一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法。
【背景技术】
[0002] 数字水印技术是一种公认的对数字产品进行版权保护的手段。1996年在英国剑桥 牛顿研宄所召开了第一届国际信息隐藏学术研讨会，标志着信息隐藏学的诞生，而作为信 息隐藏学主要分支之一的数字水印技术的研宄也得到了迅速的发展。
[0003] 目前，对矢量地图的数字水印算法很少，主要包括两类：即空间域和频率域。空间 域算法主要是通过轻微修改坐标值来嵌入水印，算法实现简单，但鲁棒性较差，对地图内容 损伤较大；频率域算法通过离散余弦变换、傅立叶变换或小波变换等数学方法，通过调整频 域系数来嵌入水印，该类算法较复杂。目前，衡量矢量地图数字水印性能的重要指标包括精 度有损情况以及抗矢量数据压缩能力。多数基于空域和频域的水印算法在应用中对地图精 度均存在着不同程度的损伤，对于数据压缩攻击的抵抗性能则始终未获得明显改善。概括 地说，主要原因在于缺乏一种优化选择策略指导嵌入对象的选取，使得携带水印的对象在 压缩过程中被去除，从而引起水印失效。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种能保证矢量地图100%无损，并能有效抵抗多种组合 攻击，具有高安全性以及不可见性的基于空间几何特性的矢量地图水印方法。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] 一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，包括如下步骤：
[0007] (1)读取矢量地图文件，简化地图，移除颜色渲染图层；
[0008] (2)依托点图层，线图层和区域图层划分三个子集，分别确定地图对象的图层归 属；
[0009] (3)按照拓扑关系定义，分别从各图层内获得关键对象集合；
[0010] (4)利用基于距离的模糊聚类分析方法，确定最终的水印载体集合；
[0011] (5)对于每一个比特的水印编码，从载体集合内顺序提取对象的定义块；
[0012] (6)读取对象定位坐标值，采用0比特复合的方式串联到坐标值末尾；
[0013] (7)构造可供水印提取的密钥，将水印序列依次写入载体对象内；
[0014] (8)根据提取密钥，依次读取二值水印序列；
[0015] (9)根据读取的二值水印序列和水印位图的大小，生成水印位图，同原始水印进行 比较和相似度计算，判定版权或内容完整性。
[0016] 通过分离图层来滤除冗余的所述的颜色渲染图层，获得地图的最有效核心图层信 息。
[0017] 分离核心图层，划分为所述的点图元、线图元、面图元三种基本图层，获取反映地 理空间的关键性拓扑关系数据。
[0018] 根据水印编码长度和单位嵌入字节数，确定载体规模，通过基于距离的模糊聚类 分析方法，获得所述最终的水印载体集合。
[0019] 开始嵌入水印信息，顺序获得载体集合内的元素，读取该对象所对应的所述对象 的定义块。
[0020] 根据对象定义数据块，找到坐标定义块，按照水印编码嵌入规则，采用0比特复合 的方式将所述的水印字节信息附加到该对象所述的坐标值的末尾，具体包括：将二值水印 序列以每8个bit字节为一组，将其ASCII编码的对应字符嵌入name字段的冗余空间中， 水印嵌入后，结束符前面是节点实际名称，结束符后面是水印信息。
[0021] 将每次嵌入的水印字节数和顺序读取对象的编码信息组合为向量，并保存为所述 的水印提取的密钥。
[0022] 基于地图拓扑关系的不变性，重新提取到已嵌入水印的关键拓扑对象，基于所述 的密钥，重新排列集合内的元素位置，由各对象内的定义块提取到水印编码，并连接为水印 序列。
[0023] 根据水印生成规则，转换所述的水印序列，并通过相似度计算，获得与原始水印的 相似数据。
[0024] 本发明的有益效果在于：
[0025] (1)实现了完全无损的水印嵌入和提取。水印嵌入载体基于空间拓扑关系选取，对 于地图的使用具有重要意义，不易被去除。
[0026] (2)不会增加地图文件的大小。本方案通过增加微量的冗余数据嵌入水印，并不是 在文件中添加，因此不会增加地图文件的大小。
[0027] (3)不会损坏原文件数据。水印嵌入的位置和方法复合地图文件的组织特点，因此 不会影响地图文件的格式转换和应用软件的读取处理。
[0028](4)较好的鲁棒性。经过测试，这种水印方法能抵抗多种攻击，在不知道嵌入方法 的情况下，攻击者很难大幅度提出水印信息。
[0029](5)较好的隐蔽性。本方案嵌入前后的地图视觉和位置信息等没有任何的变化，即 使用专业处理软件也无法察觉到地图是否含有水印，由于嵌入的位置极为隐蔽，攻击者很 难对水印发起攻击。
【附图说明】
[0030] 图1为水印相似度比较；
[0031] 图2为矢量地图简化流程；
[0032] 图3为0比特复合的水印嵌入方法；
[0033] 图4为实验程序界面；
[0034] 图5为水印相似度计算程序界面；
[0035] 图6为8种剪切攻击的示意图。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合实验实例对本发明做更详细地描述：
[0037] 本发明的目的是这样实现的：包括水印的嵌入和提取，其步骤包括：
[0038] (1)读取矢量地图文件，简化地图，移除颜色等渲染图层。
[0039] (2)依托点图层，线图层和区域图层划分三个子集，分别确定地图对象的图层归 属。
[0040] (3)按照拓扑关系定义，分别从各图层内获得关键对象集合。
[0041] (4)利用基于距离的模糊聚类分析方法，确定最终的水印载体集合；
[0042] (5)对于每一个比特的水印编码，从载体集合内顺序提取对象的定义块；
[0043] (6)读取对象定位坐标值，采用0比特复合的方式串联到坐标值末尾。
[0044] (7)构造可供水印提取的密钥，将水印序列依次写入载体对象内。
[0045] (8)根据提取密钥，依次读取二值水印序列。
[0046] (9)根据读取的二值水印序列和水印位图的大小，生成水印位图，同原始水印，进 行比较和相似度计算，判定版权或内容完整性。
[0047] 本发明还可以包括：
[0048] 2、所述的读取矢量地图文件并简化地图的步骤中，对于矢量空间，若复合各种图 形，图像形式的渲染效果，其最终表现为可应用的矢量地图，基本定义如下：
[0049] 定义1 (离散度量空间）：设集合X为矢量地图中N个独立的矢量对象，两个元素 的度量表示为任意两个矢量对象的相关度。
[0050] 定义2 (拓扑空间）：由度量空间性质，对于包含若干矢量对象的集合Ai,A^JT，
【主权项】
1. 一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，其特征在于，包括如下步骤： (1)读取矢量地图文件，简化地图，移除颜色渲染图层； ⑵依托点图层，线图层和区域图层划分三个子集，分别确定地图对象的图层归属； (3) 按照拓扑关系定义，分别从各图层内获得关键对象集合； (4) 利用基于距离的模糊聚类分析方法，确定最终的水印载体集合； (5) 对于每一个比特的水印编码，从载体集合内顺序提取对象的定义块； (6) 读取对象定位坐标值，采用O比特复合的方式串联到坐标值末尾； (7) 构造可供水印提取的密钥，将水印序列依次写入载体对象内； (8) 根据提取密钥，依次读取二值水印序列； (9) 根据读取的二值水印序列和水印位图的大小，生成水印位图，同原始水印进行比较 和相似度计算，判定版权或内容完整性。
2. 根据权利要求1所述的一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，其特征在于： 通过分离图层来滤除冗余的所述的颜色渲染图层，获得地图的最有效核心图层信息。
3. 根据权利要求2所述的一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，其特征在于： 分离核心图层，划分为所述的点图元、线图元、面图元三种基本图层，获取反映地理空间的 关键性拓扑关系数据。
4. 根据权利要求3所述的一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，其特征在于： 根据水印编码长度和单位嵌入字节数，确定载体规模，通过基于距离的模糊聚类分析方法， 获得所述最终的水印载体集合。
5. 根据权利要求4所述的一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，其特征是：开 始嵌入水印信息，顺序获得载体集合内的元素，读取该对象所对应的所述对象的定义块。
6. 根据权利要求5所述的一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，其特征在于： 根据对象定义数据块，找到坐标定义块，按照水印编码嵌入规则，采用〇比特复合的方式将 所述的水印字节信息附加到该对象所述的坐标值的末尾，具体包括：将二值水印序列以每 8个bit字节为一组，将其ASCII编码的对应字符嵌入name字段的冗余空间中，水印嵌入 后，结束符前面是节点实际名称，结束符后面是水印信息。
7. 根据权利要求6所述的一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，其特征在于： 将每次嵌入的水印字节数和顺序读取对象的编码信息组合为向量，并保存为所述的水印提 取的密钥。
8. 根据权利要求7所述的一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，其特征在于： 基于地图拓扑关系的不变性，重新提取到已嵌入水印的关键拓扑对象，基于所述的密钥，重 新排列集合内的元素位置，由各对象内的定义块提取到水印编码，并连接为水印序列。
9. 根据权利要求8所述的一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法，其特征在于： 根据水印生成规则，转换所述的水印序列，并通过相似度计算，获得与原始水印的相似数 据。
【专利摘要】本发明提出的是一种基于空间几何特性的矢量地图水印方法。读取矢量地图文件，滤除冗余渲染信息；按照点、线、区域三种基本图层，读取矢量地图对象的数据结构；扫描水印位图并将其转换为二值序列，确定单位对象的嵌入长度，确定水印载体集合规模；优化图层对象集合；依次读取设定的水印编码顺序写入定位信息末尾；利用密钥，提取空间关系对象内的水印编码；根据二值水印序列和水印位图的大小，生成水印位图。计算检测水印与原始水印的相似程度，为版权归属及地图内容完整性提供判据。本发明实现了完全无损的水印嵌入与提取，不对地图文件造成任何损坏，在保证地图内容完整性的基础上，算法达到了精度零损失，抗矢量数据压缩，以及低误码率。
【IPC分类】G06T1-00
【公开号】CN104794677
【申请号】CN201510223958
【发明人】孙建国, 李佳楠, 李博权
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年5月5日