一种基于语义特征的电子海图权限水印技术的制作方法

本发明涉及的是一种电子海图的加密保护方法，具体地说是一种电子海图权限水印技术。

背景技术：

权限水印，又称“安全水印”，属于可逆水印的一种，但权限水印标识包含了海图的操作特性和文件属性，因而通过解析水印标识可以达到限制用户操作权限的目的。众所周知，二维电子海图已经广泛应用于海洋开发、海洋工程等领域；同时，针对二维电子海图大范围应用后所存在的安全性问题，也迅速成为研究人员关注的热点，其中，二维电子海图“安全水印”及相关性技术的研究在国内尚属首次提出。当前，二维电子海图安全研究进展相对缓慢，根据水印实现方法的不同，已有二维电子海图水印方法大致可分为如下两类：(1)结构性复合水印，(2)内容复合水印。电子海图安全水印技术的研究才刚刚起步，还存在很多既有理论深度，又有应用价值的问题亟待解决。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种在保持水印方法在水印容量、鲁棒性等方面的稳定性能基础上，能实现管控电子海图传输安全、操作权限管控的基于语义特征的电子海图权限水印技术。

本发明的目的是通过如下步骤实现的：

步骤一：构造权限水印标识；

步骤二：水印标识语义转换；

步骤三：语义水印的制作；

步骤四：数字水印嵌入；

步骤五：语义水印提取；

步骤六：语义特征图像匹配。

本发明还可以包括：

1、所述的构造权限水印标识具体包括：(1)对于给定的电子海图V，将其分发给i个用户，根据用户U_j(j＝1,2,…,i)对电子海图V的不同权限，制定访问控制列表L；(2)对于L0＝＜U1,V,OE,OE,OE,ON,OE,ON＞，表明用户U1对电子海图V的权限项"OE,OE,OE,ON,OE,ON"中，OE为使能，而ON为操作禁止，分别代表了“打开、编辑、剪切、复制、打印、更名”操作元素，当“打开”元素为禁止时，后续操作项均为禁止，即"ON,ON,ON,ON,ON,ON"；(3)将电子海图V的访问操作列表L内的元素逐条转换为二进制编码，即L0＝＜U1,V,OE,OE,OE,ON,OE,ON＞转换后为“11111010”；(4)将转换为二进制编码的访问控制列表BL构造为M×N的多维向量，其中，M为一条访问控制项，N为用户个数。

2、所述的水印标识语义转换具体包括：将使用者ID和允许的权限操作序列构建权限水印编码，每一个权限水印编码都对应一类水印图像。

3、所述的语义水印的制作具体包括：对于任意的电子海图V，其服务的用户群N，根据海图分配列表，得到如下关系：f(v_i，n_j)＝<v_i，n_j>v_i∈V，n_j∈N，有序偶对<v_i，n_j>表示一种分配，即将地图v_i分配给用户n_j使用，电子海图V包含k₁个地图，服务用户数目为k₂；

海图有限权限集合M，包括“浏览、剪切、复制、打印、另存”，表示为{m_t|m_t∈M，|M|＝T}，文件管理方根据海图分配列表细化操作权限，得到如下关系：。其中，∪M_k＝M，有序偶对<v_i，n_j，M_k>表明允许用户n_j对地图v_i可以执行的权限内容为M_k，M_k是一个离散的权限集合；

海图权限编码R2，是一组定长为K的二进制编码串。K值由文件操作权限数量而定，如，对文件的操作行为包括“浏览、剪切、复制、打印、另存”，则“K＝5”。此时可定义为：R₂{k_t|1≤1≤5，k_t∈{0，1}}，k_t＝0表示对应操作权限不可执行，k_i＝1表示具有相应操作权限。如，对某地图文件可拥有的权限为“可浏览、可剪切、可复制、不可打印、不可另存”，则对应的权限编码为R2：{k_t|1≤1≤5，k_t∈{0，1}}＝{1，1，1，0，0}，即R2＝“11100”。

用户编码R1，同样用定长的二进制编码表示，假设多个地图被x个用户共享使用，则用户编码长度为如，全部地图文件共提供给7为用户使用，为了表示每一位用户的独立ID，共需要4位二进制编码表示，可定义为“000”，“001”，“010”及“011”。

4、所述的数字水印嵌入具体包括：对于给定的电子海图v，电子海图的大小为z，语义水印图像的大小为w，初始阈值λ，将电子海图v等分为个区域，在电子海图的个区域内，随机选择多个区域嵌入数字水印图像，且确保在每个区域内完整地嵌入一个数字水印图像。数字水印的嵌入采用增加冗余节点的方式，在海图内增加冗余节点的方式为：1)选择海图的曲线，在曲线上增加冗余节点；2)在分割的区域内，如果没有曲线可供水印嵌入时，直接构建多条冗余的曲线和节点；3)将数字水印编码依次嵌入到这些节点坐标内，得到修改后的电子海图v′。

5、所述的语义水印提取具体包括：(1)根据修改后的电子海图v′，采取自适应的方法获得初设阈值λ，根据区域规划算法获得等面积的分割区域；(2)检测两个相邻区域内是否存在冗余节点，得到奇数或偶数序号区域；(3)在奇数或偶数序号的区域内，去除冗余节点，提取水印碎片；(4)根据语义特征匹配算法，获得语义特征库内分类特征编码；(5)根据语义图像分类特征编码，获得水印编码；(6)解析水印编码，获得用户ID和地图的权限信息。

6、所述的语义特征图像匹配具体包括：采用基于对象库语义表达的图像分类算法，设若嵌入的语义水印图像i，i∈I_a，且I_a内特征图像的数量表示为I_a＝{i₁，i₂，i₃，i₄，...i_n}，通过图像分类的方式，得到如下信息，即i_y∈I_a，获得I_a库对应的权限编码；流程包括：

1)对象库的构建；

2)图像特征分析

对于这些语义图像，使用颜色熵来衡量图像的背景复杂度，H(x)＝-∑_b∈BC_x(b)logC_x(b)，其中，C_x表示归一化后的图像颜色直方图，B代表颜色的量化集合；

3)图像分类

对于待分类的水印碎片图像Ix，使用如下公式求解Ix的稀疏表示向量∝，arg[公式1]，其中，N_c表示类别数量，而I_s表示第s类的分类特征图像集合，I_j表示第j个待分类图像，N_s表示I中图像数量。

对于待分类的水印碎片Ix，求得稀疏表示向量∝后，对其进行确切分类，获得分类特征库的编码，即权限编码，其中，选取重构残差最小时的D_i，将Ix确定为该类特征图像，获得对应权限编码。

获得对应权限编码的具体过程为：输入：I：分类特征图像库集合，Ix：待分类水印碎片p：最优近邻集合。输出：Ix的分类特征图像编码：从I中选择与Ix关键特征相似的图像I_j，结合I_j的分类特征信息，构建Ix的上下文邻居集合；计算邻居与Ix的距离，选择距离最小的Ix个样本构成最优邻居集合将Ix和分别分别代入公式1，求解Ix的稀疏表示向量∝；根据公式8，对Ix分类计算，得到具体的分类特征图像库序号i；返回图像库编号，获得权限编码。

本发明针对二维电子海图的安全可靠性应用进行研究，将充分考虑电子海图的数据特性和文件的结构化特性，在保持水印方法在水印容量、鲁棒性等方面的稳定性能基础上，实现管控电子海图传输安全、操作权限管控的目标。在理论上，它将为数字水印领域的交叉性研究提供新原理新方法，为数字水印的扩展应用提供新的关键技术，推动数字水印研究向实用化方向迈进；在应用上，它将为数字海图网络化安全管理、可靠性应用提供一种新的技术。

本发明所提出的一种基于语义特征的电子海图权限水印技术，较好地满足了数字地图的精度无损要求，水印信息嵌入和检测对于地图都有很好的适用性。

附图说明

图1二维电子海图权限水印标识构造示意图；

图2水印制作端流程；

图3基于区域划分的水印规划方案；

图4均匀分配的语义水印嵌入方案；

图5电子海图的局部放大效果图；

图6数字水印嵌入算法；

图7数字水印提取算法；

图8(a)测试用数字地图1；

图8(b)测试用数字地图2；

图8(c)测试用数字地图3；

图9测试用数字水印；

图10本发明的总体流程图；

图11片段式的权限列表；

图12权限序列对应的语义分类图像示例表；

图13权限操作的关联性表；

图14剪切操作实验结果分析表；

图15亮度调整操作实验结果分析表；

图16可视化对比效果表；

图17嵌入率和最大误差对比效果表

图18攻击前后效果图表

图19方法水印提取效果图表。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作更详细的描述。

选择基于AO插件的ArcGIS二次开发平台。ArcGIS平台是主流的数字地图编辑环境，能够分类地图图层，提取坐标等多种属性信息。该系统提供了基于AO(Arc Objects)和AE(Arc Engines)两种模式的二次开放环境。对于地图数字水印研究领域，基于AO的开发环境提供了更多封装和对象以供调用。

如图9所示，实验选择了三幅数字地图。按照图11的表1和图12的表2的规则，本发明选定了一幅数字水印图像如图9所示，水印图像大小为30×40。嵌入率界定于40％到60％之间，嵌入率指水印编码长度与载体空间规模的比值。其中，地图载体空间规模是指可嵌入水印信息的结点数量与单个结点可嵌入水印编码长度的乘积。

将从以下方面，具体讨论本发明的的方法与已有方法[1][2]的性能和特点的比较。

已有方法[1]Wang nana,Men Chaoguang.Reversible Fragile Watermarking for 2D Vector Map Authentication with Localization.Computer-Aided Design.2012,44(4):320-330.

已有方法[2]Cao L,Men C,Ji R.High-capacity reversible watermarking scheme of 2D-vector data[J].Signal Image&Video Processing,2014,9(6):1387-1394.

(1)鲁棒性分析

相同情况下，同比其他方法，测试本发命方法的抗攻击性能，包括剪切操作和亮度调整。

实验结果分析使用了均方根误差(RMSE,Root Mean Square Error)来计算水印方法对于数字地图的内容扰动。

同时，选用归一化系数(NC,Normalized Correlation Coefficient)来计算结果水印与原始水印之间的相似度。式中，f(x)，f′(x)，f″(x)分别表示x坐标值在不同地图对象内的取值，即原始地图、嵌入数字水印后的地图以及提取水印后的数字地图。

剪切实验结果如图14的表4所示，在实验中NC值比较了两次，NC1为水印方法直接提取的结果对比，而NC2为语义水印进一步解码后的比较结果。同时，方法还进行了效率对比。

从图14的表4的实验结果可知，方法在水印检测的准确性方面要强于其他两种方法，特别是语义特征匹配后，方法能够获得更精确地水印编码信息。同时，本发明的方法具有更快的执行速度，计算时间主要用于提取水印碎片之后的解码和特征匹配。而其他两种方法的计算时间则主要用于对于提取到的残留水印信息进行再组织。

目前，数字水印方法主要包括空域和频域两类。由于空域方法对于地图内容的扰动普遍较大，因而，基于频域的方法研究逐步成为热点。频域方法通过数学变换方式，将水印嵌入到地图的频域系数内，该类方法对于地图像素信息的调整较为敏感。如图15的表5所示，本发明对嵌入数字水印的地图进行了亮度调整操作的鲁棒性测试。通过这种操作，像素信息发生了显著的改变，对水印信息的破坏较大。f′(i，j)，f(i，j)分别表示原始地图和含水印地图在坐标(i，j)处的像素值。地图的大小为M×N。本文选择了峰值噪声比PSNR进行评价，用来评价因亮度调整而导致水印图像的退化程度。

从实际结果可以发现，本发明方法同其他方法一样，对于亮度调整引起的频域能量衰减具有明显的反馈，提取到的水印信息都损失较大，但从水印碎片中本文仍可通过特征提取手段获得较为完整的初始语义水印信息。同时，PSNR值来看，本发明方法的水印图像退化程度较低，基于区域划分和重复嵌入的方式，使得方法获得相对较优的鲁棒性。

(2)可视化分析

以图8(a)8(b)8(c)的三幅地图为水印载体，分别给出了原始地图与已嵌入数字水印地图的对照关系。

从视觉来看，嵌入了数字水印的地图与原始地图无论从整体上还是局部并没有显著的差异，水印具有较好的不可见性。

(2)嵌入率和最大误差分析

以图8(a)8(b)8(c)的三幅地图为载体，将本发明方法与已有方法[1][2]中的方法进行了水印容量、数据误差的对比实验，通过嵌入率来测试方法的性能。

从图17的表7的实验结果，分析结果如下：

本发明方法的误差最小，无论以线、面、顶点为主要图元的数字地图，方法的引入误差都相对最小，而其它两种方法对地图的结构性特征具有很强的关联性。Cao的方法当顶点数较多时，误差会呈现增大的明显趋势。

本发明方法的嵌入率非常稳定，不受顶点图元数量和属性的约束，方法可以在任意顶点之间构建冗余节点，而已有方法[1]的方法嵌入率仅能达到本发明方法的50％以下。

(3)综合分析

为了验证方法的可用性，基于鲁棒性分析实验结果，以图8(a)为例，对该地图嵌入数字水印(图9)后，进行剪切操作，之后提取水印并进行语义分析和解码。

如图19的表9所示，经过二次语义解析之后，本发明方法能够通过对水印W1进行二次语义解析，获得与其图像特征相匹配的语义特征库W2，从而得到相似度更高的语义水印信息。而其他同类方法则不具备该特征。