（计算机应用技术专业论文）矢量数据水印技术研究.pdf

摘要 摘要 矢量数据水印技术研究 专业名称：计算机应用技术申请者姓名：张垒导师姓名：李岩 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 m e t 虽然为 w e bg 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。矢量数据以其文件小， 精度高等优势，逐渐成为网络g i s 重要数据格式。而且，在网络g i s 中，矢量 图形是最基本的表达方式，对矢量图形数据的知识产权保护则显得尤其重要。 本文基于图形水印的思想，探讨了矢量空间信息的保护。首先，论文对前人 在矢量数据水印上的贡献做了总结；然后，针对矢量数据主要由点、线、面组成 的特性，并结合现在矢量数据水印存在的不足，提出了在图层分割的基础上，通 过道格拉斯普克计算，分别对特征点的道格拉蕻距离和非特征点的道格拉斯距 离序列进行小波变换，在小波变换的系数上嵌入水印信息。该水印算法为盲水印 算法，使用特征点和非特征点的道格拉斯距离进行小波变换弥补了小波变换对数 据的旋转和平移操作不具鲁棒性的不足，而且在添加水印后使图形的形变得到了 良好的控制。另外，为了解决小数据量水印的嵌入，提出了双重水印算法。该算 法通过两次水印的嵌入，可以使水印文件至少完整的嵌入一次或嵌入多次，在第 一次水印的嵌入采用在特征点两侧的线段上嵌入新数据点作为水印点的方法；在 第二重水印嵌入采用，计算所有坐标点的道格拉斯距离，并在该距离上进行小波 变换并在小波系数中嵌入水印信息的方法。实验证明，第一种方法对于空间信息 的常规图形操作，如：矢量图层的坐标变换、平移、旋转、缩放，以及图形的裁 剪，点的添加删除和有损压缩等，均具有较强的鲁棒性，而且在图形的形变上得 到了较好的控制；双重水印算法由于水印载体的数据量比较小，所以对裁剪和数 摘要 据点的删除的鲁棒性不高。 最后，本文以广东省空间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，小波变换，矢量数据，道格拉斯变换 i i a b s t r a c t r e s e a r c ho nv e c t o rd a t aw a t e r m a r kin g m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e ：l e iz h a n g s u p e r v i s o r ：y a nl i 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 er e s o u r 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 o s 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 a c th a sp r o v i d e dt h eb r o a ds o c i a la p p l 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 i a 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 v e c t o rd a t ah a sg r a d u a l l yb e c o m ea ni m p o r ti nt h en e t w o r k a n tg i sd a t af o r m a t si nt h e i rs m a l lf i l e sa n dt h ea d v a n t a g e so fh i g h e ra c c u r a c y m o r e o v e r , t h ev e c 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 yi nn e t w o r kg i s ，s ot h e c o p y r i g h tp r o t e c t i o no ft h ev 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 n as u m m a r yo fp r e v i o u sp a p e r sh a sd o n ew h i c ha r eo n t h ec o n t r i b u t i o no ft h ew a t e r m a r ki nt h ev e c t o rd a t ai nt h i sp a p e r i nv i e wo f c h a r a c t e r i s t i c sw h i c ht h ev e c t o rd a t ai s c o m p o s e do fp o i n t s ，l i n e sa n ds u r f a c e c h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o n e n t s ，c o m b i n e d 谢t l ll a c k i n gt h a tv e c t o rd a t aw a t e r m a r k i n g i se x i s t e n t ，ad i v i s i o nm e t h o di sp r o p o s e di nt h ep a p e r , t h e nt h r o u g hd o u g l a s p o k e r t e r m sa n dt h eu s eo fd o u g l a sd i s t a n c ew a v e l e tt r a n s f o r mo nb o t ht h ef e a t u r ep o i n t s a n du n f e a t u r ep o i n t s ，a d dw a t e r m a r ki n f o r m a t i o ni nw a v e l e tt r a n s f o r mc o e f f i c i e n t s t h ew a t e r m a r k i n gi sab l i n dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m ，i ts o l v e st h er o t a t i o na n d t r a n s l a t i o ni sn o tr o b u s ti nu s eo fd o u g l a sd i s t a n c et r a n s f o r mo ft h ew a v e l e tt r a n s f o r m ， b u ta l s oi th a sb e e nm a k i n gag o o dc o n t r o la f t e ra d daw a t e r m a r ki nt h ed e f o r m a t i o n t h eg r a p h i c sd i s t o r t i n g i na d d i t i o n ，i no r d e rt os o l v et h ee m b e d d e dw a t e r m a r ki na i i a b s t r a c t s m a l la m o u n to fd a t a , ad o u b l ew a t e r m a r ka l g o r i t h mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h e a l g o r i t h ma d d sw a t e r m a r k sf o rt w i c e ，i tm a k e sad a t at h a tc a l le m b e d d e di nw a t e r m a r k a tl e a s to n ec o m p l e t eo rr e p e a t e de m b e d d i n g ，i te m b e d sw a t e r m a r ki nt h ef e a t u r ep o i n t b o t hs i d e si nt h ef i r s te m b e d d e dw a t e r m a r k ；t h es e c o n de m b e d d i n gi su s i n gt h ef i r s t w a t e r m a r ke m b e d d i n ga l g o r i t h mm e n t i o n e di nt h ep a p e r t h ee x p e r i m e n t sp r o v e n ，t h e r o b u s t n e s so ft h e s em e t h o d sc a na g a i n s tt h eg e n e r a lo p e r a t i o n so ft h es 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 b u tt h ed o u b l ew a t e r m a r k i n gi sn o th i g hr o b u s t n e s sf o rt h es c a l i n ga n d r o t a t i o nb e c a u s eo fs m a l la m o u n to fd a t a 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 p r o v i n c es p a t i a li n f o r m a t i o ns h a r i i 培a n dt h es e r v i c ep l a t f o r ma sa ne 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 d t 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 rds ：d i g i t a lw a t e r m a r k ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，v e c t o rm 印，d o u g l a st r a n s f o r m 华南师范大学学位论文原创性声明 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已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。 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：锨珐 抛义作有，佥稻：锨姻 日期：沙口气年多月够日 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，在年后解密适用 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：旅整 导师签名：爹象 日期：加q 年 占月争日 日期：如可年乡月j 日 矢量数据水印技术研究 第1 章前言 1 1图形数字水印及其意义 随着“数字地球”、“数字中国”和“数字城市 等高新技术信息化浪潮的推 进，g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 空间信息数据产品已经成为很多行业 广泛应用的重要信息产品之一。随着网络技术的迅猛发展，w e b g i s 技术与数据 网上交易逐渐增多，有关信息安全、知识产权保护等问题日益突显出来。如何保 证g i s 空间数字化信息的安全问题成为测绘领域及相关企业的关注焦点。 作为信息产业中最具特殊性的一种信息产品，g i s 空间信息数据的提取、数 据采集、加工、制作到后期的数据更新、维护，凝聚了测绘科研和生产单位大量 技术人员的智慧和汗水，仅前期的g i s 空间数据获取这一项工作所需投入的时 间及财力就要占到整个地理信息系统建设的8 0 以上。 测绘法中明确规定：所有g i s 空间信息产品归国家所有，测绘行政主管部 门代替国家行使管理权；另一方面，国家基础测绘管理办法中对g i s 空间数据 获取的权限也有明确的规定。 在现实中，通过大投入生产出的g i s 空间信息数据产品，由于缺乏相应的 安全措施，现有的测绘法律、法规在实施中因难以收集到确凿的第一手证据而无 法行使其保障体系，g i s 空间信息常常从非正常渠道流入到非法使用者手中，侵 犯了国家的权益，直接损害了测绘部门或相关企业的经济利益；更有不法生产单 位私自组织加工g i s 空间数据在市场上出售，扰乱行业市场。鉴于愈演愈烈的 计算机犯罪，g i s 数据网络化的脆弱性所带来的安全问题使w e b g i s 技术发展与 数据网上交易受到限制，因此，对空间信息数据的版权保护已成为一个迫切需要 解决的问题【1 】【2 】。 数字水印技术是一种有效的数字产品版权保护和数据安全维护技术，是信息 隐藏技术研究领域的一个重要分支。数字水印是指，信号以可感知或不可感知的 形式嵌入到数字化产品( 文本、音频、视频、图形和图像等) 中，用于版权保护、 内容检验或提供其他信息。由于数字水印技术是实现版权保护的有效手段，无论 在商业还是现实生活中它都发挥了越来越重要的作用，并将具有更加广阔的发展 1 矢量数据水印技术研究 空间和应用前景。近年来，数字水印技术作为一种在开放的网络环境中对数字产 品保护版权、认证来源以及确定完整性的新技术，已经引起了人们的高度重视， 并已成为多媒体信号处理领域的一个研究热点。 1 2 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【3 - 7 。如美国财政部、美国版权工作组、美国洛斯阿莫斯国家实验 室、美国海陆空研究实验室、欧洲电信联盟、德国国家信息技术研究中心、日本 n t t 信息与通信系统研究中心j 麻省理工学院、南加利福尼亚大学、剑桥大学、 瑞士洛桑联邦工学院、微软公司、朗讯贝尔实验室等都在进行这方面的研究工作。 i b m 公司、日立公司、n e c 公司、p i o n e e r 电子公司和s o n y 公司等五家公司还 宣布联合研究基于信息隐藏的电子水印。 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，几个有影响的国 际会议( 例如：i e e e ，s p i e 等) 及一些国际权威学术期刊( 例如：s i g n a lp r o c e s s i n g 等) 相继出版了有关数字水印技术的专题。1 9 9 6 年5 月，国际第一届信息隐藏 学术讨论会【8 l ( i n t e m a t i o n a li n f o r m a t i o nh i d i n gw o r k s h o p ，i h w ) 在英国剑桥牛顿研 究所召开。在1 9 9 9 年第三届信息隐藏国际学术研讨会上，数字水印成为主旋律， 全部3 3 篇文章中有1 8 篇是关于数字水印的研究。1 9 9 8 年的国际图像处理大会 ( i c i p ) 上，还开辟了两个关于数字水印的专题讨论。由m a r t i nk u t t e r 创建的 w a t e r m a r k i n g w o r l d 己成为一个关于数字水印的著名网上论坛。 在2 0 世纪9 0 年代末期一些公司开始正式地销售水印产品。在图像水印方面， 美国的d i g i m a r e 公司i 】1 】率先推出了第一个商用数字水印软件；而后，又以插件 形式将该软件集成到a d o b e 公司的p h o t o s h o p 和c o r e ld r a w 图像处理软件中。该 公司还推出了媒体桥( m e d i a - b r i d g e ) 技术，利用这项技术用户只要将含有 d i g i m a r c 水印信息的图片放在网络摄像机( w e bc a m e r a ) 前，媒体桥技术就可以 直接将用户带到与图像内容相关联的网络站点，认证其版权的归属。a l p v i s i o n 公司 9 1 推出的l a v e l l t 软件，能够在任何扫描的图片中隐藏若干字符，这些字符 标记可作为原始文件出处的证明。也就是说，任何电子图片，无论它们是被用于 2 一 矢量数据水印技术研究 w o r d 文档、出版物电子邮件或者网页，都可借助于隐藏的标记知道它的原始 出处。a l p v i s i o n 的s a f e p a p e r 是专为打印文档设计的安全产品，它将水印信息隐 藏到纸的背面，以证明该文档的真伪。s a f e p a p e r 可用于证明一份文件是否为某 指定的公司或组织所打印，如：医疗处方、法律文书、契约等，还可将一些重要 或秘密的信息，如：商标、专利、名字、金额等隐藏到数字水印中。欧洲电子产 业界和有关大学协作开发了采用数字水印技术来监视复制音像软件的监视系统， 以防止数字广播业者的不正当复制的行为。该开发计划名称为t a l i s m a n ( t r a c i n ga u t h o r s r i g h t sb yl a b e l i n gi m a g es e r v i c ea n dm o n i t o r i n ga c c e s s n e t w o r k s ) ) ) 1 0 j 。此开发计划作为欧洲电子产业界等组织的欧共体项目于1 9 9 5 年 9 月开始进行，1 9 9 8 年8 月结束，有法国、比利时、德国、西班牙、意大利和瑞 士等在内的1 1 个通信与广播业者、研究单位和大学参加。 随着信息技术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地系统研究，各大研究所和高校纷纷投入数字水印的研 究，其中比较有代表性的有哈尔滨工业大学的孙圣和、牛夏牧、陆哲明等：天津 大学的张春田、苏育挺等；北京邮电大学的杨义先、钮心忻等；中国科学院自动 化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等。他们均是国内较早投入水印技术研究且取得较好 成绩的科研单位。我国于1 9 9 9 年1 2 月1 1 日，由北京电子技术应用研究所组织， 召开了第一届信息隐藏学术研讨会( c i h w ) ，很大程度地推进了国内水印技术的 研究与发展。同时，国家对信息安全产业的健康发展也非常的重视，在2 0 0 3 年 的科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南中n 2 】，明确指出了对于 “数字产品产权保护( 基于数字水印、信息隐藏、或者网络认证等先进技术) 和“个性化产品( 证件) 的防伪( 基于水印、编码、或挑战应答等技术) 等多 项防盗版和防伪技术予以重点支持。现在国内己经出现了一些生产水印产品的公 司，其中：比较有代表性的是由中科院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等人于 2 0 0 2 年在上海创办了的一家专门从事数字水印、多媒体信息和网络安全、防伪 技术等软硬件开发的公司上海阿须数码技术有限公司【1 3 】，公司现从事数字 证件、数字印章、p d f 文本、分块离散图像、视频、网络安全等多方面数字水印 技术的研究，现在这家公司已申请了一项国际和三项国家数字水印技术专利。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 3 矢量数据水印技术研究 术己不仅只停留在理论研究的层面上，而是走上了实用化和商业化的道路。这对 进一步推动国内数字水印技术的蓬勃发展，为信息产业提供有效的、安全的保障。 在早期，数字水印的研究主要集中在数字图像上，直到9 3 年才出现第一篇 关于矢量数字水印的文章，但近几年来，得到了迅速的发展。 在矢量数字水印研究中，常根据数字水印嵌入的方法、特点和位置的差异， 将水印的嵌入方法分为空域法和变换域法。 ( 1 ) 空域矢量数据水印算法 空域矢量数据水印算法常采用直接修改矢量数据的坐标顶点值或添加新的 冗余坐标点来嵌入水印。在对矢量数据嵌入水印时，则通过坐标顶点的位置关系 的角度变化、嵌入顶点的优选等方法提高水印的鲁棒性。c o x g s 1 4 l 等提出最早 的矢量数据水印算法，该算法把水印信息直接嵌入到矢量数据各顶点坐标上，是 一种脆弱的空域水印算法，不能抵抗任何简单的攻击。 文献 1 5 1 采用最低有效位( 1 e a s ts i g n i f i c a n tb i t ，l s b ) 与矢量数字地图空间数 据拓扑关系记录相结合，并对数字水印及数据包加密的方法，使其可充分利用最 低有效位方法的优点，而避开其易受攻击的薄弱性。 文献 1 6 2 6 提出基于修改顶点位置关系的水印方案。在这些方案中，矢量地 图被分成指定大小的块，以某块的任意一点为原点，如：西南点，块内顶点形成 新的坐标值，对每个块内嵌入水印位，以文献【2 3 1 为例。如图1 - 1 所示，它在矢量 地图精度的允许误差内，将原始地图以某一宽度分成许多垂直或水平的条带；在 每个条带内，属于它的顶点被转变成一个特殊的位置来表示位“1 或“0 ”，即： 每个条带一位。该方案对小于1 3 条带宽的放大有稳健性，该方案对平移、一 定程度的地图简化或裁剪也有稳健性。 ( a ) e m b e d 1 i nas t r i p( b ) e m b e d 0i nas t r i p 图1 - 1 在分带中嵌入水印 文献 2 7 - 3 0 的共同思想是通过增加新的顶点到原始矢量地图中来表示水印 位，以文献 2 7 1 为例，如图1 2 所示，起始顶点和最终项点( 两个白色的环) 在 4 矢量数据水印技术研究 原始地图上是两个邻近的顶点。所有黑色填充点在嵌入过程中与新的顶点交叠。 假设：起始点与第一个交叠的顶点之间的距离表示为位“l ”，一半距离表示为“0 ”， 嵌入线段中的数据就是“1 0 1 0 0 1 1 。如果只考虑精度，该方案是最好，它不会引 起任何变形；而且，该方案对抵抗地图旋转和缩放的攻击具有稳健性。然而，该 方案有两个缺点：一是水印的嵌入增加了矢量数据，即：嵌入一个数据位，必须 在矢量地图中增加一个新的顶点。嵌入的信息越多，加入水印后的地图数据越大； 二是方案对抵抗地图简化( 概化) 的攻击非常脆弱，任何一种普通的、应用性的 简化算法或压缩算法就能够很容易地将嵌入的水印移去。 b e g 姒i n 户一1 一o 上o 0 0 - 1 一o d ，7 i n l e r p o l a t e dv e r t i c e s v e l 1 e x 图1 - 2b i l lh u b e r 水印嵌入方法 文献 3 1 】在文献 1 9 1 的基础上，对m q u a d 算法修改，提高了水印的鲁棒性。 文献 3 3 】 3 4 提出了一种无损的水印算法，水印嵌入后可完整地被提取出来。 文献 3 5 】提出一种抗数据压缩的矢量地图数字水印算法，在对矢量数字地图 数据嵌入水印之前先对数据进行道格拉斯普克法压缩，然后在特征点中嵌入 水印信息。该算法对抗常见的数据压缩有较好的稳健性。文献 3 6 1 提出将水印数 据嵌入在一个单独顶点内，这对噪声攻击很脆弱。 ( 2 ) 变换域的算法 水印数据不是通过直接修改顶点坐标嵌入的，而是从矢量图中选取坐标点的 坐标，并按一定的规则进行排序；然后，再进行域变换，将水印嵌入到它们的变 换系数中。一般而言，变换域算法强壮性较好，是被关注研究的热点。它主要的 变换方法有d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 、d w t ( d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ) 、 d c t ( d i s c r e t ec o s i n u st r a n s f o r m ) 和网格一频谱域等。 d f r 域 文献 3 7 4 4 是基于d f t 的水印方案，通过修改坐标序列的傅里叶系数将水 印位嵌入到矢量地图数据中。该方法的主要过程是先选择有n 个顶点的坐标序 列作为嵌入水印的对象，每点由一坐标对( ( x ( 胛) ，y ( 玎) ) ，力= o ，1 ，厶n 一1 ) 表示，将 红( 刀) ，少( 聍) ) 组合起来表示成一个复数信号：z ( n ) = x ( 拧) + y ( 嚣) f ，珂= 0 , 1 ，l ，n 一1 ，再 矢量数据水印技术研究 将z ( n ) 进行d f t 变换得一系列傅立叶变换系数z ( 七) ，k = o ，1 ，厶n 一1 ，这样点的坐 标z ( n ) 就可由其傅立叶变换系数z ( k ) 来表示；水印的嵌入是通过修改z ( 七) 来进 行；水印的检测是通过计算水印信号w ( 后) 与嵌入了水印地图数据的d f t 幅值的 相关系数c 来进行。这些算法能够抵抗平移、缩放、旋转、顶点重排、改变遍历 起点或方向等的攻击。但是，这类方法所采用的检测器主要依赖于加载水印的地 图数据量，顶点越多越精确，但顶点多却会使计算量迅速增加。 由此，文献 4 2 】在前述离散傅立叶变换水印算法的基础上，提出了新的检测 算法来提高水印的鲁棒性。文献 4 3 在文献【4 2 】的基础上，又提出了盲检测的算 法，以提高水印算法的通用性。文献 4 4 】提出了以图形的特征点的d f t 系数幅 度和相位作为水印嵌入域的方法，并提出了一种以提取水印与原始水印的相关系 数作为检测值的实用检测算法。 i ) c t 域 矢量数字地图数据经过d c t 后，变换数据的能量将被集中到直流分量( d c ： d i r e c tc o m p o n e n t ) ( 表示信号的加权平均值) 和低频率( a c ：a l t e r n a t i n gc o m p o n e n t s ) 系数( 表示信号的) 中，利用这一特征，文献【4 5 】设计了一个可逆的水印方案，该 方案将每8 个顶点组成一个单元，将一个水印位嵌入在每个单元中8 个顶点的 整数d c t 系数中。该方案利用了地图数据同一多边形的顶点坐标之间具有高相 关性这一重要特征。一般来说，由于地图对象的连续和光滑的形状，在一个单独 对象内的顶点坐标往往高度相关，而d c t 对高度相关的数据有能量聚集的特性， 故所采用的嵌入方法是可逆的，这意味着地图数据在数据提取后没有损失。这个 方案是一个多位的盲方案。而且，它是迄今惟能将可逆方案引入矢量地图数字 水印中的算法。这个方案的缺点是矢量数字地图由水印带来的变形很大，即存在 丢失数据精度的重大弊病， d w t 域 文献 4 6 4 9 都是基于离散小波变换的水印算法，其特点是：从原始的矢量地 图中顺序地提取出所有顶点进行排序，并进行延拓，使其满足离散小波变换的条 件；同时，为了提高水印的隐蔽性，对水印序列进行伪随机排序；然后，对延拓 的顶点序列进行离散小波变换，并根据伪随机排序后水印值和小波系数的邻域平 6 矢量数据水印技术研究 均值之间的关系来嵌入水印。 文献1 4 6 应用d w t 算法，该算法将矢量数字地图转换成一个2 维标量值， 使其类似于一个“栅格图像 ；然后，再将矢量数字地图均一地细分成矩形网格， 即：将每个矩形网格作为栅格图像的“像素”；最后，再利用基于图像的小波变 换嵌入水印。 文献 4 7 】提出在d w t 域嵌入多位水印的盲水印方案。文献 4 8 】以等高线为 例，依据坐标间的较高相关关系，对n 个坐标组成的坐标串进行小波变换，在 其变换后得到的系数中嵌入水印信息，该算法对数据平移、数据删除和投影变换 具有较好的稳健性。但是，在数据平移过大和随机删点过多( 超过3 0 ) 时，该 算法不太稳健。另外，文献 4 9 提出了复数小波的变换方法，并使用d u a lt r e e 复数小波变换的方法实现了水印的嵌入，并克服了通常在小波域嵌入的水印没有 抵抗平移和旋转能力的不足， 网格一频谱域 与此同时，文献 5 0 ，5 1 推出一个在网格频谱域的2 维矢量地图水印方案。 其中文献 5 0 将地图的所有顶点采用d e l a u n a y 三角网形式将这些顶点互相连接 起来，建立了一个2 维网格；然后，将整个地图用k d 树法则自适应地分成许 多块；然后，在每一块内的2 维网格执行网格频谱分析，得到网格频谱系 数序列，系数序列被当作加载水印的对象。文献【5 1 的方法则先选出地图的特征 点；然后，通过建立一棵星树来替代d e l a u n a y 三角网。这两个方案可抵抗多种 攻击，如：地图旋转、变换、地图交叠、，简化i 附加噪声和裁剪都具有很好的稳 健性。 其他的变换域的方法 另外，文献 5 2 】则提出将水印嵌入到参数化后的多边形角度或圆角度参数 中。嵌入时选择由n 个顶点组成的封闭多边形，用该多边形重建一个圆，使该 圆的拓扑和多边形的拓扑一致，该圆的周长和多边形的总长一样；通过矢量映射， 多边形上的每一个顶点都被映射到圆上；这样，圆周上的顶点也就自然参数化成 极坐标，将水印嵌入到顶点的角度参数中后，可再通过矢量映射的逆变换将圆周 长的顶点映射成多边形，该算法对平移、起始点的改变具有较强的稳健性，但对 缩放、镜像、旋转、遍历方向倒置表现不够稳健。 7 矢量数据水印技术研究 文献 5 3 】 3 2 】均采用b 样条模型( b s p l i n em o d e s ) 对弧线参数化，再在b 样条控制点坐标上嵌入一个展布频谱序列( s p r e a ds p e c t r u ms e q u e n c e ) 作为水印； 然后，将这些加了水印的控制点用b 样条模型重建弧线；提取水印时，为了增 加可靠性，将未加水印的弧线上采样点坐标和己加水印或被攻击的采样点用迭代 最小化对准( i t e r a t i v ea l i g n m e n t m i n i m i z a t i o n ) 算法进行计算，直到得出与未加 水印时的原始地图的采样点基本一致，再将这些采样点的b 样条控制点与未加 水印时的原始矢量数字地图的b 样条控制点进行对比，找出嵌入的水印。该算 法对共谋攻击、裁剪、几何变换、矢量栅格一栅格矢量转换、打印和扫描， 以及这些方式的某些混合攻击具有稳健性，但缺点是该算法是非盲检测算法。 通过对现有的矢量数字地图水印算法的分析研究，可发现各种算法各有利 弊，仍存在着一些缺点和尚未解决的问题。多数算法对几何攻击均具有较强的鲁 棒性，但对图形在传播过程中和人为因素所产生的形变几乎没有稳健性。而且， 大多方案对地图简化和裁剪是脆弱的，特别是变换域的方法，附加噪声和地图简 化甚至会无限制地丢失原始信息，地图简化和裁剪也会进一步导致顶点数量的改 变。 而且，以往的算法研究主要是加强水印的鲁棒性，对图形的形变控制未做出 明确的要求。然而，地图水印的研究对地图的保真度和精度要求很高，须严格控 制地图的形变，使形变在某指定的容差z 范围内，且对地图中对象形状的细节能 得到很好地保真度保护。尽管在图1 3 ( b ) 2 6 1 t ：p 的每一个坐标点的扭曲都是在 容差范围之内，但是地图中有部分对象的形状被改变了，这种形变降低了被嵌入 水印地图的质量，且可能会吸引攻击者的注意。 & ) o r 礤n & lm a p( b ) w a g e r m a r k e dm a p 图1 3 一个地图形变的实例 8 矢量数据水印技术研究 1 , 3 本文的研究工作 1 3 1 研究目标 针对基于矢量数据的版权保护的问题，本文将从频率域的角度讨论矢量数据 水印嵌入的方法。首先，通过分析现存空间域和频率域的水印算法不足；其次， 对水印嵌入算法如何抵抗现有通用水印攻击方案的研究；最终，提出一种新的对 2 d 矢量地图大数据集的水印嵌入处理方法。该算法的主要嵌入过程为：首 先，使用网格将空间矢量图形分割为不同的块；其次，对每一块中的图形进行道 格拉斯变换，分别取得变换后特征点和非特征点到参考线的距离；然后，分别对 两种类型距离分别进行小波变换，并在小波的系数中嵌入水印；最后，进行小波 反变换和道格拉斯的反变换并得到嵌入水印后的地图数据。从上述水印嵌入算法 可以看出，算法主要使用于大数据量的数据而对于小数据量的矢量地图数据， 还有一定的不足。因为小数据的数据在道格拉斯变换后得到的特征点个数较少， 水印信息可能无法完全嵌入，为了能够保证水印信息的嵌入或反复嵌入，首先对 小数据量的数据水印嵌入采用对待嵌入矢量数据序列进行冗余点的嵌入，增加坐 标点的个数；然后，再使用道格拉斯算法计算各点到参考线的距离序列，不通过 小波变换在小波系数中嵌入水印；最后，通过小波反变换和道格拉斯反变换得到 嵌入水印后的地图数据。最终，本文提出了二种具有鲁棒性的2 d 矢量图形的水 印算法。 最后本研究论文将依托于“广东省空间信息集成与共享研究 科研项目，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矢量数据水印技术， 以评估本研究论文提出的理论和方法的可行性。 1 , 3 ，2 论文的组织 第1 章主要阐述基于矢量数据水印的研究现状和目标；第2 章讨论通用数字 水印技术的基本架构；第3 章讨论基于小波变换域水印的小波基选取方法；第4 章讨论基于小波变换域的盲水印算法；第5 章讨论本文提出的双重水印算法；第 6 章总结本文的研究工作、尚存问题和进一步的研究内容。 9 矢量数据水印技术研究 第2 章数字水印技术基本架构 数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 技术是将一些标识信息( 即数字水印) 直接嵌 入数字载体( 包括多媒体、文档、软件等) 当中，但不影响原载体的使用价值，也 不容易被人的知觉系统( 如视觉或听觉系统) 觉察或注意到。 2 1 数字水印算法特性 针对不同的应用对数字水印的要求不尽相同。在一般情况下，数字水印至少 应具有如下特点： 可证明性：数字水印应能为受到版权保护的信息产品之归属提供完全可靠 的证据。数字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，并在必要时将这些信息提取出来。 数字水印可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 别及非法拷贝控制等。实际上，这也是发展数字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 数字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。最理想的结果是嵌入数字水印的载体与原始载体在视觉上是没有任何差异， 这是绝大多数数字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，仍要保证数字水印的存在；第二，数字水印技术应具有在任何几 何变换下的稳定性，即：在数字作品中嵌入的数字水印应能抵抗旋转、缩放和剪 切等几何变换的攻击，仍能保持它所携带的水印信息；第三，数字水印应该具有 抵抗合伪造、删除等恶意攻击操作的稳定性。具体地说，对恶意攻击的稳健性是 指：即使攻击者获得了大量携带水印的数据，也不能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，因此水印作品 难以避免地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 矢量数据水印技术研究 印算法应仍能从水印载体中提取出嵌入的水印或证明水印的存在。一个具有鲁棒 性的数字水印应做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 数字水印的处理过程 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。实际上，数字水印技术是通过对水印载体媒质的特征分析、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 束下的最优化设计问题。而作为数字水印信息的重要组成部分密钥，则是每 个设计方案中的一个重要特色。它往往可在信息预处理、嵌入点的选择和调制控 制等不同环节中完成密钥的嵌入。 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，在数 字水印嵌入的过程中，都将其视为二进制比特流。为了得到篡改提示，在数字水 印中应加入校验值；为了增强数字水印算法的鲁棒性，应对数字水印信息进行随 机化处理，其目的是使数字水印信息接近白噪声；对所生成的数字水印信号形往 往需进一步地变换，以适应数字水印嵌入算法。为了便于分析，常将算子g 分解 为算法r 和算法丁两个部分： g = t or r ：k 一矿，t ：矿xx xk 专形 公式( 2 1 ) 算法尺输出原始水印旷w ，该原始水印只由密钥詹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。当月基于混沌系统 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，且由足产生的水印是有效的数字水印。此外，震 是不可逆的。 子算法j r t 对原始数字水印进行修改，以获得最后的依赖于产品的数字水印 形。丁应满足： 丁眵，x 。) 兰丁修，而) 兰丁眵，矗) 公式( 2 2 ) 这里k 表示原始产品，而昂表示嵌入数字水印的产品，并且= m 伍矽) ， 1 2 矢量数据水印技术研究 矗x 矿，肘表示多媒体数据处理操作算法。原始水印信号也可以是预定的， 而在嵌入数字水印前，对该数字水印信号可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 数字水印的一般嵌入过程如图2 i 所示。 东印磐减镑湓( ；) 卜1 数水翻灌) 藩茬荔嚣荔茏嚣菁_ 11 承印漩_ 入i1 翮入水邵蔚的 鼹始堡壁墼擗( j ) 卜一彝夏覆；、h 裂茹7 拿嚣尹叫 双钥公饵( k ) 图2 一l 水印嵌入的一般过程基本框架 在图2 1 中展示的数字水印嵌入过程中，系统所输入是水印信息矿、原始载 体数据，和一个可选的私钥公钥k 。其中，数字水印信息可以是任何形式的数 据，如：字符、二值图像、灰度图像或彩色图像、3 d 图像等等的随机序列或伪 随机序列的数据。在实施过程中，数字水印生成算法g 应保证数字水印的唯一性、 有效性、不可逆性等属性；数字水印信息形可由伪随机数发生器生成，或基于 混沌的数字水印生成方法，具有很好的保密特性：密钥k 可用来加强安全性，以 避免未授权的恢复和修复水印。值得注意的是，所有的实用系统必须使用二个密 钥，或者使用几个密钥的组合。 数字水印的嵌入算法很多，可分为空间域算法和变换域算法。通过分析各种 数字水印算法，可由图2 1 归纳与定义出数字水印嵌入过程的通用公式： l = e o ，形，k ) 公式(