CN111242825B - 一种基于水深特征的enc电子航海图零水印方法 - Google Patents

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Abstract

基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法，包括零水印构造和零水印提取检验方法，既克服了空间特征的可逆水印算法对电子海图数据造成一定数据(空间)扰动，又提升了属性特征的无损水印算法精度约减的抵抗性。

Description

一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法
技术领域
本发明涉及海洋测绘技术领域。
背景技术
ENC电子航海图零水印技术属于一种特殊应用范围内的数字水印技术，其在ENC电子航海图版权保护或内容认证等领域有广泛的应用。
当前，对于二维电子海图数字水印算法的研究主要有基于空间特征的可逆水印算法、基于属性特征的无损水印算法和基于语义的数字水印算法。基于空间特征的可逆水印算法，电子海图在本质上是由离散的矢量结点通过不断变化演化而来，通过解析海图的演化过程可以获得水印的嵌入结点，进而实现可逆水印算法的嵌入，为了避免对电子海图造成过大的数据扰动，水印的嵌入过程需要保持在一定扰动范围内，并在成功提取出水印信息后，对数字水印信息进行相似度计算。基于属性特征的无损水印算法，采用基于梯度算法的零比特动态无损水印实现方法，将零比特扩展技术用于水印处理，并同数字水印梯度算法的嵌入点选取技术相结合，具有较好地水印不可见性及鲁棒性。基于语义的数字水印算法，语义水印的使用目标是限定在合法用户内部，传播环境受控，在此基础上，限定每个用户权限，在打开地图数据前，用户无法发起对语义水印的直接攻击，同时，语义水印采取冗余嵌入的方式，在分发地图之前，将一些冗余的顶点嵌入到地图，用户使用地图前，权限水印被提取，冗余顶点同步清除，不对地图正常使用造成干扰。
上述三种算法仍存在许多不足：基于空间特征的可逆水印算法对电子海图数据造成一定数据(空间)扰动范围；基于属性特征的无损水印算法在ENC电子航海图中难以加入零比特水印，因为S57规范中位置使用的单位是经纬度坐标并通过乘数因子COMF转化为整数值，同时精度约减抵抗性、格式转换抵抗性和解释攻击抵抗性差。基于语义的数字水印算法，着重采用图像匹配技术，更广泛的语义信息的数字水印有待研究，同时，海图更新ER是最常见的操作，ENC海图数据的可改正性不足。实验环境方面，三种算法都使用MapInfo软件，电子海图的主要构成形式为SHP文件。
发明内容
为克服上述三种方法存在的不足，本发明提供了一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印技术。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法，包括零水印构造方法，步骤如下：
步骤一：对ENC电子航海图进行预处理得到水深点数据；
步骤二：对构造零水印的水深数据构建Delaunay三角网，利用水深插值先提取坡向特征线，根据提取的特征线作为骨架线，判断线上点对之间坡向特征性进而提取特征点；
步骤三：对提取的特征点选取合适的阈值进行点约束分块，再通过ZigZag排序各分块内水深点，进而得到水深点经纬度坐标二进制序列，保证每个分块内的坐标二进制序列的长度大于水印序列的长度；
步骤四：对原始水印图像进行Arnold置乱得到加密水印图像，再通过分组转化得到水印序列；
步骤五：将经纬度坐标二进制序列与水印序列进行补位异或操作得到零水印图像即零水印；步骤六：将各个分块产生的零水印图像，以及原始水印图像保存；
还包括零水印提取检验方法，包括以下步骤：
步骤一：对待检测ENC电子航海图进行预处理得到水深点数据；
步骤二：对水深点数据构建Delaunay三角网，利用水深插值提取坡向特征线进一步判断并提取水深特征点；
步骤三：对提取的特征点进行点约束分块，再通过ZigZag排序各分块内水深点，进而得到水深点经纬度坐标二进制序列；
步骤四：对水印图像进行分组转化得到水印序列，将经纬度坐标二进制序列与水印序列进行补位异或操作，按照原来水印的大小提取若干加密水印图像，再进行Arnold逆置乱得到待检测数据的水印图像；
步骤五：将多个提取的水印图像与原始水印图像进行对比验证，利用归一化相关系数NC值衡量两图像相似性，进而判断待检测数据的版权归属。
所述零水印构造步骤三中，ENC电子航海图中位置使用的单位是转换成整数型的十进制度数，被转换的坐标整数值用二进制进行编码，采用精度有效位前的整数值转换为二进制。
所述零水印构造步骤四、步骤五中，采用Arnold变换方式对水印进行加密处理，采用长和宽相等的图片数据Arnold置乱，Arnold变换公式为：
Figure BDA0002321394990000021
其中N为图片的长和宽的大小,X和Y为原始图像上的一点的横纵坐标，经过变换形成了另一个点坐标X′,Y′，将变换后的图像二值化处理，与分块后的坐标二进制序列进行补位异或操作得到零水印图像。
所述零水印提取检验步骤四中，对提取后的置乱的图像进行还原处理时，对正向置换公式求逆矩阵，得到Arnold置换的逆变换公式，则直接通过逆变换公式形成原图像，Arnold变换的逆变换公式如下：
Figure BDA0002321394990000031
所述零水印提取检验步骤五中，通过相似度值和所设定的阈值比较判断水印数据是否具有版权认证性，相似度(NC)的计算公式如下：
Figure BDA0002321394990000032
其中W(i,j)表示原始水印数据中(i,j)处的像素值，W′(i,j)表示矢量海图提取出的水印数据(i,j)处的像素值，m,n表示水印图片数据的行与列的值，
当NC为1时，说明提取后的水印图片数据与原始水印图片数据完全相同，图片受攻击后没有发生变化；当NC值处于0～1之间时，越靠近1，说明数据相似度越高，水印鲁棒性强；反之说明相似度越低，水印鲁棒性差，其中NC值取0.7作为识别水印的阈值。
所述零水印提取检验步骤五中，对比验证通过结构相似度SSIM衡量，SSIM为：
SSIM(W,W')＝l(W,W')c(W,W')s(W,W')#(4)
其中W是水印图像，W′是提取后的水印图像，
Figure BDA0002321394990000033
SSIM的值越接近1，可以说两幅图像越相似且图像的质量越好。
本发明的基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法，既克服了空间特征的可逆水印算法对电子海图数据造成一定数据(空间)扰动，又提升了属性特征的无损水印算法精度约减的抵抗性。
附图说明
图1为本发明的ENC电子航海图零水印构造流程图。
图2为ENC电子航海图零水印提取与检验流程图。
图3为SuperMap软件操作平台示意图。
图4(a)为原始水印示意图。
图4(b)为水印图像Arnold置乱1次后水印示意图。
图4(c)为水印图像Arnold置乱2次后水印示意图。
图4(d)为水印图像Arnold置乱10次后水印示意图。
图4(e)为水印图像Arnold置乱20次后水印示意图。
图4(f)为水印图像Arnold置乱30次后水印示意图。
具体实施方式
本发明的基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法，包括零水印构造和零水印提取检验，其中零水印构造如图1所示，包括以下步骤：
步骤一：对ENC电子航海图通过SuperMap超图软件进行预处理得到水深点数据；
步骤二：对构造零水印的水深数据构建Delaunay三角网，利用水深插值先提取坡向特征线，根据提取的特征线作为骨架线，判断线上点对之间坡向特征性进而提取特征点，坡向特征线是用于描述水深点坡向关系树的概念线，是为特征浅点提取提供判定依据的过渡虚拟连线，限定条件为设定水深数据的深度值选取阈值区间，即以图上闭合等深区域内的水深数据为一类，避免区间外数据对区间内数据的影响。在构建三角网并提取特征线后，利用特征线作为海底地形的骨架线，判断线上点对之间坡向特征性，即将水深数据中的最浅点和相对浅点认定为“特征浅点”进行提取；
步骤三：对提取的特征点选取合适的阈值进行点约束分块，再通过ZigZag排序各分块内水深点，进而得到水深点经纬度坐标二进制序列，保证每个分块内的坐标二进制序列的长度大于水印序列的长度，ENC电子航海图中位置使用的单位是转换成整数型的十进制度数，被转换的坐标整数值用二进制进行编码，为了抗精度约减，采用精度有效位前(舍弃后两位)的整数值转换为二进制，依次通过ZigZag排序并记录各块内的经纬度二进制序列，保证每个分块内的坐标序列长度大于水印序列的长度，单个水深点经纬度通过乘数因子COMF(107)转换为整数，在精度允许范围内可以舍弃末一(两)位再用二进制编码；
步骤四：对原始水印图像进行Arnold置乱得到加密水印图像，再通过分组转化得到水印序列，使用Arnold变换方式对水印进行加密处理,如图4所示；
步骤五：将经纬度坐标二进制序列与水印序列进行补位异或操作得到零水印图像即零水印，为简化计算，采用长和宽相等的图片数据Arnold置乱，由于Arnold置乱方式具有周期性，根据ENC电子海图接收用户的不同，将置乱的次数映射不同的用户，并作为密钥存储起来。Arnold变换公式为：
Figure BDA0002321394990000051
其中N为图片的长和宽的大小,X和Y为原始图像上的一点的横纵坐标，经过变换形成了另一个点坐标X′,Y′,将变换后的图像二值化处理，与分块后的坐标二进制序列进行补位异或操作得到零水印图像，N越大，表示的水印信息量越大，循环周期T越长，通过置乱次数(密钥)映射的海图用户越多；
步骤六：将各个分块产生的零水印图像，以及原始水印图像保存至版权保护中心(IPR)，并加入具有法律效力的时间戳，抵抗解释攻击。
零水印提取检验如图2所示，包括以下步骤：
步骤一：对待检测ENC电子航海图进行预处理得到水深点数据；
步骤二：对水深点数据构建Delaunay三角网，利用水深插值提取坡向特征线进一步判断并提取水深特征点；
步骤三：对提取的特征点进行点约束分块，再通过ZigZag排序各分块内水深点，进而得到水深点经纬度坐标二进制序列；
步骤四：对水印图像进行分组转化得到水印序列，将经纬度坐标二进制序列与水印序列进行补位异或操作，按照原来水印的大小提取若干加密水印图像，再进行Arnold逆置乱得到待检测数据的水印图像，对提取后的置乱的图像进行还原处理时，若之前经过n次置换，则还需要进行T-n次迭代才能恢复原图像，显然只靠一个正向公式运算量太大，因此对正向置换公式求逆矩阵，得到Arnold置换的逆变换公式，则直接通过逆变换公式进行同样次数n的变换便能形成原图像,Arnold变换的逆变换公式如下：
Figure BDA0002321394990000052
步骤五：将多个提取的水印图像与原始水印图像进行对比验证，利用归一化相关系数NC(Normalized Correlation)值衡量两图像相似性，进而判断待检测数据的版权归属，检测的目的是测试嵌入的数字水印的鲁棒性，在对矢量海图进行几何变换(平移、旋转、缩放)，地图裁剪、数据删除和增加后，计算提取出的水印数据和原始水印数据的归一化相关系数(Normalized Correction，NC)，通过相似度值和所设定的阈值比较判断水印数据是否具有版权认证性。相似度(NC)的计算公式如下：
Figure BDA0002321394990000053
其中W(i,j)表示原始水印数据中(i,j)处的像素值，W′(i,j)表示矢量海图提取出的水印数据(i,j)处的像素值，m,n表示水印图片数据的行与列的值，
当NC为1时，说明提取后的水印图片数据与原始水印图片数据完全相同，图片受攻击后没有发生变化；当NC值处于0～1之间时，越靠近1，说明数据相似度越高，水印鲁棒性强；反正说明相似度越低，水印鲁棒性差。其中NC值一般取0.7作为识别水印的阈值。
对比验证还可以通过结构相似度(SSIM)衡量，SSIM的定义为：
SSIM(W,W')＝l(W,W')c(W,W')s(W,W')#(4)
其中W是水印图像，W′是提取后的水印图像,
Figure BDA0002321394990000061
SSIM的值越接近1，可以说两幅图像越相似且图像的质量越好，一般来说，SSIM的值大于0.5，人们就可以接受该图像的质量。
本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法，其特征在于：包括零水印构造方法，步骤如下：
步骤一：对ENC电子航海图进行预处理得到水深点数据；
步骤二：对构造零水印的水深数据构建Delaunay三角网，利用水深插值先提取坡向特征线，根据提取的特征线作为骨架线，判断线上点对之间坡向特征性进而提取特征点；
步骤三：对提取的特征点选取合适的阈值进行点约束分块，再通过ZigZag排序各分块内水深点，进而得到水深点经纬度坐标二进制序列，保证每个分块内的坐标二进制序列的长度大于水印序列的长度；
步骤四：对原始水印图像进行Arnold置乱得到加密水印图像，再通过分组转化得到水印序列；
步骤五：将经纬度坐标二进制序列与水印序列进行补位异或操作得到零水印图像即零水印；
步骤六：将各个分块产生的零水印图像，以及原始水印图像保存。
2.根据权利要求1所述的一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法，其特征在于：还包括零水印提取检验方法，包括以下步骤：
步骤一：对待检测ENC电子航海图进行预处理得到水深点数据；
步骤二：对水深点数据构建Delaunay三角网，利用水深插值提取坡向特征线进一步判断并提取水深特征点；
步骤三：对提取的特征点进行点约束分块，再通过ZigZag排序各分块内水深点，进而得到水深点经纬度坐标二进制序列；
步骤四：对水印图像进行分组转化得到水印序列，将经纬度坐标二进制序列与水印序列进行补位异或操作，按照原来水印的大小提取若干加密水印图像，再进行Arnold逆置乱得到待检测数据的水印图像；
步骤五：将多个提取的水印图像与原始水印图像进行对比验证，利用归一化相关系数NC值衡量两图像相似性，进而判断待检测数据的版权归属。
3.根据权利要求1所述的一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法，其特征在于：所述零水印构造步骤三中，ENC电子航海图中位置使用的单位是转换成整数型的十进制度数，被转换的坐标整数值用二进制进行编码，采用精度有效位前的整数值转换为二进制。
4.根据权利要求1所述的一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法，其特征在于：所述零水印构造步骤四、步骤五中，采用Arnold变换方式对水印进行加密处理，采用长和宽相等的图片数据Arnold置乱，Arnold变换公式为：
Figure FDA0002321394980000021
其中N为图片的长和宽的大小,X和Y为原始图像上的一点的横纵坐标，经过变换形成了另一个点坐标X′,Y′，将变换后的图像二值化处理，与分块后的坐标二进制序列进行补位异或操作得到零水印图像。
5.根据权利要求2所述的一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法，其特征在于：所述零水印提取检验步骤四中，对提取后的置乱的图像进行还原处理时，对正向置换公式求逆矩阵，得到Arnold置换的逆变换公式，则直接通过逆变换公式形成原图像，Arnold变换的逆变换公式如下：
Figure FDA0002321394980000022
6.根据权利要求2所述的一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法，其特征在于：所述零水印提取检验步骤五中，通过相似度值和所设定的阈值比较判断水印数据是否具有版权认证性，相似度(NC)的计算公式如下：
Figure FDA0002321394980000023
其中W(i,j)表示原始水印数据中(i,j)处的像素值，W′(i,j)表示矢量海图提取出的水印数据(i,j)处的像素值，m,n表示水印图片数据的行与列的值，
当NC为1时，说明提取后的水印图片数据与原始水印图片数据完全相同，图片受攻击后没有发生变化；当NC值处于0～1之间时，越靠近1，说明数据相似度越高，水印鲁棒性强；反之说明相似度越低，水印鲁棒性差，其中NC值取0.7作为识别水印的阈值。
7.根据权利要求2所述的一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法，其特征在于：所述零水印提取检验步骤五中，对比验证通过结构相似度SSIM衡量，SSIM为：
SSIM(W,W')＝l(W,W')c(W,W')s(W,W')#(4)
其中W是水印图像，W′是提取后的水印图像，
Figure FDA0002321394980000024
SSIM的值越接近1，可以说两幅图像越相似且图像的质量越好。
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