CN104867099A - 一种基于防重复嵌入双水印的dem完整性认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于防重复嵌入双水印的DEM完整性认证方法，通过在水印嵌入之前加入鲁棒水印预检测机制，在不影响脆弱水印完整性认证效果的同时，有效防止了水印的重复嵌入。本发明的方法针对仅使用脆弱水印存在将未嵌入水印的数据和嵌入水印后遭受篡改的数据均认定为认证不通过而无法区分，以及别有用心者通过先篡改含有脆弱水印的DEM数据，然后再次嵌入相同脆弱水印的方式抵赖其篡改行为的问题，设计一种防重复嵌入的鲁棒+脆弱的双水印方法，更加准确有效地认证DEM数据的完整性。

Description

一种基于防重复嵌入双水印的DEM完整性认证方法

技术领域

本发明属于地理信息安全技术领域，具体涉及一种基于防重复嵌入双水印的DEM完整性认证方法。

背景技术

在信息技术迅速发展的大背景下，地理数据的经济和社会效益得到越来越多的关注和重视，数据的可靠性及完整性问题也已经成为了一个热门的研究课题。脆弱水印作为一种先进的数据完整性认证技术手段，目前已有众多学者对其在地理数据完整性认证方面的应用进行了深入的研究，但主要集中在矢量和遥感图像数据，针对DEM数据完整性认证的脆弱水印算法则是鲜少见刊。

此外，现有基于脆弱水印的完整性认证方法均以待检测数据已嵌入过水印为前提，在无法得知待检测数据是否含有脆弱水印时，则存在将未嵌入水印的数据和嵌入水印后遭受篡改的数据均认定为认证不通过而无法区分的问题。另一方面，在实际应用中，由于DEM数据生产者和使用者两相分离，别有用心者可以通过先篡改含有脆弱水印的DEM数据，然后再次嵌入相同脆弱水印的方式抵赖其篡改行为，则使得对数据完整性认证的准确性大打折扣。

鲁棒水印技术，作为数字水印技术的另一研究方向，目前发展已较为成熟。鲁棒水印具有证明水印存在性的作用，因此，可以利用这一特点，与脆弱水印相结合，充分发挥各自优点，共同解决上述问题，亦即更加有效地认证DEM数据的完整性，并通过防止水印的重复嵌入来防止先篡改再嵌入水印的篡改抵赖行为。

发明内容

本发明的目的在于：针对仅使用脆弱水印可能会导致将并未嵌入过脆弱水印的数据错误地认证为数据不完整的问题，以及别有用心者可通过先篡改数据再嵌入脆弱水印的方式对其篡改行为进行抵赖的问题，提出一种基于防重复嵌入双水印的DEM完整性认证算法，得到更为准确的完整性认证结果并防止使用重复嵌入水印来抵赖篡改行为的发生。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于防重复嵌入双水印的DEM完整性认证方法，包括以下过程：

(1)水印信息生成与嵌入

步骤一：根据DEM载体数据的精度，选取数据未受水印影响部分的数值，使用D8算法提取待嵌入水印DEM数据S的地形特征点，得到数据的特征区域S₁和非特征区域S₂：

步骤二：从由步骤一得到的待嵌入水印DEM数据的特征区域S₁中检测鲁棒水印(具体步骤见过程(2)鲁棒水印检测)，若不存在鲁棒水印说明数据是还未嵌入任何水印的原始数据，跳至步骤三，反之跳至步骤五，不再对该数据进行任何水印的嵌入操作，防止水印的重复嵌入；

步骤三：对还未嵌入任何水印的原始DEM数据，使用映射机制由数据的特征区域S₁生成鲁棒水印W_R，然后将鲁棒水印信息W_R量化嵌入到数据的特征区域S₁中，完成鲁棒水印的嵌入：

S′₁＝S₁⊕W_R

其中，⊕表示鲁棒水印嵌入规则；

步骤四：对含有鲁棒水印的数据特征区域S′₁进行MD5Hash运算，得到载体DEM数据的哈希值序列，亦即待嵌入的水印信息序列W_F，其长度恒为128位：

W_F＝MD5(S′₁)

W_F＝{W_F_i,1≤i≤128；W_F_i∈{0,1}}

提取DEM数据的非特征区域部分S₂得到待嵌入水印序列S₂：

$S_2=\{S_{2_i},i=1,2,\mathrm{...},64;S_{2_i}\∈\{0,1\left\}\right\}$

依次将待嵌入的水印序列W_F替换S₂的低两位平面，完成脆弱水印的嵌入；

步骤五：将已嵌入鲁棒水印的特征区域S′₁和已嵌入脆弱水印的非特征区域S′₂合并，得到嵌入防重复双水印的DEM数据S′，水印嵌入完成；

(2)水印信息检测

步骤一：与水印嵌入时方法相同，使用D8算法提取DEM数据S′的地形特征点，得到数据的特征区域S′₁和非特征区域S′₂；

步骤二：从特征区域S′₁中检测鲁棒水印，若不含鲁棒水印，跳过步骤三，直接判断认证不通过，反之跳至步骤三，进一步检测数据中脆弱水印的完整性；

步骤三：使用与脆弱水印嵌入时相同的方法，对重新提取的DEM特征区域S′₁进行MD5Hash运算得到用于验证的脆弱水印序列W_F；从DEM非特征区域S′₂中按照水印嵌入的方式提取出数据的低两位平面信息，组成待认证的水印序列W_F′；比较重新生成和提取的水印序列W_F和W_F′：

①若W_F≠W_F′，表示DEM数据不完整，认证不通过；

②若W_F＝W_F′，表示DEM数据完整，认证通过。

所述过程(1)步骤二及过程(2)步骤二检测鲁棒水印的方法为按照鲁棒水印嵌入的逆过程提取鲁棒水印信息W_R′，并再次生成原始的鲁棒水印信息W_R，计算其与提取出的鲁棒水印信息W_R′之间的相关性，若相关系数小于阈值0.5则判定待检测数据S′不含鲁棒水印，否则则含有鲁棒水印。

按照以上步骤即能完成基于防重复嵌入双水印的DEM数据完整性认证。

本方法的特点与技术优势：

(1)本方法在一般脆弱水印的基础上引入了鲁棒水印，避免了仅使用脆弱水印无法区分未嵌入水印的原始数据与嵌入水印后被篡改的数据的问题，得到了更为准确的完整性认证结果；

(2)本方法在水印嵌入之前加入了鲁棒水印预检测机制，在不影响脆弱水印完整性认证效果的同时，有效防止了水印的重复嵌入，避免了通过先篡改并再次嵌入水印的篡改抵赖行为，解决了实际应用中的难题。

附图说明

图1是本发明水印生成与嵌入流程图。

图2是本发明水印检测流程图。

图3是实施例的实验数据。

图4是实施例进行水印嵌入后的数据。

图5是图4经修改攻击的数据：(a)为高程平移攻击，(b)为高程缩放攻击，(c)为随机噪声攻击，(d)为数据删除攻击，(e)为数据裁剪攻击，(f)为部分替换攻击。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例选择一幅大小为509×515、分辨率为5m、浮点型高程数据的1:1万栅格DEM实验数据(如图3)，针对水印信息的生成、嵌入和检测等整个过程，给出本发明方法的一个实施例，进一步详细说明本发明。

1.水印信息生成与嵌入

步骤一：提取待嵌入水印DEM数据的地形特征点，得到数据的特征区域和非特征区域；

步骤二：检测提取出的数据特征区域中鲁棒水印的相关系数，相关系数小于0.5则跳至步骤三，反之则跳至步骤五，不再对该数据进行水印的嵌入操作；

步骤三：使用映射机制由数据的特征区域生成鲁棒水印W_R，并将鲁棒水印信息W_R量化嵌入到数据的特征区域中，完成鲁棒水印的嵌入；

步骤四：对含有鲁棒水印的数据特征区域进行MD5Hash计算，得到待嵌入的水印，并将提取出的数据非特征区域进行二进制转换，将生成的水印信息依次替换该区域的低两位平面上，完成脆弱水印的嵌入；

步骤五：将已嵌入鲁棒水印的特征区域和已嵌入脆弱水印的非特征区域合并，得到嵌入防重复双水印的DEM数据S'，完成水印嵌入操作。

2.水印信息检测

步骤一：再次提取待认证的DEM数据的地形特征点，得到数据的特征区域和非特征区域；

步骤二：按照鲁棒水印嵌入的逆过程计算数据特征区域中的鲁棒水印的相关性，若相关系数小于0.5说明待检测数据不含鲁棒水印，可直接判断认证不通过，反之跳至步骤三；

步骤三：使用与脆弱水印嵌入时相同的方法由数据的特征区域重新生成水印信息W_F，并从数据的非特征区域中提取水印序列W_F'；

步骤四：比较重新生成和提取的水印序列W_F和W_F'：

①若W_F≠W_F'，表示DEM数据不完整，认证不通过；

②若W_F＝W_F'，表示DEM数据完整，认证通过。

3.测试与分析

本发明所提出的方法是专门针对DEM数据的完整性认证方法，采用该方法可以对DEM数据进行更加准确的完整性认证和水印的防重复嵌入。

(1)DEM数据完整性认证

对嵌入水印后的DEM数据进行脆弱水印检测。实验结果表明，本方法可以准确检测到数据中的脆弱水印信息，以此认证载体DEM数据的完整性，认证准确性为100％。

(2)DEM数据常见修改攻击

数据修改攻击是指DEM数据被有意或无意的修改，包括高程平移、缩放、随机噪声及数据删除、裁剪、部分替换等。如图5所示，实验结果表明，本方法对于经过不同种类修改的含水印DEM数据，都能够正确地检测出DEM数据修改，有效地认证数据的完整性，虚警率和漏检率均为0。

(3)防重复嵌入测试

防重复嵌入是指仅能对载体数据嵌入一次水印。实验结果表明，本方法能够在不影响首次嵌入水印的同时，有效防止水印的重复嵌入，保证了含水印数据的唯一性。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (2)

1.一种基于防重复嵌入双水印的DEM完整性认证方法，其特征在于包括以下过程：

(1)水印信息生成与嵌入

步骤一：根据DEM载体数据的精度，选取数据未受水印影响部分的数值，使用D8算法提取待嵌入水印DEM数据S的地形特征点，得到数据的特征区域S₁和非特征区域S₂：

步骤二：从由步骤一得到的待嵌入水印DEM数据的特征区域S₁中检测鲁棒水印，若不存在鲁棒水印说明数据是还未嵌入任何水印的原始数据，跳至步骤三，反之跳至步骤五，不再对该数据进行任何水印的嵌入操作，防止水印的重复嵌入；

步骤三：对还未嵌入任何水印的原始DEM数据，使用映射机制由数据的特征区域S₁生成鲁棒水印W_R，然后将鲁棒水印信息W_R量化嵌入到数据的特征区域S₁中，完成鲁棒水印的嵌入：

S′₁＝S₁⊕W_R

其中，⊕表示鲁棒水印嵌入规则；

步骤四：对含有鲁棒水印的数据特征区域S′₁进行MD5Hash运算，得到载体DEM数据的哈希值序列，亦即待嵌入的水印信息序列W_F，其长度恒为128位：

W_F＝MD5(S′₁)

W_F＝{W_F_i,1≤i≤128；W_F_i∈{0,1}}

提取DEM数据的非特征区域部分S₂得到待嵌入水印序列S₂：

$S_2=\{S_{2_i},i=1,2,...,64;S_{2_i}\∈\{0,1\left\}\right\}$

依次将待嵌入的水印序列W_F替换S₂的低两位平面，完成脆弱水印的嵌入；

步骤五：将已嵌入鲁棒水印的特征区域S′₁和已嵌入脆弱水印的非特征区域S′₂合并，得到嵌入防重复双水印的DEM数据S′，水印嵌入完成；

(2)水印信息检测

步骤一：与水印嵌入时方法相同，使用D8算法提取DEM数据S′的地形特征点，得到数据的特征区域S′₁和非特征区域S′₂；

步骤二：从特征区域S′₁中检测鲁棒水印，若不含鲁棒水印，跳过步骤三，直接判断认证不通过，反之跳至步骤三，进一步检测数据中脆弱水印的完整性；

步骤三：使用与脆弱水印嵌入时相同的方法，对重新提取的DEM特征区域S′₁进行MD5 Hash运算得到用于验证的脆弱水印序列W_F；从DEM非特征区域S′₂中按照水印嵌入的方式提取出数据的低两位平面信息，组成待认证的水印序列W_F′；比较重新生成和提取的水印序列W_F和W_F′：

①若W_F≠W_F′，表示DEM数据不完整，认证不通过；

②若W_F＝W_F′，表示DEM数据完整，认证通过。

2.根据权利要求1所述的基于防重复嵌入双水印的DEM完整性认证方法，其特征在于：所述过程(1)步骤二及过程(2)步骤二检测鲁棒水印的方法为按照鲁棒水印嵌入的逆过程提取鲁棒水印信息W_R′，并再次生成原始的鲁棒水印信息W_R，计算其与提取出的鲁棒水印信息W_R′之间的相关性，若相关系数小于阈值0.5则判定待检测数据S′不含鲁棒水印，否则则含有鲁棒水印。