一种多重水印嵌入的解决方案研究

DOI：CNKI:11-4415/P.20101119.1814.020 网络出版时间：2010-11-19 18:14网络出版地址：/kcms/detail/11.4415.p.20101119.1814.020.html一种多重水印嵌入的解决方案研究李强①②，闵连权①，何宏志②，杨永强②（①信息工程大学测绘学院，郑州450052；②69027部队，乌鲁木齐830006）【摘要】由于矢量地图数据易于复制、分发等特点，同时矢量地图的制作成本高、安全性要求高等，使得用近年来新兴的数字水印技术对矢量地图数据进行保护，成为一个新的重要的研究方向。

本文针对矢量地图数据的多重水印嵌入这一难题，提出了一种通过水印嵌入时生成附加信息的方式来进行水印多重嵌入的解决方案，并通过使用作者提出的抗道格拉斯压缩算法进行了实验，取得了较好的效果。

【关键词矢量地图数据；多重水印；嵌入；方案【中图分类号】TP391.41 【文献标识码】A 【文章编号】1009-2307（2011）02- -A solution research on multiple watermark embeddingAbstract：The vector map data is easy to duplicate and distribute, its production cost and the safety requirements are high, so protecting the vector map data with digital watermark technology becomes a newimportant research direction. This article studied the problem of multiple watermark embedding of thevector map data, proposed a multiple watermark embedding solution through the generation of additionalinformation when watermark embedding, and carried out an experiment through anti-Douglas algorithm,and finally achieved good results.Key words：vector map data; multiple watermark; embedding; solutionLI Qiang①②, MIN Lian-quan①, HE Hong-zhi②, YANG Y ong-qiang②(①Institute of Surveying and Mapping, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China; ②Troops 69027, Urumchi830006, China)1 引言矢量地图数据在军事、旅游、导航等方面发挥了重要作用，在人类的社会、经济活动中应用越来越广泛。

由于矢量地图数据易于复制、分发等特点，同时矢量地图数据的制作成本高、安全性要求高等，使得用近年来新兴的数字水印技术对矢量地图数据进行保护，成为一个新的重要的研究方向。

当前，针对数字水印嵌入的研究主要是单重嵌入，即只能嵌入一次水印信息并进行提取，进行多重水印嵌入时可能就提取不出水印信息，这就一定程度上限制了水印的使用范围,现在对多重水印潜入研究极少。

本文针对现实需求和实践总结，提出了一种通过水印嵌入时生成附加信息的方式实现水印多重嵌入的解决方案。

2 矢量地图数据水印技术2.1 矢量地图数据水印多重嵌入研究的意义和现状矢量地图数据数字水印技术的研究意义在于标示地图数据的版权保护信息，在许多情况下，需要对嵌入水印后的地图数据再次或多次潜入水印信息，但不论是采用相同或不同的嵌入算法，经过多重嵌入后的数据很难提取出水印信息，目前对这种水印多重嵌入的研究很少，特别是针对矢量地图数据的水印多重嵌入研究更少。

现阶段水印嵌入的研究主要集中在单次嵌入算法的相关研究[2-4]，即将水印信息单次嵌入到地图数据中，例如对于嵌入水印后的数据的下一级分发，没有一个好的解决方案，确保矢量地图数据的安全，如果采取与上一级相同的水印嵌入方案，会引起数据精度的降低或者提取不出水印信息等问题，如果采取与上一级不同的水印嵌入方案，一是在实践操作上存在可行性不高的问题，二是可能也会引起数据精度的降低或者提取不出水印信息等问题。

2.2 矢量地图数据水印嵌入分析1) 水印嵌入空间分析矢量地图数据是通过分层存储来实现的，每层存储位置信息和属性信息等，位置信息一般用几何数据来表示，通过图元来描述目标的，基本的图元有点、线段、多边形，点是通过坐标惟一定义的，线段是通过组成线段的一系列点定义的，多边形是由封闭的线段组成的。

点的位置由平面坐标决定，任何图形都由点的连线来确定。

同时由于地图数据都有一定的定位精度，在精度允许的范围内进行扰动是不会影响到数据的使用要求的，并且不会影响到图形的视觉效果；属性特征是区分不同地理实体的本质特征，它的改变有可能影响到地图数据的正常使用，因此，属性数据不能随意改动，不应作为水印的嵌入域。

因此，位置信息即坐标数据，是一个理想的水印嵌入空间。

2) 现行水印嵌入方案分析现在的水印技术按检测过程可分为盲水印和非盲水印两种，盲水印是指不需要原始数据的参与，直接从含水印的地图数据中提取出水印信息；非盲水印是指需要原始数据的参与，通过原始数据与含水印数据的比较来提取水印信息。

盲水印虽然可能是将来的发展方向，但是现阶段的水印研究还是以非盲水印为主，其实质是将水印信息通过某种算法加到地图数据的空间域或者变换域上，检测提取时通过比较原始数据和含水印数据的“差异”，来提取水印信息。

3他们的细微“差，如果每次图1水印嵌入的解决方案图1所示,在生成含水印地图数据的同时,我们同时生成了一个附加信息,其内容包括嵌入水印的坐标、水印图像宽高等信息，它不依赖于具体的水印算法，在本次生成的含水印地图数据中再次潜入水印时，它会再生成一个附加信息，两次水印嵌入可以采用相同的算法，也可以是不同的算法。

水印检测提取时只需读取附加信息和含水印数据即可，水印提取方案如图2：图2 水印提取的解决方案图2所示，水印检测提取时，只需含水印数据和附加信息的参与，以及用户密钥，通过相关算法，即可提取出数字水印信息，对于水印的多重嵌入，只需根据嵌入时生成含水印地图数据及与其相关的附加信息即可提取出水印信息。

4 多重水印嵌入方案的实验与分析根据作者设计的抗压缩算法进行实验，采用的实验数据是某标准数据的地貌层数据，数据大小约为2.7m ，采用的水印信息是bmp 格式二值图像，大小为50×30。

抗压缩算法是针对矢量地图数据常常遇到道格拉斯压缩攻击，而提出的一种水印算法。

其基本原理是根据道格拉斯压缩算法进行图形特征点的提取，将其排列记录，利用图形特征点的稳定、不易被压缩的特点，将水印信息根据坐标的奇偶特性有选择的潜入在这些特征点上。

进行如下实验：假定将矢量数据分发到第一级—学院，然后学院这一级又将其分发到下一级—四系，我们要求从分发到学院的数据中检测出其相应的水印信息，从学院分发到四系的数据中提取检测出两次加入的水印信息。

实验流程如下：实验一，多重水印嵌入与提取：首先我们在分发到第一级的矢量地图数据中加入水印信息a （图3）,然后在含水印信息a 的数据中加入水印信息b （图4）；分别在分发到两级的数据中检测水印信息。

实验二，抗压缩攻击的多重水印的嵌入和提取：首先我们在分发到第一级的矢量地图数据中加入水印信息a ，在其基础上加入水印信息b ，然后对数据进行再进行道格拉斯压缩；检测时，分别在分发到两级的受道格拉斯压缩攻击的矢量地图数据中提取水印信息。

图3 第一次嵌入的水印信息a 图4 第二次潜入的水印信息b4.1 多重水印嵌入与提取我们首先对地图数据嵌入水印信息a ，生成附加信息1，然后再对嵌入水印信息a 后的地图数据嵌入水印信息b ，同时生成附加信息2。

首先我们从两次嵌入水印信息后的地图数据中提取水印信息，提取效果如图5所示：图5 水印信息提取效果然后从嵌入水印信息a 的含水印数据中提取水印信息，提取效果如图6所示：图6 水印信息提取效果实验可以得出，在不进行任何攻击的情况下，通过本方案，对单重或双重嵌入水印信息的矢量地图数据，能够很好地提取出相应的单重或双重水印信息。

4.2 抗压缩攻击的多重水印的嵌入和提取针对双重水印嵌入过程中生成的两个含水印地图数据和两个附加文件，进行抗道格拉斯压缩实验。

对经两次水印嵌入的地图数据进行阈值为1的道格拉斯压缩，然后结合其相应的附加信息文件提取水印信息，提取效果如图7所示：图7 经压缩后的水印信息b提取效果对嵌入水印信息a的地图数据进行阈值为1的道格拉斯压缩，然后结合其相应的附加信息文件提取水印信息，提取效果如图8所示：图8 经压缩后的水印信息a提取效果实验可以得出，对单重嵌入水印信息的矢量地图数据进行道格拉斯压缩攻击后，通过附加信息，可以很好地提取出水印信息；对双重嵌入水印信息的矢量地图数据进行道格拉斯压缩攻击时，仍然可以很好地提取出水印信息；甚至对于第三重等的水印信息嵌入，只要水印信息的嵌入坐标数据的改动在其精度范围之内，通过本方案也可以提取出水印信息。

此外，该算法在抵抗其他诸如随机删点等的攻击时，也具有较好的稳健性，可以从多重水印嵌入的地图数据中分别提取出水印信息。

4.3 实验结果分析从以上两个实验的结果可以看出，利用附加信息的方式进行水印信息的多重嵌入是可行的，它解决了当前水印多重嵌入时，多重水印信息之间相互影响等问题，进而可能提取不出水印信息的问题，本方案通过附加信息的方式，将待嵌入水印信息的相关坐标进行单独记录生成附加文件的方式，来实现水印信息的多重嵌入，然后通过默认的或附加信息记录的水印图像信息宽、高信息进行水印信息的提取，取得了很好的效果，并且此种方案不依赖于具体的算法，可以采用本实验中的抗道格拉斯压缩算法，也可以采用其他算法进行试验，都有很好的表现。

5 结束语本文针对当前的多重水印嵌入研究很少的现状，提出了一种通过水印嵌入时生成的附加信息与含水印数据来提取水印信息来进行多重水印嵌入的解决方案，采用作者提出的抗道格拉斯压缩水印算法进行了实验，实验表明该方案可以较好的解决多重水印嵌入的难题。

存在的不足在于对于特定的含水印地图数据要与其对应的附加文件共同提取水印信息，而有时对于附加信息，找到与其对应的附加信息稍麻烦，在这一方面进行完善是我下一步的努力方向。