李 強(qiáng),閔連權(quán),吳 彬,楊永強(qiáng)

(1.信息工程大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,河南 鄭州 450052;2.69027部隊(duì),新疆 烏魯木齊 830006)

一種實(shí)用的矢量地圖數(shù)據(jù)盲數(shù)字水印解決方案

李 強(qiáng)1,2,閔連權(quán)1,吳 彬2,楊永強(qiáng)2

(1.信息工程大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,河南 鄭州 450052;2.69027部隊(duì),新疆 烏魯木齊 830006)

目前,數(shù)字水印技術(shù)研究主要集中在算法的設(shè)計(jì)和改進(jìn)方面,文中針對(duì)矢量地圖數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用,提出一種基于統(tǒng)計(jì)分類的矢量地圖數(shù)據(jù)盲數(shù)字水印解決方案,并對(duì)多種不同的攻擊進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn),取得較好的效果。

矢量地圖數(shù)據(jù);盲數(shù)字水印;統(tǒng)計(jì);水印生成

現(xiàn)階段的數(shù)字水印技術(shù)研究主要集中在算法的設(shè)計(jì)和改進(jìn)方面[1-13],針對(duì)矢量地圖數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用要求,本文提出了一種基于統(tǒng)計(jì)分類的完整的盲數(shù)字水印系統(tǒng)解決方案。

1 實(shí)用的盲數(shù)字水印系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)用的盲數(shù)字水印系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

當(dāng)前的數(shù)字水印技術(shù),按照水印的檢測(cè)過程可以分為盲水印和非盲水印,盲水印是指只需要密鑰,不需要原始數(shù)據(jù)的參與;非盲水印是指需要原始數(shù)據(jù)的參與。現(xiàn)階段,矢量地圖數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)研究主要集中在非盲水印方面,但由于在實(shí)踐操作上,大多數(shù)情況下進(jìn)行水印檢測(cè)時(shí),不容易或不可能獲得原始數(shù)據(jù),因而,盲水印更具有實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

由于盲數(shù)字水印原型系統(tǒng)研究還很少,因而在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求方面,筆者借鑒和參考了數(shù)字水印的算法研究和其他相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1)逼真度。水印系統(tǒng)的逼真度指原始矢量地圖和嵌入水印的矢量地圖在視覺上的相似程度。

2)安全性。安全性是指水印能夠抵御對(duì)手惡意攻擊的能力。數(shù)字水印應(yīng)能抵抗各種蓄意的攻擊,能夠唯一標(biāo)示水印的相關(guān)信息,保證任何第三方都不能偽造水印。

3)魯棒性。魯棒性是指對(duì)矢量地圖數(shù)據(jù)經(jīng)過常規(guī)的攻擊處理操作后,仍能檢測(cè)到水印的能力。對(duì)矢量地圖數(shù)據(jù)的常規(guī)操作包括壓縮、刪點(diǎn)、增點(diǎn)、噪聲攻擊、格式轉(zhuǎn)換等。

4)盲水印檢測(cè)。即只需要待檢測(cè)數(shù)據(jù)就可以檢測(cè)是否含有水印,或含有的水印信息,由于實(shí)際應(yīng)用中,原始數(shù)據(jù)不方便或不可能得到,因而盲水印檢測(cè)尤為重要,也是數(shù)字水印技術(shù)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

5)便捷性。應(yīng)用的快捷友好是任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)目標(biāo),在實(shí)用的數(shù)字水印系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,這種要求就體現(xiàn)為在對(duì)同一數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的水印信息嵌入時(shí),水印信息生成的便捷性;進(jìn)行盲水印檢測(cè)時(shí),系統(tǒng)的運(yùn)算處理快捷性等。

1.2 實(shí)用的盲數(shù)字水印系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

實(shí)際應(yīng)用中,一個(gè)完整的水印系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該包括水印的簡(jiǎn)便生成、魯棒性的水印嵌入、快捷的檢測(cè)等,根據(jù)前述的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求,分別在此三方面提出了相應(yīng)的算法方案。

1)水印的簡(jiǎn)便生成。采用通過漢字點(diǎn)陣讀取的方式簡(jiǎn)便、快速的生成水印信息,該方案在水印系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中具有很大的創(chuàng)新性。

2)水印的嵌入。這主要是指在水印算法的設(shè)計(jì)方面,本文通過作者設(shè)計(jì)的一種基于統(tǒng)計(jì)特性的矢量地圖數(shù)據(jù)的數(shù)字水印算法,來實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。

3)水印的檢測(cè)。在水印的檢測(cè)和提取方面,主要是指僅通過待檢測(cè)數(shù)據(jù),采取與嵌入算法相逆的算法,提取水印信息。

2 水印的簡(jiǎn)便生成

當(dāng)前多數(shù)針對(duì)盲水印的數(shù)字水印信息生成方法,是在每次進(jìn)行水印嵌入前,將固定大小二值或灰度圖像信息進(jìn)行讀取,這樣,在嵌入不同的水印信息時(shí),就需要通過相應(yīng)的工具或者軟件處理不同的圖像信息,該方法在理論、算法研究中體現(xiàn)不出它的劣勢(shì),但從實(shí)際應(yīng)用的角度分析,該方法比較復(fù)雜,可操作性較差。針對(duì)這種現(xiàn)狀,本文提出了一種通過用戶輸入文字的點(diǎn)陣信息讀取,初生成水印信息,而后采取位運(yùn)算操作進(jìn)行置亂的水印信息生成方法,其實(shí)現(xiàn)過程如圖1所示。

圖1 水印信息生成過程

該方法主要包含2個(gè)方面,即水印信息的初生成和水印信息的置亂處理。

2.1 水印信息的初生成

VC++環(huán)境下,通過在對(duì)話框中鍵入的文字信息作為原始水印信息,如圖2所示,通過C++語言的函數(shù)來讀取文字的點(diǎn)陣圖像信息。

圖2 鍵入的文字信息作為水印信息

主要步驟如下:

1)創(chuàng)建設(shè)置字體相關(guān)信息。對(duì)于對(duì)話框中鍵入的文字,為其創(chuàng)建字體信息;

CFontm_font;

m_font.CreateFont(相關(guān)參數(shù)設(shè)置);

2)設(shè)置文字的背景色。將背景設(shè)置為與字體區(qū)別較大的顏色,便于后面的二值圖像辨別讀取、生成:

SetBkColor(相關(guān)參數(shù)設(shè)置);

3)利用函數(shù)獲取文字的大小范圍。根據(jù)獲得的大小信息,建立相應(yīng)的二維矩陣 GetTextExtent(相關(guān)參數(shù)設(shè)置);

4)獲取相應(yīng)點(diǎn)的顏色信息。將獲取的顏色信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的圖像點(diǎn)陣信息,并將其作為水印信息,以備后面的水印嵌入:

GetPixel(相關(guān)參數(shù)設(shè)置);

通過以上步驟,以一種簡(jiǎn)單、快捷的方法生成了水印信息,如圖3所示。

圖3 生成的水印信息

2.2 水印信息的置亂

采用一種C++語言中位運(yùn)算的色彩空間置亂的辦法,即通過上面得到的圖像矩陣,將其依順序排列為一維數(shù)組,并將其按照一定的原則分為 p類,同時(shí)確定 p個(gè)數(shù),將表示圖像信息的像素值與每個(gè)分類規(guī)則對(duì)應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行位運(yùn)算操作,從而達(dá)到置亂的目的,如圖4所示。

圖4 水印信息的置亂

進(jìn)行盲水印信息提取時(shí),只需要原始矢量地圖數(shù)據(jù)的參與,將 p作為密鑰進(jìn)行反置亂操作,反置亂操作采取與置亂相應(yīng)的運(yùn)算。為確保水印信息的安全,也可以采用類似方法多次進(jìn)行置亂。該置亂操作具有置亂效果好、運(yùn)算簡(jiǎn)單、速度快的特點(diǎn)。

多次置亂后的水印信息如圖5所示。

圖5 置亂后的水印信息

3 水印嵌入

現(xiàn)有的水印算法,無論是空域還是變換域,都是將水印信息嵌入在特定的坐標(biāo)或者系數(shù)上,這就決定了對(duì)于多種形式的攻擊,一旦某一個(gè)或某幾個(gè)的坐標(biāo)或系數(shù)遭到破壞,就很可能不能完整地提取出水印信息,甚至不能提取出水印信息,本文采取的是在不影響數(shù)據(jù)精度的前提下,針對(duì)相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行操作,將同一水印信息位依據(jù)水印信息和坐標(biāo)數(shù)據(jù)特性的關(guān)系重復(fù)嵌入到分類數(shù)據(jù)中,然后提取嵌入該水印信息位的該類數(shù)據(jù)的每個(gè)水印信息,最后通過統(tǒng)計(jì)嵌入同一水印信息位的該類數(shù)據(jù)的水印特性,得出嵌入該位置的水印信息位,依次類推,進(jìn)而獲取水印信息,算法嵌入流程如圖6所示。

圖6 水印嵌入算法流程

首先,根據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)自身穩(wěn)定特性(一般情況下嵌入水印信息時(shí),坐標(biāo)數(shù)據(jù)的千、百、十位等的值不會(huì)改變,具有一定的“穩(wěn)定性”,將其進(jìn)行變換處理),將變換處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)水印信息大小進(jìn)行分類,消除其在空間上的相關(guān)性,使得分類后的數(shù)據(jù)類具有很大的隨機(jī)性,將水印信息重復(fù)嵌入到坐標(biāo)數(shù)據(jù)中。

假設(shè) x坐標(biāo)可以表示為:x=xkxk-1…x2x1,xi表示坐標(biāo)數(shù)據(jù)每一位值,1≤i≤k;

計(jì)算 x坐標(biāo)的穩(wěn)定數(shù)學(xué)特性:m=f(xkxk-1…xi)k≥g≥i≥2,g根據(jù)數(shù)據(jù)記錄格式取約定值。

根據(jù)水印信息的大小a,對(duì)m進(jìn)行分類,將坐標(biāo)數(shù)據(jù)分成n類:n=g(m,a),為了保證每一個(gè)水印信息位的嵌入,必須滿足 n≥a。

其次,根據(jù)第i水印信息位的特性,結(jié)合第 i類數(shù)據(jù)的分類序號(hào),修改該類數(shù)據(jù)的坐標(biāo)信息,從而達(dá)到嵌入水印信息的目的。

{改變其坐標(biāo)特性;}

為了實(shí)現(xiàn)盲水印檢測(cè)和提取的準(zhǔn)確性,在修改數(shù)據(jù)的坐標(biāo)信息時(shí),應(yīng)使得第 i類水印信息位的特性與第i類各數(shù)據(jù)坐標(biāo)信息之間具有唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4 水印的檢測(cè)

水印的檢測(cè)就是利用水印信息位與各分類中數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,進(jìn)行水印的檢測(cè)和提取。具體過程如下:

首先,利用與嵌入相同的分類規(guī)則對(duì)待檢測(cè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,其次,利用嵌入水印后坐標(biāo)數(shù)據(jù)特性信息,提取水印信息位,然后,對(duì)每一類數(shù)據(jù)提取出的水印信息位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,當(dāng)某類m個(gè)數(shù)據(jù)中提取的水印信息位為i的比例大于某一預(yù)定值的時(shí)候,就可以判定該水印信息位為 i,以此類推,即可提取出全部水印信息位,即得到水印圖像。

5 實(shí)驗(yàn)與分析

W indow s XP平臺(tái),Visual C++環(huán)境下,采用某地貌層數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),數(shù)據(jù)大小為2.7 MB,坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)158 704個(gè)。

首先,對(duì)其直接嵌入水印信息,嵌入水印信息后的矢量地圖顯示如圖7所示;然后對(duì)嵌入水印后的矢量地圖數(shù)據(jù)分別進(jìn)行各種攻擊實(shí)驗(yàn),然后提取水印信息。

進(jìn)行閾值為3的道格拉斯壓縮后提取的水印效果如圖8所示;進(jìn)行隨機(jī)刪除30%點(diǎn)后提取的水印效果如圖9所示;對(duì)30%的點(diǎn)增加-3至3的隨機(jī)噪聲后,提取的效果如圖10所示;對(duì)矢量地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換攻擊,提取的效果如圖11所示;將數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪40%的攻擊后的地圖顯示如圖12所示,提取的水印效果如圖13所示;數(shù)據(jù) X坐標(biāo)平移1個(gè)單位,Y坐標(biāo)平移2個(gè)單位攻擊后,提取的效果如圖14所示。

圖7 嵌入水印信息后的矢量地圖顯示

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該解決方案對(duì)于各種常用的攻擊如道格拉斯壓縮、隨機(jī)刪除、增加均勻噪聲、格式轉(zhuǎn)換等的攻擊后,提取的水印效果都比較好;對(duì)于數(shù)據(jù)平移攻擊,雖然水印信息顯示時(shí),由于水印信息生成算法的緣故,顏色信息顛倒,但是并不影響水印的判斷;對(duì)于數(shù)據(jù)裁剪攻擊,當(dāng)裁剪的數(shù)據(jù)量不大于40%,水印提取效果比較好,當(dāng)裁剪的數(shù)據(jù)量大于40%時(shí),提取的效果稍差一些。

6 結(jié)束語

本文在對(duì)當(dāng)前矢量地圖數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)研究現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上,針對(duì)下一階段矢量地圖數(shù)據(jù)數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用,設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的矢量地圖數(shù)據(jù)盲數(shù)字水印解決方案,首先,在水印的生成方面,研究了一種通過文字點(diǎn)陣讀取簡(jiǎn)單快速的生成水印信息,其次,在水印的嵌入算法方面,提出了一種基于統(tǒng)計(jì)特性的矢量地圖數(shù)據(jù)數(shù)字水印算法,最后對(duì)整個(gè)方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),取得了較好的效果。對(duì)于如何進(jìn)一步抵抗更多的攻擊,進(jìn)行水印嵌入算法的優(yōu)化和改進(jìn),是下一步的努力方向。

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A practical blind digital watermarking scheme for vector map data

L IQiang1,2,M IN Lian-quan1,WU Bin2,YANG Yong-qiang2
(1.Institute of Surveying and Mapping,Info rmation Engineering University,Zhengzhou 450052,China;2.Troops 69027,U rumqi 830006,China)

A t p resent,the research of watermarking is arithmetic’s design and op timization mostly.This paper forwards an app lied watermarking solution w hich is based on statistic to p rotect the copy right of vecto r map data.Experiments conducted on watermarking w ith different attacks show that the p roposed algorithm succeeds in the extraction of watermarking.

vector map data;blind digital watermarking;statistic;w atermark create

TP391.41

A

1006-7949(2010)04-0064-04

2009-11-25

李 強(qiáng)(1982-),男,碩士研究生,助理工程師.

[責(zé)任編輯張德福]