復(fù)合的海圖安全防護技術(shù)研究

徐鋒，李佳楠，孫建國,2

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復(fù)合的海圖安全防護技術(shù)研究

徐鋒1，李佳楠1，孫建國1,2

（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. 中國科學(xué)院信息工程研究所，北京 100089）

提出了一種二維電子海圖自適應(yīng)水印技術(shù)，利用平移不變策略，獲得海圖空間內(nèi)頻域較穩(wěn)定的一個水印嵌入載體集合。為了防止水印嵌入幅度過大而影響海圖使用和從水印算法的安全性考慮，提出了灰度平衡控制方案，計算每個劃分好的矩形區(qū)域內(nèi)可嵌入水印的最大容量。實驗表明，該方法能夠適應(yīng)海圖常規(guī)操作所帶來的數(shù)據(jù)擾動，具有較好的頑健性。

信息隱藏；數(shù)字水?。浑娮雍D；自適應(yīng)性

1 引言

二維電子海圖是一種重要的數(shù)字海圖，它除了具有高保真和高精度外，還具有數(shù)據(jù)耦合度低、圖元類型豐富的特點。近年來，隨著國家海洋戰(zhàn)略的穩(wěn)步實施，以及海洋開發(fā)、海軍裝備的快速發(fā)展，二維電子海圖得到了大范圍的應(yīng)用。但二維電子海圖應(yīng)用過程中存在安全短板，特別是大范圍應(yīng)用后存在的安全問題，因此，它迅速被提到了國家數(shù)據(jù)安全戰(zhàn)略高度。由于二維電子海圖流通領(lǐng)域受限，制作及發(fā)布受到嚴(yán)格管理，所以國內(nèi)外針對二維電子海圖的數(shù)字水印研究較少，《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]是目前檢索到為數(shù)不多的有關(guān)電子海圖水印技術(shù)方面的文獻。文獻[2]論述了如何評價電子海圖安全性以及如何用數(shù)字水印保護電子海圖版權(quán)和內(nèi)容，這是目前可查詢的直接討論電子海圖數(shù)字水印的唯一文獻。電子海圖內(nèi)容安全性的研究包括加密手段等[3]。國外的相關(guān)研究主要有：基于結(jié)構(gòu)性復(fù)合的安全水印，文獻[4,5]先后提出了基于多級小波分解的復(fù)合安全水印策略，同時，二維電子海圖屬于一種矢量地圖，很多適應(yīng)性較好的矢量地圖數(shù)字水印算法經(jīng)過改進可以直接應(yīng)用到該地圖[6~10]。

本文重點考慮電子海圖不同于常規(guī)矢量地圖的精度多樣性。所謂精度多樣性，即電子海圖同時使用了海洋地理坐標(biāo)系統(tǒng)和陸地的地理經(jīng)緯度信息，海洋坐標(biāo)系的精度約在10?7~10?9，而陸地坐標(biāo)系精度可以達到10?13~10?15，因此，對于通過調(diào)整坐標(biāo)值以嵌入數(shù)字水印的頻域、空域算法來說，存在著諸多的不一致性，該類算法無法很好地并行處理2種精度的坐標(biāo)系統(tǒng)，不是對精度損傷較大（遷就海洋坐標(biāo)系統(tǒng)），就是無法實現(xiàn)水印整體嵌入（只能嵌入陸地坐標(biāo)系）。本文通過平移不變策略，將其轉(zhuǎn)化為常規(guī)的二維電子地圖，再通過自適應(yīng)因子不斷嵌入水印信息，并控制對地圖的擾動幅度，以此獲得可用性和安全性的平衡，較好地適應(yīng)海圖“圖元類型復(fù)雜、數(shù)據(jù)耦合低”的特點。

2 平移不變策略求解特征節(jié)點

為了獲得一個理想的水印載體集合，能夠隱蔽且高可靠地嵌入足夠容量的水印信息，首要問題是選擇并優(yōu)化可供水印嵌入的數(shù)據(jù)載體集合。相關(guān)學(xué)者對此提出了多種實現(xiàn)方案。

如圖1所示，本質(zhì)上地圖是一幅圖像，但具有較高的精度要求。由于色彩或信息的缺失會直接影響地理精度，同圖像的簡單表意不同，電子海圖的圖像圖形信息還涉及到海洋和陸地的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。

(a) 影像地圖

(b) 矢量地圖

(c) 電子海圖

(d) 柵格圖像

圖1 二維電子海圖與其他數(shù)字地圖及圖像的對比

平移不變剪切策略主要用于圖像融合，通過對2幅圖像分別進行平移不變剪切變換分解，得到低頻子帶和一系列帶通方向子帶，并通過融合得到色彩更加鮮明的加強圖像。

本文選取平移不變剪切策略提取特征點的出發(fā)點就是在于平移不變剪切變換得到的低頻部分包含圖像的主要能量。由于人類視覺系統(tǒng)對于圖像邊緣比較敏感，但對于獨立亮度的節(jié)點往往忽略。平移不變剪切變換在獲得高質(zhì)量融合圖像的過程中，恰恰能夠得到這些獨立的高能量節(jié)點，只需要通過對這些高能量節(jié)點低頻子帶的系數(shù)進行梯度域奇異值分解和局部結(jié)構(gòu)描述子比較，從中獲得相應(yīng)的候選特征節(jié)點，這些節(jié)點是嵌入數(shù)字水印的理想位置。

梯度域奇異值分解算法流程如下。

1) 計算二維電子海圖的梯度值。

2) 利用網(wǎng)格劃分的方法，將海圖圖像劃分為等大的、數(shù)量不等的矩形塊{1,2,3,…, b}。

3) 對每個矩形塊b，將區(qū)域內(nèi)的梯度值表示為矩陣。

4) 對進行奇異值分解，其中，為一個的矩陣，為對應(yīng)矩形塊內(nèi)像素的個數(shù)

5) 式（1）進一步表示為

(2)

其中，矩陣和都是正交矩陣，為奇異矩陣。表示局部梯度的主要方向，由此可以計算局部梯度的結(jié)構(gòu)描述子。

應(yīng)用上述平移不變剪切策略求解水印編碼嵌入頂點的前提是電子海圖具有很好的紋理信息，奇異值矩陣的特征值、可以直接反映出電子海圖色彩的紋理變化。

如圖2(a)所示，在海圖的內(nèi)陸及海洋深處區(qū)域，灰度變化較小，特別是右側(cè)邊緣幾乎沒有變化，此時，特征值、近似于0；在海洋和陸地交接的區(qū)域，灰度變化大，此時特征值；在海洋和陸地縱橫交錯的區(qū)域，紋理信息豐富，此時特征值。

為此，借助文獻[11]所提方法，提出了電子海圖圖像像素能量的計算式，即

圖2(b)為提取的海圖對應(yīng)能量特征圖，很好地反映了海圖能量的分布，以及可能成為水印載體特征節(jié)點的情況。

(a) 原始海圖

(b) 歸一化海圖

圖2 海圖預(yù)處理

3 灰度平衡方案

考慮到無限制地嵌入水印信息或調(diào)整特征點的像素值，會改變該特征點的能量，以致海圖圖像變化過于明顯。因此，只有在一定范圍內(nèi)嵌入水印才不會破壞電子海圖的灰度平衡性，如第2節(jié)所述，用海圖的灰度平衡控制策略確保水印嵌入操作對地圖內(nèi)容擾動幅度在可控制范圍內(nèi)。灰度平衡方案如下。

通過能量計算得到的紋理節(jié)點或輪廓過渡性節(jié)點稱為特征節(jié)點。設(shè)關(guān)鍵節(jié)點在平面內(nèi)的位置為，轉(zhuǎn)化成極坐標(biāo)形式為

以水平方向為起點，按照矩形塊長度或?qū)挾冗M行分割，得到離散網(wǎng)格。

1) 通過對電子海圖進行小波變換奇異值分解，獲得海圖的紋理特征。

2) 通過電子海圖的局部結(jié)構(gòu)描述子獲得所有像素節(jié)點的能量分布。

3) 以矩形塊為單位，對海圖進行極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得每個矩形塊內(nèi)的能量分布趨勢。

4) 計算相應(yīng)節(jié)點同所在區(qū)域平均能量的差值，獲得對應(yīng)各矩形塊的差值序列。

5) 由于差值序列符合拉普拉斯近似分布，能夠獲得零點和峰值，用和表示左、右零點，和表示2個對應(yīng)的峰值。

4 數(shù)字水印算法

4.1 數(shù)字水印嵌入流程

輸入：二位電子海圖，數(shù)字水印

輸出：嵌入水印的海圖

1) 計算二維電子海圖的梯度值。

2) 利用網(wǎng)格劃分的方法，將海圖圖像劃分為等大的量不等的矩形塊{1,2,3,…, b}。

3) 對每個矩形塊b，將區(qū)域內(nèi)的梯度值表示為矩陣。

4) 對進行奇異值分解，得到計算局部梯度的結(jié)構(gòu)描述子。

5) 根據(jù)每個矩形塊b中的大小，按照降序排列所有矩形塊。

6) 計算各矩形內(nèi)相應(yīng)節(jié)點同所在區(qū)域平均能量的差值，獲得對應(yīng)各矩形塊的差值序列。

8) 根據(jù)水印長度求得嵌入所需的矩形塊個數(shù)。

9) 順序讀取水印編碼W，嵌入到對應(yīng)節(jié)點的低頻系數(shù)內(nèi)。

10) 將嵌入節(jié)點位置編碼為密鑰。

4.2 數(shù)字水印提取流程

數(shù)字水印的提取過程是嵌入操作的逆過程，鑒于海圖紋理特征在不受攻擊情況下的穩(wěn)定性，提取流程如嵌入操作步驟1）~步驟7）所述，獲得水印嵌入的位置和每個矩形塊內(nèi)的容量。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)密鑰，提取每個對應(yīng)節(jié)點低頻系數(shù)內(nèi)的水印編碼，并重新組織為水印W。

5 實驗驗證與分析

為了驗證本文所述方法的正確性，系統(tǒng)選擇IMG格式的影像地圖進行測試，軟件系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為VC6.0。

如圖3所示，本文選擇2幅電子海圖用于本文算法測試。

(a) EA

(b) EB

圖3 IMG格式電子海圖

水印性能的定量評測指標(biāo)為誤碼率。本文對提取到的水印信息編碼，若與原始水印完全一致的比特數(shù)占水印編碼總長度的比值為，那么，與的編碼差異概率被稱為誤碼率。

水印標(biāo)識采用統(tǒng)一的水印標(biāo)記信息，如圖4所示。

5.1 格式轉(zhuǎn)換測試

格式轉(zhuǎn)換是電子海圖的常規(guī)操作之一，由于應(yīng)用環(huán)境和目的不同，電子海圖還有TAB、TIFF、SHP、JPG等多種格式，格式轉(zhuǎn)換對色彩、紋理等圖像特征都會有影響。

本節(jié)討論目前廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)存儲類型。1）在TAB格式的海圖中嵌入水印后轉(zhuǎn)換為TIFF格式；2）在TIFF格式的海圖中嵌入水印后轉(zhuǎn)換為SHP格式。本文算法抗格式轉(zhuǎn)換操作的誤碼率結(jié)果如表1所示。

表1 本文算法抗格式轉(zhuǎn)換操作的誤碼率

由表1可知，格式轉(zhuǎn)換操作對水印算法的影響很大，不可避免的噪聲污染以及圖像信號衰減，使很多節(jié)點的能量都有所變換。

本文應(yīng)用自適應(yīng)因子的優(yōu)勢體現(xiàn)在，無論海圖能量如何衰減和變換，只要在合理范圍內(nèi)載有水印的節(jié)點，其能量始終符合所在區(qū)域的整體分布趨勢，故較容易被檢測。但是，如果攻擊者運用特殊手段僅對地圖的有限區(qū)域或極小區(qū)域進行噪聲攻擊，那么，該方法的誤碼率將會有所提升，這是由自適應(yīng)因子的全局統(tǒng)計特性所決定的。

5.2 剪切攻擊測試

抗攻擊能力是衡量水印算法是否具有實用性的關(guān)鍵性指標(biāo)。在各類攻擊測試中，剪切操作是最頻繁的一類，剪切同地圖的拼接、旋轉(zhuǎn)等相互關(guān)聯(lián)，是海圖數(shù)據(jù)遭遇侵權(quán)和圖像非法復(fù)制的常見方式。本文算法抗剪切攻擊的誤碼率結(jié)果如表2所示。

本文算法在自適應(yīng)因子應(yīng)用后盡管頑健性有所提升，但誤碼率仍然較高，原因在于水印隨著地圖被徹底剪切，唯一能夠提升算法性能的趨勢在于，如何有效檢測剩余的水印信息。由于任何剪切后的地圖，其能量分布和特征在局部范圍內(nèi)仍然保持較好，故自適應(yīng)因子還能夠起到一定作用。

表2 本文算法抗剪切攻擊的誤碼率結(jié)果/%

5.3 噪聲攻擊測試

紋理和輪廓是地圖的2類重要結(jié)構(gòu)特征，也是海圖核心的組成部分。噪聲攻擊是對頻域擾動最為強烈的一類方法，本文選取了多種攻擊方式來評測本文算法性能。

噪聲攻擊包括高斯噪聲、隨機噪聲、椒鹽噪聲等獨立攻擊以及疊加攻擊，表3為本文算法在各類噪聲攻擊下的誤碼率。

表3 噪聲攻擊下本文算法的誤碼率/%

由于過度的噪聲攻擊會破壞海圖的可用性，因此在一定閾值范圍下的噪聲攻擊會導(dǎo)致海圖像素值的重大變化，特別是海圖通過格式轉(zhuǎn)換后，以JPG、SHP等形式存在時，隨著紋理和色彩特征的改變，水印信息受到的干擾較大。

同樣，自適應(yīng)因子是基于全局和區(qū)域性的能量分布統(tǒng)計，并以此控制水印信息嵌入的強度，因而，當(dāng)整體范圍內(nèi)受到噪聲攻擊時，水印信息還能具有一定的抗攻擊性。

5.4 水印容量分析與測試

水印容量、不可見性和頑健性是水印綜合性能的3大評測指標(biāo)，相互制約并彼此影響。適合的水印容量能夠確保足夠的水印信息有規(guī)則地嵌入到載體中，從而為載體提供內(nèi)容保護。

本文對水印算法進行水印容量測試。設(shè)定測試時的誤碼率閾值分別為5%和10%，測試得到的水印最大容量如表4所示。

表4 算法的水印容量測試對比

從表4可知，啟用自適應(yīng)因子誤碼率較低情況下，水印容量差值變小，如果僅僅通過節(jié)點搜索而無指導(dǎo)性地嵌入水印，那么部分水印容量的提升會直接導(dǎo)致誤碼率提高。

為此，參照視覺檢測的常見手段，本文對嵌入水印信息的電子海圖進行視覺檢測，將其分為2組。A組被告知地圖內(nèi)包含水印，并提供原始地圖，要求在盡可能短的時間內(nèi)找出差異或水印嵌入位置；B組被告知數(shù)字水印嵌入方式，要求找到水印嵌入位置。測試時間限定10 min，每1 min統(tǒng)計一次。由圖5實驗結(jié)果可以看到，A組僅1人檢測到水印位置；B組有2人檢測到數(shù)字水印嵌入位置，但無法完整提取水印。

6 結(jié)束語

由于電子海圖具有豐富的紋理特性和矢量結(jié)構(gòu)，本文所提出的平移不變策略和灰度平衡方案都非常適合電子海圖水印算法的實施。分析表明，該方法具有很好的頑健性，攜帶水印的節(jié)點能量突出，孤立存在，不易引起視覺系統(tǒng)檢測。在引入自適應(yīng)因子后，算法很好地控制了每個節(jié)點的水印嵌入容量。如何應(yīng)對不同紋理特征的電子海圖，是水印算法性能進一步提升的關(guān)鍵。

[1] 凌勇, 陳高興, 田震. 一種用于海圖版權(quán)標(biāo)識的小波域數(shù)字水印技術(shù)[J]. 中國海事,2006,9:23-26. LING Y, CHEN G X, TIAN Z. A digital printing technology for copyright identification of sea charts[J]. China Maritime, 2006, 9:23-26.

[2] LAI M Z ,ZHANG G Y. A novel vector map watermarking evaluation based on electronic chart[J]. Applied Mechanics and Materials, 2014: 622-627.

[3] ZHAO Y X, LI G, LI L. Electronic chart encryption method based on chaotic stream cipher[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2007,28(1):60-64.

[4] GERRIT S, VOIGT M. A high capacity watermarking system for digital maps[C]//The 2004 Multimedia and Security Workshop on Multimedia and Security. Germany, Magdeburg. c2004: 180-186.

[5] SUK-HWAN L, KI-RYONG K. Vector watermarking scheme for GIS vector map management[J]. Multimedia Tools and Application, 2011:1-34.

[6] Bi N, SUN Q Y, HUANG D R, et al. Robust image watermarking based on multiband wavelets and empirical mode decomposition[J]. IEEE Transaction on Image Process. 2009,16(8):195-1966.

[7] SUN J G, MEN C G. Wavelet neural network based watermarking technology of 2D vector maps[J]. High Technology Letters, 2011, 17(3): 259-262.

[8] DAVYDOV A, KOVALEV A, LZYUROV K. Distortion measure of watermarking 2D vector maps in the mesh-spectral domain[C]//17th DSP 2011 International Conference on Digital Signal Processing. Corfu, Greece, c2011:1123-1129.

[9] JUNQYEOP K. Vector map digital watermarking using angles[C]//6th International Conference on Networked Computing and Advanced Information Management. c2010:417-423.

[10] ZHANG H S, LI Y. Towards a 2D vector map with a feature nodes based watermarking method[C]//Geoinformatics 2008 and Joint Conference on GIS and Built Environment: Advanced Spatial Data Models and Analyses, c2008:7146,1-10.

[11] XU G Y, TAN J Q, ZHONG J Q. Adaptive efficient non-local image filtering [J]. Journal of Image and Graphics, 2012, 17(4):471-479.

Research of composite safety protection for digital maps

XU Feng1, LI Jia-nan1, SUN Jian-guo1,2

(1. Department of Computer Science and Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. Institute of Information Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100089, China)

An adaptive watermarking technology for 2D electronic charts was proposed. It took count in the discrete wavelet domain scheme, and obtained an ideal embedding set for watermarks in the electronic chart space. In order to preserve topology of map effectly by the large embedding rates and protect the safety of watermarking scenario, a gray balance means was provided, and the maximum capacity in each divided rectangle blocks in the electronic charts was computed. The experiment also shows that it can adapt to data perturbation by conventional operations. The method has better robustness.

information hiding, digital watermarking, electronic chart, automatic adaptive

TP309

A

10.11959/j.issn.1000-436x.2016044

2015-04-10；

2015-07-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(No.61202455)；教育部博士點基金資助項目（No.20112304120025）；黑龍江省自然科學(xué)重點基金資助項目（No.F201212）；中央高?；A(chǔ)研究基金資助項目（No.HEUCF100612）

The National Natural Science Foundation of China (No.61202455), The Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (No.20112304120025), The Natural Science Foundation of Heilongjiang Province (No.F201212), The Fundamental Research Fund for the Central Universities (No.HEUCF100612)

徐鋒（1977-），男，北京人，哈爾濱工程大學(xué)博士生，主要研究方向為信息安全。

李佳楠（1994-），女，黑龍江巴彥人，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)信息安全、下一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

孫建國（1981-），男，黑龍江巴彥人，哈爾濱工程大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為信息安全、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。