復合的海圖安全防護技術研究

徐鋒，李佳楠，孫建國,2

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復合的海圖安全防護技術研究

徐鋒1，李佳楠1，孫建國1,2

（1. 哈爾濱工程大學計算機科學與技術學院，黑龍江哈爾濱 150001；2. 中國科學院信息工程研究所，北京 100089）

提出了一種二維電子海圖自適應水印技術，利用平移不變策略，獲得海圖空間內頻域較穩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域內可嵌入水印的最大容量。實驗表明，該方法能夠適應海圖常規操作所帶來的數據擾動，具有較好的頑健性。

信息隱藏；數字水??；電子海圖；自適應性

1 引言

二維電子海圖是一種重要的數字海圖，它除了具有高保真和高精度外，還具有數據耦合度低、圖元類型豐富的特點。近年來，隨著國家海洋戰略的穩步實施，以及海洋開發、海軍裝備的快速發展，二維電子海圖得到了大范圍的應用。但二維電子海圖應用過程中存在安全短板，特別是大范圍應用后存在的安全問題，因此，它迅速被提到了國家數據安全戰略高度。由于二維電子海圖流通領域受限，制作及發布受到嚴格管理，所以國內外針對二維電子海圖的數字水印研究較少，《一種用于海圖版權標識的小波域數字水印技術》[1]是目前檢索到為數不多的有關電子海圖水印技術方面的文獻。文獻[2]論述了如何評價電子海圖安全性以及如何用數字水印保護電子海圖版權和內容，這是目前可查詢的直接討論電子海圖數字水印的唯一文獻。電子海圖內容安全性的研究包括加密手段等[3]。國外的相關研究主要有：基于結構性復合的安全水印，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，很多適應性較好的矢量地圖數字水印算法經過改進可以直接應用到該地圖[6~10]。

本文重點考慮電子海圖不同于常規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系統和陸地的地理經緯度信息，海洋坐標系的精度約在10?7~10?9，而陸地坐標系精度可以達到10?13~10?15，因此，對于通過調整坐標值以嵌入數字水印的頻域、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種精度的坐標系統，不是對精度損傷較大（遷就海洋坐標系統），就是無法實現水印整體嵌入（只能嵌入陸地坐標系）。本文通過平移不變策略，將其轉化為常規的二維電子地圖，再通過自適應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，較好地適應海圖“圖元類型復雜、數據耦合低”的特點。

2 平移不變策略求解特征節點

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化可供水印嵌入的數據載體集合。相關學者對此提出了多種實現方案。

如圖1所示，本質上地圖是一幅圖像，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系轉換。

(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。由于人類視覺系統對于圖像邊緣比較敏感，但對于獨立亮度的節點往往忽略。平移不變剪切變換在獲得高質量融合圖像的過程中，恰恰能夠得到這些獨立的高能量節點，只需要通過對這些高能量節點低頻子帶的系數進行梯度域奇異值分解和局部結構描述子比較，從中獲得相應的候選特征節點，這些節點是嵌入數字水印的理想位置。

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

3) 對每個矩形塊b，將區域內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，為對應矩形塊內像素的個數

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構描述子。

應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，在海圖的內陸及海洋深處區域，灰度變化較小，特別是右側邊緣幾乎沒有變化，此時，特征值、近似于0；在海洋和陸地交接的區域，灰度變化大，此時特征值；在海洋和陸地縱橫交錯的區域，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點的情況。

(a) 原始海圖

(b) 歸一化海圖

圖2 海圖預處理

3 灰度平衡方案

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

通過能量計算得到的紋理節點或輪廓過渡性節點稱為特征節點。設關鍵節點在平面內的位置為，轉化成極坐標形式為

以水平方向為起點，按照矩形塊長度或寬度進行分割，得到離散網格。

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構描述子獲得所有像素節點的能量分布。

3) 以矩形塊為單位，對海圖進行極坐標轉換，獲得每個矩形塊內的能量分布趨勢。

4) 計算相應節點同所在區域平均能量的差值，獲得對應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個對應的峰值。

4 數字水印算法

4.1 數字水印嵌入流程

輸入：二位電子海圖，數字水印

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，將區域內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構描述子。

5) 根據每個矩形塊b中的大小，按照降序排列所有矩形塊。

6) 計算各矩形內相應節點同所在區域平均能量的差值，獲得對應各矩形塊的差值序列。

8) 根據水印長度求得嵌入所需的矩形塊個數。

9) 順序讀取水印編碼W，嵌入到對應節點的低頻系數內。

10) 將嵌入節點位置編碼為密鑰。

4.2 數字水印提取流程

數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的容量。

在此基礎上，根據密鑰，提取每個對應節點低頻系數內的水印編碼，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，系統選擇IMG格式的影像地圖進行測試，軟件系統的開發環境為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。

水印標識采用統一的水印標記信息，如圖4所示。

5.1 格式轉換測試

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

本節討論目前廣泛應用的數據存儲類型。1）在TAB格式的海圖中嵌入水印后轉換為TIFF格式；2）在TIFF格式的海圖中嵌入水印后轉換為SHP格式。本文算法抗格式轉換操作的誤碼率結果如表1所示。

表1 本文算法抗格式轉換操作的誤碼率

由表1可知，格式轉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，使很多節點的能量都有所變換。

本文應用自適應因子的優勢體現在，無論海圖能量如何衰減和變換，只要在合理范圍內載有水印的節點，其能量始終符合所在區域的整體分布趨勢，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域或極小區域進行噪聲攻擊，那么，該方法的誤碼率將會有所提升，這是由自適應因子的全局統計特性所決定的。

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鍵性指標。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、旋轉等相互關聯，是海圖數據遭遇侵權和圖像非法復制的常見方式。本文算法抗剪切攻擊的誤碼率結果如表2所示。

本文算法在自適應因子應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仍然保持較好，故自適應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果/%

5.3 噪聲攻擊測試

紋理和輪廓是地圖的2類重要結構特征，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致海圖像素值的重大變化，特別是海圖通過格式轉換后，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，自適應因子是基于全局和區域性的能量分布統計，并以此控制水印信息嵌入的強度，因而，當整體范圍內受到噪聲攻擊時，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，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則地嵌入到載體中，從而為載體提供內容保護。

本文對水印算法進行水印容量測試。設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，如果僅僅通過節點搜索而無指導性地嵌入水印，那么部分水印容量的提升會直接導致誤碼率提高。

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組被告知地圖內包含水印，并提供原始地圖，要求在盡可能短的時間內找出差異或水印嵌入位置；B組被告知數字水印嵌入方式，要求找到水印嵌入位置。測試時間限定10 min，每1 min統計一次。由圖5實驗結果可以看到，A組僅1人檢測到水印位置；B組有2人檢測到數字水印嵌入位置，但無法完整提取水印。

6 結束語

由于電子海圖具有豐富的紋理特性和矢量結構，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，攜帶水印的節點能量突出，孤立存在，不易引起視覺系統檢測。在引入自適應因子后，算法很好地控制了每個節點的水印嵌入容量。如何應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鍵。

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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）；黑龍江省自然科學重點基金資助項目（No.F201212）；中央高校基礎研究基金資助項目（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，主要研究方向為網絡信息安全、下一代網絡體系結構。

孫建國（1981-），男，黑龍江巴彥人，哈爾濱工程大學副教授、碩士生導師，主要研究方向為信息安全、嵌入式系統設計。