专利名称：一种基于压缩感知的矢量地理数据水印信息生成方法
技术领域：
本发明属于地理信息版权保护领域，具体涉及一种基于压缩感知的矢量地理数据的水印信息生成方法，以提高矢量地理数据水印算法的安全性和适应性。
背景技术：
矢量地理数据是国家基础地理数据的重要组成部分，是国家基础设施建设和地球科学研究的支撑性成果，已广泛应用到政府、军队、社会的方方面面。然而，随之而来的盗 版、侵权、泄密等安全问题给矢量地理数据的安全造成了巨大的危害，迫切需要可靠的技术手段保护矢量地理数据的安全。数字水印技术作为信息安全领域发展起来的前沿技术，在版权保护、跟踪侵权、内容认证等方面具有重要作用。近年来，数字水印技术的研究取得了重要的进展，特别在图形、图像、视频和音频等方面的水印研究得到了广泛的应用。基于矢量地理数据的重要性和安全保护的紧迫性，矢量地理数据水印研究和应用也取得了较为丰富的成果，特别在水印嵌入和检测方面取得了重要的进展。数字水印信息生成是数字水印处理过程中的第一个关键步骤。它是通过一定的算法将文字、图形等版权、用户信息转化生成一定长度的二值序列的水印信息，然后通过嵌入算法嵌入到载体数据中，必要时通过检测算法检测出来。水印信息生成直接关系到水印嵌入和检测，直接关系到算法的鲁棒性和不可见性，直接关系到水印检测的可靠性。特别是水印的嵌入量对水印嵌入和检测影响非常大。如果嵌入水印量少，则影响方法的鲁棒性，且极易产生误检；如果嵌入水印量多，则影响方法的不可见性，更重要的是对小数据量的载体数据，根本不能嵌入太多的水印信息。然而，对于分层存储的矢量地理数据，很多层数据量都比较小，往往只有一、两百个甚至几十个坐标点，水印信息难以嵌入到这些小数据量数据中。因此，如何生成足够量的水印信息已成为制约矢量地理数据水印技术研究和应用的瓶颈问题。如果能有效地对水印信息进行处理，利用少量的信息表征大容量的水印信息，则相当于扩展水印信息量，是有效解决目前制约水印技术瓶颈问题的一条有效途径，而目前现有的水印信息生成方式难以扩大水印信息量，迫切需要利用新的理论和方法去解决。近几年发展起来的压缩感知理论(Compressive Sensing, CS)为扩大水印信息量提供了新的可能的途径。CS理论是一种新兴的信号采样理论，它对于可压缩的或在某个变换域是稀疏的信号，用一个与变换基不相关的观测矩阵将变换所得高维信号投影到一个低维空间上，然后通过求解一个优化问题就可以从这些少量的投影中以高概率重构出原信号，从一个全新的角度压缩信号。鉴于矢量地理数据水印信息具有高度可压缩性，利用CS理论能够在不丢失原始水印信息的情况下，实现水印信息的高比例压缩，这样可以极大的扩充水印信息量，提高算法的鲁棒性和安全性，特别是解决较小载体数据无法嵌入足够水印信息量这一瓶颈问题。
发明内容
本发明的目的在于针对目前水印信息容量受限、小数据量矢量地理数据无法嵌入水印信息等问题，提出一种基于压缩感知的矢量地理数据水印信息生成方法，解决水印信息容量限制和小数据量数据水印嵌入难的问题，提高矢量地理数据水印算法的安全性和适应性。为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案为一种基于压缩感知的矢量地理数据水印信息生成方法，其特征在于包括以下步骤(I)矢量地理数据水印信息稀疏表达读取原始水印信息Iwij, i=l, 2， ，M，j=l, 2， ，N}为MXN大小的二值图像；
计算原始水印信息的高斯白噪声统计特性；原始水印信息经过快速曲波变换后得到稀疏二值水印图像{ViJ, i=l,2,...,W , j=l,2,}，其中 M'〈M，N' <N；将二维的水印信息先按行再按列扫描，将其转换成一维水印信息Iffi, i=l, 2,... ,M' XN' }；(2)水印信息测量矩阵构建构建初始随机测量矩阵U= (U1, u2，...，uj G RL，且每个元素都独立地服从高斯分布；在托普利兹矩阵U中随机地选取其中的M行构造初始测量矩阵O E Rmxn ；建立初始测量矩阵的约束条件；计算稀疏一维水印信息W和各个观测行向量之间的内积，即对稀疏一维水印信息进行投影，构建矢量地理数据水印信息稀疏表达模型；(3)水印嵌入读取待嵌入的矢量地理数据，并获取点的坐标值；将经过压缩感知后的一维水印信息按照最低有效位的嵌入规则依次嵌入到矢量地理数据中；(4)水印提取按照嵌入规则的逆过程提取出水印信息；(5)水印信息重构迭代分析，选择与当前的误差向量相关性最大的一列或多列；根据所选择的列求得当前的近似解和新一次的迭代误差，反复迭代；直到迭代次数达到稀疏度或者迭代误差满足预设的误差要求，强制迭代停止；重构获得水印信息。本发明基于压缩感知理论建立矢量地理数据水印信息生成方法，能够有效提高水印算法的适应性和安全性，可以解决目前小数据量数据嵌入水印信息难的问题，可用于矢量地理数据版权保护服务中。
图I是本发明一种基于压缩感知的矢量地理数据水印信息生成方法的流程图。具体实施例下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。( I)矢量地理数据水印信息稀疏表达步骤一读取原始水印信息(Wij, i=l, 2，. . .，M，j=l, 2，. . .，N}为MXN大小的二值
图像。在对原始水印信息进行感知处理前，需要对其进行稀疏表达。步骤二 计算原始水印信息的高斯白噪声统计特性。步骤三针对原始水印信息，本实施例提出的稀疏基是快速曲波变换(curvelet),将curvelet变换后的低频信息代替原始水印信息。经过curvelet变换后的水印信息能去掉大量的冗余信息，得到一个基于curvelet变换的稀疏二值水印图像 (Vij, i=l, 2,. . . ,M/，j=l, 2， ，N' }，其中 M' <M，N' <N。步骤四将二维的水印信息先按行再按列扫描，将其转换成一维水印信息(Wi, i=l, 2,... ,M' XN' }。(2)水印信息测量矩阵构建步骤一构建初始随机测量矩阵U= (U1, U2, , uL) G Rl,且每个元素都独立地服从高斯分布；步骤二 在托普利兹矩阵U中随机地选取其中的M行构造初始测量矩阵O E Rmxn。步骤三建立初始测量矩阵的约束条件。步骤四计算稀疏一维水印信息W和各个观测行向量之间的内积，即对稀疏一维水印信息进行投影。(3)水印嵌入步骤一读取待嵌入的矢量地理数据，并获取点的坐标值。步骤二 采用最低有效位的方法依次嵌入压缩感知后的水印信息。步骤三保存含水印的矢量地理数据。(4)水印提取步骤一读取含水印的矢量地理数据。步骤二 采用(3)中嵌入的逆运算进行水印信息提取。步骤二 保存提取的水印f目息。(5)水印信息重构步骤一迭代分析，选择与当前的误差向量相关性最大的一列或多列。步骤二 根据所选择的列求得当前的近似解和新一次的迭代误差，反复迭代。步骤三直到迭代次数达到稀疏度或者迭代误差满足预设的误差要求，强制迭代停止。步骤四重构获得水印信息。本发明所提出的方法是专门针对矢量地理数据水印信息生成方法，采用该方法可以开发并实现基于数字水印技术的矢量地理数据版权保护系统。( I)格式转换攻击将保存的shapefile含水印矢量地理数据另存为.e00或.mdb格式的数据，数据的容量大小、头文件都会发生改变，但是这些攻击并未改变数据的坐标值，因而可以有效提取出水印信息。实验结果表明，该方法可以有效抵抗格式转换攻击，且提取率都为100%。
(2)删点攻击删点攻击是矢量地理数据水印方法中遭受的较为常见的攻击方式，将含水印矢量地理数据进行删点操作，。实验结果表明，即使裁剪到原始影像的(30%)时，水印信息仍然可以正确提取出，实验中水印的提取率为100%。(3)加噪攻击噪声在一定程度上可以改变矢量地理数据的坐标位置，如果噪声幅度不大的情况下，不会对矢量地理数据的质量造成致命性的破坏。对含水印矢量地理数据进行了椒盐噪声和高斯噪声，实验结果表明，本方法都可以有效抵抗加噪攻击，实验中水印的提取率为 100% O(4)压缩攻击对含水印的矢量地理数据进行压缩操作，以质量百分数为参数。在质量百分数为50 %时，水印仍可以正确提取。
权利要求
1.一种基于压缩感知的矢量地理数据水印信息生成方法，其特征在于包括以下步骤 (1)矢量地理数据水印信息稀疏表达 读取原始水印信息(Wij, i=l, 2，. . .，M，j=l, 2，. . .，N}为MXN大小的二值图像； 计算原始水印信息的高斯白噪声统计特性； 原始水印信息经过快速曲波变换后得到稀疏二值水印图像{ViJ, i=l,2,...,W , j=l,2,}，其中 M'〈M，N' <N； 将二维的水印信息先按行再按列扫描，将其转换成一维水印信息Iffi, i=l, 2,... ,M' XN' }； (2)水印信息测量矩阵构建 构建初始随机测量矩阵U= (U1, U2,, uL) g Rl,且每个元素都独立地服从高斯分布； 在托普利兹矩阵U中随机地选取其中的M行构造初始测量矩阵O G Rmxn ； 建立初始测量矩阵的约束条件； 计算稀疏一维水印信息W和各个观测行向量之间的内积，即对稀疏一维水印信息进行投影，构建矢量地理数据水印信息稀疏表达模型； (3)水印嵌入 读取待嵌入的矢量地理数据，并获取点的坐标值； 将经过压缩感知后的一维水印信息按照最低有效位的嵌入规则依次嵌入到矢量地理数据中； (4)水印提取 按照嵌入规则的逆过程提取出水印信息； (5)水印信息重构 迭代分析，选择与当前的误差向量相关性最大的一列或多列； 根据所选择的列求得当前的近似解和新一次的迭代误差，反复迭代； 直到迭代次数达到稀疏度或者迭代误差满足预设的误差要求，强制迭代停止； 重构获得水印息。
全文摘要
本发明公开了一种基于压缩感知的矢量地理数据水印信息生成方法，本发明的方法基于压缩感知理论，建立矢量地理数据水印信息的稀疏基表达方法，设计水印信息稀疏表示的测量矩阵及其约束条件，构建水印信息的稀疏表达模型，对提取的水印信息进行重构。该方法充分利用了矢量地理数据水印信息的稀疏特性，解决了水印信息容量限制及小数据量数据水印信息无法嵌入的问题，从而提高了矢量地理数据数字水印算法的安全性和适应性。
文档编号G06F21/00GK102682417SQ20121013892
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月8日 优先权日2012年5月8日
发明者任娜, 崔翰川, 曹曲, 朱长青 申请人:常熟南师大发展研究院有限公司