本發(fā)明涉及的是一種電子海圖的加密保護(hù)方法，具體地說(shuō)是一種電子海圖權(quán)限水印技術(shù)。

背景技術(shù)：

權(quán)限水印，又稱“安全水印”，屬于可逆水印的一種，但權(quán)限水印標(biāo)識(shí)包含了海圖的操作特性和文件屬性，因而通過(guò)解析水印標(biāo)識(shí)可以達(dá)到限制用戶操作權(quán)限的目的。眾所周知，二維電子海圖已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋開發(fā)、海洋工程等領(lǐng)域；同時(shí)，針對(duì)二維電子海圖大范圍應(yīng)用后所存在的安全性問(wèn)題，也迅速成為研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)，其中，二維電子海圖“安全水印”及相關(guān)性技術(shù)的研究在國(guó)內(nèi)尚屬首次提出。當(dāng)前，二維電子海圖安全研究進(jìn)展相對(duì)緩慢，根據(jù)水印實(shí)現(xiàn)方法的不同，已有二維電子海圖水印方法大致可分為如下兩類：(1)結(jié)構(gòu)性復(fù)合水印，(2)內(nèi)容復(fù)合水印。電子海圖安全水印技術(shù)的研究才剛剛起步，還存在很多既有理論深度，又有應(yīng)用價(jià)值的問(wèn)題亟待解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種在保持水印方法在水印容量、魯棒性等方面的穩(wěn)定性能基礎(chǔ)上，能實(shí)現(xiàn)管控電子海圖傳輸安全、操作權(quán)限管控的基于語(yǔ)義特征的電子海圖權(quán)限水印技術(shù)。

本發(fā)明的目的是通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)的：

步驟一：構(gòu)造權(quán)限水印標(biāo)識(shí)；

步驟二：水印標(biāo)識(shí)語(yǔ)義轉(zhuǎn)換；

步驟三：語(yǔ)義水印的制作；

步驟四：數(shù)字水印嵌入；

步驟五：語(yǔ)義水印提取；

步驟六：語(yǔ)義特征圖像匹配。

本發(fā)明還可以包括：

1、所述的構(gòu)造權(quán)限水印標(biāo)識(shí)具體包括：(1)對(duì)于給定的電子海圖V，將其分發(fā)給i個(gè)用戶，根據(jù)用戶U_j(j＝1,2,…,i)對(duì)電子海圖V的不同權(quán)限，制定訪問(wèn)控制列表L；(2)對(duì)于L0＝＜U1,V,OE,OE,OE,ON,OE,ON＞，表明用戶U1對(duì)電子海圖V的權(quán)限項(xiàng)"OE,OE,OE,ON,OE,ON"中，OE為使能，而ON為操作禁止，分別代表了“打開、編輯、剪切、復(fù)制、打印、更名”操作元素，當(dāng)“打開”元素為禁止時(shí)，后續(xù)操作項(xiàng)均為禁止，即"ON,ON,ON,ON,ON,ON"；(3)將電子海圖V的訪問(wèn)操作列表L內(nèi)的元素逐條轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼，即L0＝＜U1,V,OE,OE,OE,ON,OE,ON＞轉(zhuǎn)換后為“11111010”；(4)將轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼的訪問(wèn)控制列表BL構(gòu)造為M×N的多維向量，其中，M為一條訪問(wèn)控制項(xiàng)，N為用戶個(gè)數(shù)。

2、所述的水印標(biāo)識(shí)語(yǔ)義轉(zhuǎn)換具體包括：將使用者ID和允許的權(quán)限操作序列構(gòu)建權(quán)限水印編碼，每一個(gè)權(quán)限水印編碼都對(duì)應(yīng)一類水印圖像。

3、所述的語(yǔ)義水印的制作具體包括：對(duì)于任意的電子海圖V，其服務(wù)的用戶群N，根據(jù)海圖分配列表，得到如下關(guān)系：f(v_i，n_j)＝<v_i，n_j>v_i∈V，n_j∈N，有序偶對(duì)<v_i，n_j>表示一種分配，即將地圖v_i分配給用戶n_j使用，電子海圖V包含k₁個(gè)地圖，服務(wù)用戶數(shù)目為k₂；

海圖有限權(quán)限集合M，包括“瀏覽、剪切、復(fù)制、打印、另存”，表示為{m_t|m_t∈M，|M|＝T}，文件管理方根據(jù)海圖分配列表細(xì)化操作權(quán)限，得到如下關(guān)系：。其中，∪M_k＝M，有序偶對(duì)<v_i，n_j，M_k>表明允許用戶n_j對(duì)地圖v_i可以執(zhí)行的權(quán)限內(nèi)容為M_k，M_k是一個(gè)離散的權(quán)限集合；

海圖權(quán)限編碼R2，是一組定長(zhǎng)為K的二進(jìn)制編碼串。K值由文件操作權(quán)限數(shù)量而定，如，對(duì)文件的操作行為包括“瀏覽、剪切、復(fù)制、打印、另存”，則“K＝5”。此時(shí)可定義為：R₂{k_t|1≤1≤5，k_t∈{0，1}}，k_t＝0表示對(duì)應(yīng)操作權(quán)限不可執(zhí)行，k_i＝1表示具有相應(yīng)操作權(quán)限。如，對(duì)某地圖文件可擁有的權(quán)限為“可瀏覽、可剪切、可復(fù)制、不可打印、不可另存”，則對(duì)應(yīng)的權(quán)限編碼為R2：{k_t|1≤1≤5，k_t∈{0，1}}＝{1，1，1，0，0}，即R2＝“11100”。

用戶編碼R1，同樣用定長(zhǎng)的二進(jìn)制編碼表示，假設(shè)多個(gè)地圖被x個(gè)用戶共享使用，則用戶編碼長(zhǎng)度為如，全部地圖文件共提供給7為用戶使用，為了表示每一位用戶的獨(dú)立ID，共需要4位二進(jìn)制編碼表示，可定義為“000”，“001”，“010”及“011”。

4、所述的數(shù)字水印嵌入具體包括：對(duì)于給定的電子海圖v，電子海圖的大小為z，語(yǔ)義水印圖像的大小為w，初始閾值λ，將電子海圖v等分為個(gè)區(qū)域，在電子海圖的個(gè)區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)選擇多個(gè)區(qū)域嵌入數(shù)字水印圖像，且確保在每個(gè)區(qū)域內(nèi)完整地嵌入一個(gè)數(shù)字水印圖像。數(shù)字水印的嵌入采用增加冗余節(jié)點(diǎn)的方式，在海圖內(nèi)增加冗余節(jié)點(diǎn)的方式為：1)選擇海圖的曲線，在曲線上增加冗余節(jié)點(diǎn)；2)在分割的區(qū)域內(nèi)，如果沒(méi)有曲線可供水印嵌入時(shí)，直接構(gòu)建多條冗余的曲線和節(jié)點(diǎn)；3)將數(shù)字水印編碼依次嵌入到這些節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)內(nèi)，得到修改后的電子海圖v′。

5、所述的語(yǔ)義水印提取具體包括：(1)根據(jù)修改后的電子海圖v′，采取自適應(yīng)的方法獲得初設(shè)閾值λ，根據(jù)區(qū)域規(guī)劃算法獲得等面積的分割區(qū)域；(2)檢測(cè)兩個(gè)相鄰區(qū)域內(nèi)是否存在冗余節(jié)點(diǎn)，得到奇數(shù)或偶數(shù)序號(hào)區(qū)域；(3)在奇數(shù)或偶數(shù)序號(hào)的區(qū)域內(nèi)，去除冗余節(jié)點(diǎn)，提取水印碎片；(4)根據(jù)語(yǔ)義特征匹配算法，獲得語(yǔ)義特征庫(kù)內(nèi)分類特征編碼；(5)根據(jù)語(yǔ)義圖像分類特征編碼，獲得水印編碼；(6)解析水印編碼，獲得用戶ID和地圖的權(quán)限信息。

6、所述的語(yǔ)義特征圖像匹配具體包括：采用基于對(duì)象庫(kù)語(yǔ)義表達(dá)的圖像分類算法，設(shè)若嵌入的語(yǔ)義水印圖像i，i∈I_a，且I_a內(nèi)特征圖像的數(shù)量表示為I_a＝{i₁，i₂，i₃，i₄，...i_n}，通過(guò)圖像分類的方式，得到如下信息，即i_y∈I_a，獲得I_a庫(kù)對(duì)應(yīng)的權(quán)限編碼；流程包括：

1)對(duì)象庫(kù)的構(gòu)建；

2)圖像特征分析

對(duì)于這些語(yǔ)義圖像，使用顏色熵來(lái)衡量圖像的背景復(fù)雜度，H(x)＝-∑_b∈BC_x(b)logC_x(b)，其中，C_x表示歸一化后的圖像顏色直方圖，B代表顏色的量化集合；

3)圖像分類

對(duì)于待分類的水印碎片圖像Ix，使用如下公式求解Ix的稀疏表示向量∝，arg[公式1]，其中，N_c表示類別數(shù)量，而I_s表示第s類的分類特征圖像集合，I_j表示第j個(gè)待分類圖像，N_s表示I中圖像數(shù)量。

對(duì)于待分類的水印碎片Ix，求得稀疏表示向量∝后，對(duì)其進(jìn)行確切分類，獲得分類特征庫(kù)的編碼，即權(quán)限編碼，其中，選取重構(gòu)殘差最小時(shí)的D_i，將Ix確定為該類特征圖像，獲得對(duì)應(yīng)權(quán)限編碼。

獲得對(duì)應(yīng)權(quán)限編碼的具體過(guò)程為：輸入：I：分類特征圖像庫(kù)集合，Ix：待分類水印碎片p：最優(yōu)近鄰集合。輸出：Ix的分類特征圖像編碼：從I中選擇與Ix關(guān)鍵特征相似的圖像I_j，結(jié)合I_j的分類特征信息，構(gòu)建Ix的上下文鄰居集合；計(jì)算鄰居與Ix的距離，選擇距離最小的Ix個(gè)樣本構(gòu)成最優(yōu)鄰居集合將Ix和分別分別代入公式1，求解Ix的稀疏表示向量∝；根據(jù)公式8，對(duì)Ix分類計(jì)算，得到具體的分類特征圖像庫(kù)序號(hào)i；返回圖像庫(kù)編號(hào)，獲得權(quán)限編碼。

本發(fā)明針對(duì)二維電子海圖的安全可靠性應(yīng)用進(jìn)行研究，將充分考慮電子海圖的數(shù)據(jù)特性和文件的結(jié)構(gòu)化特性，在保持水印方法在水印容量、魯棒性等方面的穩(wěn)定性能基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)管控電子海圖傳輸安全、操作權(quán)限管控的目標(biāo)。在理論上，它將為數(shù)字水印領(lǐng)域的交叉性研究提供新原理新方法，為數(shù)字水印的擴(kuò)展應(yīng)用提供新的關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)數(shù)字水印研究向?qū)嵱没较蜻~進(jìn)；在應(yīng)用上，它將為數(shù)字海圖網(wǎng)絡(luò)化安全管理、可靠性應(yīng)用提供一種新的技術(shù)。

本發(fā)明所提出的一種基于語(yǔ)義特征的電子海圖權(quán)限水印技術(shù)，較好地滿足了數(shù)字地圖的精度無(wú)損要求，水印信息嵌入和檢測(cè)對(duì)于地圖都有很好的適用性。

附圖說(shuō)明

圖1二維電子海圖權(quán)限水印標(biāo)識(shí)構(gòu)造示意圖；

圖2水印制作端流程；

圖3基于區(qū)域劃分的水印規(guī)劃方案；

圖4均勻分配的語(yǔ)義水印嵌入方案；

圖5電子海圖的局部放大效果圖；

圖6數(shù)字水印嵌入算法；

圖7數(shù)字水印提取算法；

圖8(a)測(cè)試用數(shù)字地圖1；

圖8(b)測(cè)試用數(shù)字地圖2；

圖8(c)測(cè)試用數(shù)字地圖3；

圖9測(cè)試用數(shù)字水印；

圖10本發(fā)明的總體流程圖；

圖11片段式的權(quán)限列表；

圖12權(quán)限序列對(duì)應(yīng)的語(yǔ)義分類圖像示例表；

圖13權(quán)限操作的關(guān)聯(lián)性表；

圖14剪切操作實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表；

圖15亮度調(diào)整操作實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表；

圖16可視化對(duì)比效果表；

圖17嵌入率和最大誤差對(duì)比效果表

圖18攻擊前后效果圖表

圖19方法水印提取效果圖表。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的描述。

選擇基于AO插件的ArcGIS二次開發(fā)平臺(tái)。ArcGIS平臺(tái)是主流的數(shù)字地圖編輯環(huán)境，能夠分類地圖圖層，提取坐標(biāo)等多種屬性信息。該系統(tǒng)提供了基于AO(Arc Objects)和AE(Arc Engines)兩種模式的二次開放環(huán)境。對(duì)于地圖數(shù)字水印研究領(lǐng)域，基于AO的開發(fā)環(huán)境提供了更多封裝和對(duì)象以供調(diào)用。

如圖9所示，實(shí)驗(yàn)選擇了三幅數(shù)字地圖。按照?qǐng)D11的表1和圖12的表2的規(guī)則，本發(fā)明選定了一幅數(shù)字水印圖像如圖9所示，水印圖像大小為30×40。嵌入率界定于40％到60％之間，嵌入率指水印編碼長(zhǎng)度與載體空間規(guī)模的比值。其中，地圖載體空間規(guī)模是指可嵌入水印信息的結(jié)點(diǎn)數(shù)量與單個(gè)結(jié)點(diǎn)可嵌入水印編碼長(zhǎng)度的乘積。

將從以下方面，具體討論本發(fā)明的的方法與已有方法[1][2]的性能和特點(diǎn)的比較。

已有方法[1]Wang nana,Men Chaoguang.Reversible Fragile Watermarking for 2D Vector Map Authentication with Localization.Computer-Aided Design.2012,44(4):320-330.

已有方法[2]Cao L,Men C,Ji R.High-capacity reversible watermarking scheme of 2D-vector data[J].Signal Image&Video Processing,2014,9(6):1387-1394.

(1)魯棒性分析

相同情況下，同比其他方法，測(cè)試本發(fā)命方法的抗攻擊性能，包括剪切操作和亮度調(diào)整。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析使用了均方根誤差(RMSE,Root Mean Square Error)來(lái)計(jì)算水印方法對(duì)于數(shù)字地圖的內(nèi)容擾動(dòng)。

同時(shí)，選用歸一化系數(shù)(NC,Normalized Correlation Coefficient)來(lái)計(jì)算結(jié)果水印與原始水印之間的相似度。式中，f(x)，f′(x)，f″(x)分別表示x坐標(biāo)值在不同地圖對(duì)象內(nèi)的取值，即原始地圖、嵌入數(shù)字水印后的地圖以及提取水印后的數(shù)字地圖。

剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14的表4所示，在實(shí)驗(yàn)中NC值比較了兩次，NC1為水印方法直接提取的結(jié)果對(duì)比，而NC2為語(yǔ)義水印進(jìn)一步解碼后的比較結(jié)果。同時(shí)，方法還進(jìn)行了效率對(duì)比。

從圖14的表4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，方法在水印檢測(cè)的準(zhǔn)確性方面要強(qiáng)于其他兩種方法，特別是語(yǔ)義特征匹配后，方法能夠獲得更精確地水印編碼信息。同時(shí)，本發(fā)明的方法具有更快的執(zhí)行速度，計(jì)算時(shí)間主要用于提取水印碎片之后的解碼和特征匹配。而其他兩種方法的計(jì)算時(shí)間則主要用于對(duì)于提取到的殘留水印信息進(jìn)行再組織。

目前，數(shù)字水印方法主要包括空域和頻域兩類。由于空域方法對(duì)于地圖內(nèi)容的擾動(dòng)普遍較大，因而，基于頻域的方法研究逐步成為熱點(diǎn)。頻域方法通過(guò)數(shù)學(xué)變換方式，將水印嵌入到地圖的頻域系數(shù)內(nèi)，該類方法對(duì)于地圖像素信息的調(diào)整較為敏感。如圖15的表5所示，本發(fā)明對(duì)嵌入數(shù)字水印的地圖進(jìn)行了亮度調(diào)整操作的魯棒性測(cè)試。通過(guò)這種操作，像素信息發(fā)生了顯著的改變，對(duì)水印信息的破壞較大。f′(i，j)，f(i，j)分別表示原始地圖和含水印地圖在坐標(biāo)(i，j)處的像素值。地圖的大小為M×N。本文選擇了峰值噪聲比PSNR進(jìn)行評(píng)價(jià)，用來(lái)評(píng)價(jià)因亮度調(diào)整而導(dǎo)致水印圖像的退化程度。

從實(shí)際結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明方法同其他方法一樣，對(duì)于亮度調(diào)整引起的頻域能量衰減具有明顯的反饋，提取到的水印信息都損失較大，但從水印碎片中本文仍可通過(guò)特征提取手段獲得較為完整的初始語(yǔ)義水印信息。同時(shí)，PSNR值來(lái)看，本發(fā)明方法的水印圖像退化程度較低，基于區(qū)域劃分和重復(fù)嵌入的方式，使得方法獲得相對(duì)較優(yōu)的魯棒性。

(2)可視化分析

以圖8(a)8(b)8(c)的三幅地圖為水印載體，分別給出了原始地圖與已嵌入數(shù)字水印地圖的對(duì)照關(guān)系。

從視覺(jué)來(lái)看，嵌入了數(shù)字水印的地圖與原始地圖無(wú)論從整體上還是局部并沒(méi)有顯著的差異，水印具有較好的不可見性。

(2)嵌入率和最大誤差分析

以圖8(a)8(b)8(c)的三幅地圖為載體，將本發(fā)明方法與已有方法[1][2]中的方法進(jìn)行了水印容量、數(shù)據(jù)誤差的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)嵌入率來(lái)測(cè)試方法的性能。

從圖17的表7的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析結(jié)果如下：

本發(fā)明方法的誤差最小，無(wú)論以線、面、頂點(diǎn)為主要圖元的數(shù)字地圖，方法的引入誤差都相對(duì)最小，而其它兩種方法對(duì)地圖的結(jié)構(gòu)性特征具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。Cao的方法當(dāng)頂點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，誤差會(huì)呈現(xiàn)增大的明顯趨勢(shì)。

本發(fā)明方法的嵌入率非常穩(wěn)定，不受頂點(diǎn)圖元數(shù)量和屬性的約束，方法可以在任意頂點(diǎn)之間構(gòu)建冗余節(jié)點(diǎn)，而已有方法[1]的方法嵌入率僅能達(dá)到本發(fā)明方法的50％以下。

(3)綜合分析

為了驗(yàn)證方法的可用性，基于魯棒性分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以圖8(a)為例，對(duì)該地圖嵌入數(shù)字水印(圖9)后，進(jìn)行剪切操作，之后提取水印并進(jìn)行語(yǔ)義分析和解碼。

如圖19的表9所示，經(jīng)過(guò)二次語(yǔ)義解析之后，本發(fā)明方法能夠通過(guò)對(duì)水印W1進(jìn)行二次語(yǔ)義解析，獲得與其圖像特征相匹配的語(yǔ)義特征庫(kù)W2，從而得到相似度更高的語(yǔ)義水印信息。而其他同類方法則不具備該特征。