基于小波變換的數(shù)字柵格地圖復(fù)合式水印算法

符浩軍,朱長青,繆 劍,胡群英

1.信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,河南鄭州450052;2.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210046; 3.61363部隊(duì),陜西西安710054

基于小波變換的數(shù)字柵格地圖復(fù)合式水印算法

符浩軍1,3,朱長青2,繆 劍3,胡群英3

1.信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,河南鄭州450052;2.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210046; 3.61363部隊(duì),陜西西安710054

提出一種基于小波變換的復(fù)合式數(shù)字柵格地圖水印算法。其基本思想是在數(shù)字柵格地圖的不同頻域塊中分別嵌入抗差性數(shù)字水印和脆弱性數(shù)字水印?；跀?shù)字柵格地圖相比一般影像數(shù)據(jù)具有較高亮度,低頻分量具有更高感覺容量的特點(diǎn),在地圖的小波低頻域上自適應(yīng)嵌入抗差性數(shù)字水印,以實(shí)現(xiàn)地圖版權(quán)保護(hù)功能;結(jié)合人類視覺系統(tǒng)特性,利用抖動(dòng)調(diào)制技術(shù)在小波高頻域中嵌入脆弱性數(shù)字水印,以實(shí)現(xiàn)地圖內(nèi)容完整性認(rèn)證功能。試驗(yàn)結(jié)果表明,該算法能對(duì)地圖內(nèi)容的完整性進(jìn)行認(rèn)證,同時(shí)對(duì)常見的各種攻擊諸如J PEG壓縮、銳化、剪裁等具有良好的抗差性。

數(shù)字柵格地圖;復(fù)合式數(shù)字水印;小波變換;抗差性;脆弱性

1 引 言

隨著數(shù)字地球、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,特別是基于Web地圖服務(wù)的廣泛應(yīng)用,各種數(shù)字化地圖產(chǎn)品的存取、傳輸變得非常方便。同時(shí),數(shù)字地圖易于復(fù)制與傳播的優(yōu)點(diǎn)也導(dǎo)致其版權(quán)紛爭現(xiàn)象日益嚴(yán)重,于是數(shù)字地圖的版權(quán)保護(hù)和真實(shí)性、完整性的認(rèn)證等問題已經(jīng)成為當(dāng)前地理空間信息安全亟須解決的問題。作為數(shù)字作品版權(quán)保護(hù)有效技術(shù),數(shù)字水印在這方面顯示出巨大的潛力。

數(shù)字水印技術(shù)對(duì)數(shù)字地圖的保護(hù)主要有如下兩個(gè)方面:一是版權(quán)保護(hù),即在數(shù)字地圖中嵌入抗差性數(shù)字水印,在經(jīng)過各種攻擊后仍能保存有效水印信息以作為版權(quán)保護(hù)的依據(jù);二是內(nèi)容真實(shí)性(完整性)認(rèn)證,即嵌入脆弱性數(shù)字水印,利用水印能夠抵抗一定程度的數(shù)字地圖處理操作但對(duì)惡意篡改敏感的特性,通過檢測(cè)對(duì)數(shù)字地圖破壞程度及位置作出評(píng)估。

對(duì)于數(shù)字地圖的數(shù)字水印技術(shù)研究,目前主要集中在抗差性數(shù)字水印研究方面[1-3],對(duì)于包含抗差性數(shù)字水印和脆弱性數(shù)字水印的復(fù)合式水印技術(shù)研究還不多。目前關(guān)于復(fù)合式水印技術(shù)在圖像方面已有一些研究。在文獻(xiàn)[4]中將選定的小波系數(shù)作為掩蔽閾值單元,利用雞尾酒算法量化系數(shù)以嵌入水印信息,同時(shí)將原始量化結(jié)果記錄作為隱藏水印,水印提取時(shí)可用來重構(gòu)原始圖像,且失真度小。文獻(xiàn)[5]基于DCT域嵌入抗差性數(shù)字水印,利用LSB算法嵌入脆弱性數(shù)字水印,所提出的復(fù)合式水印算法具有較好的雙重保護(hù)性能,但脆弱性數(shù)字水印對(duì)一般圖像處理不具備抗差性。文獻(xiàn)[6]提出一種基于小波變換的多功能水印算法,抗差水印利用一種控制量化過程嵌入到圖像的低頻系數(shù),而脆弱水印則在高頻系數(shù)中嵌入,該算法可區(qū)分有意攻擊和無意攻擊。文獻(xiàn)[7]借鑒DEW算法原理,提出了一種具有版權(quán)保護(hù)和內(nèi)容認(rèn)證雙重功能的J PEG圖像數(shù)字水印算法,并用試驗(yàn)證明了算法的有效性。這些研究取得了一些成果,但都是針對(duì)一般影像數(shù)據(jù)的。本文在對(duì)一般影像數(shù)據(jù)的復(fù)合式水印算法分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)數(shù)字柵格地圖的本質(zhì)特征,基于小波分析理論,對(duì)數(shù)字柵格地圖的復(fù)合式水印算法進(jìn)行了研究。

小波變換作為一種變換域信號(hào)處理方法,近年來在計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理研究領(lǐng)域,引起人們的極大興趣。小波變換將圖像在獨(dú)立的頻帶和不同空間方向上進(jìn)行分解,具有良好的空間-頻率分解特性[8],作為J PEG2000標(biāo)準(zhǔn)的小波變換,由于充分滿足漸進(jìn)傳輸、低比特率傳輸、抗錯(cuò)性、分辨率和質(zhì)量的可調(diào)整性等新的需求,使得基于小波變換的水印算法具有優(yōu)異的性能,同時(shí)小波變換具有明確的物理意義,有利于理解和指導(dǎo)水印信息的嵌入。

數(shù)字柵格地圖可以看作一類圖像,但數(shù)字柵格地圖這一人工制圖產(chǎn)物又有其自身特性。數(shù)字柵格地圖和一般影像數(shù)據(jù)相比,地圖的色彩具有較高的亮度和較小的飽和度,地圖中空域像素值變化比較大,反映在頻域中則為低頻分量變化比較明顯,高頻分量幅值較大,而一般影像數(shù)據(jù)具有很好的相關(guān)性,相對(duì)來講,變化就緩一些[1]。因此,數(shù)字柵格地圖比一般的影像數(shù)據(jù)有更大的低頻分量,所以在保證相同的視覺效果下,數(shù)字柵格地圖低頻分量中具有更高的感覺容量,可嵌入比影像數(shù)據(jù)更強(qiáng)的水印信號(hào)。

基于小波變換和數(shù)字柵格地圖的特征,在數(shù)字柵格地圖中同時(shí)嵌入抗差性水印和脆弱性水印,能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)地圖版權(quán)保護(hù)和內(nèi)容認(rèn)證的功能。

2 數(shù)字柵格地圖復(fù)合式數(shù)字水印嵌入算法

由于脆弱性水印對(duì)柵格地圖的失真很敏感,抗差性水印則對(duì)失真有較強(qiáng)的抵抗力,而兩種水印嵌入同一區(qū)域有可能會(huì)影響水印檢測(cè),因此在本文中把兩種水印信息嵌入不同頻域塊。在頻率域中,低頻分量代表數(shù)字柵格地圖的平滑區(qū)域,在此分量嵌入的水印抗差性強(qiáng),因此,把抗差性水印嵌入低頻分量;細(xì)節(jié)分量代表地圖的邊緣及紋理部分,而此部分對(duì)圖像處理操作比較敏感,因此,把脆弱性水印信息嵌入細(xì)節(jié)分量。這樣,考慮到兩種水印的不同特性,根據(jù)地圖經(jīng)小波變換后的分量數(shù)據(jù)特征將其分別嵌入,且將兩種水印嵌入不同頻域塊不會(huì)相互影響,從而也就不會(huì)影響到水印檢測(cè)效果。

2.1 抗差性數(shù)字水印的嵌入

本文采用有意義二值圖像信息作為水印信息W,對(duì)二值圖像按從左到右、從上到下順序進(jìn)行掃描,當(dāng)像素為白色時(shí)值為-1,黑色時(shí)值為1,得到水印信息W

式中,w(k)=±1。

首先,將水印信息W在空間上周期性擴(kuò)展N次,并對(duì)其進(jìn)行置亂,得水印信息W′。周期性擴(kuò)展水印信息的目的是在于增強(qiáng)水印的抗差性,置亂是為了提高其抗剪切攻擊能力。

其次,將數(shù)字柵格地圖進(jìn)行離散小波變換,依次選取低頻系數(shù)組成低頻分量序列 d={d1,d2,…,dn},把W′嵌入低頻分量序列d中,得到攜帶水印信息的低頻分量序列 D={D1,D2,…, DNm}。嵌入規(guī)則為

式中,[αdi+0.5]表示對(duì)數(shù)(αdi+0.5)取整;c×m< i≤(c+1)×m,0≤c

式中,α(α>0)為水印信息的嵌入強(qiáng)度,N為原水印信息W的擴(kuò)展次數(shù)。設(shè)n為低頻分量序列數(shù), m為水印信息的長度,則水印擴(kuò)展次數(shù) N= INT(n/m)。

2.2 脆弱性數(shù)字水印的嵌入

地圖經(jīng)小波變換后的細(xì)節(jié)分量近似服從Laplace分布,其大部分系數(shù)接近0,只有小部分對(duì)應(yīng)于地圖邊緣和紋理區(qū)域的系數(shù)具有較大的峰值。為了使脆弱性水印對(duì)一般圖像處理操作具有一定程度的抗差性,可以潛在利用人類視覺系統(tǒng)的特性在細(xì)節(jié)分量感知重要系數(shù)中嵌入脆弱水印,即在細(xì)節(jié)分量序列中選擇顯著系數(shù)進(jìn)行水印嵌入,系數(shù)的顯著性由系數(shù)和門限的比較而定。同時(shí)為了使水印信息對(duì)柵格地圖具有塊篡改定位能力,在水印信息嵌入前對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行分塊處理。具體嵌入過程如下:

首先,將數(shù)字柵格地圖進(jìn)行離散小波變換得到相應(yīng)的細(xì)節(jié)分量,用 Zk(i,j)表示k方向上的細(xì)節(jié)分量,k∈{H,V,D}分別代表水平、垂直和對(duì)角線方向的細(xì)節(jié)分量。將細(xì)節(jié)分量序列分塊,根據(jù)Tl決定每塊系數(shù)分量的水印嵌入位置,這里選用Tl=max{|Zk(i,j)|}/2。

其次,對(duì)于要嵌入水印的系數(shù),將系數(shù)位置對(duì)應(yīng)的三個(gè)細(xì)節(jié)分量進(jìn)行排序,然后對(duì)中間值系數(shù)進(jìn)行量化來嵌入水印,假設(shè)對(duì)應(yīng)細(xì)節(jié)分量關(guān)系為Zk1(i,j)≤Zk2(i,j)≤Zk3(i,j),將區(qū)間 Zk1(i,j)到 Zk3(i,j)分段,將區(qū)間[Zk1(i,j),Zk3(i,j)]劃分成規(guī)定段數(shù),而后根據(jù)水印信息的不同將 Zk2(i, j)量化到不同的端點(diǎn)上。

在抗差性數(shù)字水印和脆弱性數(shù)字水印信息嵌入小波系數(shù)后,根據(jù)新的攜帶水印信息的系數(shù)進(jìn)行小波逆變換,這樣就構(gòu)成了含雙重水印信息的新數(shù)字柵格地圖。水印嵌入過程如圖1所示。

圖1 水印信息嵌入流程圖ig.1 The flow chart of embedding watermarking

3 復(fù)合式數(shù)字水印提取算法

在本文算法中,抗差性水印和脆弱性水印的提取相對(duì)獨(dú)立,可以通過不同的提取算法分別在嵌入兩類水印信息的數(shù)字柵格地圖中提取出。

對(duì)于抗差性水印提取,首先將含水印數(shù)字柵格地圖和原始地圖進(jìn)行離散小波變換,依次選取變換后的低頻系數(shù),組成低頻分量序列D={D1, D2,…,Dn}和 d={d1,d2,…,dn},D為加水印地圖的低頻分量,d為原圖的低頻分量。分別對(duì)D和d求其差,Δi=Di-di,其中1≤i≤N×m。根據(jù)兩者如下關(guān)系判斷數(shù)組{bi}

對(duì)數(shù)組{bi}置亂,然后依據(jù)最大隸屬度原則獲取水印信息W={w1,w2,…,wm}。

對(duì)于脆弱性水印提取,由于脆弱性水印的嵌入過程采用了量化中間值系數(shù)的方式嵌入水印信息,因此其提取過程實(shí)際上是嵌入過程的逆過程。

為客觀評(píng)價(jià)提取的水印與原始水印信息的相似程度,采用以下相似度計(jì)算公式

式中,bi=1-XOR(ωi,ω＊i),ωi和ω＊i分別表示原始水印和提取的水印信息;L是水印長度。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證提出的水印嵌入和提取算法,對(duì)一幅大小為339×309像素的RGB彩色級(jí)數(shù)字柵格地圖進(jìn)行了水印的嵌入、提取和攻擊測(cè)試試驗(yàn)。所嵌入水印信息為二值圖像,其中抗差性水印嵌入強(qiáng)度取α=0.015。含水印地圖在未受攻擊的情況下,抗差性水印和脆弱性水印信息的檢測(cè)相似度均為1.0。

圖2 試驗(yàn)效果圖Fig.2 The experimental results

從水印嵌入前后效果圖2可見,圖2(a)和圖2(b)視覺上看不出明顯的差異,提出的水印嵌入算法具有好的不可感知性,嵌入水印信息后不影響地圖的顯示質(zhì)量。

為了分析抗差性水印對(duì)圖像處理操作中各種攻擊的抗差性、脆弱性水印對(duì)常見圖像處理操作的抵抗力及惡意攻擊的識(shí)別能力,對(duì)加水印信息后的數(shù)字柵格地圖進(jìn)行了J PEG壓縮、銳化、剪切、加噪、縮放等攻擊,其試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見,地圖中所嵌入的抗差性水印對(duì)各種攻擊均具有較強(qiáng)的抵抗能力,且在同等攻擊強(qiáng)度下,抗差性水印的檢測(cè)相似度均高于文獻(xiàn)[1]算法。特別是對(duì)地圖進(jìn)行J PEG壓縮、銳化和剪切等攻擊后,抗差性水印信息都能較完整地提取。同時(shí)試驗(yàn)也表明嵌入的脆弱性水印可以抵抗一定程度的J PEG壓縮和銳化等常見圖像處理,在經(jīng)過J PEG壓縮和銳化等圖像處理后,其水印檢測(cè)相似度均在0.9以上,而對(duì)于加噪、剪切等惡意攻擊則表現(xiàn)出較好的脆弱性,其水印檢測(cè)相似度在0.5左右。脆弱性水印信息是在對(duì)系數(shù)進(jìn)行分塊后再嵌入,所以可根據(jù)所提取的脆弱性水印信息對(duì)地圖被惡意篡改部分進(jìn)行較好的塊定位。

表1 攻擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The experimental results for attacking

5 結(jié) 論

本文通過分析數(shù)字柵格地圖的數(shù)據(jù)特性,提出基于小波變換的復(fù)合式數(shù)字柵格地圖水印算法,所提出算法具有以下特點(diǎn):①在數(shù)字柵格地圖中嵌入復(fù)合式水印,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)和內(nèi)容認(rèn)證的雙重功能;②嵌入的抗差性水印對(duì)J PEG壓縮、銳化、剪切、噪聲等常規(guī)圖像攻擊具有良好的抵抗性能,其抗差性均高于文獻(xiàn)[1]的算法;③嵌入的脆弱性水印對(duì)J PEG壓縮、圖像增強(qiáng)等常規(guī)圖像處理具有好的抗差性,而對(duì)加噪、剪切等惡意攻擊則體現(xiàn)了較好的脆弱性,且對(duì)地圖篡改內(nèi)容具有塊定位功能。同時(shí),本文算法也可應(yīng)用于影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的安全保護(hù)。

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Multipurpose Watermarking Algorithm for Digital Raster Map Based on Wavelet Transformation

FU Haojun1,3,ZHU Changqing2,MIAO Jian3,HU Qunying3
1.Institute of Surveying and Mapping,Information Engineer University,Zhengzhou 450052,China;2.Key Laboratory of Virtual Geographic Environment,Nanjing Normal University,Nanjing 210054,China;3.61363 Troops,Xi′an 710054,China

A compound watermarking algorithm for digital raster map is proposed based on wavelet transformation. The basic idea is to embed the robust watermark and the fragile watermark into different frequency blocks of the digital raster map based on the features of digital raster map with higher luminance and greater sensual capability than image data.The robust watermark is adaptively embedded into low frequency section to protect the copyright of the data.The fragile watermark is embedded into high frequency section by the dithered modulation technique to achieve the goal of content authentication according to the characteristics of human visual systems.The experiments show that the proposed algorithm can attest content integrity for digital raster map,and is robust against various malicious attacks such as J PEG compression,sharpening,cutting etc.

digital raster map;multipurpose digital watermarking;wavelet transformation;robustness;frangibility

FU Haojun(1982—),PhD candidate, majors in digital watermarking,GIS.

1001-1595(2011)03-0397-04

P208

A

國家自然科學(xué)基金(41071245);國家863計(jì)劃(2009AA12Z228)

(責(zé)任編輯:叢樹平)

2010-02-08

2010-04-06

符浩軍(1982—),男,博士生,主要研究方向?yàn)閿?shù)字水印、GIS等。

E-mail:fhjun121@163.com