一種瓦片地圖水印算法

任 娜，朱長青

(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 210023)

一種瓦片地圖水印算法

任 娜，朱長青

(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 210023)

首先分析了瓦片地圖的特征，并依據(jù)這些特征提出了相應(yīng)的水印算法要求；然后在此基礎(chǔ)上提出了針對(duì)瓦片地圖特征的水印嵌入和檢測算法；最后對(duì)所提出的算法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該算法具有好的不可見性，能夠有效抵抗加噪、壓縮、拼接和格式轉(zhuǎn)換等的攻擊，可有效保護(hù)瓦片地圖的版權(quán)。

天地圖；瓦片地圖；水印；魯棒性

一、引 言

天地圖是國家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)的公眾版，實(shí)現(xiàn)了測繪地理信息部門從離線提供地圖和數(shù)據(jù)到在線提供信息服務(wù)這一服務(wù)方式的根本性改變，在國內(nèi)外引起極大反響[1]。天地圖建設(shè)者在大力豐富數(shù)據(jù)、不斷提升服務(wù)能力和水平的同時(shí)，面臨著一個(gè)非常嚴(yán)峻的問題，即數(shù)據(jù)的非法下載及使用問題日益嚴(yán)峻，嚴(yán)重?fù)p害了數(shù)據(jù)擁有者的利益，數(shù)據(jù)版權(quán)更是難以得到有效保障。數(shù)字水印技術(shù)能夠?yàn)橥咂貓D的版權(quán)保護(hù)、非法數(shù)據(jù)來源跟蹤等提供可靠的技術(shù)支撐[2-3]。

我國目前在柵格地圖水印研究方面已經(jīng)取得了一些研究成果[4-8]。然而，專門針對(duì)瓦片地圖的水印研究尚少[9]。本文著重分析了瓦片地圖數(shù)據(jù)的特征及其對(duì)數(shù)字水印算法的要求，并基于此提出了瓦片地圖水印嵌入和檢測算法，有效保護(hù)了瓦片地圖的版權(quán)，保障了數(shù)據(jù)擁有者的合法權(quán)益。

二、瓦片地圖的特征分析及其水印算法要求

瓦片地圖與普通數(shù)字柵格地圖具有一些相同的特征，但是柵格地圖的大小往往并不固定，而每一張瓦片地圖的大小都是固定的。另外，瓦片地圖在抗攻擊性方面與柵格地圖有很大的區(qū)別。柵格地圖裁剪后仍具有較高的使用價(jià)值和商業(yè)價(jià)值，然而，單一的瓦片地圖往往并不具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。因此，研究瓦片地圖水印算法并不能照搬柵格地圖的水印算法，需要依據(jù)其數(shù)據(jù)特征來研究水印算法。

通過對(duì)瓦片地圖的分析，其特征和對(duì)水印算法的要求主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)為了有效節(jié)省存儲(chǔ)空間，瓦片地圖常采用索引機(jī)制進(jìn)行存儲(chǔ)，通常以PNG形式存儲(chǔ)。這種存儲(chǔ)方式還可以有透明通道，更有利于地圖的表達(dá)。

2)瓦片地圖的色彩度并不豐富，索引所用到的顏色數(shù)目非常有限，基本上保持在20～30種顏色范圍內(nèi)。因此，瓦片地圖所能承載的水印信息量非常少。

3)瓦片地圖的大小統(tǒng)一，每張瓦片地圖的大小為128像素×128像素或256像素×256像素。因此，瓦片地圖水印算法可以按照數(shù)據(jù)大小更有針對(duì)性地研究。

4)瓦片地圖尤其是瓦片線化圖中高亮線的特征比較明顯，且空白區(qū)域也較多，也就是說瓦片地圖具有較高的亮度和較低的飽和度。因此，瓦片地圖水印算法可以有效利用該特征完成水印的嵌入。

5)在應(yīng)用端往往根據(jù)瓦片地圖的命名規(guī)則進(jìn)行加載，對(duì)于單一瓦片進(jìn)行攻擊的可能性相對(duì)較少，幾乎不可能對(duì)單一的瓦片地圖進(jìn)行裁剪或旋轉(zhuǎn)等攻擊。但是在進(jìn)行水印算法設(shè)計(jì)時(shí)，仍需要考慮單一瓦片可能遭受的加噪、壓縮等不影響其使用的攻擊方式。

6)不法分子從網(wǎng)上下載瓦片地圖時(shí)，往往會(huì)根據(jù)自己的需要自定義瓦片的數(shù)據(jù)格式為PNG或JPG。因此，針對(duì)瓦片地圖的水印算法應(yīng)該能夠有效抵抗格式轉(zhuǎn)換的攻擊。

由以上瓦片地圖的特征分析可知，瓦片地圖水印研究需要遵循其特有的數(shù)據(jù)特征和算法要求，其像素值或索引值中可隱藏信息的數(shù)據(jù)量非常少。因而，筆者考慮從瓦片地圖中富含的圖像特征中嵌入水印信息。

三、瓦片地圖水印嵌入和檢測算法

通過對(duì)瓦片地圖的特征分析及水印算法要求的研究，本文提出一種特征級(jí)的瓦片地圖水印嵌入和檢測算法。非盲水印的瓦片數(shù)據(jù)在實(shí)際應(yīng)用中是完全不現(xiàn)實(shí)的，本文的水印算法屬于盲水印算法。

1.水印信息生成和水印嵌入算法

算法的具體步驟如下：

1)采用偽隨機(jī)序列，將待嵌入的水印信息或密鑰生成相對(duì)應(yīng)的二值水印序列 W＝[w0w1…wL－1]，W＝G( key)。其中，L為水印序列的長度，w＝{ 1，－1}，G表示水印信息生成算法，key表示密鑰集合。

2)對(duì)瓦片地圖進(jìn)行二層小波變換(DWT)，取其低頻子帶。

3)對(duì)低頻子帶進(jìn)行均勻的8×8分塊，得到互不重疊的塊。由于瓦片地圖具有較高亮度和較低飽和度，因此，各個(gè)分塊低頻值的均值是瓦片地圖的一個(gè)重要特征值，具有較強(qiáng)的不變性。計(jì)算當(dāng)前分塊和其相鄰分塊的低頻均值，分別記為avem、avem＋1。

4)通過avem和avem＋1的關(guān)系構(gòu)建映射函數(shù)，確定水印嵌入位，即構(gòu)建函數(shù)如下

5)對(duì)于特定的低頻塊，根據(jù)映射函數(shù)所對(duì)應(yīng)的水印位，采用基于量化的水印嵌入規(guī)則將水印信息嵌入到對(duì)應(yīng)的低頻塊中，具體的嵌入規(guī)則如下

式中，round為四舍五入函數(shù)；δ為量化步長；Index＝{0，1，2，…，L－1}。

2.水印檢測算法

水印檢測算法是水印嵌入的逆過程。使用與嵌入算法相同的映射函數(shù)和量化步長，采用的水印檢測規(guī)則如下

式中，mod(·，5)為模5的函數(shù)。采用多數(shù)原則對(duì)檢測到的水印信息進(jìn)行確認(rèn)。

水印檢測中往往會(huì)發(fā)生虛警檢測，即在未嵌入水印的數(shù)據(jù)中檢測出水印信息。為了能夠降低虛警檢測概率，需要對(duì)原始水印信息和檢測到的水印信息進(jìn)行相關(guān)性比較，當(dāng)匹配的相關(guān)系數(shù)大于設(shè)定的閾值時(shí)，認(rèn)為待檢測的數(shù)據(jù)中含有相應(yīng)的水印信息。為了客觀評(píng)價(jià)提取水印與原始水印的相似程度，采用以下相似度計(jì)算公式

四、試驗(yàn)與分析

下面通過試驗(yàn)對(duì)本文的水印算法進(jìn)行性能分析。兩張?jiān)囼?yàn)的瓦片地圖分別采用PNG和JPG格式存儲(chǔ)，地圖中不包括注記層，大小為256像素× 256像素，如圖1所示。

圖1 原始瓦片地圖

1.透明性

圖2為原始瓦片地圖嵌入水印后對(duì)應(yīng)的效果圖。

圖2 嵌入水印后的瓦片地圖

為了更好地說明本文算法的不可見性，采用嵌入前后數(shù)據(jù)的峰值信噪比(PSNR)來進(jìn)行衡量，計(jì)算公式如下

式中，M×M為瓦片地圖的大??；I為原始的瓦片地圖；I′為嵌入水印后的瓦片地圖。

表1給出了嵌入前后數(shù)據(jù)的峰值信噪比和水印信息的相關(guān)系數(shù)。

表1 嵌入前后數(shù)據(jù)的PSNR

從主觀視覺上很難看出嵌入水印前后瓦片地圖的差異。從客觀指標(biāo)上看，兩幅瓦片地圖嵌入前后的PSNR都比較高。在不進(jìn)行任何攻擊的情況下，提取的水印信息的相關(guān)系數(shù)均為1.0。由此可見，本文算法具有好的不可見性。

2.魯棒性

對(duì)嵌入水印后的瓦片數(shù)據(jù)進(jìn)行了加噪、壓縮和拼接攻擊。拼接分為兩種情況，包括嵌入2幅都含水印的瓦片的拼接，以及嵌入水印后瓦片與未嵌入水印后瓦片的拼接。本文中，檢測成功的相關(guān)系數(shù)閾值設(shè)定為0.5。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 攻擊試驗(yàn)結(jié)果

從表2的數(shù)據(jù)可以看出，在對(duì)單一瓦片地圖進(jìn)行加噪、壓縮等攻擊后，水印檢測的相關(guān)系數(shù)都高于檢測閾值0.5，表明檢測成功。拼接攻擊中，設(shè)計(jì)了兩幅都含有水印的瓦片進(jìn)行拼接，或是其中有一幅數(shù)據(jù)含有水印信息，均能夠檢測成功。這是因?yàn)橹灰渲幸粔K瓦片地圖中能夠檢測到水印信息，就可以順利地從拼接后的地圖中檢測到水印。瓦片地圖一般以PNG和JPG兩種格式進(jìn)行存儲(chǔ)，在將兩種數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，水印檢測的相關(guān)系數(shù)均高于0.9，表明本文算法可以有效抵抗格式攻擊。由此可見，本文提出的算法具有較好的魯棒性。

五、結(jié)束語

本文針對(duì)瓦片地圖水印的特征，提出了一種基于特征級(jí)的瓦片地圖水印算法。試驗(yàn)結(jié)果表明，該算法具有好的透明性和魯棒性，能夠有效滿足瓦片地圖的版權(quán)保護(hù)需求。本文提出的算法對(duì)于數(shù)字水印在天地圖網(wǎng)站中的應(yīng)用及瓦片地圖的安全保護(hù)等都具有重要作用。

[1] 李志剛，蔣捷，翟永，等.面向分布式服務(wù)聚合的“天地圖”總體技術(shù)架構(gòu)[J].測繪地理信息，2012，37 (5)：13-15.

[2] 朱長青，楊成松，任娜.論數(shù)字水印技術(shù)在地理空間數(shù)據(jù)安全中的應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2010(10)：1-3.

[3] 彭煜瑋，岳名亮，汪傳建.基于MapReduce的高效地理數(shù)據(jù)水印方法[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，40(1)：179-182.

[4] 王勛，朱夏君，鮑虎軍.一種互補(bǔ)的數(shù)字柵格地圖水印算法[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2006，40(6)：1056-1059.

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[6] 朱長青，符浩軍，楊成松，等.基于整數(shù)小波變換的數(shù)字柵格地圖數(shù)字水印算法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2009，34(5)：619-621.

[7] 符浩軍，朱長青，徐惠寧.基于小波變換的柵格數(shù)字地圖水印算法[J].測繪科學(xué)，2009，34(3)：107-108.

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[9] 任娜，朱長青.一種抗拼接的瓦片遙感數(shù)據(jù)水印算法[J].測繪通報(bào)，2012(S1)：491-493.

A Watermarking Algorithm for Tile Map

REN Na，ZHU Changqing

P288

B

0494-0911(2014)12-0060-03

任娜，朱長青.一種瓦片地圖水印算法[J].測繪通報(bào)，2014(12)：60-62.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0398

2014-06-02

國家自然科學(xué)基金(41301413)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20130903)；江蘇省高校自然科學(xué)研究(12KJB420002)；測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助(12I02)

任 娜(1981—)，女，山東萊西人，博士，講師，主要研究方向?yàn)榭臻g數(shù)據(jù)安全。