信息隱藏保護(hù)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)展

趙強(qiáng) 羅永

摘要：本文介紹了利用信息隱藏技術(shù)來(lái)保護(hù)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的一些方法，包括數(shù)字水印技術(shù)、紋理隱藏地形數(shù)據(jù)技術(shù)、地形偽裝技術(shù)等。這些技術(shù)為DEM數(shù)據(jù)的保護(hù)提供了新的途徑。

關(guān)鍵詞：信息隱藏；數(shù)字高程模型；信息偽裝

0引 言

基于信息隱藏的應(yīng)用技術(shù)能夠解決當(dāng)前信息安全領(lǐng)域中的很多問(wèn)題，在網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)信息交流、信息溝通方面的應(yīng)用前景不可限量。

信息隱藏技術(shù)必須考慮正常的信息操作所造成的威脅，即要使機(jī)密資料對(duì)正常的數(shù)據(jù)操作技術(shù)（如信號(hào)變換操作或數(shù)據(jù)壓縮等）具有免疫能力。該技術(shù)存在以下特性: 魯棒性、可檢測(cè)性、透明性、安全性、恢復(fù)性。

如何實(shí)現(xiàn)DEM數(shù)據(jù)的使用控制和安全通訊是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。另一方面，三維地形數(shù)據(jù)龐大，如何提高DEM數(shù)據(jù)的傳輸和儲(chǔ)存效率也是使用過(guò)程中一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

針對(duì)這些問(wèn)題，本文主要介紹地形信息的保護(hù)技術(shù)，來(lái)解決DEM數(shù)據(jù)的保護(hù)和安全通訊問(wèn)題。介紹了目前幾種新的利用信息隱藏和偽裝保護(hù)DEM數(shù)據(jù)的技術(shù)，包括DEM水印技術(shù)、紋理隱藏高程數(shù)據(jù)技術(shù)、DEM偽裝技術(shù)。

1DEM水印技術(shù)

采用小波變換來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的隱藏和提取：將版權(quán)標(biāo)志以數(shù)字水印的方式嵌入到DEM數(shù)據(jù)中，可以保護(hù)數(shù)據(jù)的版權(quán)；將數(shù)據(jù)的重要參數(shù)（數(shù)據(jù)的地理坐標(biāo)等）隱藏起來(lái)，限制非法用戶的使用（沒(méi)有這些參數(shù)，數(shù)據(jù)毫無(wú)用處），解決DEM數(shù)據(jù)的安全問(wèn)題。

在這項(xiàng)技術(shù)中，源數(shù)據(jù)是數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，水印數(shù)據(jù)是版權(quán)標(biāo)志或者是DEM數(shù)據(jù)重要的參數(shù)信息。嵌入水印的過(guò)程需要保證DEM數(shù)據(jù)描述的地形信息基本不變，也即保持地形形狀和地面起伏狀態(tài)。

選取帶參數(shù)整數(shù)小波來(lái)實(shí)現(xiàn)DEM數(shù)據(jù)的水印算法。水印具有很好的不可見(jiàn)性，嵌入水印以后的DEM數(shù)據(jù)保持了很好的質(zhì)量，地形的起伏特征沒(méi)有發(fā)生變化，并且水印嵌入DEM數(shù)據(jù)以后可以準(zhǔn)確地提取出來(lái)。

2帶紋理的三維地形數(shù)據(jù)信息隱藏算法

如果在地形圖的表面加上紋理，那么就可以既刻畫地形又能表征地面的特征。紋理數(shù)據(jù)是一個(gè)二維的圖像數(shù)據(jù)，和地形數(shù)據(jù)一起可以很直觀地表示地理信息。該算法的基本思路是將高程數(shù)據(jù)隱藏在紋理圖像中。

首先將DEM高程數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮；第二步對(duì)紋理圖像進(jìn)行小波變換，將壓縮以后的DEM數(shù)據(jù)隱藏到紋理數(shù)據(jù)的小波變換系數(shù)中；最后重構(gòu)數(shù)據(jù)，就得到了隱藏信息的紋理圖像。

圖2是該算法的演示實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)中可以看出來(lái)，隱藏了高程數(shù)據(jù)的紋理圖像（圖2.c）具有很高的保真度，紋理圖像在嵌入信息前后的差別是視覺(jué)分辨不出來(lái)的?；謴?fù)出來(lái)的DEM數(shù)據(jù)保持了地面起伏和地形形狀不變。

3兩組DEM數(shù)據(jù)的偽裝算法

這種偽裝算法是通過(guò)對(duì)兩組真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)疊像處理，產(chǎn)生出一個(gè)偽裝數(shù)據(jù)，然后將其中一組真實(shí)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)壓縮以后，隱藏到偽裝數(shù)據(jù)中。該算法要實(shí)現(xiàn)信息隱藏、信息偽裝、以及高效的DEM數(shù)據(jù)壓縮三方面的功能。

算法流程如圖3所示。首先應(yīng)用疊像技術(shù)將兩組DEM數(shù)據(jù)生成一個(gè)偽裝的數(shù)據(jù)；然后將其中一組DEM數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)小波壓縮算法進(jìn)行壓縮；再對(duì)偽裝的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，將壓縮以后的那一組DEM數(shù)據(jù)隱藏到偽裝DEM數(shù)據(jù)的小波系數(shù)中；最后重構(gòu)偽裝數(shù)據(jù)，就得到了隱藏信息的偽裝數(shù)據(jù)。

從實(shí)驗(yàn)中可以看出來(lái)，該方法達(dá)到了良好的偽裝特性，并且兩組真實(shí)的DEM數(shù)據(jù)都得到了恢復(fù)?；謴?fù)出來(lái)的DEM數(shù)據(jù)保持了地面起伏和地形形狀不變（如圖4）。

該偽裝算法偽裝效果好，與經(jīng)典密碼學(xué)理論結(jié)合，安全性高。算法可以完全公開(kāi)，只要密碼和密鑰不丟失，就能保證偽裝數(shù)據(jù)的安全。一組偽裝數(shù)據(jù)可以一次傳輸兩組真實(shí)數(shù)據(jù)，傳輸效率高。相對(duì)于分形偽裝算法而言，消除偽裝需要保留的參數(shù)信息少，運(yùn)算效率也有了大幅度的提高。

4基于模糊關(guān)系的DEM數(shù)據(jù)信息偽裝算法

結(jié)合模糊理論中模糊關(guān)系的思想和信息偽裝技術(shù)來(lái)保護(hù)DEM數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)DEM數(shù)據(jù)的偽裝。合法用戶在不需要任何原始DEM信息的條件下，可以從偽裝數(shù)據(jù)中恢復(fù)出真實(shí)的DEM數(shù)據(jù)；非法的用戶只能夠獲得一個(gè)偽裝過(guò)的，且沒(méi)有實(shí)際用處的高程數(shù)據(jù)。

首先利用二維波動(dòng)方程隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)DEM地形數(shù)據(jù)，這個(gè)地形數(shù)據(jù)在已知密碼和參量的情況下是可以再現(xiàn)的，以便恢復(fù)真實(shí)的地形數(shù)據(jù)。然后構(gòu)造隨機(jī)DEM數(shù)據(jù)和真實(shí)DEM數(shù)據(jù)之間的模糊關(guān)系矩陣，通過(guò)模糊關(guān)系矩陣生成偽裝DEM數(shù)據(jù)。一個(gè)模糊矩陣對(duì)應(yīng)一種偽裝方式，這個(gè)模糊矩陣也可以通過(guò)密碼再現(xiàn)。

從實(shí)驗(yàn)中可以看出來(lái)，該方法達(dá)到了良好的偽裝效果，并且真實(shí)的DEM數(shù)據(jù)能得到恢復(fù)?；謴?fù)出來(lái)的DEM數(shù)據(jù)保持了地面起伏和地形形狀不變。

這種偽裝算法是非常安全的，如果要獲得真實(shí)的數(shù)據(jù)就必須知道偽裝信息過(guò)程中使用到的隨機(jī)產(chǎn)生的DEM數(shù)據(jù)和模糊矩陣。由于它們都是通過(guò)Hash函數(shù)控制生成，在生成方法公開(kāi)的前提下，沒(méi)有密碼K和ID，這個(gè)序列是不能夠準(zhǔn)確再現(xiàn)的。

5結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)已經(jīng)完成了三維地形數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)工作，如何實(shí)現(xiàn)高效安全通訊和保護(hù)是下一步需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。由于三維數(shù)據(jù)量龐大，對(duì)安全的要求性高，傳統(tǒng)的信息保護(hù)與通訊手段效率都很低。利用信息隱藏的方法來(lái)對(duì)三維地形數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，提高了數(shù)據(jù)的安全性和通訊效率。