雙特征下的二維電子海圖水印技術(shù)研究

賴明珠，孫建國，張國印

（1.哈爾濱工程大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2.哈爾濱理工大學(xué)軟件學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080；3.中國科學(xué)院信息工程研究所，北京100093）

雙特征下的二維電子海圖水印技術(shù)研究

賴明珠1，2，孫建國1，3，張國印1

（1.哈爾濱工程大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2.哈爾濱理工大學(xué)軟件學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080；3.中國科學(xué)院信息工程研究所，北京100093）

二維電子海圖是一種重要的數(shù)字產(chǎn)品，具有重要的商業(yè)價值和戰(zhàn)略意義，針對二維電子海圖內(nèi)容完整性和版權(quán)保護驗證缺乏相應(yīng)支撐技術(shù)的問題，為提高其水印技術(shù)的實用性，依據(jù)電子海圖數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)特征和空間結(jié)構(gòu)特征，采用閾值靈活控制水印算法對地圖內(nèi)容的擾動，提高了水印嵌入操作的低擾動、高魯棒要求，同類方法測試對比，該算法具有更好的低誤碼率，在抵抗數(shù)據(jù)壓縮，曲線擬合等常見地圖攻擊方面，具有更好的抵抗性能。

信息隱藏；數(shù)字水印；電子海圖；版權(quán)保護；內(nèi)容擾動；空間特征

二維電子海圖是近年來逐步受到廣泛重視的一種重要的地圖資源，隨著各國日益重視海洋資源的開發(fā)與利用，其具有更加重要的戰(zhàn)略價值。對于如此重要的數(shù)字資源，與之相對的卻是版權(quán)保護和信息安全技術(shù)的研究較為落后。一種用于海圖版權(quán)標(biāo)識的小波域數(shù)字水印技術(shù)［1］是目前可檢索到的有關(guān)電子海圖版權(quán)保護的文獻。電子海圖本質(zhì)上也是一種二維數(shù)字地圖，故具有一定的通用性［2?。然而業(yè)界對電子海圖信息安全技術(shù)專門研究卻較少，原因有兩個：一是海圖的自身價值較高，且制作及流通受到嚴(yán)格管理，很多研究人員苦于缺乏足夠的資源，而無法開展深入研究；另一方面，由于該領(lǐng)域部分應(yīng)用技術(shù)的敏感性，很多成果并沒有得到及時發(fā)表。值得一提的是，隨著近年來電子海圖在商業(yè)領(lǐng)域的迅速應(yīng)用，如何確保電子海圖的版權(quán)和對電子海圖進行真?zhèn)舞b別已經(jīng)成為亟待解決的技術(shù)問題。為了確保海圖數(shù)字水印在魯棒性、不可見性以及容量方面獲得一個理想的平衡性能，需要通過實時控制水印嵌入操作對地圖的擾動來實現(xiàn)，而擾動的明顯表征即地圖的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)特征。

1 海圖的數(shù)據(jù)組織與空間結(jié)構(gòu)

二維電子海圖的數(shù)據(jù)組織特征主要包括3個部分：屬性特征、幾何特征和關(guān)系特征。幾何特征和關(guān)系特征被統(tǒng)稱為空間特征。其中，屬性數(shù)據(jù)特征描述了數(shù)字海圖各實體的名稱、色彩、比例尺等海圖基本信息；而空間特征則定義了實體本身的空間位置坐標(biāo)、相對地理關(guān)系等，此外，對于實體間的相鄰、同線、同區(qū)域等空間關(guān)系，則通過鏈表方式將實體的ID編碼進行了關(guān)聯(lián)，利用ID號的從屬關(guān)系來描述實體間的位置關(guān)系。

1.1 數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)

以MapInfo為例，說明電子海圖的數(shù)據(jù)組織特征，二維電子海圖一般由4類數(shù)據(jù)文件組成：

1）結(jié)構(gòu)說明模塊TAB：以文本信息的方式定義了海圖的圖層結(jié)構(gòu)，如前所述MapInfo維護的每張地圖僅被稱為一個圖層；

2）屬性信息描述模塊DAT：用來描述每個地圖對象的屬性信息；

3）對象索引模塊ID：實現(xiàn)每個地圖對象與屬性信息的對應(yīng)關(guān)系；

4）空間信息模塊MAP：記錄了每個對象與其他關(guān)聯(lián)對象的空間位置關(guān)系。

表1 電子地圖數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)說明Table 1 Introduction of data construction for electronic chart

海圖的空間特征信息主要存儲在MAP文件中，該文件由大小為512或1 024字節(jié)的數(shù)據(jù)塊組成，描述了對象的空間位置、索引以及拓撲關(guān)系等信息，每個數(shù)據(jù)塊的第一個字節(jié)稱為塊標(biāo)記。最主要的文件塊包括：

1）索引塊：利用索引塊信息，可通過ID文件，在TAB中快速查找到每個空間對象的屬性信息；

2）坐標(biāo)定義塊：復(fù)雜的空間對象由一個子對象描述和實際坐標(biāo)組成，而單一的空間對象僅有坐標(biāo)組成，每個坐標(biāo)塊中都保留了大量字節(jié)。

1.2 空間結(jié)構(gòu)特征

電子海圖作為一種二維數(shù)字矢量地圖［3?4］，具有明顯的空間演化特性。

定義1離散度量空間：設(shè)矢量地圖X中包含N個矢量結(jié)點，則度量ρ：X×X→R，表示任意兩個矢量結(jié)點的相關(guān)度?？芍獙τ谌我鈨蓚€獨立結(jié)點xi，xj必有ρ（xi，xj）＝0。

定義2拓撲空間：由度量空間的性質(zhì)，對于包含若干矢量結(jié)點的集合Ai，Ai?X是（X，ρ）上的開集，若存在集族I＝∪ki＝1Ai，則稱偶對（X，I）為拓撲空間，表示任意對象集合間的相關(guān)性。

定義3矢量空間：在拓撲空間（X，I）中，對于拓撲?的元素Αi，若對于任意結(jié)點a∈Αi，圖層Ε上都有唯一的Ε（a）對應(yīng)，則稱為其矢量空間，記作（Χ，I?E），且Ε（a）＝｛0，1｝，Ε只包括基本圖層：點，線和區(qū)域圖層。

對于矢量空間（Χ，I?E），若復(fù)合圖形圖像形式的渲染效果，最終表現(xiàn)為廣泛應(yīng)用的電子海圖。

定義4目標(biāo)群：在地圖解析過程中，由被選擇用來嵌入水印編碼的結(jié)點所組成的集合稱為目標(biāo)群或嵌入目標(biāo)群，表示為T。稱所有能夠符合水印嵌入條件的結(jié)點集合為候選目標(biāo)群，記作CT，顯然T?CT。

通過上述對數(shù)字海圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及空間結(jié)構(gòu)的分析，可以看到在設(shè)計電子海圖水印算法時，除了要考慮魯棒性、隱藏容量、不可見性能等水印基本性能，以及精度無損、抗矢量數(shù)據(jù)壓縮、效率等專屬特性外，還應(yīng)重點考察電子海圖附屬屬性對水印算法的影響，因為它直接關(guān)系到所設(shè)計算法的實用價值。附屬屬性對水印算法的影響可以用誤碼率來衡量。

2 基于雙特征的擾動控制模型

2.1 雙特征下的海圖模型

海圖內(nèi)容特征模型包括屬性信息維Da（attrib?ute dimension）、幾何信息維Dg（geometry dimen?tsion）以及關(guān)系信息維Dc（correlation dimentsion）?；谠撎卣髂Ｐ停我鈹?shù)字矢量地圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可表示為V＝｛Da，Dg，Dc｝。

各維度包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容稱為要素。維度可表示為所含要素的n元有序序列，即任意維度可表示為Dx＝＜en－1，…，e1，e0＞，在有序序列“en－1，…，e1，e0”中，根據(jù)要素的穩(wěn)定性由強到弱排列。

如圖1所示，為了降低模型復(fù)雜度，將原有的幾何信息維和關(guān)系信息維統(tǒng)一歸納為空間信息維，建立包含屬性信息、空間信息、附屬信息的矢量地圖多元內(nèi)容特征復(fù)合模型。

圖1 海圖多元內(nèi)容特征模型Fig.1 Multiple content feature model of electronic chart

模型的多元體現(xiàn)在兩個方面：

1）增加了模型的維度。附屬信息維（subsidiary dimension，Ds）的特性更加豐富，對水印算法的設(shè)計目標(biāo)和性能具有更強烈的影響，同時，為了降低模型復(fù)雜度，將幾何信息與關(guān)系信息統(tǒng)一到空間信息維度。矢量地圖表示為V＝｛Da，（Dg，Dc），Ds｝。

2）包含了多種要素。附屬信息維包含對地圖水印算法性能有影響的特性要素，要素之間彼此獨立，穩(wěn)定性無法比較。為此附屬信息維表示為Ds＝，要素ei，…，ek，ej∈Ds，且｛ei∪…s，t∈（0，1）。在附屬信息維內(nèi)，要素沒有穩(wěn)定性的強弱對比，而是通過穩(wěn)定參數(shù)來表現(xiàn)的。

2.2 基于雙特征的擾動控制策略

建立海圖數(shù)據(jù)內(nèi)容擾動模型，分析水印嵌入強度對海圖原始數(shù)據(jù)精度的影響，控制好誤差，然后通過理論分析與實驗驗證，選擇恰當(dāng)?shù)乃∪萘亢颓度雲(yún)?shù)，設(shè)誤差系數(shù)f，地圖原始精度為p，水印嵌入強度為b，單位嵌入系數(shù)值為Δ，則該地圖的擾動區(qū)須確保水印嵌入系數(shù)值處于一個區(qū)間內(nèi)，即條件如式（1）所示。

在此調(diào)整范圍，可確保海圖數(shù)據(jù)精度10－6～10－8不會被改變，在具體實現(xiàn)時，可將地理坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為整數(shù)值，即擴大為原值的108～1010之間，然后進行整數(shù)域的數(shù)據(jù)變換。

通過f來調(diào)整水印嵌入強度同海圖數(shù)據(jù)擾動容忍度以及水印方法綜合性能之間的關(guān)系，修正方法：

1）獲取海圖的頂點集合；

2）通過空間聚類和實體重心計算獲得兩個關(guān)鍵頂點，計算相對相位值；

3）對相位值的整數(shù)部分計算鄰近差值；

4）獲得一個新的差值序列；

5）獲得差值序列的符合拉普拉斯近似分布的數(shù)據(jù)，并能夠獲得零點和峰值，分別用OL和OR表示左右零點，HL和HR表示兩個對應(yīng)的峰值；

6）自適應(yīng)可嵌入的水印最大容量為f（TL）+ f（TR）。

3 實驗驗證與分析

基于MAPX插件的VC.NET應(yīng)用程序測試明［5］，基于雙特征的數(shù)字水印技術(shù)對電子海圖地圖精度及應(yīng)用無任何影響。算法的魯棒性、容量等性能論述如下。

3.1 實驗驗證與分析

魯棒性測試的實驗條件是：對于定義好的水印編碼W0，嵌入率界定于40%～60%之間。嵌入率是指水印編碼長度與地圖載體編碼長度的比值；其中，地圖載體編碼長度是指可嵌入水印信息的結(jié)點數(shù)量與單個結(jié)點可嵌入的最大水印編碼長度的乘積。在同等嵌入率的情況下，選擇相同的哈爾濱市服務(wù)點數(shù)字矢量地圖。為了更好地說明問題，選擇了Michael提出的一種數(shù)字水印算法［6］進行魯棒性測試。選取的實驗內(nèi)容包括：剪切攻擊，扭曲變形，噪聲攻擊（α＝50）。對算法性能的評測指標(biāo)為誤碼率。

誤碼率是指對于提取到的水印信息編碼Wt，若水印W0完全一致的概率為1－p。那么，Wt與W0存在編碼差異的概率是p，p稱為誤碼率。

表2所示為魯棒性測試的結(jié)果。由于電子海圖在數(shù)據(jù)組織方面的特性，即便數(shù)據(jù)被刪除，其實體對象的信息仍然存在，僅是通過將刪除標(biāo)志位置1的方式，將其屏蔽。同時，由于空間位置關(guān)系的制約，大量關(guān)鍵結(jié)點不可能被輕易刪除，因為這會破壞地圖的可用性。在嵌入的過程中，運用閾值因子很好地控制類對于地圖造成的擾動，故實驗結(jié)果本文算法較優(yōu)。

表2 本文算法與其他算法的魯棒性測試對比Table 2 Comparison for the robustness performance

3.2 不可見性分析

對于水印算法的魯棒性、不可見性和隱藏容量3種基本性能之間的關(guān)系，正如尹浩等［7］所描述的一樣（如圖2所示），是一種處于互相制約的平衡。

圖2 算法性能間的制約關(guān)系Fig.2 Relations of performance factors

為此，本文算法采取一種彈性調(diào)整方式來設(shè)定水印容量。首先，根據(jù)水印編碼長度來定義目標(biāo)結(jié)點集合的選取規(guī)模，保證存在足夠多的結(jié)點用來載入水印信息；并利用雙特種擾動控制模型，實現(xiàn)數(shù)字水印信息的最低擾動下的嵌入操作，保證目標(biāo)集合中的每個結(jié)點均至少嵌入了一比特的水印信息。在保證高魯棒性的前提下，來控制水印信息編碼的長度。

3.3 水印容量測試

本文從保持視覺系統(tǒng)HVS無法檢測水印嵌入的前提下［8］，對水印容量進行了測試。

參照視覺檢測的通常手段，選擇20名地理信息相關(guān)領(lǐng)域的研究生同學(xué)對同一副電子海圖的水印信息進行視覺測試，將其分成兩組：A組被告知地圖包含水印，并為其提供原始地圖，要求在盡可能短的時間內(nèi)找出嵌入規(guī)律或地圖間的差異；B組被告知水印具體的嵌入手段，要求其查明水印嵌入位置即可。測試時，每1 min統(tǒng)計一次數(shù)據(jù)，時間限定10 min。

實驗結(jié)果為：A組僅1人察覺到水印的存儲方式；B組有2人找到水印嵌入位置方式，但無法提取水印。

結(jié)果表明：本文算法引入了擾動控制模型后，水印嵌入對海圖內(nèi)容改變輕微［9?11］，在確保相當(dāng)水印嵌入容量的前提下啊，不可見性和魯棒性得到了提升。

4 結(jié)論

魯棒性、不可見性和水印容量是制約水印算法性能提升的3種重要指標(biāo)，算法通過引入數(shù)據(jù)組織特征和空間結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建了電子海圖的關(guān)鍵特征模型，閾值擾動控制參數(shù)能夠確保關(guān)鍵特征不被破壞的前提下，最大限度地平衡上述3種指標(biāo)，以提高水印算法的綜合性能，同以往方法相比，該算法更具有實際的應(yīng)用意義。如何降低擾動，甚至實現(xiàn)無損性嵌入是電子海圖水印算法未來的研究趨勢。

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Research on 2D digital watermarking technology for electronic charts with duple features

LAI Mingzhu1，2，SUN Jianguo1，3，ZHANG Guoyin1
（1.Department of Computer Science and Technology，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.Department of Software Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China；3.Institute of Information Engineering，CAS，Bei?jing 100093，China）

Two?dimensional electronic charts are an important type of digital products with crucial implications in terms of commerce and strategy.In order to improve the content integrity of 2D electronic charts and enhance tech?nical support to the copyright verification issue，duple features in data origination and space structure are integrated into the current system and the method that adopts threshold to control watermarking flexibly is adopted to reduce the disturbance to mapping.Compared with similar studies，the proposed method enhances the performance of map?ping with less distortion and higher robustness.Furthermore，it shows lower error coding rate and much higher abili?ty of resistance towards compression，curve fitting and other digital attacks in mapping.

information hiding；digital watermarking；electronic chart；copyright protection；content perturbation；space feature

10.3969／j.issn.1006?7043.201403082

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20150414.1529.002.html

TP309

A

1006?7043（2015）05?0678?04

2014?03?26.網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015?04?14.

國家自然科學(xué)基金資助項目（61202455，61472096）；教育部博士點基金資助項目（20112304120025）；教育部中央高?；A(chǔ)研究基金資助項目（HEUCF100612）；黑龍江省自然科學(xué)基金資助項目（F201212，F(xiàn)201306）.

賴明珠（1973?），女，講師，博士研究生；

張國?。?962?），男，教授，博士生導(dǎo)師.

張國印，E?mail：zhangguoyin＠hrbeu.edu.cn.