以看出,在遭受一定强度噪音攻击后,仍然能够从
,但是随着噪音强度的增加,
裁剪15%裁剪30%裁剪40%相关值逐渐降低,因此,该算法在抵抗噪音攻击上具有一
。
,该算法相比于其他算法,在嵌
,且实验证明该算法是有
,且具有较高的鲁棒性。该算法丰富了多级数字水
,对保护矢量地图数据安全具有重要作用。
:
从嵌入水印信息的矢量地图中进行压缩攻击,道格[1]
拉斯压缩比例分别为10%、20%、40%,计算压缩后矢量地研究[D].郑州:信息工程大学,2008.
图中各级水印信息的相关性系数,实验数据见表3。[2]VOIGTM,BIANY,-
markingof2D-ectorData[C]//Proceedingsofthe2004
表3压缩攻击结果ACMInternationalWork-shoponMultimediaand
:Magdeburg,2004.
压缩10%压缩20%压缩40%[3]杨成松,
[J].测绘科学技术学报,2007,24(1):
-39.
[4]门朝光,曹刘娟,
算法[J].哈尔滨工业大学学报,2009,41(12):83-87.
[5]钟尚平,胡王月,
[J].前沿技术,2004(5):27-30.
[6]OHBUCHIR,UEDAH,
[J].In:ProcedingsofIEEEConfer-
enceonMultimediaandExpo,2002(8):1-4.
从实验结果可以看出,道格拉斯压缩后的矢量地图[7]侯翔,闵连权,
数据,仍然能够以较大的相关性检测出水印的存在性,因脆弱水印方案[J].计算机辅助设计与图形学学报,
此,该算法在抗压缩攻击方面具有较好的鲁棒性。2018,30(11):2042-2048.
[8]王勋,林海,
从嵌入水印信息的矢量地图中进行噪音攻击,攻击法[J].计算机辅助设计与图形学学报,2004,16(10):
1377-1381.
强度分别为倍、倍、倍数据精度,计算噪音攻击[9]朱长青,杨成松,
后矢量地图中各级水印信息的相关性系数,噪音的设置数据数字水印算法[J].测绘科学技术学报,2006,23
和实验数据见表4。(4):281-283.
[10]朱俊峰,邓仕虎,
表4噪音攻击实验量地图数据水印技术研究[J].测绘科学,2011,36(2):
-131.
[11]崔翰川,朱长青,任娜,
[J].测绘科学技术学报,2013,30(2):
-126.
[12]张艳群,
[J].计算机应用,2010,30(2):110-115.
[13][D].郑州:信息
,2015.
[编辑:刘莉鑫]
万方数据