抗拼接處理的地理空間數(shù)據(jù)水印檢測方法

符浩軍，范承嘯，朱長青，王 剛

（1.西安測繪總站，陜西 西安 710054；2.南京師范大學(xué) 虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210046）

抗拼接處理的地理空間數(shù)據(jù)水印檢測方法

符浩軍1，范承嘯1，朱長青2，王 剛1

（1.西安測繪總站，陜西 西安 710054；2.南京師范大學(xué) 虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210046）

對抗拼接處理的地理空間數(shù)據(jù)水印檢測方法進行了研究。首先針對已有水印算法的不足，分析了地理空間數(shù)據(jù)拼接處理的特征及其對水印算法產(chǎn)生的影響，在此基礎(chǔ)上，以現(xiàn)有研究成果為原型，引入四叉樹分塊遞歸判斷的思想，設(shè)計了一種基于四叉樹的地理空間數(shù)據(jù)水印檢測方法，以解決數(shù)據(jù)拼接處理所引發(fā)的水印新問題。實驗結(jié)果證明，該方法不僅能判斷出拼接數(shù)據(jù)中含有怎樣的水印信息，同時能對特定水印信息所對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)域進行較精確的定位。

地理空間數(shù)據(jù)；水印檢測；數(shù)據(jù)拼接；四叉樹；區(qū)域定位

計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和WebGIS的迅猛發(fā)展極大地促進了地理空間數(shù)據(jù)的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化進程，使得地理空間數(shù)據(jù)在存儲、訪問、流通、復(fù)制、應(yīng)用等方面變得更為便捷，同時也導(dǎo)致地理空間數(shù)據(jù)的版權(quán)侵犯現(xiàn)象日益嚴峻。作為新興的信息安全前沿技術(shù)，數(shù)字水印為解決此問題提供了切實可行的途徑[1,2]。

近年來，針對地理空間數(shù)據(jù)版權(quán)保護的數(shù)字水印技術(shù)已有較多的研究[3-13]，這些成果在考慮水印算法魯棒性時，主要是針對常規(guī)圖像處理和幾何變換處理等水印攻擊進行設(shè)計的，并沒有考慮到地理空間數(shù)據(jù)處理的特殊性。由于地理空間數(shù)據(jù)具有分幅存儲、拼接使用的特點，如何有效判斷出拼接生成的新地理數(shù)據(jù)中水印信息的詳細情況，是設(shè)計地理空間數(shù)據(jù)水印算法時不可回避的重要問題。本文針對此問題，結(jié)合地理空間數(shù)據(jù)的拼接使用特點，引入四叉樹分塊遞歸判斷思想，設(shè)計一種基于四叉樹分塊遞歸判斷的地理空間數(shù)據(jù)水印檢測方法。

1 數(shù)據(jù)拼接處理的水印特征分析

地理空間數(shù)據(jù)的拼接處理通常是將多幅鄰接的地理空間數(shù)據(jù)通過某些制圖工具按照一定的空間規(guī)則組織起來，合成一幅新的地理空間數(shù)據(jù)。在這個過程中，將導(dǎo)致以下問題的出現(xiàn)：

1）在多幅參與拼接處理的地理空間數(shù)據(jù)中，可能只有一幅或幾幅數(shù)據(jù)含有相同的水印信息，而其他數(shù)據(jù)不包含水印信息。在這種情況下，水印檢測算法會對所有參與拼接處理的地理空間數(shù)據(jù)進行水印檢測，對于原來不包含水印的數(shù)據(jù)，其所提取的水印信息本身是不存在的，這樣將會對有效提取的水印信息造成影響，最終可能導(dǎo)致水印誤檢的發(fā)生。

2）在多幅參與拼接處理的地理空間數(shù)據(jù)中，可能有多幅數(shù)據(jù)含有水印信息，并且它們所包含的水印信息并不唯一，如果直接應(yīng)用水印檢測算法來進行水印檢測，會導(dǎo)致在拼接后新生成的數(shù)據(jù)中水印信息的檢測相互影響或者水印檢測不完整，從而造成水印檢測失敗或漏檢現(xiàn)象的出現(xiàn)。

通過分析上述情況下的數(shù)據(jù)拼接處理對水印算法產(chǎn)生的影響，可以將問題簡化為：在拼接處理后生成的新地理空間數(shù)據(jù)內(nèi)搜索并判斷其中某一個或某幾個拼接處理前的地理空間數(shù)據(jù)是否含有水印信息，含有多少水印信息，含有怎樣的水印信息，并定位出相應(yīng)水印信息在拼接數(shù)據(jù)內(nèi)所覆蓋的地圖區(qū)域。由于地理空間數(shù)據(jù)拼接處理并不會對其中的數(shù)據(jù)取值造成任何影響，水印信息在拼接處理過程中得到了完整的保留，一般的水印算法并不需要額外考慮數(shù)據(jù)是否作拼接處理。因此可以基于現(xiàn)有的研究成果為原型，思考如何制定有效的水印信息檢測及定位策略，使得水印檢測算法能從拼接數(shù)據(jù)中的某個或某幾個數(shù)據(jù)子塊中定位并檢測到正確的水印信息。

2 基于四叉樹分塊遞歸判斷的水印檢測方法

地理空間數(shù)據(jù)具有分幅存儲的特征，分幅的地理空間數(shù)據(jù)所覆蓋的制圖區(qū)域一般為規(guī)則矩形，因此可以將其看作為一個數(shù)據(jù)矩陣，從這個角度去思考抗數(shù)據(jù)拼接處理的水印檢測方法，可以簡要地概括為：對數(shù)據(jù)矩陣不斷分塊細化，并對每一子塊進行判斷，直至成功或無法再細化分塊為止。基于此原則，引入四叉樹分塊遞歸的方法來制定抗拼接處理的地理空間數(shù)據(jù)水印檢測方法。基于四叉樹分塊遞歸判斷的水印檢測方法具體流程如下：

1）獲取地理空間數(shù)據(jù)尺寸M×N，從地理空間數(shù)據(jù)左上角開始，按照M/4×N/4大小將其均分為4等份，對多余的數(shù)據(jù)作合并處理。

2）對每一個分塊地理空間數(shù)據(jù)進行水印信息的提取與檢測，如果在分塊數(shù)據(jù)中檢測不到水印信息，則轉(zhuǎn)到步驟3）；如果在分塊數(shù)據(jù)中檢測到水印信息，但檢測的水印信息與原始水印信息不完全吻合，則轉(zhuǎn)到步驟4）；如果在分塊數(shù)據(jù)中檢測到了水印信息，且檢測到的水印信息與原始水印信息完全吻合，則轉(zhuǎn)到步驟5）。

3）獲取當前分塊地理空間數(shù)據(jù)尺寸，如果分塊數(shù)據(jù)尺寸小于某個臨界值，則轉(zhuǎn)到步驟6）；否則，對當前分塊地理空間數(shù)據(jù)繼續(xù)采用四叉樹分塊處理，轉(zhuǎn)到步驟2）。

4）記錄當前檢測到的水印信息，同時記錄分塊數(shù)據(jù)在原始數(shù)據(jù)中的位置，然后轉(zhuǎn)到步驟3）。

5）記錄當前檢測到的水印信息，同時記錄分塊數(shù)據(jù)在原始數(shù)據(jù)中的位置，水印檢測結(jié)束。

6）分塊數(shù)據(jù)尺寸不符合繼續(xù)分塊要求，可判斷為無水印信息，水印檢測結(jié)束。

對于相鄰的分塊數(shù)據(jù)如果其檢測到的水印信息相同，則合并相鄰分塊數(shù)據(jù)形成新的分塊數(shù)據(jù)，記錄新的分塊數(shù)據(jù)位置，重新計算水印相關(guān)系數(shù)，并檢測其水印信息。

在四叉樹分塊遞歸的判斷步驟2）中，如果在分塊數(shù)據(jù)中檢測到了水印信息，且與原始水印完全吻合，則說明分塊數(shù)據(jù)中有且只有原始水印，無需繼續(xù)分塊檢測；如果在分塊數(shù)據(jù)中檢測到水印信息，但與原始水印不完全吻合，則說明分塊數(shù)據(jù)中可能存在不含有水印的數(shù)據(jù)塊或者含有其他水印的數(shù)據(jù)塊，使得檢測到的水印信息含有噪聲，因此還需要繼續(xù)分塊判定；如果在分塊數(shù)據(jù)中檢測不到水印信息，則分塊數(shù)據(jù)有可能無水印信息，也可能含有多個水印信息相互影響而導(dǎo)致水印檢測失敗，因此還需要繼續(xù)分塊判定。步驟3）中臨界值的選定由地理空間數(shù)據(jù)本身尺寸特性和水印算法適用性決定。

3 實驗與分析

為了驗證所提出的水印檢測方法對抗數(shù)據(jù)拼接處理的性能，進行了相關(guān)的實驗與分析。實驗中所采用的測試數(shù)據(jù)為圖1所示的4幅相互鄰接的遙感影像數(shù)據(jù)，用這4幅遙感影像來模擬實現(xiàn)柵格地理數(shù)據(jù)水印技術(shù)中的數(shù)據(jù)拼接攻擊，水印嵌入算法采用文獻[9]所提出的抗幾何變換的柵格地理數(shù)據(jù)變換域水印嵌入算法，而后對數(shù)據(jù)拼接處理后的遙感影像分別用文獻[9]所提出的水印檢測算法（下文簡稱算法1）和本文所提出的基于四叉樹分塊遞歸判斷的水印檢測方法（下文簡稱算法2）進行水印信息檢測，比較2種算法對水印信息檢測的結(jié)果，以分析本文所提出的方法抵抗數(shù)據(jù)拼接處理的能力。實驗中算法的臨界尺寸設(shè)定為256×256。

實驗中主要就以下2種情況進行討論和分析：①4 幅參與拼接處理的遙感影像只有1幅數(shù)據(jù)含有水印信息；②4幅參與拼接處理的遙感影像有多幅數(shù)據(jù)包含不同的水印信息。

圖1 數(shù)據(jù)拼接前的遙感影像方位及尺寸

3.1 含有一個水印信息的情況

基于原型算法，對圖1a進行水印信息的嵌入，而后將圖a、b、c、d按其空間位置組織起來進行數(shù)據(jù)拼接處理，得到如圖2所示的新遙感影像。

圖2 拼接后遙感影像

分別使用算法1和算法2對圖2所示的新遙感影像進行水印信息的檢測。檢測結(jié)果見表1，表中的水印檢測范圍是由四叉樹分塊決定的，表示水印檢測范圍在圖2中的位置（以左上角為坐標原點），水印檢測結(jié)果表示對四叉樹分塊區(qū)域提取水印信息后計算得到的水印檢測系數(shù)。為便于表中數(shù)據(jù)的簡化表達，在提取過程中如果相鄰接的最小分塊區(qū)域檢測到的水印信息相同，則將鄰接的分塊區(qū)域合并后重新計算其相關(guān)系數(shù)。

表1 水印檢測結(jié)果對比

從表1可以看出，原有水印檢測算法在數(shù)據(jù)拼接處理后，并不能有效檢測到水印信息，而基于四叉樹分塊遞歸判斷的水印檢測方法不但能有效檢測出水印信息，同時能基本定位出含有水印信息的遙感影像數(shù)據(jù)區(qū)域在拼接處理后新遙感影像中的位置。

3.2 含有不同水印信息的情況

基于原型算法，對圖1進行水印信息的嵌入，且分別嵌入不同的水印信息：WaterMark_A、WaterMark_ B、WaterMark_C、WaterMark_D。然后對4幅含水印遙感影像數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)拼接處理，對拼接處理后的新遙感影像數(shù)據(jù)分別使用算法1和算法2進行水印信息檢測，檢測結(jié)果見表2。

表2 水印檢測結(jié)果對比

從表2可以看出，原有水印檢測算法在數(shù)據(jù)拼接處理后的新遙感影像中并不能有效檢測到各個分塊數(shù)據(jù)的水印信息。而基于四叉樹分塊遞歸判斷的水印檢測方法既能有效地檢測出拼接處理前各幅遙感影像數(shù)據(jù)所對應(yīng)的水印信息，同時還能對各個水印信息所對應(yīng)的分塊數(shù)據(jù)位置進行基本定位，因此可以從提出的水印信息所對應(yīng)的位置判斷出拼接處理前的各幅遙感影像區(qū)域。

3.3 算法分析

將本文所提出的方法與基于黃金分割法搜索的水印檢測算法[13]相比較，本方法不僅能檢測出拼接數(shù)據(jù)中所含水印信息的數(shù)量和類型，含有怎樣的水印信息，其最大的特色是可以對各個水印信息所對應(yīng)的分塊數(shù)據(jù)在拼接生成的新地理空間數(shù)據(jù)中的相應(yīng)位置進行區(qū)域定位。

本方法是基于地理空間數(shù)據(jù)分幅存儲特征進行設(shè)計的，對不同類型的地理空間數(shù)據(jù)具有良好的適用性，可應(yīng)用于矢量地理數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)等領(lǐng)域。

由于本方法是基于原型算法設(shè)計的，而在水印檢測過程中并沒有任何與原型算法的沖突和不融，因此可根據(jù)數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)特性等原則從現(xiàn)有研究成果中選擇合適的優(yōu)秀水印算法作為原型算法，在最大程度地保留現(xiàn)有研究成果優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，解決由于地理空間數(shù)據(jù)的拼接處理而引發(fā)的水印新問題，本文方法現(xiàn)勢性較好。

[1] 楊義先,鈕心忻.數(shù)字水印理論與技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2006

[2] 鐘樺,張小華,焦李成.數(shù)字水印與圖像認證：算法及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006

[3] 閔連權(quán).一種魯棒的矢量地圖數(shù)據(jù)的數(shù)字水印[J].測繪學(xué)報,2008,37(2):262-267

[4] 鐘尚平,高慶獅.矢量地圖水印歸一化相關(guān)檢測的可行性分析與改進[J].中國圖像圖形學(xué)報,2006,11(3):401-409

[5] Voigt M,Yang B,Busch C.Reversible Watermarking of 2D-Vector Data[C].2004 Multimedia and Security Workshop on Multimedia and Security,Magdeburg,2004

[6] 王向陽,楊紅穎,鄔俊.基于內(nèi)容的離散余弦變換域自適應(yīng)遙感圖像數(shù)字水印算法[J].測繪學(xué)報,2005,34(4):324-330

[7] 朱長青,任娜.一種基于偽隨機序列和DCT的遙感影像水印算法[J].武漢大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版,2011,36(12):1 427-1 429

[8] 符浩軍,朱長青,繆劍,等.基于小波變換的數(shù)字柵格地圖復(fù)合式水印算法[J].測繪學(xué)報,2011,40(3):397-400

[9] 符浩軍.柵格地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印模型與算法研究[D].鄭州:信息工程大學(xué),2013

[10] 李麗麗,孫勁光.基于DFT和水印分割的遙感影像數(shù)字水印方案[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用,2011,20(9):204-207

[11] 何密,羅永,成禮智.數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的無損數(shù)字水印[J].計算機工程與應(yīng)用,2007,43(30):40-43

[12] 閭國年,劉愛利.數(shù)字水印技術(shù)的DEM版權(quán)保護適用性研究[J].遙感學(xué)報,2008(5):810-818

[13] 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,2012(增刊):491-493

P208

B

1672-4623（2015）03-0017-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.006

符浩軍，博士，主要研究方向為地理數(shù)據(jù)共享與安全、GIS應(yīng)用等。

2014-04-14。

項目來源：國家自然科學(xué)基金資助項目（41071245）。