基礎地理信息數據產品數字水印技術研究

張海濤，祝曉坤，董 明，肖 洲

(北京市測繪設計研究院，北京100038)

一、引 言

近年來，隨著測繪與地理信息技術的發展和我國社會信息化進程的不斷加快，測繪與地理信息行業正逐步建設信息化測繪服務技術體系。在這個過程中，基礎地理信息數據產品的應用越來越廣泛，如何驗證某種基礎地理信息數據產品的生產部門，保護其知識產權，已經成為一項迫切需求的技術。

本文研究的目標是可在基礎地理信息數據產品中加入生產部門的標記信息，以證明其版權歸屬，使得測繪管理部門能夠檢驗地理信息數據產品的來源，從技術上滿足其對數字測繪生產進行規范管理的需求。同時，通過開發一套實用的數字水印軟件系統，可在基礎地理信息數據產品的分發服務中提供版權保護技術，并可適用于不同的平臺和數據格式，滿足測繪與地理信息行業大多數用戶的實際需求。

二、基礎地理信息數據產品的特點和研究策略

對基礎地理信息數據產品進行版權保護，人們最先想到的是數字加密技術，但它并不適用，只有信息隱藏領域中的數字水印技術才是解決問題的理想方案[1-2]。

基礎地理信息數據產品從表現形式上分類主要包括數字線劃地圖(DLG)、數字柵格地圖(DRG)、數字正射影像圖(DOM)和數字高程模型(DEM)，即常規的4D產品;從數據結構上分類則主要包括矢量數據產品和柵格數據產品。在4D產品中，DLG屬于矢量數據產品，而DRG、DOM和DEM之間雖然存在較大的差異，但在數據結構上均屬于柵格數據產品。不同的數據結構難以采用相同的數字水印算法，因此必須分別進行設計。

前些年，傳統的數字水印技術只限于常規的數字圖像、音頻和視頻等數字媒體產品[3-8]，還沒有針對基礎地理信息數據產品的有效算法，尤其是矢量數據產品，對版權保護技術的應用需求最為緊迫，研究難度最大。根據本文研究之初的實際情況，先針對矢量數據實現了數字水印技術，開發了相關的軟件，并在國內測繪行業中進行了推廣應用;之后，根據市場的反饋和需求，針對柵格數據產品進行了數字水印技術的研究，并形成了針對基礎地理信息數據4D系列產品的信息安全解決方案。

三、矢量數據產品的數字水印技術

1．在矢量數據中實現數字水印技術的難點

信息隱藏學的主要研究領域在圖像、音頻等方面，常規的數字水印算法是以柵格數據或信息流為處理對象的，可以施加很多壓縮(有損或無損)算法，對精度、失真度的要求不敏感，因此柵格數據易于實現數字水印算法。

而矢量數據則有嚴格的精度、失真度要求，數據范圍和形狀靈活可變，數據量不固定，圖形要素的排列不規則，空間分布不均勻，較少存在冗余，要附加數字水印是比較困難的。

2．基于空間統計特征的矢量數據數字水印存儲模型

根據研究，矢量數據在空間的分布是不均勻的，呈隨機特征，不同的矢量圖形要素之間具有一定的空間關系。在一定量的數據集合中，采用統計的方法對數據的分布進行歸納，則這種空間關系可被視作一種頻率分布模型，如圖1所示。

圖1 矢量數據數字水印存儲模型

根據矢量數據的空間關系，可以按影響數據質量的閾值定義一個分界線，將分界線上下的不同部分劃分為高頻和低頻，高頻部分決定了數據的質量，是不可變的，低頻部分對數據的質量沒有影響，表現為一種呈隨機振蕩特征的噪聲，可以視為冗余信息，能夠進行一定程度的修改，不會引起數據質量和精度的下降，也不依賴于圖形的具體分布特征。

根據這個模型，設計了一個跨平臺的通用數據結構，實現數字水印的嵌入和檢測。按照這種存儲模型嵌入數字水印后，基礎地理信息數據的屬性不變，圖形特征沒有明顯的變化，拓撲關系也保持不變。

3．數據分類算法

數據存儲模型只解決了水印數據的存儲問題，由于矢量數據呈現不規則的隨機分布特征，因此需要解決大量的隨機數據排序問題。

根據矢量數據的數字水印存儲模型，高頻部分是不可變的，因此可以根據這部分數據的統計特征進行排序，并采用折線掃描法(zigzag scanning)進行分類處理，如圖2所示。

圖2 基于折線掃描法的數據分類算法

該方法基于大量隨機數據的統計特征，能夠有效地對數據進行分類，保障了數字水印信息的有序組織。

該分類算法與基礎矢量數據的分布特征無關，也與數據格式無關，因此具有較好的通用性。

4．變長水印處理

所有的數字水印技術都建立在一定數據量的基礎之上，即需要一個數據載體來容納數字水印信息。對于柵格數據，其尺寸規格較為固定，數據量較大;而矢量數據的數據量不固定，出現較少數據的可能性較大，因此無法采用固定的水印信息長度。

根據矢量數據的這種特點，設計了變長水印處理策略。

首先，設計了兩種水印長度模式，即常規模式和小數據模式。算法可自動分析數據量的多少，進行不同模式的處理。當數據載體的數據量較多時，采用常規模式，水印長度采用固定的分類算法進行處理。當數據載體的數據量較小時，采用小數據模式，自動調整分類算法的參數，水印長度將縮減為常規模式的1/4。

其次，根據數據在空間分布的飽和程度，算法會自動在水印長度之內限定可輸入字符的數量，以確保水印信息的嵌入。

四、柵格數據產品的數字水印技術

1．在柵格數據中實現數字水印技術的策略

數字水印技術針對常規的數字圖像或音頻和視頻等數字媒體產品已經有了大量的研究成果，而柵格地理信息數據雖然也是以柵格為其結構特征，但有嚴格的精度、失真度要求，無論是數據量、數據表示方式、數據冗余度、數據壓縮算法、數據應用模式等都與常規的數字媒體存在較大的差異，因此這些現有的數字水印技術并不適用于柵格地理信息數據產品。

DRG、DOM和DEM雖然都是柵格數據，存在一定的共性，但它們的數據結構存在較大的差異，不可能通過一個統一的算法實現數字水印技術。因此，需要在考慮其共性的基礎上，根據各自的不同特點，設計不同的數字水印嵌入方案。

2．基于DOM的數字水印算法

由于DOM的數據量比較大，在實際工作中經常會采用壓縮的方式來減少數據量，提高傳輸速率。因此，在DOM水印算法中針對常用的小波壓縮進行了專門的設計。

本算法選擇JPEG 2000標準中的Daubechies9/7小波基作為小波變換的基礎，具有比較好的前瞻性，它可以有效地抵抗各種小波壓縮，尤其是對JPEG 2000的壓縮具有比較好的抗攻擊能力。

算法抵抗壓縮的程度主要取決于小波低頻系數的量化步長和小波系數嵌入冗余度。量化步長的合適與否與抵抗壓縮程度和圖像質量密切相關，如果量化步長太小，則抵抗不了較大比率的壓縮;量化步長太大，又會導致圖像視覺質量嚴重下降。本算法采取了量化步長可調的方法，并多次試驗確定了合適的閾值。

3．基于DRG的數字水印算法

DRG是以索引色圖像的形式存儲的，圖像數據中像元存儲的是顏色的索引值，顏色數目較少而顏色值之間差別非常大，圖像數據矩陣本身并沒有什么顏色空域相關性，使用頻域的方式嵌入水印對其并不適用，因此在本算法中采用了時域嵌入水印的方式。

根據DRG產品的特點和實現數字水印技術的需要，在圖像的預處理上采用了一種基于仿射變換的數字圖像置亂算法，能有效地保證水印的安全性。該算法具有以下優點：能適用于任意大小的圖像，有較強的適用性;含有若干個變換參數，而且其中的大部分可以選用隨機數，另外的由約束確定，這大大方便了密鑰的選擇，增加了系統的安全性，因此該置亂算法可以公開。由于其秘密全寓于密鑰中，從而滿足密碼學中的Kerckhoffs假設。

4．基于DEM的數字水印算法

DEM數據不是真正的數字圖像，雖然屬于柵格數據，但其元素不是真正的像元，而是高程值，因而無法采用常規的頻域方式嵌入。根據DEM數據的特點，只有采用空域的方法才能實現數字水印技術。

由于DEM數據不存在壓縮問題，因而采用LSB(最低有效位)方法進行了算法設計。在對DEM進行圖像分割時，根據DEM的數據特征調整了子單元分割窗口的大小，以滿足在DEM中嵌入水印的需求。

5．柵格水印算法的相關技術

(1)抵抗剪切和拼接攻擊

嵌入水印的柵格數據在遭到剪切攻擊后，保存水印的子圖的位置丟失，需要定位。因此，在算法中需要用到水印定位技術，也稱同步技術，這在當今的圖像處理領域仍然是個難題。

本算法采用了重復嵌入的思想，每單位大小的柵格數據均被嵌入相同的水印，因此需要在水印嵌入前對原始數據進行分割，這樣問題就轉化為如何在剪切后的柵格數據中定位分割位置。

本算法在嵌入水印前將原始數據分割為相同大小的子圖，在每個子圖的特殊區域嵌入同步碼，并嵌入相同的水印;提取水印時先檢測同步碼，檢測到同步碼則同步完成，一個子圖定位即結束。

由于待測柵格數據的多樣性和復雜性，必須考慮各種剪切和拼接的可能，因此在找到含有同步信息的子圖后，如何以較高的效率判定下一個子圖的起始位置是一個難點。

在算法的設計中采用了以下的方法：在找到含有同步信息的子圖后，將這個子圖的水平和垂直4個方向的可能含有同步信息的子圖的搜索優先級提高，在搜索中首先搜索這4個方向的區域。通過使用優先級的方法可以更加高效地找到下一子圖的起始位置。

(2)BCH糾錯碼

對柵格數據的攻擊有許多種方法，包括壓縮、剪切、拼接、修改等，這些有意或無意的攻擊使得從柵格數據中提取的水印流中往往含有錯誤信息比特，這些錯誤信息比特嚴重影響提取后的水印質量，因此有必要對水印信息流進行糾錯編碼。

經過深入的研究，采用了BCH糾錯碼技術。BCH碼是循環碼的一個重要子類，有嚴密的代數理論，具有糾正多個錯誤的能力。

不同的柵格數據產品其數據特征不同，可嵌入的水印空間也有差異，需要抵抗的攻擊也不盡相同，因此需要使用不同的糾錯碼。針對這種情況，在DOM、DRG和DEM中分別采用了不同的BCH糾錯碼參數來處理水印流，以提高水印信息提取的正確率。

(3)圖像水印的優化

在矢量數據產品的數字水印技術中，包括兩種水印格式，即文字水印和圖像水印[1]。

在進行柵格數據產品的數字水印技術研究中，繼承了這一思路，仍然使用文字水印和圖像水印為標識用戶的版權信息，但進行了一定程度的優化。

由于圖像水印所需要的空間較大，在矢量數據產品中最多只能嵌入32×32固定尺寸的二值圖像水印。柵格數據產品不但能夠嵌入超過40×40尺寸的二值圖像水印，而且圖像的長、寬是可變的，采用不等比的矩形尺寸能夠有效地增加圖像水印的顯示效果。

同時，在圖像水印的存儲模式上進行了優化工作。一般的二值圖像文件是用BMP格式存儲的，由于該格式限制每一行像素占用的字節數為4的倍數，而二值圖像是按比特存儲像素的，當圖像沒有采用標準的8、16、32等尺寸時，就會在每一行的末尾保持若干個字節的空白，浪費了十分寶貴的水印空間。經過深入的研究，采用特殊的存儲模式來保存像素數據，避免了空白字節的浪費，相對提高了水印空間的容量。

五、水印信息處理技術

數字水印嵌入的穩健性[2]與水印信息的處理方式有很大的關系，由于任何數字產品都存在著被攻擊的可能性，如果不對水印信息附加任何保護，將大大降低數字水印算法的穩健性和實施版權保護的能力。在基礎地理信息數據產品的數字水印技術中，采用了多種方法對水印信息進行了保護。

1．基于身份認證的用戶信息保護

在對基礎地理信息數據產品進行數字水印處理時，不僅嵌入了用戶輸入的水印信息，也嵌入了用戶的標志信息。這個標志信息是由軟件提供者在分發軟件時設置的，能夠標識每一個用戶，具有唯一性。它不但能夠在檢測水印時為鑒別用戶身份提供必要的依據，而且能夠在嵌入水印時驗證用戶對數據的操作權限。

在嵌入數字水印前，先對數據進行檢測，只有數據中不存在水印時才可以嵌入;如果數據中已有水印，先判斷水印中所附加的用戶信息是否與當前軟件的使用者一致，兩者相同則提示用戶是否繼續，否則拒絕嵌入，這樣就可以防止使用相同軟件的不同用戶之間侵權事件的發生，保護了每一個用戶的利益，如圖3所示。

圖3 基于身份認證的用戶信息保護策略

2．水印信息加密

在嵌入數字水印前，應用數字加密技術對水印信息進行加密，所嵌入的水印數據實質上是二進制的密文序列。由于加密所采用的密鑰是自定義的，其他人在沒有密鑰的情況下是無法提取出水印信息的，從而極大地加強了水印信息的安全性。

六、結束語

本文提出了基于基礎地理信息數據產品的數字水印技術的設計思想，針對4D產品的不同類型，系統性地提出了針對矢量、柵格數據產品的數字水印算法和相關的處理技術，不但實現了數字水印的嵌入和檢測，還能夠鑒別和保護水印信息，并能夠抵抗一定的攻擊，具有較好的穩健性。

所提出的數字水印技術形成了一個完整的產品系列，可作為針對4D系列產品的信息安全解決方案，使得測繪管理部門能夠檢驗基礎地理信息數據產品的來源，從技術上滿足其對數字測繪生產進行規范管理的需求，為建立信息化測繪服務技術體系提供了可靠的技術保障。

該技術對于有效地保護基礎地理信息數據產品加工部門的知識產權有著十分重要的意義，能夠檢查和跟蹤基礎地理信息數據產品的傳播和使用情況，擁有進行科學驗證的依據，避免使用人工進行判斷而又拿不出有效證據的問題，可有效地遏制盜版的發生，維護生產部門的利益。同時，該技術不但可以促進測繪行業的信息安全建設，推動科技發展，還能夠推廣到全國測繪與地理信息及相關行業，如林業、水利、交通、環境保護、電力電信、城市規劃、國防軍事等。

[1]張海濤，李兆平，孫樂兵．地理信息水印系統的開發[J]．測繪通報，2004(5)：42-44．

[2]劉振華，尹萍．信息隱藏技術及其應用[M]．北京：科學技術出版社，2002．

[3]余燕忠，王新偉．基于信噪比的自適應圖像水印算法[J]．計算機工程，2003，29(1)：70-71．

[4]孫錟鋒，溫泉，王樹勛．基于人類視覺的混沌陣列在圖像上的水印算法[J]．電子學報，2003，31(1)：149-153．

[5]朱仲杰，蔣剛毅，郁梅，等．一種視頻圖像的自適應水印新算法[J]．浙江大學學報：理學版，2003：30(1)：41-45．

[6]趙春暉，李福昌．一種基于m序列調制的量化音頻數字水印算法[J]．哈爾濱工程大學學報，2003，24(1)：97-100．

[7]王劍，林福宗．基于離散小波變換的數字音頻水印[J]．計算機工程與應用，2003，39(15)：80-82．

[8]俞能海，趙卓，曹楠楠，等．一種新穎的基于非壓縮數字視頻的水印盲檢測算法[J]．電路與系統學報，2003，8(3)：60-65．