（计算机应用技术专业论文）基于SVG的图形水印技术研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机网络的普及应用，基于网络的空间信息资源正日益丰富，其应用 领域也在快速地拓展，以满足全社会对空间信息的需求。开放的i n t e r n e t 虽然为 w e b g i s 提供了广阔的社会应用前景，却始终被g i s 广泛应用中存在的空间信息 数据版权保护问题所困扰，使之成为一个亟需解决的问题。s v g 以其明显的优 势被视为第二代网络空间信息发布的标准，或网络g i s 重要数据格式。而且，在 网络g i s 中，矢量图形是其最基本的表达方式，则对矢量图形数据的知识产权保 护则显得尤其重要。 本文基于图象图形水印的思想，探讨了网络环境下基于s v g 空间信息的保 护。论文首先分析了新一代网络图形图像发布标准s v g 在发布空间信息时 的图形特征，针对2 d 矢量图形s v g 文档的大数据集特性，提出了图层分类分 割的方法，选择合适的区域嵌入水印信息；在此基础上，提出了空间非盲水印算 法、盲水印算法和提升盲水印算法三种具有鲁棒性的2 d 矢量地图的水印嵌入处 理算法。其中空间非盲水印算法和盲水印算法，在选择的区域内在顶点处添加新 的坐标点作为水印信息，而提升盲水印算法通过移动区域内的坐标点来嵌入水印 信息；而提取水印的过程，则根据嵌入水印顶点的位置或坐标值得到水印信息的 序列。实验证明，这些方法对于空间信息的常规图形操作，如：矢量图层的坐标 变换、平移、旋转、缩放，以及图形的剪切，点的添加删除等，均具有较强的鲁 棒性。 最后，本文以广东省空问信息共享和服务平台的设计和实施为例，证明了本 论文提出的三种方案的实用性、可行性、可操作性。 关键字：数字水印，s v g ，图形变换，矢量地图 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ep o p u l a ra p p l i c a t i o no ft h en e t w o r k , t h en 渤i c eo fs p a t i a l i n f o r m a t i o nb a s e do nn e t w o r kb e c o m e sr i c h e rd a yb yd a y , a n di t sa p p l i c a t i o nd o m a i n a l s od e v e l o p sf a s tt os a t i s f yt h es p a t i a li n f o r m a t i o nd e m a n do ft h ee n t i r es o c i e t y a l t h o u g ho p e n i n gi n t e r n e th a sp r o v i d e dt h eb r o a ds o c i a la p p f i c a t i o nf o rt h ew e bg i s ， i ti sp u z z l e db yt h es p a t m li n f o r m a t i o nd a t ac o p y r i g h tp r o t e c t i o nw h i c he x i s t si nt h e g i sw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n , s ot h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o nb e c o m e st h ep r o b l e mw h i c h s h o u l db es o l v e du r g e n t l y s v gi sr e g a r d e da st h es e c o n dg e n e r a t i o no fs p a t i a l i n f o r m a t i o ns t a n d a r da n dn e t w o r kg i sd a t af o n m tb e c a u s eo fi t so b v i o u ss u p e r i o r i t y m o r e o v e r , t h ev e e t o rg r a p hi st h em o s tb a s i ce x p r e s s i o nw a y i nn e t w o r kg i s t h e c o p y r i g h tp r o t e c t i o no f t h e v e c t o rg r a p hd a t ai se s p e c i a l l yi m p o r t a n t t h i sa r t i c l eb a s e do nt h ei m a g ea n dg r a p hw a t e r m a r kt h o u g h t s , h a sd i s c u s s e dt h e s p a t i a li n f o r m a t i o np r o t e c t i o nb a s e do nt h es v gi nt h en e t w o r ke n v i r o n m e n t t h e p a p e rh a sf i r s ta n a l y z e dt h eg r a p hc h a r a c t e r i s t i cb a s e do ns v g w h i c hi st h en e w g e n e r a t i o n s t a n d a r do fg r a p hi m a g ei nn e t w o r k i nv i e wo ft h eb i gd a t as e t c h a r a c t e r i s t i co f 2 dv e c t o rg r a p hb a s e do ns v g ，t h ep a p e rp r o p o s e dt h ec l a s s i f i c a t i o n d i v i s i o nm e t h o dt oc h o o s et h ea p p r o p r i a t er e g i o nf o ri n s e r t i n gw a t e r m a r ki n f o r m a t i o n ； i nt h i sf o u n d a t i o n , ip r o p o s e dt h es p a t i a ln o n - b l i n dw a t e r m a r ka l g o r i t h m , t h eb l i n d w a t e r m a r ka l g o r i t h ma n dt h ep r o m o t e db l i n dw a t e r m a r ka l g o r i t h mw h i c h 眦t h e r o b u s tw a t e r m a r ka l g o r i t h m sf o r2 dv e c t o rm a p t h es p a t i a ln o n - b l i n dw a t e r m a r k a l g o r i t h ma n dt h eb l i n dw a t e r m a r ka l g o r i t h mi n s e r tn e wp o i n ti nt o l e r a n c eo f v e r t e xo f t h ec h o s e nr e g i o na st h ew a t e r m a r ki n f o r m a t i o n ；t h ep r o m o t e db l i n dw a t e r m a r k a l g o r i t h mm o v e st h ev e r t e xi ni t sr e g i o na st h ew a t e r m a r ki n f o r m a t i o n t h em e t h o d l l s e st h ep o s i t i o no f t h ei n s e r t e dp o i mo rt h ev a l u eo f v e r t e xt op i c ku pt h ew a t e r m a r k i n f o r m a t i o ns e q u e n c e t h ee x p e r i m e n t sp r o v e n , t h er o b u s t n e s so ft h e s em e t h o d sc a l l a g a i n s t t h e g e n e r a lo p e r a t i o n s o ft h e s p a t i a lg r a p h i c s s u c ha st r a n s f o r m a t i o n , t r a n s l a t i o n , r o t a t i o n , s c a l i n g ，c r o p p i n ga n dv e r t e xi n s e r t i o n r e m o v a le t c f i n a l l y , t h i sa r t i c l eh a st a k e nt h ed e s i g na n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fg u a n g d o n g n i p r o v i n c es p a t i a li n f o r m a t i o ns i l a r i j l ga n dt h es e r v i c ep l a t f o r ma sa l le x a m p l e ，a n dh a s p r o v e n t h e p r e s e n tp a p e rp r o p o s e dt h r e ek i n do fp r a c t i c a b i l i t y , f e a s i b i l i t y , m a n e u v e r a b i l i t y k e yw o r d j ：d i g i t a lw a t e n m r k , s v go r a p ht r a n s f o r m a t i o n , v e c t o rm a p l v 图目录 图目录 图l 图2 图3 图4 图5 图6 图7 图8 图9 图1 0 图l l 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图2 0 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图3 0 图3 l 图3 2 水印嵌入的一般过程基本框架 水印检测的一般过程基本框架 地图图层的具体情况 有相邻多边形的图层的分割一 没有公共边的图层的分割 包含大区域的图层的分割 3 2 3 2 的水印图像 非盲水印算法嵌入水印后的广东省县市级行政边界图形一 非盲水印算法嵌入水印子区域图形经过攻击后的图形一 非盲水印算法添加5 个、3 0 个点、删除5 个，3 0 个点提取的水印图像一 非盲水印算法嵌入水印子区域图形经过剪切攻击的图形一 当v 等于1 时嵌入水印点的具体情况 当v 等于1 时嵌入水印点的具体情况 珠海县级行政界线图形与盲水印算法嵌入水印后的图形 盲水印算法嵌入水印子区域图形经过攻击的图形一一 盲水印算法添加5 个、3 0 个点、删除5 个、3 0 个点提取的水印图像 盲水印算法嵌入水印子区域图形经过剪切攻击的图形 珠海水系形与提升盲水印算法嵌入盲水印后的图形 提升盲水印算法嵌入水印子区域图形经过攻击的图形一一 提升盲水印算法添加5 个、3 0 个点、删除5 个、3 0 个点提取的水印图像一 提升盲水印算法嵌入水印子区域图形经过剪切攻击的图形 3 2 3 2 的水印翻像 广东省县市级行政边界 珠海一县级行政界线 井岸街区 井岸道路 珠海水系 珠海县级行政界线分割后的区域一 井岸街区分割后的区域 井岸道路分割后的区域一 珠海水系分割后的区域 对嵌入水印的图层进行剪切后图形一 9 m h硌：2：2加殂扒勉纺劣孔粥剪甜舛鲐硒铂卯卯弼鹃鼹钤毋卵 表目录 表目录 表l 表2 表3 表4 表s 表6 表7 表8 表9 表1 0 表l l 表1 2 表1 3 表1 4 表1 5 表1 6 表1 7 表1 8 表1 9 表2 0 表2 l 表2 2 表2 3 表2 4 表2 5 表2 6 表2 7 表2 8 表2 9 非盲水印算法平移、旋转、缩放鲁棒性测试结果 非盲水印算法添加删除点鲁棒性测试结果 当v 为l 时盲水印算法嵌入水印点的具体情况 当v 为1 时盲水印算法嵌入水印点的具体情况 盲水印算法提取水印点的具体情况 缩放后盲水印算法提取水印点的具体情况 旋转后盲水印算法提取水印点的具体情况 盲水印算法平移、旋转、缩放鲁棒性测试结果 盲水印算法添加删除点鲁棒性测试结果 当b = l 时，原作标点移动后的新的坐标点 当i f - - ! 时，原作标点移动后的新的坐标点 提升盲水印算法的提取水印的具体情况一 图形缩放口后提取水印的具体情况 图形旋转口后提取水印的具体情况 关系以及具体值 提升盲水印算法平移、旋转、缩放鲁棒性测试结果 提升盲水印算法添加删除点鲁棒性测试结果 各种算法的是否为盲水印 平移图形的相似度( s i n l ) 比较 旋转图形4 5 度的相似度( s i m ) 比较 缩放图形s 的相似度( s i m ) l 七较 添加5 0 个点后的相似度( s i m ) 比较- 添加5 0 0 个点后的相似度( s i i l l ) 比较 删除5 0 个点后的相似度( s i m ) 比较一 删除5 0 0 个点后的相似度( s i m ) l 土较 剪切图形得到的相似度( s i r e ) 比较 嵌入水印的数据量比较 嵌入水印的效率比较 提取水印的效率比较 射勉拍刀孙於弘柏钳朽钉盼铉鲐铂吼以以酩舛：8：8酌盯鹞毋加 华南师范大学学位论文原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：立俺 j 日期：妒7 年占月f 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在后解密适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 论文作者签名：蔓锯 日期；狲滑二f 月，日 名需乞 c 日期：五句年厂月日 基于s v g 的图形水印技术研究 第1 章前言 1 1图形数字水印及其意义 i n t e r n e t 的迅速发展为传统的g l s 发展提供了新的发展平台互联网与地理 信息系统结合而产生的万维网地理信息系统( w b b g i s ) 是g i s 软件发展的必然 趋势。开放的i n t e r n e t 为w e bg i s 提供了广阔的社会应用前景。w b b g i s 是一个 交互的、分布式的、动态的地理信息系统。它的基本思想是在互联网上提供地理 信息，让用户通过浏览器浏览并获得地理信息系统中的数据和功能服务。w e b g i s 涉及到在网络( i n t e r n e t i n t r a n e t ) 环境下地理信息( 图像、图形和与此相关的文 本数据) 的模型、传输、发布、管理、分析、应用的理论与技术作为地理信息 系统的一种新形式，w e b g l s 无论是在理论研究还是在应用方面都已处于深入发 展阶段。 在w e b g i s 的研究与应用中，客户利用网络g i s 获得更加便捷的服务和更大 程度上的空间信息共享，随之而来的副作用是有恶意的个人和团体有可能在没有 得到作品所有者的许可下拷贝和传播有这些空间信息数据版权的内容，例如，现 代盗版者仅需轻点几下鼠标就可以获得与原版一样的复制品，并以此获取暴利； 而一些具有特殊意义的信息，如涉及司法诉讼、政府机要等信息，则会遭到恶意 攻击和篡改伪造等等。这一系列空间信息数据本身的可复制和广泛传播的特性所 带来的负面效应，已成为g i s 产业健康持续发展的一大障碍，目前，对广泛应用 于g i s 中的空间信息数据的版权保护成为一个迫切需要解决的问题【】【2 】。 数字水印技术在w e bg i s 应用的研究就是在这种要求下迅速的发展起来的。 数字水印是一种有效的数字产品版权保护和数字安全维护技术，是信息隐藏技术 研究领域的一个重要分支。它将特定意义的标记( 水印) ，利用数字嵌入的方法 隐藏在数字图像、声音、文档、图书、视频等数字产品中，以证明创作者对其作 品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据，同时通过对水印的检测和分析 来保证数字信息的完整可靠性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效 手段【1 1 从空间信息模型两分法的理论出发，空间数据主要可分为栅格数据和矢量图 基于s v g 的图形水印技术研究 形数据与栅格数据相比。矢量数据有以下两个优点：( 1 ) 数据量小、精度较高； ( 2 ) 可以任意地放大缩小而不失真。矢量图形数据以其明显的优势被视为网络空间 信息发布，或网络g i s 的重要数据格式而对矢量图形数据的知识产权保护则显 得尤其重要。 1 2s v g 概述 w 3 c 推出的s v g ( s c a l a b l e v e c t o r g r a p h i c s ) d 1 4 1 是一种基于x m l 的用来描 述2 d 的矢量图形和矢量栅格混合数据格式的语言。s v g 是一种基于开放标准 的可扩展语言，能够满足w e b 开发者对动态、可缩放与平台无关的w e b 内容表 现和交互手段日益增长的需求。w 3 c 中的s v g 工作组由2 0 多个成员组成，其 中包括s u n 、i b m 、a d o b e 、h p 、m i c r o s o f t 、a o l n e t s c a p e 等业界知名的大公司 与网络上其他的矢量文件相比，它具有纯文本、开放、动态、可缩放和平台无关 等特性。在空间矢量信息发布方面，它具有如下的特点： 1 1 高质量地图的理想载体 2 1 在s v g 中，所有典型的g i s 元素( f e a t u r e s ) 都可以被显示和操作；用户可以 放大地图图像到任何倍数而不必担心损失地图的细节；并且s v g 图像具有增强 的调色板和颜色控制特性。可以提供1 6 0 0 万种颜色；s v g 还提供了滤镜效果。s v g 也可以方便地添加栅格图形，这样在发布遥感图像的时候就非常方便。所以o g c 在定义w e bm a ps e r v e r 的时候把s v g 文件作为w e b 地图服务的一个基本的文件 格式。 2 ) 具有可检索性 5 1 s v g 有基于纯文本的特性，具备像文字信息一样的可检索性，从而使人们 对w r c b 图形检索的梦想成为现实。 3 ) 可交互性 s v g 支持d o m ( d o c u m e n t o b j e c t - m o d e l ) ，通过对d o m 的控制，图形图像 可以动态地显示和交互，例如对图像进行缩放、漫游和图层控制等。利用d o m 还可以进行图形图像的动态实时更新。 4 ) 节省时间与存储空间 利用l z w 等压缩算法对s v g 进行压缩，其压缩率是非常高的。s v g 文件 2 摹于s v g 的图形水印技术研究 的高压缩率使得文件大小和下载时间大大减小，这对于数据量大的地理数据在 w e b 上发布是非常重要的，而在实际应用中所有的数据都可以以压缩的矢量图形 进行传输的，由于文件小，在i n t e r n e t 上可以很快地下载 5 ) 支持超链接 s v g 具有图形链接功能，这对于网络化空间信息系统是很有用的例如， 鼠标移动事件可以使一条线、多边形或者一个符号加亮显示，并且通过w e b 链 接打开一个新窗口来显示更详细的信息。 6 ) 支持移动设备 s v g 具有两个支持移动设备的版本：s v gt m y 和s v gb a s i c 。这样s v g 就 可以支持空问信息在移动设备上的发布。 警7 ) 可以与其他x m l 应用协同工作 s v g 在本质上是x m l 的一个应用，共同的出处使得s v g 与当前已有的和 未来将有的其他x m l 应用之问存在着天然的交融，从而使这些前程远大的技术 和应用之间的协作变得十分简单。 正因为s v g 具有以上的这些优点，使它成为新一代网络多媒体特别是图形 的发布标准，由于空间信息特别是矢量信息的可视化表达通常采用多媒体( 图形、 文字) 的方式进行表达，因此基于s v g 的图形的水印研究是空问信息应用中的 一个研究热点。 1 3 图形水印的研究现状和不足 数字水印技术自9 3 年被提出以来，由于其在信息安全和经济上的重要地位， 发展较为迅速，世界各国的科研机构、大学和商业集团都积极的参与或投资支持 此方面的研究 6 1 1 7 l l s l g l o l ! i t l 2 1 。国际学术界陆续发表了许多关于数字水印技术方面 的文章，随着技术信息交流的加快和水印技术的迅速发展，国内一些研究单位也 已逐步从技术跟踪转向深入系统研列3 】【1 4 j 【1 5 l l 姗。虽然数字水印在国内的应用还处 于初级阶段，但水印公司的创办使得数字水印技术在国内不仅仅只停留在理论研 究的层面上，而是从此走上了实用化和商业化的道路，这样会更加推动国内水印 技术的蓬勃发展，为国内的信息安全产业提供有效的、安全的保障。 近几年，数字永印技术作为一种在开放的网络环境中保护数字产品版权的新 基于s v g 的图形水印技术研究 技术，逐步得到发展但是，数字水印技术大部分都集中在数字图像和视频方面 国内外对图形数据和地图数字水印方法的研究局限于很小的范围内l l _ ，1 近年来，逐渐出现一些图形和地图数据数字水印方法研究的文章例如； v s o l a c h i d i s 在。w a 咖t 】a f l 【i n gp o l y g o n a ll i n e sf o u r i e rd c s g r i p t o l r s ”1 蛾啪。v j l c t o rr 在“w a t e r m a r k i n g p o l y g o n a l l i n e s u s i n ga l l o p t i m a l d e t e c t o r o n t h e f o u r i e r d e s c r i p t o r s d o m a i n ”1 2 0 1 中针对多边形数据，使用一维离散傅立叶变换( o f t ) ，将水印嵌入到 d f t 变换的幅值系数中，其结果会引起矢量图形的轻微失真；v o i g t 的“r e v e r s i b l e w a t e r m a r k i n go f 2 d - v e c t o rd a t a ” 2 q 通过改变原始矢量地图数据的整数d 玎系数 来隐含水印信息，该算法存在的主要缺陷是水印嵌入对含水印地图数据造成的扰 动很大；s o n n e th e n r y 的“i l l u s t r a t i o nw a t e r m a r k sf o rv e c t o rg r a p h i c ”1 2 2 1 提出了在 线段中插入点、改变线段的长度、线段的方向和线段的属性等水印，其中p a t h s u b d i v i s i o n sm e t h o d ( p s m ) 在两点之问均匀的插入六个新点作为水印信息； m i c h a e lv o i g t 在“w a t e r m a r k i n g2 d - v e c t o rd a t af o rg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o n s y s t e m ”1 2 3 1 和“f e a t u r e - b a s e dw a t e r m a r k i l l go f2 d - v e c t o rd a t a ”阴1 分别提出数据 的一定容差范围给原数据添加p s e u d o n o i s e ( p n ) ，通过p n - s e q u c n c e 和添加水印 数据的关系来发现水印的方法和把矢量图形分为网格，将图形分为几个子区域， 通过在容差范围内移动坐标点来添加水印，并使用假设检验的方法提取水印的方 法；r y u t a r o uo h b u c h i 的“r o b u s tw a t e r m a r k i n go fv e c t o rd i g i t a lm a p s ”t 2 5 ) 提出 m o d i f i e dq u a d t r c c ( m q u a d ) 方法，采用一种基于四叉树划分矢量图形的方法，将 图形划分为范围不同大小的矩形框，在不同的矩形内通过移动坐标点来嵌入水印 信息：其在“w a t e r m a r k i n g2 dv e c t o rm a p s i nt h em e s h - s p e c t r a ld o m a i n ”嗍一文 利用d a l a u n a y 三角化的方法将点集连接在一起，然后通过创建的面推断出频率 域的系数，通过更改系数值嵌入水印信息；李媛媛的“矢量图形中基于小波变换 的盲水印算法”即，通过离散小波变换将序列分解成不同空河和频率上的复值系 数，并根据水印的大小与小波系数之间的关系把水印嵌入到小波系数的幅值中； 张琴的“基于复数域的图形水印方法”【2 3 】利用了d u a l t r e e 复数小波变换的优点， 将水印嵌入相对坐标线( r e l a t i v ec o o r d i n a t e sl i n e ) 的复数小波域中；王勋在“种 鲁棒的矢量地图数字水印算法”1 2 9 1 提出的双重嵌入的水印算法，将地图按地图 内所含对象特征把矢量地图分为两层，对于不同的图层采用不同的算法调制水印 4 基于s v g 的翻形水印技术研究 信息到各顶点；李嫒媛在。用于矢量地图版权保护的数字水印”提出一种在矢量 地图中嵌入水印的算法，对地图按坐标平均分块，根据每块顶点密度的分类对水 印的强度进行白适应调制，然后根据在地图的精度范围内，采用改变顶点坐标值 的方法将二值水印图象重复嵌入到地图中；周旭提出用基于中国剩余定理的g i s 数字水印算法i 柏1 ：邵承永在第十三届全国图象图形学学术会议，基于差值扩大的 思想，提出了一种用于矢量地图的无损数据隐藏算法1 4 l l 而在图形水印中，文献 1 8 1 1 9 2 0 2 1 2 7 2 8 等使用在频率域嵌入水印信 息，其结果会引起矢量图形的轻微失真，并没有很好的考虑到图形坐标的精确性， 而在空间信息中大部分时候需要的是精确的空间数据，而这一点却是空间信息的 重要的一点；文献【2 2 】的水印改变属性的方法并不能适应s v g ，因为在空间信息 的图形中，线段的方向、粗细、颜色都是一致的；文献 2 3 2 4 2 5 1 1 2 6 1 采用网格 或者矩形框来就进行切割，这样会导致有很多相邻的多边形相互联系，如果采取 剪切其中某一个多边形，就会可能造成水印的丢失。 综上所述，总体对图形水印的技术还没有图像水印技术那么成熟。然而，这 部分恰恰是网络g i s 安全中关键而复杂的部分，图形数据信息的版权问题与之有 着直接的关系。因此，在本文选择基于s v g 的矢量地图水印处理技术研究，讨 论空间信息的数据版权保护问题，以满足应用的亟需。 1 4 本文的研究工作 1 4 1 研究目标 针对上述基于s v g 图形的版权保护的问题，本文将从空间域的角度讨论 s v g 的图形水印的方法。首先，分析s v g 图形的表达方法；在此基础上，常需 针对2 d 矢量图形的大数据集进行水印嵌入处理。本方法先将空问矢量图层按照 自身所含的多边形特征进行分类分割方法；对分解后的矢量多边形进行分析，选 择合适的多边形的线段，在其顶点处嵌入水印；而提取水印的过程，根据嵌入水 印顶点的位置或坐标值德到水印信息的序列。本文提出了三种具有鲁棒性的2 d 矢量图形的水印算法。 最后本研究论文将依托于“广东省空问数据交换中心集成系统”科研项目， 基于s v g 的图形水印技术研究 根据该项目总体设计要求，利用论文探讨的内容构建一个基于s v g 的图形水印 技术，以评估本研究论文提出的理论和方法的可行性 1 4 2 论文的组织 第l 章主要阐述基于s v g 的图形水印的本文的研究目标；第2 章讨论一般 的数字水印技术的基本架构；第3 章讨论空间域的非盲水印算法；第4 章讨论空 间域的盲水印算法；第5 章讨论提升空间域的盲水印算法；第6 章应用实例，并 进行结果分析；第7 章总结本文的工作及尚存的问题和进一步的工作。 6 基于s v g 的图形水印技术研究 第2 章数字水印技术基本架构 数字水印是永久镶嵌在其它数据( 宿主数据) 中具有鉴别性的数字信号或模 式，而且并不影响宿主数据的可用性。在绝大多数情况下，人们希望添加的信息 是不可察觉的或不可见的，但它的存在并不影响宿主数据的可用性，嵌入的水印 同样需起到鉴别的目的。 2 1 数字水印算法特性 不同的应用对数字水印的要求不尽相同，一般认为数字水印应具有如下特 点： 可证明性：水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全可靠的证 据。水印算法能够将所有者的有关信息( 如注册的用户号码、产品标志或有意义 的文字等) 嵌入到被保护的对象中，并在需要的时候将这些信息提取出来。水印 可以用来判别对象是否受到保护，并能够监视被保护数据的传播、真伪鉴别以及 非法拷贝控制等。这实际上也是发展水印技术的基本动力。 不可感知性：不可感知性是指视觉或听觉上的不可感知性，即指因嵌入水 印导致载体数据的变换对于观察者的视觉或听觉系统来讲应该是不可察觉的，最 理想的情况是水印与原始载体在视觉上是一模一样的，这是绝大多数水印算法所 应达到的要求。 稳健性：数字水印的稳健性主要体现在以下方面。首先，数字水印应该具 有抵抗一般信号处理的稳定性，即使原始数据经过重新采样，重新量化，或者某 种信号的增强，仍然要保证水印的存在性；第二，数字水印技术应具有几何变换 下的稳定性，即数字作品中嵌入的水印应该在旋转、缩放和剪切等几何变换下仍 然保持它所携带的信息：第三，数字水印应该具有抵抗合伪造、删除等操作的恶 意攻击的稳定性具体地说，对恶意攻击的稳健性就是指即使攻击者获得了大量 携带水印的数据，也不能据此在不破坏原图的情况下伪造出一个新的水印作品或 者擦除水印作品的标记。 用于版权保护的数字水印技术对攻击者来说具有明确的目标，因此难以避免 的会受到侵权者的恶意攻击。显然在经过各种攻击操作后，稳健的水印算法应仍 7 基于s v g 的图形水印技术研究 能从水印载体中提取出嵌入的水印或证明水印的存在一个鲁棒的水印应傲到若 攻击者试图删除水印将会导致水印载体的彻底破坏 2 2 数字水印的产生 一个数字水印方案一般包括三个基本方面；水印的生成、水印的嵌入和水印 的提取或检测。数字水印技术实际上是通过对水印载体媒质的分析、嵌入信息的 预处理、信息嵌入点的选择、嵌入方式的设计、嵌入调制的控制等几个相关技术 环节进行合理优化，寻求满足不可感知性、安全可靠性、稳健性等条件约束下的 准最优化设计问题。而作为水印信息的重要组成部分一密钥，则是每个设计方 案的一个重要特色所在。往往可以在信息预处理、嵌入点的选择和调制控制等不 同环节入手完成密钥的嵌入。 嵌入的水印信息可以是图像、文字、用户识别码，或其他编码的形式，在水 印嵌入的过程中，都将其视为二迸制比特流。为了得到篡改提示，在水印中应该 加入校验值；为了增强水印算法的鲁棒性，应对水印信息进行随机化处理，其目 的是使水印信息接近白噪声。产生的水印信号矿往往需要进一步的变换以适应 水印嵌入算法。为了分析方便，把算子g 分解为算法胄和算法r 两个部分： g = t o r 足：k 哼w ，t ：w x k 斗矿( 1 ) 子算法置输出原始水印矿e w ，该原始水印只由密钥足k 产生。当r 基于 伪随机数发生器时，密钥k 直接映射为伪随机数发生器的种子。当r 基于混沌系 统时，密钥集由许多初始条件的适当变换而产生。这两种方法所产生的密钥集足 够大并且满足密钥唯一性条件，而且由置产生的水印是有效的水印。此外，矗是 不可逆的。 子算法r 对原始水印进行修改以获得最后的依赖于产品的水印矽r 应满 足： 丁眵，五) 冬r 眵，) 兰丁眵，矗)( 2 ) 这里托表示原始产品，而表示嵌入水印的产品，并且砟= m ) ， 8 基于s v g 的图形水印技术研究 矗一，m 表示多媒体数据处理操作算法。原始水印信号也可以是预先预定 的，而在嵌入水印前对该水印信号可以做适当的变换或者不变换，密钥可以在水 印嵌入过程中产生 2 3 数字水印嵌入过程 数字水印一般嵌入过程基本框架示意图如图l 所示 图1 水印嵌入的一般过程基本框架 图l 展示了水印的嵌入过程。该系统的输入是水印信息形、原始载体数据， 和一个可选的私钥公钥足。其中水印信息可以是任何形式的数据，如随机序列 或伪随机序列；字符或栅格；二值图像、灰度图像或彩色图像；3 d 图像等等 水印生成算法g 应保证水印的唯一性、有效性、不可逆性等属性。水印信息可 由伪随机数发生器生成，另外基于混沌的水印生成方法也具有很好的保密特性。 密钥置可用来加强安全性，以避免未授权的恢复和修复水印。所有的实用系统必 须使用一个密钥，有的甚至使用几个密钥的组合。 水印的嵌入算法很多，从总的来看可以分为空间域算法和变换域算法。具体 算法我将在后面详细介绍。由图l 可以定义水印嵌入过程的通用公式： 1 w = e ( 1 ，w ，k )( 3 ) 其中。表示嵌入水印后的数据( 即水印载体数据) ，i 表示原始载体数据， 表示水印集合，k 表示密钥集合这里密钥k 是可选项，一般用于水印信号 的再生 9 基于s v g 的图形水印技术研究 2 4 数字水印提取和检测过程 水印的提取和检测可以作用于任何产品，提取和检测时可以需要原始产品的 参与，也可以不需要原始产品的参与但将水印技术用于产品的网络发布和传播 时，在检测时使用原始产品则是个缺陷，因此大多数的水印检测算法不需要原始 产品的参与。 图2水印检测的一般过程基本框架 图2 是水印的检测过程。由图2 可以定义水印检测过程的通用公式为 有原始载体数据，时： 有原始水印时： 没有原始信息时； 矿：d 0 。，k ) 旷= d ( ? ，w ，k ) 旷= d ( 1 w ，k ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 其中，莎表示估计水印，d 为水印检测算法，l 表示在传输过程中受到攻 击后的水印载体数据。 在某些水印系统中，水印可以被精确的提取出来，这一过程称作追因提取。 如果提取的水印发生了部分的变化，最好还能通过发生变化的水印的位置来取得 定原始数据被篡改的位置。 检测水印的手段可以分为两种：一是在有原始信息的情况下，可以做嵌入信 号的提取或相关性验证；二是在没有原始信息情况下，必须对嵌入信息做全搜索 或分布假设检验等。如果信号为随机信号或伪随机信号，证明检测信号是水印信 号的方法一般就是做相似度检验。水印相似度检验的通用公式为： s i m ：名黑或s i m ：；兰珲寿 ( 7 ) 矿+ w 旷+ w + 矿+ 矿 一 l o 基于s v g 的图形水印技术研究 其中矿表示估计水印，矽表示原始水印，s i r e 表示不同信号的相似度。 果s i r e 芝c 。，则意味着水印存在，其中参数f 。是产品供应商检测水印时所 选择的检测确定度门限。 2 5 图形水印攻击的方法及对策 从数字水印的应用中我们可以看出，数字水印在认证、防盗版方面有重要的 应用。然而，水印技术与密码术一样，是在不断的“攻”与“防”中不断发展的， 因此，研究数字水印的攻击方法对于数字水印的发展有着重要的作用。 对数字水印的攻击一般是针对水印的稳健性提出的要求，在前面已介绍过数 字水印的稳健性是指水印信号在经历多种无意或有意的信号处理后，仍能保持完 整性或仍能被准确鉴别的特征。攻击是指那些带有损害性、毁坏性的，或者试图 移去水印信号的处理过程。稳健性好的水印应该能够抵抗各种水印攻击行为。 按照攻击后的水印作品具有的商业价值可以将攻击分类为：成功的攻击和毁 坏性的攻击。一种成功的攻击可以为攻击者创造商业价值。它能够把水印削弱到 无法恢复和提取的地步，同时攻击后的载体数据只有一些少许的变动，不影响载 体数据的商业价值。这是实际应用中最需要考虑进行对抗的攻击。而毁坏性攻击 无法为攻击者创造良好的商业价值，但是它可以起到破坏的作用，影响数字水印 的实际应用。它在某些情况下也需要考虑。 检验图形水印算法的鲁棒性一般从图形的平移、旋转、缩放，点的添加、删 除，图形的剪切等方面进行考虑。 图形的平移、旋转、缩放攻击：图形的平移攻击是指将图形分别沿x 轴 和y 轴移动l 和l 的距离；图形的旋转攻击是指图形绕某一点转动某个角度0 到 新的图形：图形的缩放攻击是指将原图形缩小或者放大口倍；这些都是图形的几 何变换，是也是检验图形水印算法鲁棒性经常进行的操作。 图形坐标点的添加删除攻击：对嵌入水印信息的图形进行添加和删除点 的操作，而对于大多数水印技术，水印提取器都需要事先知道嵌入水印的确切位 置这样，经过点的添加和删除后，水印信息的具体位置就会难以确定，从而水 印将很难被提取出来 基于s v g 的图形水印技术研究 图形的剪切攻击：攻击者只需要图层某一部分的图形数据，而不是整个 图层的数据，就会对图层进行剪切操作，这样就会破坏水印的完整性，造成水印 信息的丢失 在有源提取的情况下，可以将源载体数据和水印化数据相比较，得到水印化 数据遭受的几何变换的种类和区域，进而可以消除和同化几何学上的失真在无 源提取的情况下，只能采用穷举的方法，尝试使用所有可能的处理，将被攻击的 数据翻转过来。这种穷举的方法在遇到复杂的攻击的情况下，计算将成为不可能 比较可取的对抗攻击的对策是在载体数据中嵌入一个参照物。在提取水印 时，先对参照物进行提取，得到载体数据所有经历的攻击的明确判断，然后对载 体数据依次进行反转处理，这样可以消除所有攻击的影响。 2 6 本章总结 本章介绍了数字水印技术的基本理论和框架，介绍了数字水印的生成、嵌入 的过程到提取和检测的过程。水印方法的好坏需要经过很多次的实验来进行验 证，需要验证在2 5 节各种攻击之下，是否具有很好的鲁棒性。并不是每一种水 印算法对所有的攻击都具有很好的鲁棒形。每一种水印算法都有各自的特点，因 此需要经过上述四种攻击方法，获取水印鲁棒形的实验值，来验证水印的优劣。 基于s v g 的图形水印技术研究 第3 章空间域非盲水印算法 较早的数字水印算法都是空间域上的，在图像处理中，空域水印处理使用各 种各样的方法直接修改图像的象素，将数字水印直接加载在数据上。空间域水印 算法的最大优点就是具有较好的抗几何失真能力，最大弱点就在于抗信号失真的 能力较差 基于s v g 矢量地图有大量的均匀的区域组成，这些区域都有一样的亮度， 图像空间域嵌入水印的方法并不都适合图形。水印的嵌入不仅要保证地图对人眼 的视觉效果没有影响，还要保证地图的精度以及可用性，而频率域嵌入水印的方 法，其结果会引起矢量图形的轻微失真，因此通过频率域嵌入水印信息并不适合 精确的矢量地图。由于地图中数据的测量值有一定的精度允许范围，一般地图的 水印算法如文献【2 2 】、f 2 3 1 、 2 4 1 、【2 5 1 、t 2 6 1 、【2 9 】、【3 0 、【4 0 】和 4 1 1 等，都采 用基于地图精度允许范围内通过移动或添加坐标点来嵌入水印信息。 3 1 空间域水印非盲算法概述 本章在文献 2 2 1 、 2 3 1 和 2 5 1 雕j 基础上，提出了一种新的鲁棒性矢量图形水印 算法，即：借鉴矢量图形分区的理念，按照图层自身包含的多边形进行子区域分 解，再将每一个多边形分解为多条边或多条曲线，选取合适的边或曲线，获取 s v g 矢量图形的坐标，将其变换为相对坐标，然后利用所选点的容差( t o l e r a n c e ) 内嵌入一个新的点作为其水印信息，实现矢量图层的数字水印算法。 3 2 图形的分类分割方法 空间数据的每个矢量图层均可被称之为大数据集，若要保护其中的单独的区 域和对其进行高效率的水印处理，则需对矢量图形进行分割处理。文献 2 3 】、【2 4 1 、 f 2 5 1 、 2 6 1 和 3 0 1 分别利用网格和矩形框进行分割，可能造成一个多边形的水印和 相邻的多边形有联系，如果攻击者只剪切其中某一个多边形区域的信息，便有可 能造成水印