双特征下的二维电子海图水印技术研究

赖明珠，孙建国，张国印

（1.哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院，黑龙江哈尔滨150001；2.哈尔滨理工大学软件学院，黑龙江哈尔滨150080；3.中国科学院信息工程研究所，北京100093）

双特征下的二维电子海图水印技术研究

赖明珠1，2，孙建国1，3，张国印1

（1.哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院，黑龙江哈尔滨150001；2.哈尔滨理工大学软件学院，黑龙江哈尔滨150080；3.中国科学院信息工程研究所，北京100093）

二维电子海图是一种重要的数字产品，具有重要的商业价值和战略意义，针对二维电子海图内容完整性和版权保护验证缺乏相应支撑技术的问题，为提高其水印技术的实用性，依据电子海图数据组织结构特征和空间结构特征，采用阈值灵活控制水印算法对地图内容的扰动，提高了水印嵌入操作的低扰动、高鲁棒要求，同类方法测试对比，该算法具有更好的低误码率，在抵抗数据压缩，曲线拟合等常见地图攻击方面，具有更好的抵抗性能。

信息隐藏；数字水印；电子海图；版权保护；内容扰动；空间特征

二维电子海图是近年来逐步受到广泛重视的一种重要的地图资源，随着各国日益重视海洋资源的开发与利用，其具有更加重要的战略价值。对于如此重要的数字资源，与之相对的却是版权保护和信息安全技术的研究较为落后。一种用于海图版权标识的小波域数字水印技术［1］是目前可检索到的有关电子海图版权保护的文献。电子海图本质上也是一种二维数字地图，故具有一定的通用性［2〛。然而业界对电子海图信息安全技术专门研究却较少，原因有两个：一是海图的自身价值较高，且制作及流通受到严格管理，很多研究人员苦于缺乏足够的资源，而无法开展深入研究；另一方面，由于该领域部分应用技术的敏感性，很多成果并没有得到及时发表。值得一提的是，随着近年来电子海图在商业领域的迅速应用，如何确保电子海图的版权和对电子海图进行真伪鉴别已经成为亟待解决的技术问题。为了确保海图数字水印在鲁棒性、不可见性以及容量方面获得一个理想的平衡性能，需要通过实时控制水印嵌入操作对地图的扰动来实现，而扰动的明显表征即地图的数据组织结构和空间结构特征。

1 海图的数据组织与空间结构

二维电子海图的数据组织特征主要包括3个部分：属性特征、几何特征和关系特征。几何特征和关系特征被统称为空间特征。其中，属性数据特征描述了数字海图各实体的名称、色彩、比例尺等海图基本信息；而空间特征则定义了实体本身的空间位置坐标、相对地理关系等，此外，对于实体间的相邻、同线、同区域等空间关系，则通过链表方式将实体的ID编码进行了关联，利用ID号的从属关系来描述实体间的位置关系。

1.1 数据组织结构

以MapInfo为例，说明电子海图的数据组织特征，二维电子海图一般由4类数据文件组成：

1）结构说明模块TAB：以文本信息的方式定义了海图的图层结构，如前所述MapInfo维护的每张地图仅被称为一个图层；

2）属性信息描述模块DAT：用来描述每个地图对象的属性信息；

3）对象索引模块ID：实现每个地图对象与属性信息的对应关系；

4）空间信息模块MAP：记录了每个对象与其他关联对象的空间位置关系。

表1 电子地图数据组织结构说明Table 1 Introduction of data construction for electronic chart

海图的空间特征信息主要存储在MAP文件中，该文件由大小为512或1 024字节的数据块组成，描述了对象的空间位置、索引以及拓扑关系等信息，每个数据块的第一个字节称为块标记。最主要的文件块包括：

1）索引块：利用索引块信息，可通过ID文件，在TAB中快速查找到每个空间对象的属性信息；

2）坐标定义块：复杂的空间对象由一个子对象描述和实际坐标组成，而单一的空间对象仅有坐标组成，每个坐标块中都保留了大量字节。

1.2 空间结构特征

电子海图作为一种二维数字矢量地图［3⁃4］，具有明显的空间演化特性。

定义1离散度量空间：设矢量地图X中包含N个矢量结点，则度量ρ：X×X→R，表示任意两个矢量结点的相关度。可知对于任意两个独立结点xi，xj必有ρ（xi，xj）＝0。

定义2拓扑空间：由度量空间的性质，对于包含若干矢量结点的集合Ai，Ai⊂X是（X，ρ）上的开集，若存在集族I＝∪ki＝1Ai，则称偶对（X，I）为拓扑空间，表示任意对象集合间的相关性。

定义3矢量空间：在拓扑空间（X，I）中，对于拓扑ℑ的元素Αi，若对于任意结点a∈Αi，图层Ε上都有唯一的Ε（a）对应，则称为其矢量空间，记作（Χ，I◦E），且Ε（a）＝｛0，1｝，Ε只包括基本图层：点，线和区域图层。

对于矢量空间（Χ，I◦E），若复合图形图像形式的渲染效果，最终表现为广泛应用的电子海图。

定义4目标群：在地图解析过程中，由被选择用来嵌入水印编码的结点所组成的集合称为目标群或嵌入目标群，表示为T。称所有能够符合水印嵌入条件的结点集合为候选目标群，记作CT，显然T⊂CT。

通过上述对数字海图数据结构以及空间结构的分析，可以看到在设计电子海图水印算法时，除了要考虑鲁棒性、隐藏容量、不可见性能等水印基本性能，以及精度无损、抗矢量数据压缩、效率等专属特性外，还应重点考察电子海图附属属性对水印算法的影响，因为它直接关系到所设计算法的实用价值。附属属性对水印算法的影响可以用误码率来衡量。

2 基于双特征的扰动控制模型

2.1 双特征下的海图模型

海图内容特征模型包括属性信息维Da（attrib⁃ute dimension）、几何信息维Dg（geometry dimen⁃tsion）以及关系信息维Dc（correlation dimentsion）。基于该特征模型，任意数字矢量地图的数据结构可表示为V＝｛Da，Dg，Dc｝。

各维度包含的数据内容称为要素。维度可表示为所含要素的n元有序序列，即任意维度可表示为Dx＝＜en－1，…，e1，e0＞，在有序序列“en－1，…，e1，e0”中，根据要素的稳定性由强到弱排列。

如图1所示，为了降低模型复杂度，将原有的几何信息维和关系信息维统一归纳为空间信息维，建立包含属性信息、空间信息、附属信息的矢量地图多元内容特征复合模型。

图1 海图多元内容特征模型Fig.1 Multiple content feature model of electronic chart

模型的多元体现在两个方面：

1）增加了模型的维度。附属信息维（subsidiary dimension，Ds）的特性更加丰富，对水印算法的设计目标和性能具有更强烈的影响，同时，为了降低模型复杂度，将几何信息与关系信息统一到空间信息维度。矢量地图表示为V＝｛Da，（Dg，Dc），Ds｝。

2）包含了多种要素。附属信息维包含对地图水印算法性能有影响的特性要素，要素之间彼此独立，稳定性无法比较。为此附属信息维表示为Ds＝，要素ei，…，ek，ej∈Ds，且｛ei∪…s，t∈（0，1）。在附属信息维内，要素没有稳定性的强弱对比，而是通过稳定参数来表现的。

2.2 基于双特征的扰动控制策略

建立海图数据内容扰动模型，分析水印嵌入强度对海图原始数据精度的影响，控制好误差，然后通过理论分析与实验验证，选择恰当的水印容量和嵌入参数，设误差系数f，地图原始精度为p，水印嵌入强度为b，单位嵌入系数值为Δ，则该地图的扰动区须确保水印嵌入系数值处于一个区间内，即条件如式（1）所示。

在此调整范围，可确保海图数据精度10－6～10－8不会被改变，在具体实现时，可将地理坐标信息转换为整数值，即扩大为原值的108～1010之间，然后进行整数域的数据变换。

通过f来调整水印嵌入强度同海图数据扰动容忍度以及水印方法综合性能之间的关系，修正方法：

1）获取海图的顶点集合；

2）通过空间聚类和实体重心计算获得两个关键顶点，计算相对相位值；

3）对相位值的整数部分计算邻近差值；

4）获得一个新的差值序列；

5）获得差值序列的符合拉普拉斯近似分布的数据，并能够获得零点和峰值，分别用OL和OR表示左右零点，HL和HR表示两个对应的峰值；

6）自适应可嵌入的水印最大容量为f（TL）+ f（TR）。

3 实验验证与分析

基于MAPX插件的VC.NET应用程序测试明［5］，基于双特征的数字水印技术对电子海图地图精度及应用无任何影响。算法的鲁棒性、容量等性能论述如下。

3.1 实验验证与分析

鲁棒性测试的实验条件是：对于定义好的水印编码W0，嵌入率界定于40%～60%之间。嵌入率是指水印编码长度与地图载体编码长度的比值；其中，地图载体编码长度是指可嵌入水印信息的结点数量与单个结点可嵌入的最大水印编码长度的乘积。在同等嵌入率的情况下，选择相同的哈尔滨市服务点数字矢量地图。为了更好地说明问题，选择了Michael提出的一种数字水印算法［6］进行鲁棒性测试。选取的实验内容包括：剪切攻击，扭曲变形，噪声攻击（α＝50）。对算法性能的评测指标为误码率。

误码率是指对于提取到的水印信息编码Wt，若水印W0完全一致的概率为1－p。那么，Wt与W0存在编码差异的概率是p，p称为误码率。

表2所示为鲁棒性测试的结果。由于电子海图在数据组织方面的特性，即便数据被删除，其实体对象的信息仍然存在，仅是通过将删除标志位置1的方式，将其屏蔽。同时，由于空间位置关系的制约，大量关键结点不可能被轻易删除，因为这会破坏地图的可用性。在嵌入的过程中，运用阈值因子很好地控制类对于地图造成的扰动，故实验结果本文算法较优。

表2 本文算法与其他算法的鲁棒性测试对比Table 2 Comparison for the robustness performance

3.2 不可见性分析

对于水印算法的鲁棒性、不可见性和隐藏容量3种基本性能之间的关系，正如尹浩等［7］所描述的一样（如图2所示），是一种处于互相制约的平衡。

图2 算法性能间的制约关系Fig.2 Relations of performance factors

为此，本文算法采取一种弹性调整方式来设定水印容量。首先，根据水印编码长度来定义目标结点集合的选取规模，保证存在足够多的结点用来载入水印信息；并利用双特种扰动控制模型，实现数字水印信息的最低扰动下的嵌入操作，保证目标集合中的每个结点均至少嵌入了一比特的水印信息。在保证高鲁棒性的前提下，来控制水印信息编码的长度。

3.3 水印容量测试

本文从保持视觉系统HVS无法检测水印嵌入的前提下［8］，对水印容量进行了测试。

参照视觉检测的通常手段，选择20名地理信息相关领域的研究生同学对同一副电子海图的水印信息进行视觉测试，将其分成两组：A组被告知地图包含水印，并为其提供原始地图，要求在尽可能短的时间内找出嵌入规律或地图间的差异；B组被告知水印具体的嵌入手段，要求其查明水印嵌入位置即可。测试时，每1 min统计一次数据，时间限定10 min。

实验结果为：A组仅1人察觉到水印的存储方式；B组有2人找到水印嵌入位置方式，但无法提取水印。

结果表明：本文算法引入了扰动控制模型后，水印嵌入对海图内容改变轻微［9⁃11］，在确保相当水印嵌入容量的前提下啊，不可见性和鲁棒性得到了提升。

4 结论

鲁棒性、不可见性和水印容量是制约水印算法性能提升的3种重要指标，算法通过引入数据组织特征和空间结构特征，构建了电子海图的关键特征模型，阈值扰动控制参数能够确保关键特征不被破坏的前提下，最大限度地平衡上述3种指标，以提高水印算法的综合性能，同以往方法相比，该算法更具有实际的应用意义。如何降低扰动，甚至实现无损性嵌入是电子海图水印算法未来的研究趋势。

［1］曹刘娟，门朝光，孙建国.基于空间特征的二维矢量地图可逆水印算法原［J］.测绘学报，2010，39（4）：422⁃427.CAO Liujuan，MEN Chaoguang，SUN Jianguo.Space fea⁃tured⁃based reversible watermarking theory for 2D vector maps［J］.Acta Geodaeticaet Cartographica Sinica，2010，39（4）：422⁃427.

［2］HARRIE L，SARJAKOSKI J.Simultaneous graphic general⁃ization of vector datasets，Geo informatica［J］.Computers Environment and Urban Systems，2012，6（3）：233⁃261.

［3］SUN Jianguo，ZHENG Chonghui，GAO Di.Lossless digital watermarking scheme for image maps［J］.China Comunica⁃tions，2014，11（8）：125⁃130.

［4］孙建国，门朝光.基于二维矢量地图属性特征的数字水印算法［J］.高技术通讯，2009，19（7）：713⁃717.

SUN Jianguo，MEN Chaoguang.A digital watermarking al⁃gorithm based on attribute features of 2D vector maps［J］.Chinese High Technology Letters，2009，19（7）：713⁃717.

［5］LEE S H，HUO Xiaojiao，KWON K R.Vector watermarking method for digital map protection using arc length distribu⁃tion［J］.LEICE Transactions on Information and Systems，2014，E97D（1）：34⁃42.

［6］MICHAEL V，BIAN Y，CHRISTOPH B.Reversible water⁃marking of 2D⁃vector data［C］／／Proceedings of the 2004 ACM International Workshop on Multimedia and Security，Magdeburg，Germany.2004：160⁃165.

［7］尹浩，林闯，邱峰，等.数字水印技术综述［J］.计算机研究与发展，2005，42（7）：1093⁃1099.

YIN Hao，LIN Chuang，QIU Feng，et al.A survey of digital watermarking techniques［J］.Journal of Computer Research and Development，2005，42（7）：1093⁃1099.

［8］KIM J.Vector map digital watermarking using angles［C］／／The 6th International Conference on Networked Computing andAdvancedInformationManagementNCM.Paris，France，2010：417⁃423.

［9］POTDAR V M，HAN S，CHANG E.A survey of dital image watermarking techniques［C］／／2005 3rd IEEE International Conference on Industrial Informatics.Perth：IEEE Press，2005：709⁃726.

［10］SARRESHTEDAR S，AKHAEE M A.A source⁃channel coding approach to digital image protection and self⁃recov⁃ery［J］.IEEE Transactions on Image Processing，2015，24（7）：2266⁃2277.

［11］WANG N，MEN Chaoguang.Reversible fragile watermarking for locating tampered blocks in 2D vector maps［J］.Multime⁃dia Tools and Applications，2013，67（3）：709⁃739.

Research on 2D digital watermarking technology for electronic charts with duple features

LAI Mingzhu1，2，SUN Jianguo1，3，ZHANG Guoyin1
（1.Department of Computer Science and Technology，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.Department of Software Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China；3.Institute of Information Engineering，CAS，Bei⁃jing 100093，China）

Two⁃dimensional electronic charts are an important type of digital products with crucial implications in terms of commerce and strategy.In order to improve the content integrity of 2D electronic charts and enhance tech⁃nical support to the copyright verification issue，duple features in data origination and space structure are integrated into the current system and the method that adopts threshold to control watermarking flexibly is adopted to reduce the disturbance to mapping.Compared with similar studies，the proposed method enhances the performance of map⁃ping with less distortion and higher robustness.Furthermore，it shows lower error coding rate and much higher abili⁃ty of resistance towards compression，curve fitting and other digital attacks in mapping.

information hiding；digital watermarking；electronic chart；copyright protection；content perturbation；space feature

10.3969／j.issn.1006⁃7043.201403082

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20150414.1529.002.html

TP309

A

1006⁃7043（2015）05⁃0678⁃04

2014⁃03⁃26.网络出版时间：2015⁃04⁃14.

国家自然科学基金资助项目（61202455，61472096）；教育部博士点基金资助项目（20112304120025）；教育部中央高校基础研究基金资助项目（HEUCF100612）；黑龙江省自然科学基金资助项目（F201212，F201306）.

赖明珠（1973⁃），女，讲师，博士研究生；

张国印（1962⁃），男，教授，博士生导师.

张国印，E⁃mail：zhangguoyin＠hrbeu.edu.cn.